Tính toán lan truyền nước dằn tàu vùng biển bắc bộ

Do vậy, học viên đã lựa chọn đề tài “Tính toán lan truyền nước dằn tàu vùng biển Bắc Bộ” với mục tiêu nghiên cứu cung cấp bức tranh chung về trường dòng chảy, phân bố theo không gian v

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Thị Hoàng Mai

TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN NƯỚC DẰN TÀU

VÙNG BIỂN BẮC BỘ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2014

Trang 2

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Lê Thị Hoàng Mai

TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN NƯỚC DẰN TÀU

VÙNG BIỂN BẮC BỘ

Chuyên ngành: Hải dương học

Mã số: 60 44 02 28

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TS Đinh Văn Ưu

Hà Nội – 2014

Trang 3

Lời cảm ơn

Luận văn được hoàn thành tại Bộ môn Hải dương học, Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Họ c viên xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới GS.TS Đinh Văn Ưu- bộ môn Hải dương học- người đã định hướng, trực tiếp hướng dẫn và tận tình giúp đỡ em về nhiều mặt

Học viên xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất tới các thầy cô trong bộ môn Hải dương học đã giảng dạy, truyền thụ kiến thức cho học viên bằng tất cả sự tận tâm, sự nhiệt huyết

Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn tới các bạn cùng lớp, các đồng nghiệp

đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khóa luận Với lòng biết ơn sâu sắc, học viên xin được gửi những lời biết ơn chân thành tới gia đình, anh em, bạn bè luôn luôn đồng hành, chia sẻ, động viên, giúp đỡ học viên trên toàn bộ chặng đường đã qua

Trong quá trình thực hiện, luận văn chắc chắn không tránh khỏi có nhiều thiếu sót, vì vậy học viên rất mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn có thể hoàn thiện hơn

Hà Nội, 2014

Trang 4

ii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC HÌNH v

CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu 4

1.1.1 Nước dằn tàu (Ballast Water) 4

1.1.2 Đặc điểm quản lý nước dằn tàu trong khu vực nghiên cứu 7

1.1.3 Tổng quan về nghiên cứu nước dằn trên thế giới 9

1.1.4 Tổng quan về nghiên cứu nước dằn ở Việt Nam 12

1.1.5 Tổng quan phương pháp mô hình tính toán lan truyền 13

1.2 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 15

1.2.1 Vị trí đia lý và địa hình 15

1.2.2 Đặc điểm khí hậu 17

1.2.3 Điều kiện hải văn 19

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp 22

2.2 Phương pháp mô hình số 22

2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 21 FM và TR 22

2.2.2 Phương pháp số 25

Trang 5

iii

Chương 3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH 30

3.1 Thiết lập thông tin đầu vào cho mô hình 30

3.1.1 Số liệu đầu vào cho mô hình 30

3.1.2 Miền tính và điều kiện tính toán 33

3.2 Các tham số của mô hình 34

3.3 Các kịch bản mô phỏng 34

3.3.1 Các phương án tính toán dòng chảy 34

3.3.2 Kịch bản lan truyền nước dằn tàu 35

3.4 Kết quả tính toán của mô hình 37

3.4.1 Kết quả tính toán trường dòng chảy vịnh Bắc Bộ 37

3.4.3 Kết quả mô phỏng lan truyền nước dằn tàu 42

3.4.3 Đánh giá 61

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

Trang 6

iv

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Khả năng dằn của một số loại tàu biển 6

Bảng 2 Lượng hàng hóa thông qua cảng Hải Phòng giai đoạn 2005-2012 9

Bảng 3 Biến động nhiệt độ không khí theo mùa (0 C) 17

Bảng 4 Đặc trưng tốc độ gió trạm Hòn Dấu (m/s) 18

Bảng 5 Số lượng tàu đến cảng Hải Phòng giai đoạn 2005-2012 32

Bảng 6 Số liệu khảo sát các yếu tố môi trường trong nước dằn tàu 32

Bảng 7 Các tham số sử dụng trong mô hình 34

Bảng 8 Kết quả lan truyền nước dằn tàu theo kịch bản 1 mùa gió đông bắc 45

Bảng 11 Kết quả lan truyền nước dằn tàu theo kịch bản 1 mùa gió tây nam 54

Bảng 14 Kết quả biến đổi nồng độ theo các kịch bản mùa gió đông bắc 62

Bảng 15 Kết quả biến đổi nồng độ theo các kịch bản mùa gió tây nam 62

Trang 7

v

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Quy trình bơm, xả nước dằn tàu của tàu thuyền 5

Hình 2 Phạm vi vùng biển nghiên cứu 16

Hình 3 Sơ đồ nguyên tắc chia lưới 26

Hình 4 Địa hình và lưới tính tam giác vùng nghiên cứu 33

Hình 5 Hải trình đến cảng Hải Phòng 36

Hình 6 Phân bố rạn san hô, thảm cỏ biển và rừng ngập mặn ở khu vực phía bắc Việt Nam 36

Hình 7 Phân bố trường dòng chảy trung bình tháng 12 38

Hình 8 Trường hoàn lưu tầng mặt vịnh Bắc Bộ tháng 1 39

Hình 9 Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa đônng

(theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ (1964) 39

Hình 10 Phân bố trường dòng chảy trung bình tháng 6 40

Hình 11 Hoàn lưu tầng mặt vịnh Bắc Bộ tháng 7 41

Hình 12 Sơ đồ dòng chảy vịnh Bắc Bộ trong mùa hè

(theo Báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ (1964) 41

Hình 13 Nồng độ vật chất ban đầu trong nước dằn tàu theo kịch bản 1 (tháng 12) 42

Hình 14 Phân bố nồng độ vật chất trong nước dằn tàu sau 10 ngày

theo kịch bản 1 (tháng 12) 43

Hình 17 Trường nồng độ ban đầu theo kịch bản 2 (tháng 12) 45

Trang 8

vi

Hình 28 Phân bố nồng độ vật chất trong nước dằn tàu nước dằn tàu sau 30 ngày theo kịch bản 1 (tháng 6) 53

Hình 37 Biến đổi nồng độ tại tâm mỗi vị trí xả (tháng 12) 60

Hình 38 Biến đổi nồng độ tại tâm mỗi vị trí xả (tháng 6) 61

Trang 9

vii

CHỮ VIẾT TẮT

BOD: Biochemical Oxygen Demand - Nhu cầu Ôxy sinh hóa

BW: Nước dằn tàu (Ballast water)

BWM: Công ước quốc tế về kiểm soát, quản lý nước dằn và cặn nước dằn COD: Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học

DWT: Trọng tải tổng cộng (tấn quy đổi)

IMO: International Maritime Organization - Tổ chức hàng hải quốc tế

TEU: Đơn vị đo của hàng hóa được container hóa tương đương với một

container tiêu chuẩn 20ft (dài)x8 ft(rộng) x 8,5ft (cao) Turb: Turbidity - Độ đục

Trang 10

1

MỞ ĐẦU

Việt Nam có bờ biển trải dài 3254km từ Bắc vào Nam, vùng thềm lục địa thuộc chủ quyền rộng gấp 3 lần diện tích đất liền, nhiều vịnh kín, sông có độ sâu tương đối lớn, vị trí địa lý nằm gần với các tuyến hàng hải quốc tế, nên Việt Nam có tiềm năng rất lớn trong việc phát triển kinh tế biển Việt Nam nằm trên trục giao thông đường biển quốc tế từ Thái Bình Dương sang Ấn Độ Dương Theo thống kê của Tổ chức hàng hải quốc tế (IMO), vận tải biển vẫn là ngành chủ đạo, chiếm ưu thế tuyệt đối với khoảng 80% lượng hàng hóa (về khối lượng) trong việc trao đổi thương mại giữa các quốc gia và có mức tăng trưởng bình quân năm là 8-9% Các cảng biển có khối lượng thông qua lớn nhất đều nằm trong khu vực châu Á – Thái Bình Dương Ngành công nghiệp vận tải biển của Việt Nam cũng đã và đang được quan tâm đầu tư phát triển Hệ thống cảng biển Việt Nam hiện có khoảng hơn 100 cảng biển, trong đó có 23 cảng biển lớn có khả năng tiếp nhận tàu từ 10-20 nghìn DWT trở lên Theo số thống kê của cục hàng hải Việt Nam, năm 2011 có đến 98.901 lượt tàu ra vào các cảng Việt Nam, với trọng tải đạt 294,5 triệu tấn, trong đó, hàng container đạt 7 triệu TEUs, tàu ngoại là 17.333 lượt với trọng tải 313.082.777 DWT

