NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN, BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ HẢI ĐẢO

5 CHƯƠNG I: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRONG CÁC CHƯƠNG TRÌNH, ĐỀ TÀI, DỰ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC BIỂN

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TỔNG CỤC BIỂN VÀ HẢI ĐẢO VIỆT NAM VIỆN NGHIÊN CỨU BIỂN VÀ HẢI ĐẢO

BÁO CÁO TỔNG HỢP NHIỆM VỤ THƯỜNG XUYÊN NĂM 2018

TÊN NHIỆM VỤ “NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN,

BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ HẢI ĐẢO”

Hà Nội, 2018

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TỔNG CỤC BIỂN VÀ HẢI ĐẢO VIỆT NAM VIỆN NGHIÊN CỨU BIỂN VÀ HẢI ĐẢO

BÁO CÁO TỔNG HỢP NHIỆM VỤ THƯỜNG XUYÊN NĂM 2018

TÊN NHIỆM VỤ “NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN VÀ VẬN

CHUYỂN BÙN CÁT PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN,

BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ HẢI ĐẢO”

CHỦ NHIỆM NHIỆM VỤ

ThS Lê Đức Dũng

ĐƠN VỊ THỰC HIỆNVIỆN NGHIÊN CỨU BIỂN VÀ HẢI ĐẢO

VIỆN TRƯỞNG

TS Nguyễn Lê Tuấn

Hà Nội, 2018

DANH SÁCH CÁC CÁ NHÂN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

Những người trực tiếp tham gia thực hiện đề tài

Những người gián tiếp tham gia thực hiện đề tài

1 TS Nguyễn Lê Tuấn

2 PGS TS Phùng Đăng Hiếu

3 TS Nguyễn Thị Thu Hà

4 CN Đinh Ngọc Quy

MỤC LỤC

DANH MỤC VIẾT TẮT 1

MỞ ĐẦU 3

1 Căn cứ cơ sở pháp lý 3

2 Mục tiêu, phạm vi 3

2.1 Mục tiêu 3

2.2 Phạm vi 3

3 Nội dung, sản phẩm 3

3.1 Nội dung 3

3.2 Sản phẩm 4

4 Kế hoạch thực hiện 4

5 Kinh phí thực hiện 5

6 Thời gian thực hiện 5

CHƯƠNG I: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRONG CÁC CHƯƠNG TRÌNH, ĐỀ TÀI, DỰ ÁN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC BIỂN TẠI VIỆT NAM 6

1.1 Tổng hợp, phân tích và đánh giá hiện trạng sử dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển 6

1.1.1 Ý nghĩa nghiên cứu chất lượng nước biển ven bờ 6

1.1.2 Sự phát triển của các mô hình chất lượng nước mặt 8

1.1.3 Phân loại mô hình chất lượng nước 11

1.1.4 Xu hướng phát triển mô hình chất lượng nước 12

1.1.5 Hiện trạng sử dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển tại Việt Nam 14

1.2 Tổng hợp, phân tích và đánh giá hiện trạng sử dụng mô hình tính toán vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu khoa học biển 18

1.2.1 Ý nghĩa của nghiên cứu vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu khoa học biển 18

1.2.2 Hiện trạng sử dụng mô hình tính toán vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu khoa học biển 19

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ CÁC BẤT CẬP TRONG VIỆC ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT

LƯỢNG NƯỚC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT 30

2.1 Mô hình tính toán chất lượng nước 30

2.1.1 Mô hình SWAT 30

2.1.2 Mô hình WASP 32

2.1.3 Mô hình Mike11 33

2.1.4 Mô hình QUALs 33

2.1.5 Mô hình HSPF 35

2.1.6 Mô hình EFDC 35

2.1.7 Mô hình Mike ECO Lab 36

2.2 Mô hình tính toán vận chuyển bùn cát 37

2.2.1 NOPP Community Sediment Transport Model (ROMS) 41

2.2.2 Mô hình DELFT3D 42

2.2.3 Mô hình ECOM-SED 45

2.2.4 Mô hình SEDTRANS 45

2.2.5 Mô hình Mike 21 47

2.3 Phân tích, đánh giá ưu điểm, nhược điểm và các bất cập trong việc ứng dụng mô hình tính toán chất lượng nước và vận chuyển bùn cát 50

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG QUY TRÌNH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN, BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG BIỂN VÀ HẢI ĐẢO 53

3.1 Sơ đồ quy trình ứng dụng mô hình toán chất lượng nước biển và vận chuyển bùn cát 54

3.2 Quy trình chi tiết ứng dụng mô hình toán chất lượng nước biển và vận chuyển bùn cát 55

3.2.1 Thu thập dữ liệu 55

3.2.2 Tổng hợp, phân tích và xử lý dữ liệu 56

3.2.3 Lựa chọn mô hình toán 56

3.2.4 Thiết lập điều kiện biên 57

3.2.5 Thiết lập điều kiện ban đầu 57

3.2.6 Thiết lập các thông số mô hình cơ bản 58

3.2.7 Hiệu chỉnh và xác định bộ thông số mô hình 58

3.2.8 Kiểm định và đánh giá mức độ tin cậy của mô hình 59

3.2.9 Xây dựng và tính toán các kịch bản 60

3.2.10 Lập báo cáo kết quả tính toán 61

CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG QUY TRÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN KHU VỰC VỊNH ĐÀ NẴNG 62

4.1 Thu thập dữ liệu 62

4.2 Tổng hợp, phân tích và xử lý dữ liệu 62

4.3 Thiết lập mô hình toán 63

4.3.1 Lựa chọn mô hình tính toán 63

4.3.2 Thiết lập mô hình khu vực tính toán 65

4.4 Thiết lập điều kiện biên 66

4.5 Thiết lập điều kiện ban đầu 67

4.6 Thiết lập các thông số mô hình cơ bản 67

4.7 Hiệu chỉnh và xác định bộ thông số mô hình 69

4.7.1 Hiệu chỉnh mô hình mực nước 70

4.7.2 Hiệu chỉnh mô hình chất lượng nước 72

4.8 Kiểm định và đánh giá mức độ tin cậy của mô hình 76

4.8.1 Kiểm định mô hình mực nước 76

4.8.2 Kiểm định mô hình chất lượng nước 78

4.9 Xây dựng và tính toán các kịch bản 79

4.9.1 Kịch bản 1: Ô nhiễm môi trường nước vịnh Đà Nẵng do nước thải sinh hoạt, nước thải từ các khu công nghiệp và khu chế xuất gây ra 79

4.9.2 Kịch bản 2: Ô nhiễm do dầu tràn trên vịnh Đà Nẵng 80

4.10 Lập báo cáo kết quả tính toán 80

4.10.1 Kết quả tính toán rủi ro ô nhiễm DO 80

4.10.2 Kết quả tính toán rủi ro ô nhiễm BOD5 82

4.10.3 Kết quả tính toán rủi ro ô nhiễm Coliform 84

4.10.4 Kết quả tính toán rủi ro ô nhiễm TSS 86

4.10.5 Kết quả tính toán rủi ro ô nhiễm dầu tràn 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC VIẾT TẮT APEX Agricultural Policy/Environmental eXtender Model

BOD Biochemical Oxygen Demand

CGIAR Consultative Group for International Agricultural Research

DSSAT Decision Support System for Agrotechnology Transfer ECOMSED Estuarine and Coastal Ocean Model System with Sediments