Ngành vận tải biển đã có những tác động tích cực góp phần phát triển kinh tế Việt Nam nói riêng và kinh tế thế giới nói chung Tuy nhiên, hoạt động giao thông vận tải biển còn có thể dẫn tới các tác động làm ô nhiễm môi trường như: nguồn nước, không khí, do tai nạn của tàu thuyền, do hoạt động của các trang thiết bị kỹ thuật, máy móc trên các phương tiện tàu thuyền v.v đặc biệt, việc xả nước dằn tàu

từ các tàu biển còn có thể là nguồn gây ô nhiễm vi sinh và phá vỡ hệ sinh thái của các vùng biển Việt Nam

Việc sử dụng các két chứa nước để dằn như một phương pháp tối ưu để đảm bảo tính ổn định cho tàu Hàng năm, trên thế giới có khoảng 12 tỷ tấn nước dằn được sử dụng trên các tàu, cùng với khoảng gần 10.000 vi sinh vật, thực vật khác nhau có trong nước biển được luân chuyển đến các nơi trên toàn cầu Phần lớn các sinh vật được vận chuyển trong két dằn tàu đều không thể sống sót trong suốt thời gian tàu hành trình Tuy nhiên, khi sống sót được ở môi trường sống mới, những

Trang 11

2

loài sinh vật này có thể trở thành những loài xâm lấn, cạnh tranh nguồn thức ăn; ngăn cản khả năng gieo giống, tái sinh tự nhiên của loài bản địa dẫn đến làm suy thoái và tiến tới tiêu diệt luôn cả loài bản địa Đó là những thay đổi không thể phục hồi đối với hệ sinh thái bản địa và sự phát triển kinh tế - xã hội

Vùng biển và ven biển vịnh Bắc Bộ là khu vực tập trung đa đạng sinh học cao của Việt Nam, trong đó có 2 khu dự trữ sinh quyển thế giới đó là khu dự trữ sinh quyển Cát Bà và khu dự trữ sinh quyển vùng châu thổ sông Hồng Bên cạnh đó trong khu vực còn có Di sản thiên nhiên thế giới Vịnh Hạ Long, các khu bảo tồn biển đã có quyết định phê duyệt thành lập như: khu bảo tồn biển Cô Tô, khu bảo tồn biển Bái Tử Long, khu bảo tồn biển Cát Bà, khu bảo tồn biển hòn Mê, khu bảo tồn biển Cồn Cỏ Bên cạnh đó, với mạng lưới hải trình khá lớn của vùng biển bắc bộ đến hệ thống cảng biển khu vực phía bắc, đặc biệt là cảng Hải Phòng, sẽ gây nguy

cơ xâm nhập của các sinh vật lạ đối với hệ sinh thái biển của nước ta là rất lớn

Do vậy, học viên đã lựa chọn đề tài “Tính toán lan truyền nước dằn tàu vùng

biển Bắc Bộ” với mục tiêu nghiên cứu cung cấp bức tranh chung về trường dòng

chảy, phân bố theo không gian và thời gian của nước dằn tàu sau khi được xả ra khỏi các tàu theo các kịch bản khác nhau Nghiên cứu cũng sẽ góp phần để các nhà quản lý có cái nhìn cụ thể hơn trong việc quy hoạch vị trí xả nước dằn trong khu vực Luận văn sử dụng mô đun Mike 21 TR thuộc gói phần mềm MIKE của Viện Thủy lực Đan Mạch để tính toán lan truyền nước dằn tàu Cách tiếp cận chủ yếu là thống kê, phân tích tình hình, thu thập xử lý số liệu thứ cấp các tài liệu liên quan để thiết lập đầu vào, kiểm chứng và hiệu chỉnh mô hình Phạm vi khu vực nghiên cứu

là vùng biển vịnh Bắc Bộ

Nội dung nghiên cứu: (1) Nghiên cứu các tài liệu liên quan tới khu vực vịnh Bắc Bộ và đặc điểm nước dằn tàu, quy định quản lý nước dằn tàu; các thông tin, số liệu và các kết quả của các nghiên cứu, công trình khoa học và các đề tài, dự án đã tiến hành tại khu vực Xem xét phân tích các số liệu, văn bản có liên quan (2) Thu thập các số liệu cơ bản về địa hình, số liệu mực nước, trường gió; thông tin, số liệu

về nước dằn tàu (3) Xác định mô hình phù hợp với số liệu và khu vực nghiên cứu

Trang 12

3

(4) Thiết lập mô hình dựa trên các số liệu cơ bản, lựa chọn điều kiện biên và điều kiện ban đầu (5) Hiệu chỉnh và kiểm chứng mô hình (6) Mô phỏng mô hình theo các kịch bản tính toán (7) Phân tích kết quả tính toán

Phương pháp nghiên cứu: (1) Phương pháp tổng hợp thống kê; (2) Phương pháp mô hình số

Giới hạn của nghiên cứu: (1) Trong nghiên cứu này, học viên tập trung nghiên cứu sự lan truyền nước dằn tàu xả vào vùng biển vịnh Bắc Bộ Các vị trí xả được căn cứ dựa trên tuyến hàng hải (2) Do việc sử dụng mô hình hai chiều trung bình theo độ sâu để mô phỏng, cho nên việc tính toán lan truyền chỉ tính đến quá trình bình lưu- khuếch tán ngang; khuếch tán rối và thẳng đứng không được tính toán ở đây (3) Các kịch bản tính toán sử dụng dựa trên trường dòng chảy gió trung bình, không tính đến biến động mực nước và lưu lượng từ các sông

Luận văn trình bày các kết quả nêu trên và được cấu trúc gồm 5 phần :

1 Mở đầu: Giới thiệu sơ lược về mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu của luận văn

2 Chương 1: Tổng quan về nước dằn tàu và khu vực vịnh bắc bộ

3 Chương 2: Phương pháp nghiên cứu

4 Chương 3: Các kết quả tính toán

5 Kết luận

Trang 13

4

Chương 1 TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về đối tượng nghiên cứu

1.1.1 Nước dằn tàu (Ballast Water)

Thuật ngữ “Ballast” thường được dùng để chỉ bất cứ vật nặng nào đặt trong tàu mà thấp hơn trọng tâm “Ballast” cung cấp cho thân tàu sự ổn định và đảm bảo tàu có độ sâu hợp lý khi ở trong nước để hoạt động có hiệu quả và hoạt động của chân vịt cũng đạt được hiệu quả “Ballast” giúp cho tàu thuyền ổn định hơn và di chuyển an toàn hơn Điều chỉnh “Ballast” của tàu bằng cách thêm vào hoặc bỏ đi những vật liệu như cát, sỏi, đá, và nước

Dằn tàu đặc biệt quan trọng ở những tàu mang ít hay không mang hàng hóa Khi tàu đầy hàng hóa, sự ổn định của tàu chủ yếu được thực hiện bởi hàng hóa Khi tàu không có hàng hóa hoặc ít hàng hóa, do sức nổi làm sự bất ổn định của tàu tăng lên Dằn tàu là hình thức giúp thêm trọng lượng vào phần thấp hơn của tàu, làm tăng trạng thái ổn định bằng cách kéo trọng tâm xuống thấp hơn tâm đẩy nổi của sức nổi [21] Trước đây, các thủy thủ đã sử dụng dây xích và những vật liệu nặng khác như cát và các tảng đá để dằn tàu Từ sau 1870 người ta bắt đầu thay thế các vật liệu trên bằng nước, bởi vì chất lỏng sử dụng để dằn tàu thuận lợi hơn sử dụng chất rắn Đến nay, thuật ngữ “nước dằn tàu” đã được tổ chức hàng hải quốc tế (IMO) chính thức định nghĩa như sau: “nước dằn tàu” là nước được bơm lên tàu để điều chỉnh độ chúi, độ nghiêng, chiều chìm, ổn định của tàu [24]

Như đã nói trên, tàu viễn dương chỉ mang ít hay không có hàng hóa khi di chuyển trên biển, vì vậy ngay khi bắt đầu cuộc hành trình, tàu viễn dương sẽ lấy một lượng lớn nước nhằm giúp tàu có thể chìm sâu hơn dưới nước hay đến một vị trí an toàn hơn trong nước Cuối cuộc hành trình, tàu sẽ bơm nước dằn tàu này vào một cảng mới hay vùng ven biển trước khi bốc hàng hóa Nước dằn tàu cũng được đổi hay bơm ra cho mục đích khác, bao gồm điều chỉnh tàu theo đúng hướng, cải thiện tính an toàn khi đi trên biển, gia tăng hiệu quả lực đẩy, hạn chế sốc cho thân tàu Các quá trình nêu trên liên quan đến hoạt động lấy hay xả nước dằn tàu của được khái quát trong hình 1 (nguồn: CRISO Austrialia, 2008) [24]

Trang 14

5

Hình 1 Quy trình bơm, xả nước dằn tàu của tàu thuyền [15]

Thực tế hiện nay việc sử dụng nước để dằn là điều cần thiết để đảm bảo hoạt động an toàn của tàu Sức chứa nước dằn tàu phụ thuộc vào loại tàu, tải trọng và khối lượng hàng trên tàu được thể hiện ở bảng 1 Lượng nước này thường chiếm từ 30-40% trọng tải của tàu Trên thế giới hiện có khoảng trên 85.000 tàu hoạt động

và tương đương với khoảng 3 đến 5 tỷ tấn nước dằn vận chuyển bằng tàu biển hàng năm [21]

Trang 15

6

Bảng 1 Khả năng dằn của một số loại tàu biển [15]

(DWT)

Trạng thái nước dằn tàu Thông

thường (Tấn)

Phần trăm tải trọng (%)

Chất đầy (Tấn)

Phần trăm tải trọng (%)

Tàu chở xô hàng rời 250.000 75.000 30 113.000 45

Trang 16

7

trường Từ những năm 1970 nhà khoa học đã nhận thức việc xả không kiểm soát nước dằn và cặn lắng từ tàu sẽ dẫn đến việc vận chuyển các thủy sinh vật và các mầm bệnh có hại, gây ra tổn thương tới môi trường, sức khỏe con người và tài nguyên Tuy nhiên, vấn đề ảnh hưởng của các sinh vật độc hại trong nước dằn của tàu mới được IMO đề cập đến từ năm 1988 Nhằm làm giảm thiểu và ngăn ngừa ô nhiễm môi trường biển do việc vận chuyển các mầm bệnh và thủy sinh vật có hại thông qua nước dằn, năm 2004, IMO đã thông qua Công ước quốc tế về kiểm soát, quản lý nước dằn và cặn nước dằn (BWM, 2004), Công ước dự kiến sẽ có hiệu lực trong năm 2014-2016

1.1.2 Đặc điểm quản lý nước dằn tàu trong khu vực nghiên cứu

Cho đến nay, Việt Nam chưa có quy định riêng về quản lý nước dằn tàu Dựa trên Nghị định về quản lý cảng biển và luồng hàng hải số 21/2012/NĐ-CP, ngày 21 tháng 3 năm 2012 [2], có thể tóm tắt việc quản lý nước dằn tàu của Việt Nam như sau:

Thứ nhất, trước khi tàu thuyền dự kiến đến cảng, chủ tàu, người quản lý, người khai thác tàu hoặc người được ủy quyền phải gửi cho Cảng vụ hàng hải nơi tàu đến mẫu “Khai báo chung” trước khi tàu nhập cảnh [11]

Thứ hai, đối với các tàu không xả nước dằn tàu thì sẽ làm thủ tục nhập cảnh tại phao số “0” hoặc có thể tại cảng nhập cảnh theo thời gian quy định trước khi nhập cảnh

Thứ ba, đối với các tàu có xả nước dằn tàu bắt buộc phải làm thủ tục khai báo tại phao số “0” và điền vào giấy khai báo kiểm dịch y tế đối với tàu thủy, thuyền cập bến và giấy kê khai các loại nước, thực phẩm trên tàu thủy, thuyền

Như vậy, việc quản lý, kiểm soát các tàu nhập cảnh vào Việt Nam có liên quan đến nước dằn tàu mới chỉ dựa vào quy trình khai báo và ngay bản thân quy trình khai báo của Việt Nam cũng còn một số điểm không thể kiểm soát được:

Đầu tiên, vấn đề khai báo nước dằn tàu còn dựa vào tính tự giác của người vận hành tàu Nhưng tàu nào khai báo sẽ xả nước dằn tàu mới điền vào mẫu khai

Trang 17

8

báo, chính vì vậy ta không thể kiểm soát được tính trung thực khi khai báo nước dằn tàu của các tàu Hơn nữa, hiện nay chúng ta cũng chưa có bất kỳ quy định hay phương pháp nào để kiểm tra những tàu không khai báo nước dằn tàu nhưng lại xả nước dằn tàu tại cảng nhập cảnh

Tiếp theo đó, việc quản lý quy trình khai báo nước dằn tàu chưa được chặt chẽ, chỉ điền vào mẫu nước dằn tàu, thông báo cho cảng vụ hàng hải biết giờ, địa điểm sẽ xả nước dằn tàu Chúng ta không có quy định khu vực nào cho phép các tàu được phép xả nước

Nhìn chung những quy định khai báo về quản lý nước dằn tàu của Việt Nam khác hẳn các nước trên thế giới và cũng không theo quy định chung như công ước

về kiểm soát nước dằn tàu và cặn lắng của IMO [2], đó là: (1) Yêu cầu trao đổi nước ngoài khơi; (2) Không sử dụng mẫu khai báo nước dằn tàu của IMO; (3) Không yêu cầu thực hiện kế hoạch quản lý nước dằn tàu; (4) Tất cả những quy trình khai báo và cập nhật thông tin của các nước trên thế giới đều được tiến hành tự động qua chương trình quản lý được xây dựng sẵn, còn của Việt nam chỉ tiến hành thông báo qua điện thoại, gởi fax

Chính vì vậy, chúng ta không thể kiểm soát được tình hình bơm/ xả nước dằn tàu tại các cảng cũng như việc xâm lấn của các sinh vật ngoại lai vì nước dằn tàu là một trong những con đường chính cho sự di chuyển của các sinh vật lạ từ các quốc gia khác vào Việt Nam trong đó có cả các sinh vật gây hại Do đó, khả năng dự phòng, chuẩn bị hay xây dựng giải pháp xử lý hợp lý, hiệu quả và kịp thời đang là vấn đề cấp thiết cho Việt Nam trong giai đoạn hiện này

Do quy định quản lý của Việt Nam không yêu cầu các tàu khai báo lượng nước dằn, chỉ khi các tàu xả nước dằn tàu mới khai báo lượng nước dằn tàu theo tàu Vì vây, học viên chỉ thu thập được số liệu về lượng tàu nhập cảng qua các năm, không thu thập được lượng nước dằn tàu di chuyển cùng với các tàu vào hệ thống cảng Hải Phòng Chính vì vậy những kết luận sau chỉ dựa trên số lượng tàu nhập cảng vào hệ thống cảng Hải Phòng từ giai đoạn 2005 - 2012 (bảng 2)

Trang 18

cả các tàu nên vấn đề quản lý nước dằn tàu lại càng khó khăn hơn

1.1.3 Tổng quan về nghiên cứu nước dằn trên thế giới

Trên thế giới, nước dằn tàu đã được nghiên cứu dưới nhiều khía cạnh Thứ nhất, những nghiên cứu chứng minh mối nguy hiểm của những sinh vật theo nước

dằn tàu như nghiên cứu của Shushkina và Musayeva (1990) [30]; Harbison và

Volovik (1994) [23] Những nghiên cứu này đã chứng minh về tác hại của loài Mnemiopsis leidyi đã làm suy giảm số lượng các loài động vật thủy sinh đặc biệt là

cá ở sáu quốc gia khác nhau [5] Những năm cuối thập kỷ 80 của thế kỷ trước loài

Dreissena polymorpha đã phát triển vượt mức khi xâm nhập vào Great Lake (Mỹ)

làm cho hệ thống nước thành phố không thể chảy được và gây thiệt hại về kinh tế rất lớn [21]