EFDC Enviromental Fluid Dynamics Code

EPA Environmental Protection Agency

GUI Graphical User Interface

HSPF Hydrological Simulation Progam-Fortran

ISRIC International Soil Reference and Information Centre

Mike 21 NSW Nearshore Spectral Wave Module

Mike 21 PMS Parabolic Mild-Slope Wave Module

ROMS Regional Ocean Modeling System

SWAN Simulating WAves Nearshore

SWAT Soil and Water Assessment Tool

SWMM Storm Water Management Model

USEPA United States Environmental Protection Agency

WASP Water Quality Analysis Simulation Program

TTLL Trầm tích lơ lửng

RS Remote Sensing Geographic

GIS Geographic Information System

GPS Global Position System

ĐHKHTN Đại học Khoa học Tự nhiên

Viện KTTV và

MT

Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường

AD Module tải khuếch tán

Ecolab Module sinh thái

MỞ ĐẦU

1 Căn cứ cơ sở pháp lý

Căn cứ Luật Khoa học và Công nghệ ngày 18 tháng 6 năm 2013

Căn cứ Nghị định số 08/2014/NĐ-CP ngày 27 tháng 01 năm 2014 của Chính phủ quy định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều của Luật khoa học và công nghệ

Căn cứ Thông tư liên tịch số 121/2014/TTLT-BTC-BKHCN ngày 25 tháng 8 năm 2014 của Bộ trưởng Bộ Tài chính và Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ hướng dẫn xây dựng dự toán, quản lý, sử dụng và quyết toán kinh phí thực hiện nhiệm vụ thường xuyên theo chức năng của tổ chức khoa học và công nghệ công lập

Căn cứ Công văn số 4079/BKHCN-TCCB ngày 06 tháng 11 năm 2014 của

Bộ Khoa học và Công nghệ về việc xây dựng dự toán, quản lý, sử dụng và quyết toán kinh phí thực hiện nhiệm vụ thường xuyên theo chức năng của tổ chức khoa học và công nghệ công lập

Căn cứ Quyết định số xxx/QĐ-BTNMT của Bộ trưởng Bộ Tài nguyên và Môi trường về việc phê duyệt nội dung, dự toán kinh phí các nhiệm vụ thường xuyên theo chức năng cho các tổ chức khoa học và công nghệ năm 2018

2 Mục tiêu, phạm vi

2.1 Mục tiêu

Mục tiêu chính của nhiệm vụ là: Xây dựng được quy trình ứng dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển và vận chuyển bùn cát phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên, bảo vệ môi trường biển và hải đảo

án nghiên cứu khoa học biển;

- Phân tích, đánh giá ưu nhược điểm và các bất cập trong việc ứng dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển và vận chuyển bùn cát;

- Xây dựng quy trình ứng dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển và vận chuyển bùn cát phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên, bảo vệ môi trường biển và hải đảo

3.2 Sản phẩm

Báo cáo xây dựng quy trình ứng dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển và vận chuyển bùn cát phục vụ quản lý tổng hợp tài nguyên, bảo vệ môi trường biển và hải đảo

Thời gian (bắt đầu, kết thúc)

Cá nhân,

tổ chức thực hiện

Dự kiến kinh phí (triệu đồng)

và đánh giá hiện trạng

1/2018- 5/2018

Nhóm thực hiện nhiệm

6/2018- 8/2018

Nhóm thực hiện nhiệm

hợp tài nguyên, bảo vệ

môi trường biển và hải

đảo

Đề xuất quy trình ứng dụng

mô hình

9/2018- 10/2018

Nhóm thực hiện nhiệm

11/2018- 12/2018

Nhóm thực hiện

- 01 bài báo đăng trên tạp trí trong nước hoặc kỷ yếu hội thảo toàn văn

Tổng số (nghìn đồng)

Trong đó

Tiền lương

Các khoản đóng góp theo lương*

Nguyên, vật liệu, năng lượng

Sửa chữa, duy

tu, bảo dưỡng, bảo trì, kiểm định, hiệu chuẩn

Chi khác

NỘI DUNG THỰC HIỆN

CHƯƠNG I: TỔNG HỢP, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT LƯỢNG NƯỚC BIỂN VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT TRONG CÁC CHƯƠNG TRÌNH, ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

NGHIÊN CỨU KHOA HỌC BIỂN TẠI VIỆT NAM 1.1 Tổng hợp, phân tích và đánh giá hiện trạng sử dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển

1.1.1 Ý nghĩa nghiên cứu chất lượng nước biển ven bờ

Với 3260 km bờ biển, Việt Nam được biết đến là một quốc gia biển với những lợi thế quan trọng về vị trí đặc biệt, địa kinh tế, địa chiến lược và lợi thế

to lớn về tiềm năng tự nhiên Nhưng cũng như các vùng ven biển khác trên thế giới, các hoạt động hướng ra biển, với những áp lực phát triển kinh tế biển sẽ làm cho diễn biến môi trường biển và hải đảo Việt Nam ngày càng trở nên phức tạp Môi trường ven biển Việt Nam đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng với mức độ ngày càng tăng từ các nguồn:

- Ô nhiễm do áp lực gia tăng dân số và phát triển đô thị vùng ven biển: Sự gia tăng dân số vùng ven biển làm tăng lượng chất thải từ hoạt động dân cư ven biển đổ ra môi trường và thải đổ vào biển qua hệ thống sông ngòi, kênh rạch Lượng chất thải này tăng mạnh nhất ở các đô thị ven biển

- Ô nhiễm từ hoạt động hàng hải: Đặc biệt là ô nhiễm do nước thải từ các phương tiện vận tải, nhà máy đóng mới và sửa chữa tàu biển, cảng biển, các vụ

va chạm tàu thuyền trên biển làm tràn hóa chất, dầu, các chất độc hại…

- Ô nhiễm từ diện tích nuôi trồng thủy hải sản gia tăng làm ô nhiễm nước vùng ven bờ do thức ăn và thuốc kháng sinh dư thừa trong quá trình nuôi, việc

sử dụng các hóa chất độc hại vào việc đánh bắt hải sản cũng làm gia tăng mức

độ ô nhiễm này

- Ô nhiễm từ ngành khai khoáng: do nước thải ở các mỏ than, lượng nước thải từ các khu vực khai thác than, lượng chất thải rắn trong quá trình khai thác than khoảng 150 triệu m3/năm; do khai thác dầu khí: nguy cơ tràn dầu trong quá trình khai thác, sang tải, vận chuyển dầu và ô nhiễm các chất độc hại

- Ô nhiễm nước thải khu vực ven biển, trong đó hoạt động du lịch là nguồn đóng góp chính, chiếm 1/4 tổng lượng nước thải toàn quốc

Thực hiện chiến lược xây dựng Việt Nam trở thành một quốc gia mạnh về biển, làm giàu từ biển, nghị quyết số 09-NQ/TW ngày 09 tháng 02 năm 2007 của Hội nghị lần thứ tư Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa X đã xác định năm lĩnh vực được lựa chọn ưu tiên trong chiến lược biển bao gồm: (1) Khai thác, chế biến dầu, khí; (2) Kinh tế hàng hải; (3) Khai thác và chế biến hải sản; (4) Du lịch biển và kinh tế hải đảo; (5) Xây dựng các khu kinh tế, các khu công nghiệp tập trung và khu chế xuất ven biển gắn với phát triển các khu đô thị ven biển Tính đến năm 2010, Việt Nam đã có 13 khu kinh tế ven biển và mục tiêu đặt ra đến năm 2020, các khu kinh tế ven biển trên cả nước đóng góp từ 53% - 55% GDP quốc gia và 55% - 60% tổng kim ngạch xuất khẩu Điều đó cho thấy vai trò hết sức quan trọng của khu kinh tế ven biển nói riêng và vai trò quan trọng của biển đảo nói chung đối với sự phát triển kinh tế - xã hội đất nước Theo Chiến lược khai thác, sử dụng bền vững tài nguyên và bảo vệ môi trường biển đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030: “Chất lượng nước ven biển, vùng cửa sông, ngoài khơi nói chung còn tốt, đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản phục vụ phát triển kinh tế - xã hội ven biển Các hệ sinh thái đặc thù như hệ sinh thái đảo, cồn cát, đất ngập nước, cửa sông, đầm nuôi thủy sản, rạn san hô, cỏ biển, rừng ngập mặn, đầm phá, tùng, áng, vũng - vịnh, vùng triều, đáy cứng, đáy mềm thủy vực v.v tạo nên nét đa dạng, phong phú của biển Việt Nam Đây là những hệ sinh thái có giá trị kinh tế, giá trị bảo tồn được ghi nhận, góp phần đưa nước ta trở thành một trong những trung tâm đa dạng sinh học của thế giới” Mặc dù còn nhiều thông số nằm trong giới hạn cho phép nhưng môi trường biển đang dần suy thoái, bảo vệ môi trường biển đã trở thành vấn đề cấp bách từ lãnh đạo, chính quyền cho đến người dân