Trang 19

10

Những nghiên cứu trên cũng chỉ ra là có nhiều loại sinh vật phù du có thể sống rất lâu trong nước dằn tàu cho đến khi nó được bơm ra tại vùng ven biển của cuối cuộc hành trình Nhiều sinh vật khác có thể sống bên ngoài khoang chứa như các loài ấu trùng hay sinh vật trưởng thành, sống trong bùn lắng ở đáy khoang hoặc bám trên thành khoang, đáy khoang Nhiều loài sinh vật phù du tạo nang, bào tử hay các giai đoạn sống khác có thể gây ra tính độc tức thời cho môi trường và có khả năng tồn tại ở trạng thái bất hoạt trong vài tuần hay vài tháng Đáng chú ý trong

số những loài này có một vài loại tảo gây độc, các nang của nó có thể tìm thấy trong bùn lắng nước dằn tàu với một số lượng đáng kể [19] Các giai đoạn sống còn lại có thể hình thành các dạng sinh vật phù du quay ngược lại vào nước dằn tàu trước khi được thải ra, hay có thể bản thân chúng sẽ vào môi trường cũng với chất bùn lắng khi thải bỏ Mật độ của các sinh vật trong nước dằn tàu và ở trong bùn lắng cũng rất

khác nhau (Smith và nnk, 1996) [29]

Thứ hai, những nghiên cứu sự ảnh hưởng từ chất lượng, nồng độ, tần xuất của các sinh vật trong nước dằn tàu đến vùng biển tiếp nhận Một trong những

nghiên cứu tiêu biểu là của K.L.S Drury năm 2007 [ 17] nghiên cứu về sự phát tán

theo không gian và thời gian của loài xâm lấn, những yếu tố ảnh hưởng đến sự thành công khi xâm lấn của những loại ngoại lai vào môi trường mới Trong nghiên cứu các học viên đã bắt đầu bằng việc xây dựng mô hình biến đổi theo thời gian; thể hiện cách phát tán trong không gian và thời gian có thể tương tác với số lượng cá thể; sau đó kết hợp các mô hình này với các mô hình xâm lấn không gian hiện có,

để minh chứng sự phân tán không gian nước dằn tàu và sự di chuyển của các loài ảnh hưởng đến sự thành công của sự xâm nhập loài ngoại lai Kết quả sử dụng mô hình có thể chứng minh rằng để làm giảm đáng kể nguy cơ xâm lược của các sinh vật ngoại lai bằng cách điều chỉnh vị trí không gian xả nước dằn tàu [17]

Thứ ba, tiếp cận động lực học, trong đó tiêu biểu là những nghiên cứu về sự lan truyền nước dằn tàu sử dụng kỹ thuật theo dõi hạt để mô phỏng các quỹ đạo đại diện chủ động và thụ động của các sinh vật trong nước dằn thải tại các vị trí xả nước dằn Một số nghiên cứu về tính toán lan truyền nước dằn tàu tiêu biểu là các

nghiên cứu của Max R.Larson, Michael G.G Foreman và nnk (2003) [25],

Trang 20

11

G Han và nnk (2007) [22], S Jaya Kumar và nnk (2010) và Mathe w G.Wells và nnk (2011) [31]

Trong nghiên cứu của các tác giả Max R.Larson và nnk (2003) [25] đã tính

toán đến lan truyền của nước dằn tàu tại cảng Vancouver, eo biển Juan de Fuca, và các vùng biển lân cận của Mỹ Mục tiêu nghiên cứu là để xác định xem cơ chế tiềm năng tồn tại để vận chuyển vật có thể có mặt khi xả nước dằn đến môi trường nước ven biển Nghiên cứu áp dụng mô hình ba chiều phần tử hữu hạn có tính đến ảnh hưởng của thủy triều, khí quyển, dòng chảy mật độ Kỹ thuật theo dõi hạt đã được

sử dụng để mô phỏng quỹ đạo đại diện của các sinh vật nước dằn chủ động và thụ động thải ra tại các địa điểm Nghiên cứu tập trung đến độ mặn của nước dằn tàu, chưa quan tâm đến nồng độ các sinh vật phù du và trầm tích [25]

G Han và nnk (2007) [22] đã nghiên cứu đặc điểm phân tán nước dằn tàu ở

được trao đổi ngoài khơi Newfoundland Nghiên cứu dựa trên một mô hình số dòng chảy biển kết hợp với mô hình theo dõi hạt Mô hình dòng chảy đại dương dựa trên các phương trình nguyên thủy phi tuyến với xấp xỉ Boussinesq và thủy tĩnh có tính đến mật độ, gió và thủy triều Mô hình mô phỏng sự phân tán, dữ liệu gió, mật độ được tính toán cho gió, mật độ trung bình tháng và sự khuếch tán ngang đồng nhất

và đẳng hướng Các kết quả của mô phỏng cơ bản được mô tả và thảo luận, liên quan đến các khu vực sinh thái nhạy cảm như các khu bảo tồn biển và ven biển các địa điểm nuôi trồng thủy sản [22]

Tác giả S Jaya Kumar và nnk (2010) [18] đã nghiên cứu sự lan truyền của

nước dằn tàu tại khu vực vịnh Kachchh, khu vực trên bờ biển phía tây của Ấn Độ, bằng cách sử dụng mô hình thủy động lực học 2 chiều Mike 21 AD Mô phỏng đã tính toán đến ảnh hưởng của thủy triều, gió Khối lượng nước dằn được xả ra tại các

vị trí khác nhau và được mô hình hóa bằng cách sử dụng phương trình bình lưu khuyếch tán [18]

Các tác giả Mathew G.Wells và nnk (2011) [31] đã nghiên cứu sự pha loãng

và phân tán của nước dằn tàu được xả ra vào cảng Goderich Nghiên cứu đã tính toán đến sự pha loãng và tỷ lệ khuếch tán của nước dằn thải trong điều kiện hoạt

Trang 21

12

động bình thường tại cảng nửa kín của Goderich, Ontario Lượng nước dằn đã được cho thêm thuốc nhuộm Rhodamine -WT và hạt đánh dấu từ tính để ước tính thời gian nước dằn tồn tại trong cảng Goderich Nghiên cứu đã tính toán đến nồng

độ nước dằn tàu được khuếch tán dựa trên nồng độ của thuốc nhuộm Thời gian lưu tại cảng sau đó được so sánh với tốc độ tăng trưởng sinh học của các loài động vật phù du, và một phần thảo luận được trình bày về tác động của tỷ lệ pha loãng như một nhân tố rất quan trọng trong việc xác định nguy cơ xuất hiện xâm lấn [31]

Tóm lại, sinh vật trong nước dằn tàu là rất đa dạng, từ vi khuẩn, thực vật phù

du, động vật phù du Những thay đổi về thời gian và cấu trúc không gian của các biến môi trường vật lý và hành vi của các sinh vật có thể ảnh hưởng đến phân phối

và sự sống còn của chúng Các nghiên cứu nêu trên đều chưa đưa được thông số sinh vật để giải quyết vấn đề tính toán lan truyền

1.1.4 Tổng quan về nghiên cứu nước dằn ở Việt Nam

Trong bối cảnh phát triển kinh tế xã hội như hiện nay của Việt Nam, việc xây dựng, quy hoạch các hải cảng đều phải tính toán đến sự xâm hại của sinh vật ngoại lai vào trong các hệ sinh thái bản địa, do đó việc tính toán lan truyền để xác định vị trí xả nước thải dằn tàu cần được quan tâm Tuy nhiên, ở Việt Nam vấn đề nghiên cứu về sinh vật ngoại lai theo nước dằn tàu còn hạn chế Dưới đây xin nêu một số nghiên cứu liên quan đến tính lan truyền nước dằn tàu như:

Trần Thiết (2007), thông qua dự án “Quản lý sinh vật ngoại lai xâm lấn qua đường tàu viễn dương”, Sở Khoa học và Công nghệ Tp Hồ Chí Minh đã thực hiện,

nghiên cứu đã khảo sát về thành phần loài đông vật phù du trong nước dằn tàu tại Việt Nam, cung cấp thông tin và cơ sở cho các cơ quan quản lý trong việc hoạch định cách thức quản lý rủi ro của việc xả bỏ nước dằn tàu từ các tàu viễn dương Tuy nhiên việc đánh giá tác hại của chúng đối với hệ sinh thái bản địa và nền kinh

tế còn gặp khó khăn [5]

Nguyễn Kỳ Phùng, Ngô Nam Thịnh, Trần Tuấn Hoàng (2009) [6] đã ứng

dụng mô hình MIKE 21 tính toán, mô phỏng lan truyền nước dằn tàu cho khu vực cảng biển Vũng Tàu phụ thuộc vào chế độ gió và dòng chảy trong của khu vực Kết

Trang 22

13

quả cho thấy, quá trình lan truyền nước dằn tàu phụ thuộc vào chế độ gió và dòng chảy trong khu vực Mùa gió đông bắc, nước dằn tàu chủ yếu lan truyền về hương tây nam, ảnh hưởng mạnh nhất đến khu vực Côn Đảo Mùa gió tây nam, vệt nước chủ yếu lan truyền về phía đông và đông bắc Khu vực ven bờ không bị ảnh hưởng của nước dằn trong cả hai thời kỳ gió mùa trên

Trần Anh Tú, Lê Đức Cường, Phạm Hải An (2012) [9] bước đầu mô phỏng

sự lan truyền nước dằn tàu ở vùng biển Nha Trang, Việt Nam Nghiên cứu đã ứng dụng mô hình Delf 3D để tính toán lan truyền nước dằn tàu một cách toàn diện theo không gian và thời gian Sau 2 ngày, nồng độ nước dằn tàu bị suy giảm đáng kể, khu vực ven bờ vịnh Văn Phong bị ảnh hưởng nhiều nhất Khu vực vịnh Nha Trang

và phía nam khu vực nghiên cứu ít chịu ảnh hưởng của nước dằn tàu Sau 4 ngày các khu vực ven bờ Khánh Hòa đều chịu ảnh hưởng của nước dằn tàu, về hàm lượng nước dằn tàu giữa các khu vực khác nhau không đáng kể Sau 20 ngày hầu nồng độ nước dằn tàu gần như bằng không

Qua các công trình nghiên cứu đã công bố, có thể thấy rằng, các nghiên cứu

về nước dằn tàu và những vấn đề liên quan còn rất ít được quan tâm ở Việt Nam Đặc biệt là việc tính toán đến sự lan truyền do nước dằn tàu ở khu vực vịnh Bắc

Bộ Vì thế, tính toán lan truyền nước dằn tàu là hướng nghiên cứu của học viên lựa chọn

1.1.5 Tổng quan phương pháp mô hình tính toán lan truyền

Ở nước ta, trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu, đánh giá và tính toán lan truyền ô nhiễm môi trường các vũng vịnh và khu vực ven biển- khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con người đã, đang được tiến hành Bên cạnh đó, những nghiên cứu về lan truyền các chất ô nhiễm ở Việt Nam đã được thực hiện tại một số khu vực Chương trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản - JICA (1995 - 1998) của Viện Tài nguyên và Môi trường biển – Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã bước đầu sử dụng phương pháp tính dòng vật chất bổ sung (Flux) và quỹ nguồn (Budget) chạy trên phần mềm chuyên dụng CABARET of LOICZ (Mỹ) để đánh giá mức độ tích tụ và

Trang 23

14

khuếch tán vật chất tại một số điểm thuộc vịnh Hạ Long Tuy nhiên, phương pháp này chưa tính toán đến quá trình khuếch tán vật chất trong không gian và chỉ giới hạn tại một số điểm nhất định

Trong một số nghiên cứu thuộc chương trình cấp Nhà nước và cấp Bộ, các đề tài đã triển khai theo hướng: đánh giá nguồn thải (như ô nhiễm biển do sông tải ra, thuộc đề tài KT.03.07 – 1996, chủ trì là GS.TS Phạm Văn Ninh), đánh giá tổn thất môi trường do các hoạt động kinh tế gây ra với vùng ven biển Những nghiên cứu này chưa thể hiện được mức độ chi tiết cao trong thủy vực nhỏ và số các biến môi trường còn hạn chế

Nhóm tác giả của Viện Tài nguyên và Môi trường biển ứng dụng bộ phần mềm Delft 3d để đánh giá hiện trạng lan truyền các chất gây ô nhiễm tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng Nghiên cứu đánh giá, dự báo được lan truyền các chất ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD), dinh dưỡng (NH4, NO3, PO4) và trầm tích lơ lửng (TSS) ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng Mô hình toán học 3 chiều là một công

cụ mạnh để có thể mô phỏng tốt các đặc điểm thủy động lực, lan truyền trầm tích lơ lửng, hữu cơ và dinh dưỡng hòa tan ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng

Tác giả Nguyễn Quốc Trinh, Nguyễn Minh Huấn, Phùng Đăng Hiếu, Dư Văn Toán [8], nghiên cứu mô phỏng lan truyền dầu trong sự cố tràn dầu trên vịnh Bắc Bộ Các tác giả đã nghiên cứu và phát triển một mô hình mô phỏng quá trình tràn dầu, trong mô hình này dầu được phân chia làm hai lớp: lớp dầu trên mặt và lớp dầu dưới mặt Quá trình trao đổi dầu giữa lớp mặt và lớp dưới mặt cũng như quá trình trao đổi dầu giữa lớp dưới mặt và đáy biển được mô phỏng chi tiết Ngoài ra, các quá trình khác ảnh hưởng tới quá trình lan truyền dầu như gió, nhiệt độ và dòng chảy cũng được tính đến thông qua kết quả của các hệ thống mô hình khác

Qua các công trình nghiên cứu đã công bố, có thể thấy rằng, các nghiên cứu

về lan truyền ô nhiễm đã và đang được các nhà khoa học quan tâm Tại khu vực vịnh Bắc Bộ, cũng đã có các công trình nghiên cứu về lan truyền ô nhiễm môi trường khu vực này tuy nhiên những nghiên cứu về lan truyền nước dằn tàu thì chưa được đề cập đến

Trang 24

N Diện tích toàn vịnh khoảng 127.600

km2 Chu vi của vịnh vào khoảng 1.950 km, chiều dài vịnh là 496 km, vịnh có chiều rộng lớn nhất là 314 km [2,8] (hình 2)

Vịnh có hai cửa, cửa thứ nhất là eo biển Quỳnh Châu-nằm giữa bán đảo Lôi Châu và đảo Hải Nam với bề rộng khoảng 19 hải lý và cửa chính của vịnh từ đảo Cồn Cỏ (Việt Nam) tới mũi Oanh Ca (đảo Hải Nam, Trung Quốc) rộng khoảng 112 hải lý Chiều dài bờ biển phía Việt Nam khoảng 763 km, phía Trung Quốc khoảng

695 km Vịnh Bắc Bộ là cửa ngõ giao lưu lớn và lâu đời của Việt Nam ra thế giới, trong đó có Trung Quốc, có tầm quan trọng đặc biệt với sự phát triển kinh tế, thương mại quốc tế cũng như bảo vệ an ninh, quốc phòng của nước ta Vịnh là nơi chứa tài nguyên thiên nhiên, đặc biệt là hải sản và dầu khí Vịnh Bắc Bộ còn là một trong những ngư trường và nguồn cung cấp hải sản quan trọng cho hai nước Việt Nam và Trung Quốc Khu vực giữa vịnh và cửa vịnh có bồn trũng sông Hồng- nơi được khảo sát có khả năng chứa dầu khí [7,8]