Công tác bảo vệ môi trường biển trong những năm qua đã được Ðảng và Nhà nước ta quan tâm, thông qua việc ban hành các chủ trương, chính sách, văn bản quy phạm pháp luật từ cấp Trung ương đến địa phương Một trong những nhóm nội dung định hướng khai thác, sử dụng bền vững tài nguyên và bảo vệ môi trường biển là “Phát triển năng lực dự báo, cảnh báo thiên tai, tác động của biến đổi khí hậu trên các vùng biển” phục vụ cho công tác quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế biển nhằm giảm thiểu tác động xấu đối với môi trường biển và tăng hiệu quả kinh tế biển Đáp ứng yêu cầu này, những nghiên cứu nhằm đóng

góp luận cứ khoa học trong hoạt động dự báo, cảnh báo trong kiểm soát ô nhiễm ngăn ngừa suy thoái môi trường biển là rất cần thiết Trong đó, việc nghiên cứu, ứng dụng hiệu quả các công cụ mô phỏng, dự báo môi trường biển nói chung và

dự báo, đánh giá diễn biến chất lượng nước biển ven bờ nói riêng được coi là nhiệm vụ hàng đầu Các kịch bản dự báo là cơ sở cho những nghiên cứu, đánh giá về:

- Hiện trạng nguồn thải gây ô nhiễm và diễn biến của quá trình lan truyền ô nhiễm nước của dải ven biển, ảnh hưởng của chúng tới môi trường, tới đa dạng sinh học, theo quy hoạch phát triển kinh tế xã hội của vùng nghiên cứu

- Sự tương tác của các yếu tố thủy văn, thủy lực, triều tới diễn biến chất lượng nước của dải ven biển

Các kết quả nghiên cứu đánh giá và xây dựng mô hình số dự báo diễn biến chất lượng nước cũng sẽ là một thông tin tham khảo quan trọng cho các nhà quản lý trong việc giải quyết các vấn đề về chất lượng nước biển ven bờ và các nguồn tài nguyên ven biển có tính chất liên ngành, liên vùng, xác định các vị trí quan trắc, các điểm đo đạc phục vụ cho việc kiểm soát ô nhiễm một cách tối ưu trong hiện tại và lâu dài và việc chuẩn hóa mô hình để áp dụng có hiệu quả các

mô hình đang được sử dụng, đảm bảo tính nhất quán trong việc áp dụng mô hình chất lượng nước cho mục đích quản lý

1.1.2 Sự phát triển của các mô hình chất lượng nước mặt

Các mô hình chất lượng nước đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài kể

từ khi Streeter và Phelps xây dựng mô hình chất lượng nước đầu tiên để kiểm soát ô nhiễm nước sông ở bang Ohio của Mỹ Các mô hình chất lượng nước đã có bước tiến lớn từ việc chỉ mô phỏng một yếu tố chất lượng nước đến nhiều yếu tố,

từ mô hình trạng thái bền tới mô hình động lực, từ mô hình nguồn điểm đến mô hình kết hợp giữa nguồn điểm và nguồn diện, từ mô hình không chiều tới mô hình một chiều, hai chiều và ba chiều Tính đến nay, đã có hơn 100 mô hình chất lượng nước được phát triển Tuy nhiên, mỗi mô hình chất lượng nước lại có các điều kiện áp dụng riêng Nhìn chung, các mô hình chất lượng nước đã trải qua ba giai đoạn phát triển quan trọng từ năm 1925 đến nay

Giai đoạn đầu tiên (1925 – 1965)

Chất lượng nước nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng ở giai đoạn này Các mô hình chất lượng nước tập trung vào sự tương tác giữa các thành

phần chất lượng khác nhau trong các hệ thống sông khi bị tác động bởi sự ô nhiễm từ các nguồn thải từ công nghiệp và dân sinh Trong quá trình dịch chuyển thủy động lực học, nhu cầu oxy của trầm tích, sự quang hợp và hô hấp của tảo được xem như các số liệu đầu vào của mô hình, trong khi các nguồn ô nhiễm chỉ đóng vai trò như tải lượng nền

Vào thời kỳ đầu của giai đoạn này, mô hình quan hệ BOD - DO dạng tuyến tính đơn giản được phát triển để dự báo chất lượng nước đồng thời các mô hình một chiều bắt đầu được sử dụng để giải quyết các vấn đề ô nhiễm trên các sông

và cửa sông Sau đó, hầu hết các hướng nghiên cứu đã thay đổi và đi xa hơn so với mô hình ban đầu của Streeter – Phelps Ví dụ, Thomas Jr cho rằng BOD có thể bị giảm đi mà không có sự tiêu thụ oxy do sự lắng đọng và keo tụ của trầm tích, tốc độ giảm BOD tỉ lệ với hàm lượng BOD còn lại; do đó, hệ số keo tụ được đưa thêm vào mô hình trạng thái bền S - P để phân biệt hai cách thức suy giảm hàm lượng BOD kể trên O’Connor phân chia thông số BOD thành BOD carbon hóa và BOD nitrit hóa, đồng thời bổ sung các ảnh hưởng của hiện tượng phân tán vào phương trình của Thomas Dobbins - Camp cũng bổ sung hai hệ số vào phương trình Thomas, bao gồm tốc độ thay đổi BOD do sự giải phóng của trầm tích và dòng chảy bề mặt và tốc độ thay đổi DO do sự quang hợp và hô hấp của tảo

Giai đoạn phát triển (1965 - 1995)

Từ năm 1965 đến 1970, các mô hình chất lượng nước được phân chia thành

6 dạng và phát triển nhanh chóng dựa trên các nghiên cứu sâu hơn về các hệ số

đa chiều trong các mô hình BOD - DO Mô hình một chiều được cải tiến thành

mô hình hai chiều để mô phỏng chất lượng nước hồ và vịnh Các mô hình phi tuyến được phát triển trong suốt thời kỳ từ năm 1970 tới 1975 Những mô hình này gồm chu trình N và P, hệ thực vật phù du và động vật nổi, tập trung vào mối liên hệ giữa tốc độ phát triển của sinh vật và các chất dinh dưỡng, ánh sáng mặt trời và nhiệt độ, thực vật phù du và tốc độ phát triển của động vật nổi Phương pháp sai phân hữu hạn và phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng cho các mô hình một hoặc hai chiều do các mối liên hệ phi tuyến trong mô hình

Sau năm 1975, số lượng các biến số ổn định trong các mô hình tăng lên đáng kể, các mô hình ba chiều cũng được phát triển trong giai đoạn này, mô hình thủy động lực học và ảnh hưởng của trầm tích được đưa vào mô hình chất

lượng nước Trong khi đó, các mô hình chất lượng nước được kết hợp với các

mô hình lưu vực sông coi đầu vào nguồn ô nhiễm như là một biến của mô hình

Do đó các chính sách về quản lý chất lượng nước đã thay đổi đáng kể khi các

mô hình tập trung vào mô phỏng các điều kiện ràng buộc và xem xét các nguồn

ô nhiễm theo lưu vực sông Các mô hình chất lượng nước điển hình gồm có các

mô hình QUAL, mô hình MIKE 11 và các mô hình WASP đã được phát triển và ứng dụng ở giai đoạn này Bên cạnh đó, mô hình OTIS một chiều cũng được phát triển bởi Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ để mô phỏng chất lượng nước Giai đoạn nghiên cứu chuyên sâu (sau năm 1995)