Bờ vịnh khúc khuỷu và có vô số đảo ven bờ, tập trung chủ yếu ở phía tây bắc ven bờ biển Việt Nam, riêng phần vịnh phía Việt Nam có khoảng 2.300 đảo Đặc biệt có đảo Bạch Long Vĩ của Việt Nam nằm gần giữa vịnh, có diện tích khoảng 2,5

km2, cách đất liền Việt Nam khoảng 110 km [13] Sự có mặt của các hệ thống đảo làm cho địa hình vịnh trở nên rất phức tạp

Trang 25

16

Hình 2 Phạm vi vùng biển nghiên cứu

Vịnh Bắc Bộ là một vịnh tương đối nông, độ sâu trung bình vào khoảng 40 - 50m, nơi sâu nhất trên 100m Khu vực có độ sâu nhỏ hơn 30m chiếm diện tích khoảng 60 % vịnh Đáy biển tương đối bằng phẳng với độ dốc nhỏ, dạng lòng chảo nghiêng về phía đông nam (phía đảo Hải Nam) Độ dốc của đáy vịnh ở phần phía bắc và phía tây vịnh nhỏ, ở phía đông và phía nam lớn hơn Diện tích đáy biển phân theo dải độ sâu không đều: diện tích nhỏ hơn 20 m là 26.080 km2

(20 %); 20 - 50 m

là 58.630 km2 (46 %); 50 - 100 m là 42.840 km2 (34 %); giữa vịnh lệch về phía đông có một rãnh sâu (70 - 80 m) chạy kéo dài lên gần bắc vịnh Sự trao đổi nước

Trang 26

17

với biển Đông thông qua rãnh này đã làm cho nhiệt độ nước tầng đáy trong vịnh không xuống dưới 170C ở phần phía bắc và 23 – 240C ở phía nam [13, 7]

1.2.2 Đặc điểm khí hậu

Khí hậu vịnh Bắc Bộ được chia thành 2 mùa: mùa đông lạnh bắt đầu từ tháng

11 đến tháng 4 năm sau, nhiệt độ không khí trung bình 13,90

C -20,30C, gió hướng bắc và đông bắc thống trị, mạnh nhất trong các tháng 12, 1 và 2; Mùa hè nóng từ tháng 5- 9 với nhiệt độ không khí trung bình năm dao động trong khoảng 260C-30,40C, gió hướng nam và đông nam chiếm ưu thế Mùa mưa ở vịnh Bắc Bộ thường trùng với mùa hè, tập trung ở tháng 7, 8 và tháng 9 chiếm trên 55% lượng mưa cả năm Lượng mưa trung bình trên vịnh đạt 1500mm, phía bờ tây mưa nhiều hơn phía

bờ đông, lớn nhất ở phía tây bắc vịnh, nhỏ nhất ở bờ tây đảo Hải Nam [14,10]

* Nhiệt độ không khí

Nhiệt độ không khí trung bình năm trong vùng biển vịnh Bắc Bộ cao hơn

200C; nhiệt độ trung bình tháng thường thấp nhất vào tháng 2 (khoảng 200

C), cao nhất vào tháng 8 (khoảng 300

C) Biên độ dao động năm của nhiệt độ trung bình tháng ở phía bắc khá lớn, phía nam khá nhỏ: tại Cô Tô là 13,60C, tại Du Lâm là 80

C Nhiệt độ thấp nhất và cao nhất ghi nhận được ở vùng ven bờ phía bắc ở Cô Tô là 4,40C (tháng 1) và 36,20C (tháng 7), ở Bạch Long Vĩ là 7,10

C (tháng 1) và 33,90C (tháng 7), Hòn Ngư là 6,90

C (tháng 1) và 39,90C (tháng 8 ) Biến động của nhiệt độ không khí theo mùa được trình bày trong bảng 3

Bảng 3 Biến động nhiệt độ không khí theo mùa ( 0

Trang 27

18

* Đặc điểm chế độ gió

Khu vực vịnh Bắc Bộ nằm trong khu vực hoạt động mạnh của gió mùa đông châu Á, các trường khí tượng như áp suất khí quyển, gió, nhiệt đô, độ ẩm không khí biến động rất lớn [14,4,7]

Chế độ gió khu vực nghiên cứu mang đặc tính mùa rất rõ rệt Mùa đông chịu

sự chi phối của hệ thống gió mùa đông bắc hoạt động mạnh từ tháng 10 - 11 đến tháng 3 - 4 năm sau; các hướng gió thịnh hành là bắc, đông bắc, đông Ngược lại, mùa hè chịu ảnh hưởng của hệ thống gió mùa tây nam biến tính khi thổi vào vịnh Bắc Bộ có các hướng chính là nam và đông nam với tần suất khá cao; gió mùa tây nam hoạt động từ tháng 4 - 5 đến tháng 9 - 10 Trong thời kỳ chuyển tiếp là tháng 3

- 4 và 10 - 11 gió thịnh hành chủ yếu là đông Nhìn chung tốc độ gió trong mùa đông bắc mạnh hơn tốc độ gió trong mùa tây nam Theo kết quả thống kê cho thấy, tốc độ gió trung bình nhiều năm ở khu vực giữa vịnh (đảo Bạch Long Vĩ) đạt xấp xỉ 6,3 m/s trong mùa gió tây nam và 7,6 m/s trong mùa gió đông bắc, trong giông và bão tốc độ gió là rất lớn [14,4]

Bảng 4 Đặc trưng tốc độ gió trạm Hòn Dấu (m/s) [14]

Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Trung Bình 4,8 4,6 4,4 4,6 5,4 5,6 6,0 4,5 4,4 4,9 4,6 4,6

Lớn nhất 24 20 34 28 40 40 40 45 45 34 24 28

* Bão và áp thấp nhiệt đới

Bão và áp thấp thường xuất hiện sớm ở khu vực vịnh Bắc Bộ từ tháng 5 đến tháng 11, khoảng thời gian xuất hiện nhiều bão nhất tập trung chủ yếu vào các tháng

7, 8 và tháng 9 Về cuối năm các cơn bão thường xảy ra ở khu vực miền trung và miền nam Trung bình hàng năm có khoảng 4 - 5 cơn bão và áp thấp nhiệt đới đi qua khu vực vịnh Bắc Bộ, tốc độ gió bão vào khoảng 25 - 30 m/s, trong bão có thể quan trắc được gió giật lên tới 50 m/s [14]

Trang 28

Mùa hè (từ tháng 6 - tháng 8) sóng có hướng đông nam và tây nam luân phiên nhau chiếm ưu thế, tổng tần suất hai hướng khoảng 60%, thời gian lặng sóng khá lớn vào khoảng 20% Độ cao sóng trung bình đạt xấp xỉ 1 m, độ cao sóng lớn nhất ghi nhận được ở vịnh Bắc Bộ có thể lên tới 6 - 7,5 m khi có bão vào giai đoạn các tháng 9 - 10 [13,14]

Tháng 4 đến tháng 5 là thời gian chuyển tiếp giữa hai mùa chính, sóng gió chuyển hướng dần từ đông bắc sang tây nam

* Thuỷ triều

Ở phía bắc vịnh thuộc các tỉnh Quảng Ninh, Hải Phòng, thuỷ triều thuộc chế

độ nhật triều thuần nhất với khoảng 25 ngày trong tháng Khu vực từ Thanh Hoá -

Hà Tĩnh thuộc chế độ nhật triều không đều, mỗi tháng có gần nửa số ngày xuất hiện hai lần nước lớn, hai lần nước ròng Phía nam vịnh thuộc chế độ bán nhật triều không đều, hầu hết các ngày trong tháng có hai lần nước lớn, hai lần nước ròng Độ cao thuỷ triều giảm dần từ bắc xuống nam Độ cao thủy triều trung bình ở phía bắc vịnh khoảng 3- 4m, ở các khu vực phía nam chỉ vào khoảng dưới 1m [13]

* Dòng chảy

Do độ sâu của biển không lớn nên hoàn lưu và các khối nước vịnh Bắc Bộ cũng có những đặc trưng riêng liên quan đến các điều kiện tự nhiên đặc thù của vịnh Hoàn lưu được hình thành chủ yếu do tác động của trường gió thịnh hành trên

Trang 29

20

mặt biển Bên cạnh đó còn có sự liên kết tương đối chặt chẽ với biển Đông, quá trình trao đổi nước qua cửa vịnh cũng gây nên tính đa dạng trong phân bố và biến động hoàn lưu mùa của vịnh