Các nguồn ô nhiễm giảm đi do sự kiểm soát chặt chẽ ở các quốc gia phát triển Tuy nhiên, sự ảnh hưởng tới chất lượng nguồn nước của các hợp chất độc hại bị tích tụ trong khí quyển như các hợp chất hữu cơ, kim loại nặng và các hợp chất của Nito lại ngày một tăng Mặc dù các chất dinh dưỡng và các chất hóa học độc hại lắng đọng lại trên bề mặt nước đã được tính đến trong phạm vi mô hình, tuy nhiên các chất này không chỉ lắng đọng trực tiếp trên mặt nước mà còn

có thể bị lắng đọng lại trên bề mặt lưu vực và được vận chuyển vào sông tạo ra một nguồn chất gây ô nhiễm nghiêm trọng Từ khía cạnh quản lý, mô hình ô nhiễm không khí đã được phát triển để đưa các diễn biến này vào trong mô hình, cho thấy sự lắng đọng các chất thải độc hại trong khí quyển tĩnh hoặc động có thể ảnh hưởng tới chất lượng nước tại lưu vực Do đó, ở thời kỳ này, một số các

mô hình ô nhiễm không khí được tích hợp vào các mô hình chất lượng nước để đánh giá trực tiếp sự đóng góp của hiện tượng lắng đọng chất ô nhiễm trong khí quyển

Ngoại trừ các mô hình thông dụng như QUAL 2K, WASP 6, QUASAR, SWAT, MIKE 21 và MIKE 3, các mô hình chất lượng nước khác cũng được phát triển để mô phỏng các điều kiện môi trường nước trong các trường hợp phức tạp Ví dụ, Whitehead và cộng sự đã phát triển mô hình Nito tích hợp đa phân bố (INCA) dựa trên các ảnh hưởng của khí quyển với số liệu đầu vào là Nito đất, sử dụng đất và thủy văn Gần đây, Fanetal và cộng sự đã tích hợp mô hình chất lượng nước QUAL 2K và mô hình HEC - RAS để mô phỏng tác động của thủy triều ảnh hưởng lên sự phân bố chất lượng nguồn nước Đối với sự tích hợp các nguồn ô nhiễm phân tán và tập trung, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa

Kỳ đã phát triển hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu (BASINS), đem lại khả năng đánh giá số lượng lớn các nguồn ô nhiễm vùng và điểm một cách

nhanh chóng Trong đó, Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ cũng đề xuất mô hình EFDC nên được sử dụng như một công cụ hữu hiệu nhất cho quản lý chất lượng nước

Trong số các mô hình chất lượng nước mặt, các mô hình Streeter - Phelps, QUASAR, QUAL, WASP, CE – QUAL - W2, BASINS, MIKE, EFDC đã được

áp dụng rộng rãi trên phạm vi toàn cầu Gần đây, Kannel và cộng sự đã khẳng định, các mô hình phổ biến như QUAL2EU, WASP7, và QUASAR là phù hợp nhất để mô phỏng oxy hòa tan dọc các sông, suối Nhìn chung, tại các quốc gia phát triển, đặc biệt Hoa Kỳ và các nước châu Âu đã phát triển và cải tiến mô hình chất lượng nước mặt tốt hơn so với các nước khác Một vài mô hình chất lượng nước mặt cũng được thiết lập tại một số trường đại học và các viện nghiên cứu ở Trung Quốc trong các năm qua, tuy nhiên các mô hình này hiện vẫn chưa được sử dụng rộng rãi so với các mô hình MIKE, EFDC và WASP

1.1.3 Phân loại mô hình chất lượng nước

Các mô hình chất lượng nước được phân loại dựa trên các loại chất ô nhiễm khác nhau, bản chất của nguồn ô nhiễm (tập trung hoặc phân tán) và đặc điểm của sông như hình thái, thủy lực và sinh thái học Các mô hình này dự đoán các thay đổi trong nồng độ chất ô nhiễm của một đoạn sông đã biết, kết hợp với khả năng hòa trộn của sông do các phản ứng vật lý, hóa học và sinh học xảy ra trong cùng hệ thống Tùy thuộc vào mục đích, các mô hình chất lượng nước nhìn chung có thể được phân loại thành các mô hình mô phỏng (để dự đoán các thay đổi trong chất lượng nước do ô nhiễm) và các mô hình tối ưu (để phân bổ tối ưu các nguồn tài nguyên) Hình 1.1

Các mô hình tối ưu có thể được phân loại chi tiết hơn thành mô hình quy hoạch tuyến tính, mô hình quy hoạch phi tuyến và mô hình quy hoạch động Mô hình vật lý được thiết lập để thu được các kết quả liên quan đến hệ thực theo một

tỷ lệ nhất định, trong khi mô hình toán dựa trên các phương trình toán học để mô phỏng chất lượng nước

Các mô hình toán cũng có thể được phân loại chi tiết hơn dựa trên cơ sở

mô tả các quá trình mô phỏng theo phương pháp thống kê hoặc kinh nghiệm hoặc cơ học; theo loại dữ liệu gồm hồi quy và ngẫu nhiên; phân loại theo giải pháp mô hình gồm mô hình số học và mô hình phân tích; phân loại theo mức độ biểu diễn chia làm mô hình phân bố và mô hình tập trung

mô hình sẽ không chính xác Ngày này, xu hướng phát triển hiện tại của các mô hình chất lượng nước như sau:

Các mô hình kết hợp

Cùng với sự phát triển của các mô hình chất lượng nước, ngày càng nhiều các yếu tố được xem xét đưa vào mô hình Các mô hình độc lập không thể đủ sức mô phỏng tất cả các yếu tố, vì vậy cần thiết phải có các mô hình kết hợp Một mô hình kết hợp có thể bao gồm hai hoặc ba mô hình độc lập để mô phỏng

các yếu tố khác nhau Ví dụ, đã kết hợp ba mô hình: một mô hình thủy động lực, một mô hình trầm tích, và mô hình địa sinh hóa để thu được kết quả mô phỏng phù hợp nhất Có rất nhiều khu vực ven biển và cửa sông đã được thử nghiệm sử dụng mô hình phức hợp để kiểm nghiệm các kịch bản sẵn có Một mô hình kết hợp thường được sử dụng để giúp kiểm nghiệm lại các giả thiết tiềm năng và trạng thái tương lai thực của khu vực cửa sông và phản ánh hiện trạng ô nhiễm

và các biến đổi về môi trường liên quan đến việc cải thiện các biện pháp xử lý chất thải, thay đổi dòng chảy và các thay đổi khác trong lưu vực sông đó

Áp dụng các phương pháp mạng trí tuệ nhân tạo

Các mô hình quen thuộc hiện nay như SWAT, MIKE 11, QUAL-2E là những mô hình cơ học, chúng bao gồm một loạt các quá trình sinh học, vật lý và hóa học đang tồn tại, tuy nhiên lại không thể kiểm soát được các quy luật riêng của chính mô hình đó, và vì vấn đề này, các mô hình không – cơ học cần được phát triển Các mô hình không – cơ học có thể vận hành theo quy luật của môi trường nước sử dụng các dữ liệu từ các quan sát thực nghiệm, trong khi việc đánh giá độ chính xác từ mô hình có thể dùng các mô hình cơ học Dữ liệu thực nghiệm quan sát được có thể được phát triển bởi các mô hình ngẫu nhiên để thu được các thông số hệ thống và các thông số môi trường cho các mô hình cơ học,

vì vậy các mô hình kết hợp sẽ trở nên đáng tin cậy và chính xác hơn

Tích hợp hệ thống

Tích hợp viễn thám, thông tin địa lý và các hệ thống định vị toàn cầu (Remote Sensing - RS, Geographic Information System - GIS và Global Position System - GPS) còn gọi là 3S vào trong mô hình Tuy nhiên, sử dụng 3S yêu cầu cơ sở dữ liệu lớn, hệ thống lưu trữ, quản lý, sắp xếp và khả năng khôi phục dữ liệu tốt mới có thể giải quyết các vấn đề của các mô hình chất lượng nước truyền thống trong quá trình thu thập và xử lý khối lượng đồ sộ các cơ sở

dữ liệu RS có thể được tích hợp với các thông tin về đất, thực vật, khí tượng và nước để xác định các đặc trưng dòng chảy và các thông số mô hình để thu được các kết quả có ý nghĩa GIS có vai trò lớn trong việc phân tích không gian và cho phép mô phỏng lại các thông tin môi trường nước từ một bảng dữ liệu đơn dưới dạng một đồ thị trực quan và ảnh động GPS có khả năng xác định được thời gian và tốc độ chính xác Do đó, một số mô hình đã kết hợp với GIS như bộ MIKE, SWAT và HSPE Như vậy, sự kết hợp của mô hình toán truyền thống với

3S sẽ là xu hướng quan trọng trong sự phát triển của mô hình chất lượng nước trong tương lai

Như vậy, xu hướng phát triển chung của mô hình chất lượng nước là mô phỏng trong các lưu vực tích hợp Với các mô hình dạng này, các quá trình mô phỏng chất lượng nước bao gồm một mođun của mô hình tổng thể gồm các mođun mô phỏng các quá trình liên quan, mà hầu hết là chất lượng nước Các kỹ thuật và công cụ thông tin địa lý hiện đại được tích hợp để tăng tính khả thi của

mô hình bằng cách thực tế hóa các quá trình mô phỏng theo không gian và thời gian 1.1.5 Hiện trạng sử dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển tại Việt Nam

Tại các nước tiên tiến, việc nghiên cứu, ứng dụng mô hình tính toán chất lượng nước biển rất được chú trọng, tuy nhiên, tại Việt Nam các ứng dụng mô hình toán để nghiên cứu chất lượng nước biển ven bờ còn ít và tản mạn

a Các nghiên cứu chất lượng nước ven biển được tiến hành từ đề tài KT.03.07: “Ô nhiễm biển do sông tải ra”, thuộc chương trình biển KT03 (1991-1995) Đề tài do Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia chủ trì, chủ nhiệm là TS Phạm Văn Ninh Với mục tiêu xác định được lượng chất bẩn

mà các sông chính tải vào vùng cửa sông ven biển Việt Nam; Đánh giá được ảnh hưởng của chất bẩn do các sông đó tải ra tới chất lượng nước và hệ sinh thái cửa sông; Xác định được nguồn gây ô nhiễm và nêu lên những kiến nghị hành chính,

kỹ thuật nhằm hạn chế ô nhiễm, đảm bảo sự trong sạch của môi trường cửa sông ven biển Với 6 hệ thống sông được thực hiện khảo sát lấy mẫu thực địa gồm: Thái Bình, Hồng, Hàn, Sài Gòn – Đồng Nai, Cửu Long, đề tài đã có được một khối lượng số liệu lớn và mới tại thời điểm thực hiện Thực hiện nghiên cứu môi trường nước vùng cửa sông ven biển, sử dụng phương pháp toán học, đề tài đã xây dựng chương trình mô phỏng sử dụng phương pháp trị số thủy động lực ngẫu hành, mô phỏng sự lan truyền chất bẩn thụ động: dầu, kim loại nặng, chất dinh dưỡng Chlorin hữu cơ hòa tan hoặc các hạt rắn lơ lửng trôi theo dòng sông

ra biển Đề tài đã đưa ra được các sơ đồ vùng ảnh hưởng của nước trong hệ thống sông tại vùng biển ven bờ, đánh giá về tiềm năng gây ô nhiễm biển của các hệ thống sông lớn ở Việt Nam, tổng lượng dòng thô các sông đổ ra biển hàng năm, đánh giá chất lượng môi trường nước vùng cửa sông, mức độ ô

nhiễm tại thời gian nghiên cứu, tuy nhiên, công tác dự báo, xu thế chưa được thực hiện Mô hình sử dụng cũng mới là phương án mô phỏng đơn giản

b Chương trình biển KC.09 (chương trình điều tra cơ bản và nghiên cứu ứng dụng công nghệ biển), đề tài KC.09-17: Điều tra tổng hợp điều kiện tự nhiên, tài nguyên và môi trường vịnh Bắc Bộ Thực hiện 2003 - 2006, Mục tiêu của nhiệm vụ là bổ sung và cập nhật có hệ thống những dữ liệu về điều kiện tự nhiên, tài nguyên thiên nhiên và môi trường biển vịnh Bắc Bộ, đáp ứng như cầu phát triển bền vững và thực thi chủ quyền quốc gia trên biển Trong sản phẩm của nhiệm vụ có bộ số liệu và báo cáo tổng quan các kết quả thu thập được trong quá khứ theo bốn chuyên đề: Khí tượng Thủy văn biển; Hóa học Môi trường biển; Sinh học biển; Địa chất Địa vật lý biển Chuyên đề hóa học môi trường biển đã thu thập, tập hợp và phân tích thông tin, số liệu về hóa học, môi trường Vịnh Bắc bộ đã có từ năm 1960 đến nay Khảo sát bổ sung thu thập mẫu phân tích Đánh giá hiện trạng các nghiên cứu về chất lượng nước Nghiên cứu hiện trạng phân bố, biến động các yếu tố hóa học, môi trường biển Vịnh Bắc bộ, đánh giá biến động chất lượng môi trường Vịnh Bắc bộ trong 40 năm qua và nêu những đề xuất trong việc bảo vệ môi trường biển Những đề xuất trong bảo vệ môi trường biển của đề tài trên cơ sở số liệu hiện trạng có được, Đề tài chưa sử dụng công cụ mô hình toán nào cho công tác đánh giá và dự báo chất lượng môi trường

c Dự án “Ứng dụng mô hình toán mô phỏng đặc tính thủy lực và diễn biến chất lượng nước trên tuyến kênh Xáng, Thành phố Sóc Trăng”, thực hiện năm

2013 Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sóc Trăng chủ trì

Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ thông tin cũng như khoa học kỹ thuật, các mô hình toán ứng dụng trong lĩnh vực mô phỏng đặc tính thủy lực và chất lượng nước ngày càng phổ biến và phát triển như: HEC-RAS, MIKE, VRSAP, ISIS Với một số ưu điểm nổi bật, cho kết quả tính toán nhanh và linh hoạt trong việc thay đổi các kịch bản, mô hình toán ứng dụng đang trở thành một trong những công cụ phục vụ đắc lực cho công tác quản lý tài nguyên và môi trường

Mô hình thủy lực 1 chiều (HEC - RAS) được sử dụng để mô phỏng đặc tính thủy lực (lưu lượng và mực nước) và chất lượng nước trên tuyến kênh Xáng

ở Thành phố Sóc Trăng

- Các số liệu đầu vào cần thiết cho phần thủy lực của mô hình

+ Dữ liệu hình học: Số liệu thực đo về mặt cắt của đoạn kênh được mô phỏng

+ Điều kiện biên

- Các số liệu cần thiết cho phần chất lượng nước:

+ Điều kiện ban đầu: Nồng độ thực đo ban đầu của các biến chất lượng nước trên kênh (COD, BOD), Nito tổng (TN) và photpho tổng (TP)