Đặc điểm quan trọng của hoàn lưu trong vịnh Bắc Bộ là sự tồn tại trong cả năm của dòng chảy ven bờ tây vịnh Điều này đã được khẳng định không những bằng các kết quả phân tích số liệu khảo sát từ những năm 1960 (báo cáo kết quả điều tra tổng hợp vịnh Bắc Bộ, 1964) mà còn được mô phỏng bằng kết quả mô hình hóa 3D (Đề tài KHCN 06-02, 2000) Bên cạnh hoàn lưu trong dạng xoáy thuận nêu trên, các kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng như mô hình hóa đều cho thấy sự hiện diện của một xoáy nghịch trên vùng biển phía bắc vịnh trong mùa hè Nguyên nhân hình thành bức tranh hoàn lưu trong mùa hè trên vịnh Bắc Bộ được mô tả trên đây có thể lý giải bằng sự phân hóa về hướng gió trên vịnh do hoạt động kết hợp của áp thấp bắc Đông Dương và dải hội tụ nhiệt đới Với hướng gió thịnh hành đông nam từ Bạch Long Vĩ đến Hải Phòng, Quảng Ninh, sự hình thành hai xoáy đối lập nằm hai phía bắc và nam hoàn toàn khẳng định vai trò của gió trong mùa hè Trong mùa đông, sự xâm nhập của dòng chảy Biển Đông góp phần làm tăng cường dòng chảy đi về phía nam ven bờ tây vịnh [14] Dòng này trong thời kỳ mùa đông

có cường độ mạnh hơn so với mùa hè do phù hợp với hướng gió mùa đông bắc Đây cũng là dòng chảy chính và tương đổi ổn định trong hệ thống hoàn lưu lớp mặt vịnh Bắc Bộ Cũng như vậy, ven bờ tây đảo Hải Nam thường xuyên tồn tại dòng chảy dọc bờ hướng xuống phía nam Dòng này có quy mô nhỏ hơn và tính ổn định kém hơn so với dòng chảy dọc bờ tây vịnh Tại khu vực cửa vịnh thường tồn tại xoáy nhỏ ngược chiều kim đồng hồ Quy mô và vị trí tương đối của xoáy này thay đổi theo mùa phụ thuộc vào ảnh hưởng của hoàn lưu lớp mặt Biển Đông [14,4]

Các yếu tố hóa lý

Nhiệt độ và độ muối nước biển

– Mùa đông: Vùng nước lạnh có nhiệt độ dưới 22,50

C chiếm phần lớn vịnh với xu thế chung là phía bắc lạnh, vùng ven bờ nhiệt độ tầng mặt khoảng 16,50

C - 19,50C, độ muối khoảng 33,0 - 34,0 ‰, càng xuống phía nam càng ấm hơn Do ảnh

Trang 30

21

hưởng của dòng chảy lạnh tầng mặt đi từ phía bắc xuống phía nam men theo bờ tây vịnh, các đường đẳng nhiệt có hướng đông bắc - tây nam [12]

– Mùa hè: trên phần lớn vịnh, trung bình nhiều năm nhiệt độ nước tầng mặt

khá cao, dao động từ 27,50C đến trên 29,50C, cao nhất ở khu vực phía bắc và tây bắc, thấp nhất ở vùng cửa vịnh Giá trị trung bình nhiều năm độ muối nước biển giảm từ 34‰ xuống dưới 32,6 ‰ theo hướng tây bắc từ cửa vịnh vào bờ [12]

Trị số pH [14,12]

Nước biển ngoài khơi vịnh Bắc Bộ mang đặc trưng kiềm yếu, có trị số pH khá ổn định trong khoảng 8,00 đến 8,40 Tuy nhiên, tại nửa phía tây vịnh, nhất là các khu vực cửa sông và lân cận, tính chất kiềm yếu vẫn được bảo toàn song trị số

pH nước biển có sự dao động lớn hơn (trong khoảng 7,2 đến 8,3) Đặc điểm này có liên quan chặt chẽ với quy mô và cường độ quá trình tương tác biển - lục địa, theo

đó khối nước ngọt lợ có pH thấp từ các cửa sông đổ ra lan ra hầu khắp vùng biển ven bờ Điều này cũng đã làm pH nước biển ven bờ phía bắc vịnh thường nhỏ hơn khu vực phía nam Theo độ sâu, xu thế pH giảm thể hiện ở hầu hết các khu vực khác nhau trên vịnh Tuy nhiên do đặc trưng xáo trộn thẳng đứng theo mùa ở vùng biển nông mà trong mùa đông sự phân tầng pH thể hiện không rõ

Biến đổi mùa của pH nước biển khơi vịnh Bắc Bộ thể hiện quy luật mùa hè cao, mùa đông thấp tùy thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ nước trong các mùa Tuy nhiên, do nhiều quá trình chi phối nên có nhiều nơi, nhất là khu vực biển ven bờ đặc điểm này thể hiện không rõ dẫn đến trong năm pH có thể có nhiều cực trị

Trang 31

22

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong luận văn này học viên đã sử dụng hai phương pháp chính: (1) phương pháp phân tích và tổng hợp do Vịnh Bắc Bộ là một khu vực đã có khá nhiều đo đạc, khảo sát, nghiên cứu; mặt khác, nước dằn tàu và quản lý nước dằn tàu là một vấn đề mới của Việt Nam Do vậy, việc sử dụng phương pháp phân tích và tổng hợp là cần thiết (2) Phương pháp mô hình số: Trong nghiên cứu này, đối tượng nghiên cứu là lan truyền nước dằn tàu được mô hình hóa trên cơ sở mô hình Mike 21 FM và TR

2.1 Phương pháp phân tích và tổng hợp

Phân tích các tài liệu liên quan tới khu vực vịnh Bắc Bộ và đặc điểm nước dằn tàu, quy định quản lý nước dằn tàu; các thông tin, số liệu và các kết quả của các nghiên cứu, công trình khoa học và các đề tài, dự án đã tiến hành tại khu vực

Tổng hợp xử lý các số liệu cơ bản về địa hình, số liệu mực nước, trường gió,

số liệu về nước dằn tàu

2.2 Phương pháp mô hình số

2.2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình Mike 21 FM và TR

Mô hình dòng chảy MIKE 21 FM là gói công cụ trong bộ phần mềm DHI được xây dựng bởi Viện Thủy lực Đan Mạch, đây là mô hình tính toán dòng chảy hai chiều không đều trong một lớp chất lỏng đồng nhất theo phương thẳng đứng Mô hình được áp dụng cho vùng cửa sông, ven biển, vùng biển khơi và trong sông

Mô đun dòng chảy được xây dựng dựa trên phương pháp lưới phần tử hữu hạn Mô đun này được phát triển bằng việc tìm nghiệm số của hệ các phương trình Navier-Stokes hai chiều trung bình Reynolds cho chất lỏng không nén được, kết hợp với giả thiết Boussinsq và giả thiết về áp suất thuỷ tĩnh Do đó, mô đun bao gồm các phương trình: phương trình liên tục, phương trình động lượng, phương trình truyền nhiệt, phương trình bảo toàn muối và mật độ Hệ các phương trình này được khép kín bởi sơ đồ khép kín rối

Trang 32

Phương trình động lượng theo phương x và y tương ứng

Trong đó: t là thời gian; x, y là toạ độ Đề các;  là dao động mực nước; d là

độ sâu tĩnh (trung bình); h là độ sâu tổng cộng; u, v là thành phần vận tốc theo

phương x, y; f=2sin là tham số Coriolis ( là vận tốc góc của Trái đất,  là vĩ độ địa lý); g là gia tốc trọng trường;  là mật độ nước; sxx, sxy, syx, syy là thành phần

tenso ứng suất bức xạ sóng; pa là áp suất khí quyển; ρ o là mật độ quy chuẩn của

nước; S là độ lớn của lưu lượng do các điểm nguồn và (us ,v s ) là vận tốc tại đó nước