+ Tải lượng gia nhập

- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

- Xây dựng các kịch bản dự báo chất lượng nước

Từ kết quả cho thấy, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các bước tính toán khá đầy đủ, mô hình thủy lực 1 chiều (HEC-RAS) cho kết quả mô phỏng thủy lực có

độ tin cậy cao

d Đề tài cấp Bộ “Nghiên cứu cơ sở khoa học để đề xuất quy trình phân vùng rủi ro ô nhiễm môi trường biển ven bờ; áp dụng thử nghiệm cho vịnh Đà Nẵng”, mã số TNMT.2015.06.01 do Viện Nghiên cứu biển và hải đảo chủ trì thực hiện (2015-2017) Đề tài đã mô hình hóa lan truyền chất hữu cơ trong môi trường nước biển ven bờ vịnh Đà Nẵng Kết quả đã đưa ra được mức độ và phạm vi ảnh hưởng của các chất ô nhiễm đến môi trường nước biển ven bờ vịnh

Đà Nẵng Đối với ô nhiễm chất hữu cơ thì khu vực ô nhiễm các yếu tố DO, BOD và Colifrom Đối với DO và BOD xảy ra ô nhiễm chủ yếu ở các cửa xả của khu chế xuất và khu dân cư bao gồm cửa xả khu vực cảng Thọ Quang, cửa

xả khu vực lấn biển và cửa sông Phú Lộc Trong đó mức độ ô nhiễm lớn nhất gây ra là từ cửa sông Phú Lộc đổ ra vịnh Đà Nẵng Đối với ô nhiễm Colifrom thì xảy ra ở tất cả các cửa sông và cửa xả Nồng độ Cliform lớn nhất là ở các cửa xả tuy nhiên phạm vi ảnh hưởng đến khu vực vịnh Đà Nẵng là do cửa sông Hàn và cửa sông Cu Đê Kết quả nghiên cứu là đầu vào quan trọng cho việc xây dựng bản đồ phân vùng rủi ro ô nhiễm môi trường nước biển ven bờ vịnh Đà Nẵng Bên cạnh đó, một số nghiên cứu về môi trường ven biển đã được công bố,

cụ thể:

Đề tài “Đánh giá khả năng tích tụ và phân tán các chất ô nhiễm vùng cửa sông ven biển Việt Nam” Tác giả Cao Thị Thu Trang và các cộng sự khác ở Viện Tài nguyên và Môi trường biển thực hiện năm 2006 – 2007 Sử dụng số liệu điều tra, khảo sát, đề tài thực hiện đáng giá mức độ tích luỹ và phạm vi phân tán của một số chất ô nhiễm vùng trọng điểm là cửa sông Ba Lạt Do chưa sử dụng các mô hình toán mà chủ yếu dùng số liệu điều tra, khảo sát đề tài còn một

số hạn chế trong việc đánh giá các quá trình lan truyền chất gây ô nhiễm

Đề tài “Đánh giá hiện trạng môi trường và xác định các vấn đề ưu tiên quản lý tổng hợp vùng bờ biển Hải Phòng”, thực hiện từ 2008 đến 2010, trên phạm vi vùng

bờ biển thành phố Hải Phòng Các kết luận về hiện trạng môi trường và diễn biến

xu thế của đề tài được thực hiện trên cơ sở phân tích mẫu nước khảo sát trong phòng thí nghiệm và nghiên cứu, sử lý số liệu quan trắc trong phạm vi vùng dự án

Đề tài “Điều tra, đánh giá tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường khu vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng và đề xuất các giải pháp bảo vệ” do Trần Đức Thạnh và cộng sự thực hiện 2006 - 2007; đề tài: “Điều tra hiện trạng môi trường sông Rế, sông Giá và đề xuất các giải pháp bảo vệ” thực hiện năm 2003; đề tài

“Đánh giá mức độ ô nhiễm do nguồn thải lục địa, đề xuất giải pháp kiểm soát, quản lý ô nhiễm vùng biển ven bờ phía bắc”, thực hiện năm 2001 Các đề tài này

có phạm vi nghiên cứu nhỏ ở một vùng cửa sông trên cơ sở sử lý, phân tích mẫu thu thập, số liệu điều tra, khảo sát Đề tài cũng chưa vận dụng mô hình toán để đánh giá, dự báo tình trạng ô nhiễm

Các nghiên cứu “Đánh giá xu thế biến động một số yếu tố chất lượng môi trường nước biển ven bờ miền Bắc Việt Nam”, tác giả Lưu Văn Diệu và Nguyễn Chu Hồi thực hiện 1998; “Hiện trạng và xu thế biến động chất lượng nước vùng biển ven bờ phía bắc Việt Nam”, tác giả Lưu Văn Diệu thực hiện 2003 Các nghiên cứu này là tập hợp các kết quả quan trắc đã tiến hành trước thời điểm nghiên cứu trong khu vực, thông qua đó đánh giá hiện trạng và diễn biến môi trường nước vùng ven biển

Đề tài Nghiên cứu đánh giá lan truyền các chất ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình toán học Đề tài Khoa học và công nghệ cấp thành phố Hải Phòng giai đoạn 2009 - 2010, sử dụng mô hình toán Delft3D đề tài thực hiện việc tính toán, dự báo lan truyền các chất ô nhiễm hữu cơ (BOD, COD), dinh dưỡng (NH4, NO3, PO4) và trầm tích lơ lửng ở khu vực cửa sông

ven biển Hải Phòng theo một số kịch bản năm 2015 và 2020 Đối tượng chính của đề tài là đặc điểm thủy động lực của khu vực, hàm lượng của trầm tích lơ lửng, nhóm hữu cơ và dinh dưỡng trong nước Các đối tượng nghiên cứu này cũng được xét đến trong trường hợp biến đổi mùa và thay đổi theo các kịch bản Phạm vi khu vực nghiên cứu của đề tài là vùng nước bao gồm 5 sông chính (Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình) và vùng ảnh hưởng của nó

ở phía ngoài Phạm vi khu vực cũng được mở rộng ra phía ngoài đông nam đảo Cát Bà Với việc sử dụng mô hình toán Delft3D đề tài này đã tạo một bước đột phá trong các nghiên cứu về ô nhiễm ở vùng cửa sông của Viện Tài nguyên và Môi trường biển, vì trước đó phần nhiều các đề tài mới chỉ dừng ở mức điều tra đánh giá hiện trạng, một số những tính toán thống kê mà chưa vận dụng mô hình toán để đánh giá, dự báo động thái lan truyền của các chất ô nhiễm Trong điều kiện tính toán và phạm vi nghiên cứu, các kết quả của mô hình đã đạt được độ tin cậy cần thiết để có thể sử dụng làm công cụ để đánh giá dự báo những tác động do hoạt động của con người đến môi trường nước trong khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng

1.2 Tổng hợp, phân tích và đánh giá hiện trạng sử dụng mô hình tính toán vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu khoa học biển

1.2.1 Ý nghĩa của nghiên cứu vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu khoa học biển

Khu vực cửa sông ven biển tuy chỉ chiếm 1/10 diện tích bề mặt đại dương thế giới (Lisitsyn, 1995) nhưng lại đóng vai trò đáng kể trong quá trình vận chuyển vật chất Đây được coi là màng lọc giữa lục địa và biển, giữ lại một lượng đáng kể vật chất lơ lửng và hoà tan có nguồn gốc từ lục địa, là nơi chịu ảnh hưởng bởi các quá trình động lực từ sông, có nơi chịu tác động mạnh do thủy triều, một số nơi khác lại bị chi phối bởi hỗn hợp giữa nhiều quá trình khác nhau Tuy nhiên ảnh hưởng nhiều phải kể đến tác động của thuỷ triều và sự phân tầng của khối nước Trong đó dòng chảy đóng vai trò quyết định đến sự vận chuyển trầm tích và các chất gây ô nhiễm từ sông ra phía ngoài dưới tác động kết hợp của dòng triều và dòng chảy sông (biến đổi theo mùa) Là một thành phần cơ bản và rất quan trọng ở các vùng cửa sông ven biển đặc trưng bởi thành phần hạt - lan truyền trầm tích phụ thuộc vào các nguồn cung cấp từ lục địa, dòng chảy sông và các quá trình thủy động lực ven biển (tính cả tự nhiên xen lẫn những tác động và can thiệp do con người gây ra) Trong trường hợp dòng chảy

mạnh sẽ làm ứng suất đáy lớn, tăng sự vận chuyển trầm tích cả ở lớp đáy và trầm tích lơ lửng Ngược lại, quá trình này sẽ lắng đọng ở những thời điểm và nơi có vận tốc dòng chảy, hoạt động của sóng và thủy triều nhỏ Nhìn chung, tốc

độ lắng đọng trầm tích phụ thuộc vào kích thước hạt, điều kiện môi trường Bởi vậy, đây là một trong những vấn đề môi trường nhận được sự quan tâm sâu sắc của các nhà khoa học cũng như các nhà quản lý Nổi bật hơn hết là các nhóm vấn đề như: điều tra hiện trạng môi trường; đánh giá kiểm soát các nguồn ô nhiễm từ lục địa ra vùng cửa sông ven biển; nghiên cứu đánh giá cơ chế lan truyền, biến đổi chất gây ô nhiễm ở khu vực cửa sông ven biển; đánh giá sự tích

tụ chất gây ô nhiễm ở khu vực cửa sông; mối quan hệ giữa ô nhiễm môi trường

và tài nguyên sinh vật ở khu vực cửa sông

1.2.2 Hiện trạng sử dụng mô hình tính toán vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu khoa học biển

Trên thế giới

Trầm tích lơ lửng (TTLL) có một vai trò quan trọng ở nhiều khía cạnh khác nhau đối với môi trường biển và công trình bờ Tuy nhiên môi trường ở vùng cửa sông ven biển rất phức tạp, nơi diễn ra sự tương tác của các khối nước sông

- biển, dòng triều, sóng, gió… nên những hiểu biết của con người các quá trình như lắng đọng, tái lơ lửng, kết keo vẫn còn nhiều hạn chế Ngoài phương pháp phân tích đánh giá các đặc điểm vận chuyển TTLL từ số liệu đo đạc khảo sát người ta đã phát triển và ứng dụng các mô hình toán học để dự báo các đặc điểm vận chuyển TTLL ở vùng cửa sông ven biển Các mô hình này thông thường là các chương trình tính để giải các bài toán cơ bản của cơ học chất lỏng và phương trình vận chuyển trầm tích

Các phương trình cơ bản của cơ học chất lỏng có thể được giải theo sơ đồ trong không gian của 1 chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D) Tương ứng với các phương trình đó là các mô hình số 1 chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều đồng thời tính phức tạp cũng lần lượt tăng dần Trong tự nhiên, hầu hết các quá trình vận chuyển trầm tích ở vùng của sông ven biển như dòng chảy rối, thủy triều, ứng suất của gió, tác động của sóng, sự phân tầng nhiệt - muối, dòng chảy nói chung là các quá trình 3 chiều Vì vậy, khi áp dụng và phát triển các mô hình toán vào các vùng cửa sông ven biển người ta cố gắng lựa chọn các mô hình 3 chiều

Các mô hình 2 chiều có thể là bình lưu hoặc tổng hợp theo độ sâu Một mô hình bình lưu giải các phương trình động lượng và liên tục cho chất lỏng và các pha (phases) của trầm tích Những ứng dụng của mô hình 2 chiều là các thiết kế trong các mương thoát nước và hệ thống thủy lợi Các mô hình vận chuyển trầm tích 2 chiều dựa trên phương trình động lượng trung bình theo độ sâu và phương trình liên tục cho trầm tích Mực nước, vận tốc dòng chảy, hàm lượng TTLL và một số yếu tố khác được tính tại các điểm Các tham số của mô hình được giả thiết là đồng nhất theo độ sâu tại mỗi điểm tính

Sử dụng mô hình 2 chiều có thể kể đến như các nghiên cứu của Struiksma

và Wang Struiksma và nnk đã tính toán biến động đáy của một đoạn sông với việc ứng dụng mô hình vận chuyển trầm tích trên cơ sở các công thức của Engelund và Hansen Wang đã nghiên cứu phân bố trầm tích ở gần cửa sông với trường hợp dòng chảy ít biến đối Các mô hình vận chuyển trầm tích 2 chiều được sử dụng rộng rãi trong thực tế như MIKE 21 và TABSMD Mô hình MIKE

21 được phát triển bởi Viện Thủy lực Đan Mạch và là mô hình sai phân hữu hạn

Mô hình này cho các kết quả khá tốt và được sử dụng nhiều ở Mỹ Tương tự như vậy, mô hình TABS - MD được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực công trình bờ từ khi ra đời trong những năm 1970 Một mô hình 2 chiều là cần thiết nếu tính đến các kiểu hoàn lưu phức tạp và dòng chảy không ổn định Tuy nhiên so với các mô hình

1 chiều, các mô hình 2 chiều đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn, số liệu cung cấp

và các biến đầu vào nhiều hơn Vì vậy trong một số trường hợp có thể cân nhắc lựa chọn giữa mô hình 1 chiều và 2 chiều

Mô hình 3 chiều dựa trên các phương trình cân bằng khối lượng hay khuyếch tán đối lưu của TTLL Trong phần lớn các mô hình 3 chiều, trường dòng chảy và hàm lượng TTLL được tổng hợp và tính toán ở mỗi bước thời gian Mô hình 3 chiều tính đến cả các thành phần bình lưu và đối lưu của quá trình vận chuyển trầm tích và được dùng khi có sự phân tầng về dòng chảy và vận chuyển trầm tích Các mô hình 3 chiều cung cấp đầy đủ nhất bao gồm cả số lượng các biến của bất kỳ hệ thủy động lực nào Việc hiệu chỉnh mô hình cũng đòi hỏi lượng số liệu lớn và phức tạp hơn, bởi vì các chương trình được yêu cầu phải thể hiện được tất cả các quá trình phức tạp của điều kiện thủy động lực diễn ra

cả trong 3 hướng Thông thường các số liệu đầu vào cho mô hình 3 chiều có được

từ các số liệu gần đúng của các tài liệu nghiên cứu hơn là từ số liệu khảo sát do việc khảo sát các tham số này ở điều kiện 3 chiều cho đến nay vẫn còn nhiều khó khăn

Các mô hình thủy động lực vận chuyển bùn cát 3 chiều cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về diễn biến và sự tương tác của các quá trình diễn ra trong thủy vực Một ví dụ của kết quả mô hình thủy động lực 2 chiều là kết quả đánh giá biến động của các nêm mặn vùng cửa sông Nhiều mô hình 3 chiều đã được áp dụng với các qui mô khác nhau như trong phòng thí nghiệm, hay quy mô các khu vực nhỏ Việc áp dụng

mô hình 3 chiều ở quy mô vùng lớn thường gặp khó khăn do thời gian tính toán lâu, vì vậy người ta thường chỉ mô phỏng trong phạm vi một vài ngày hoặc một chu kỳ triều Việc ứng dụng mô hình 3 chiều cần thiết nhất ở những vùng có cấu trúc thủy động lực và quá trình trầm tích phức tạp với các xoáy và biến động mạnh theo không gian Một số mô hình đã được sử dụng rộng rãi nhất phải kể đến như RMA11, ECOMSED, CH3D SED, Delft3D