đi vào miền tính Txx, Txy, Tyy các thành phần ứng suất ngang

Chỉ số gạch ngang ở trên biểu thị các giá trị các thành phần vận tốc trung bình theo độ sâu, được xác định bởi:

s x s

x

gh x

p h x gh h v f y

uv h x

u h t

u

h

s xy

xx xy

xx

bx sx a

1

2

0

0 0 0

2

0 2

s x s

y

gh y

p h y gh h u f y

v h x

uv h t

v

h

s yy xy

yy yx

by sy a

1

2

0

0 0 0

2 0

v h x

u h t

Trang 33

24

Thành phần ứng suất ngang Tij bao gồm ma sát nhớt phân tử và ma sát rối Chúng được đánh giá bằng cách sử dụng công thức nhớt rối dựa trên chênh lệch vận tốc trung bình theo độ sâu Trong đó, A là hệ số nhớt rối theo phương ngang

x

u A

T yy



Phương trình biến đổi và lan truyền cho đại lượng vô hướng

Các phương trình biến đổi và lan truyền đại lượng vô hướng tích phân theo độ sâu có dạng:

S hC C hk hF y

C v x

C u t

C h

s p

Ứng suất đáy

Ứng suất đáy b bx,by được xác định theo định luật ma sát bậc hai

b b f b

u u



0

Trong các tính toán hai chiều là vận tốc trung bình theo độ sâu và hệ số

ma sát đáy có thể được xác định từ số Chezy (C) hay số Manning (M):

Trang 34

với a là mật độ không khí, c d là hệ số cản của không khí và uw u w,v w là vận tốc gió ở độ cao 10m so với mực nước biển Vận tốc ma sát có liên quan tới ứng suất bề mặt thông qua công thức sau:

u c

Hệ số cản (ma sát) có thể là hằng số hay phụ thuộc vào vận tốc gió Wu (1980, 1994) đã đưa ra công thức thực nghiệm để tham số hoá hệ số cản:

(2.13)

trong đó ca , c b , w a và wb là các nhân tố thực nghiệm và w 10 là vận tốc gió ở độ cao

10m so với mực nước biển Các giá trị mặc định đối với các nhân tố thực nghiệm là

c a =1,255.10 -3 ; c b =2,425.10 -3 ; w a =7m/s và w b =25m/s Các số này cho kết quả rất tốt

đối với vùng biển hở

2.2.2 Phương pháp số

2.2.2.1 Rời rạc hóa miền không gian [27]

Miền tính được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn Theo phương pháp này, miền tính toán được chia nhỏ thành các phần tử liên tục dưới dạng các ô lưới Trong không gian hai chiều, vùng tính toán có thể được rời rạc hóa thành từng phần tử dạng đa giác tùy ý như tứ giác hoặc tam giác Tuy nhiên ở đây chỉ xét các phần tử dạng tam giác

b w w

a w

a w w

a w b w

a c b c

Trang 35

26

Hình 3 Sơ đồ nguyên tắc chia lưới

Đối với phương trình nước nông

Công thức tổng quát của hệ các phương trình nước nông hai chiều có thể được viết như sau:

 U S U F

F F x

F F t

I y v

x I

Trong đó, các chỉ số I và V biểu hiện tương ứng là thông lượng không nhớt

(đối lưu) và thông lương nhớt, và

u hA

x

u hA

2

1

d h g v

h

v u

v h

x

v y

u hA

F y V

2 0

Trang 36

yx a

s bx sx sy

xx a

hv y

s x

s y

gh y

h h u f x

d g

hu y

s x

gh x

h h v f x

d

g

S

0 0 0

0 2 0

0 0 0

0 2 0

1 2

Tích phân phương trình (2.14) trên ô lưới thứ i và sử dụng định lý Gauss để

viết lại tích phân thông lượng như sau:

(2 17)

trong đó Ai là diện tích của phần tử;  là biến tích phân xác định trên A i; i là biên

của phần tử thứ i và ds là biến tích phân dọc theo biên; n là véc tơ pháp tuyến đơn vị

hướng ra ngoài biên Các tích phân được tính bằng phương pháp cầu phương đơn điểm, điểm cầu phương là điểm trọng tâm của phần tử, và tích phân biên được tính dựa trên phép cầu phương tâm điểm, khi đó phương trình 2.17 được viết lại:

S A

U

i NS

j i

Trong trường hợp 2D phép xấp xỉ Riemann của Roe (Roe,1981) [28] được sử dụng để tính toán thông lượng đối lưu tại mặt phân cách của các phần tử Sử dụng phép giải Roe để ước lượng cho các biến phụ thuộc phía bên trái và bên phải của giao diện Độ chính xác bậc hai theo không gian đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật tái cấu trúc gradient tuyến tính Các giá trị gradient trung bình được ước lượng

thông qua phép giải của Jawahar và Kamth, 2000

Đối với phương trình vận chuyển [27]

Phương trình vận chuyển phát sinh trong mô hình muối và nhiệt độ, mô hình rối và mô hình vận chuyển chung Chúng được mô tả dưới dạng thức chung của

Trang 37

28

phương trình trong hệ tọa độ Đề-các Các phương trình vận chuyển có dạng tổng quát như 2.14, trong đó:

2.2.2.2 Tích phân theo thời gian

Các phương trình tổng quát được viết:

)

(U

G t

U 



(2.20) Trong mô phỏng 2D, có hai phương pháp giải cho tích phân theo thời gian đối với hệ phương trình nước nông và phương trình truyền tải: Phương pháp bậc thấp và phương pháp bậc cao Phương pháp bậc thấp là phương pháp Euler hiện bậc một

Với t là bước thời gian Phương pháp bậc cao hơn là sử dụng phương pháp Runge Kuuta bậc hai có dạng:

) ( 2 1

2

) (

2 1

U 

(2.19)

x

c h

S kp  Cs

Trang 38

29

Biên mở

Điều kiện biên mở có thể được xác định dưới cả dạng là lưu lượng hoặc dao động mực nước cho các phương trình thủy động lực Với các phương trình truyền tải Các giá trị tại biên có thể là hằng số hoặc là chuỗi giá trị biến đổi theo thời gian hoặc chuỗi giá trị biến đối theo cả thời gian và không gian dọc theo biên

Điều kiện khô và ướt

Các giải pháp xử lý các vấn đề về biên di động (front khô và ướt) dựa trên các nghiên cứu của Zhao và cộng sự (1994) và Sleigh và cộng sự (1998) Khi các trường độ sâu nhỏ, vấn đề xảy ra là các phần tử được loại bỏ từ việc tính toán Công thức tính toán được xây dựng lại bởi sự giảm thông lượng động lượng tới giá trị không và chỉ tính toán tới thông lượng khối lượng

Độ sâu của mỗi phân tử biến đổi và các phần tử được sắp xếp thành các loại khô, bán khô, ướt Khi đó bề mặt các phần tử được kiểm tra để xác định các điều kiện biên ướt

Bề mặt của môt phân tử được xác định là ngập nếu thỏa mãn hai tiêu chuẩn: thứ nhất, độ sâu nước tại một cạnh của bề mặt phải nhỏ hơn độ sâu tới hạn khô hdry ,

và độ sâu nước ở cạnh khác của bề mặt lớn hơn độ sâu tới hạn ngập hflood Thứ hai,

độ sâu tổng cộng của nước tĩnh tại cạnh có độ sâu nhỏ hơn hdry và mực nước bề mặt tại cạnh khác đều phải lớn hơn giá trị 0

Một phần tử được gọi là khô nếu độ sâu nước nhỏ hơn độ sâu giới hạn khô

hdry và không một cạnh nào bị ngập Phần tử này bị loại ra khỏi miền tính toán

Một phần tử xem như là ngập một phần nếu độ sâu nước lớn hơn hdry và nhỏ hơn độ sâu giới hạn ướt, hoặc khi độ sâu nhỏ hơn hdry và một trong số các cạnh khác

là biên ngập nước Trong trường hợp này thông lượng động lượng bằng không và chỉ có thông lượng động lượng được tính

Độ sâu ướt hwet phải lớn hơn độ sâu khô giới hạn hdry và độ sâu giới hạn ngập

hflood, được xác định theo điều kiện hdry < hflood < hwet

Định dạng
Số trang	77
Dung lượng	4,48 MB