Trong nước

Mang hình thái của dải đất hình chữ S - nước ta có đường bờ biển dài và hệ thống sông ngòi dày đặc, trung bình cứ 20 km lại có một cửa sông Chỉ tính riêng 8 hệ thống sông lớn đã chiếm phần lớn lưu vực với khoảng 10.000 km2, như sông Hồng, sông Thái Bình, sông Mã, sông Cả, sông Thu Bồn, sông Ba, sông Sài Gòn - Đồng Nai và sông Cửu Long Tại các vùng cửa sông ven biển này mang một ý nghĩa rất lớn đối với phát triển kinh tế xã hội, giao thông, cũng như thương mại, dịch vụ, văn hoá Bởi đây chính là nơi giao lưu, tiếp nhận các dòng vật chất từ lục địa đổ ra, thống kê cho thấy hàng năm hệ thống sông này đổ

ra biển khoảng 880 tỷ m3 nước, 300 triệu tấn bùn cát và thể hiện rõ nhất các tác động do hoạt động của con người đến môi trường của khu vực Vì vậy các vấn

đề môi trường liên quan ở khu vực đã được quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm qua

Trước thực trạng đó, bên cạnh việc Cục bảo vệ Môi trường (Bộ TN&MT) xây dựng và tiến hành quan trắc định kỳ hằng năm tại các vị trí xác định dọc bờ biển Việt Nam, còn có các đề tài dự án về: Động lực vùng ven biển và cửa sông Việt Nam (Nguyễn Văn Cư, 1990); Nghiên cứu thủy thạch động lực trên số liệu quan trắc (Nguyễn Văn Cư, 1994); Nghiên cứu ô nhiễm do sông tải ra (Phạm Văn Ninh, 1995); Nghiên cứu khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm do nước thải, khả năng tự làm sạch của các sông Sài Gòn, Đồng Nai, Nhà Bè (Lê Trình, 1996); Nghiên cứu các đặc trưng thủy văn, động lực học và nhiễm bẩn khu vực cửa sông Dinh tỉnh Bà Rịa Vũng Tàu; Đề xuất các biện pháp quản lý và bảo vệ (Trương Đình Hiển); Nghiên cứu xây dựng bản đồ phân vùng mức độ độc hại do

nước thải trên sông Sài Gòn - Đồng Nai và xác định giới hạn, mức độ cho phép

xả ra nguồn tiếp nhận (Đỗ Hồng Lan Chi); Quản lý môi trường nước sông Cầu (Nguyễn Văn Cư, 2001); đề tài Các yếu tố khí tượng thủy văn ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Sài Gòn, Đồng Nai (Phan Văn Hoặc, 2001) Tính tới cả thời điểm 2007, đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ: Đánh giá khả năng tích

tụ và phân tán các chất ô nhiễm vùng cửa sông ven biển Việt Nam (Cao Thị Thu Trang và nnk) vẫn chủ yếu dùng bộ số liệu điều tra, khảo sát đánh giá được mức

độ tích luỹ và phạm vi phân tán của một số chất ô nhiễm vùng trọng điểm là cửa sông Ba Lạt Kết quả sơ bộ cho thấy xu thế tăng lên của các chất gây ô nhiễm trong diễn biến môi trường nước những năm gần đây Tuy nhiên việc số lượng mẫu quan trắc hằng năm nhỏ, lại trải dài trên một không gian rộng, cộng thêm với phân tích đánh giá thống kê đối với tập số liệu khảo sát ít đồng bộ, ít có sự trợ giúp của mô hình nên những kết quả này chủ yếu vẫn dừng lại ở mức độ giám sát, ít có tính tổng quát đặc thù cho một vùng nghiên cứu theo quy mô cả

về thời gian lẫn không gian

Ngày nay, với sự hình thành các mô hình số trong giai đoạn phát triển mạnh của ngành công nghệ máy tính đã phần nào khắc phục được các yếu điểm

kể trên Nhiều mô hình đã được ứng dụng và phát triển sử dụng rộng rãi hiện nay như: mô hình MDEC (Bộ môn Hải dương học - ĐHKHTN), mô hình FEM (Viện Hải dương học Nha Trang), mô hình Mike 21 (Viện Địa lý, Đại học Thủy lợi, Viện KTTV và MT), mô hình Delft 3D (Viện Tài nguyên và Môi trường biển, Đại học Thủy lợi), mô hình ROMS (Trung tâm Môi trường - Viện KTTV

và MT, Đại học Công Nghệ, Viện Hải dương học Nha trang) Nhiều đề tài, dự án

đã đi vào hoạt động và đem lại nhiều kết quả khả quan trong việc mô phỏng kết quả tính toán ngày càng sát với khảo sát thực tế như: các nghiên cứu thông qua chương trình Biển KT.03 (1991-1995); KHCN.06 (1996-2000); Nghiên cứu trầm tích lơ lửng liên quan đến xói lở bờ biển trong khuôn khổ đề tài độc lập cấp nhà nước và chương trình biển (2001-2005); Nghiên cứu vùng Phan Rí, Hàm Tiến, Phước Thể với mục tiêu cung cấp các thông số kỹ thuật, đưa ra các phương án thiết kế và thi công đê, kè chống xói lở (Bùi Hồng Long, 2004); Xây dựng mô hình lan truyền chất ô nhiễm cho vịnh Hạ Long và vịnh Bái Tử Long (Trần Đức Thạnh, 2007); Đánh giá xu thế bồi tụ - xói lở khu vực Cửa Đáy (Nguyễn Xuân Hiển và nnk, 2012) Bên cạnh đó, việc ứng dụng và phát triển một số phương pháp và mô hình tính toán động lực và vận chuyển trầm tích cho

một số vùng cửa sông ven biển như: Mô phỏng, dự báo quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng khu vực Cửa Ông (Trần Hồng Thái, 2010); Biến động trầm tích

và diễn biến hình thái khu vực cửa sông ven bờ Cửa Tùng (Nguyễn Thọ Sáo, 2010) đã mở ra tín hiệu tốt trong việc nghiên cứu động lực học lớp gần đáy, cải tiến phương pháp tính bán thực nghiệm, nhằm áp dụng tính cho dòng vật liệu ven bờ Hướng mô hình hóa còn được thực hiện bởi nhóm tác giả tại Viện Cơ học trong việc tính toán vận chuyển bùn cát và tính biến động đường bờ, đã áp dụng tính xói lở dọc bờ biển cho các vùng Hải Hậu, Nam Định, Hồ Tàu - Định

An, Trà Vinh, Gành Hào, Bạc Liêu

Việc ứng dụng các mô hình toán học nghiên cứu đặc điểm vận chuyển trầm tích ở nước ta tuy nhiều nhưng vẫn còn có những hạn chế, đặc biệt là vấn đề số liệu đầu vào cho mô hình Nguồn số liệu cung cấp cho các mô hình ở nước ta thường thiếu số lượng, thiếu đồng bộ, hệ thống và cả độ chính xác Do đó việc

xử lý số liệu đầu vào, hiệu chỉnh các tham số tính toán để lựa chọn được những tham số phù hợp cho mô hình vẫn là một vấn đề tồn tại cần giải quyết trong thời gian tới

Việc ứng dụng mô hình toán hiện nay đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong các hoạt động nghiên cứu khoa học, đặc biệt trong nghiên cứu khoa học biển, mô hình toán đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề được đặt ra trong các chương trình, đề tài, dự án Các chương trình nghiên cứu, đề tài

đề tài “Nghiên cứu đánh giá biến động cực trị các yếu tố khí tượng thủy văn biển, tác động của chúng tới môi trường phát triển kinh tế xã hội và đề xuất giải pháp phòng tránh cho các đảo đông dân cư thuộc vùng biển miền Trung (chủ yếu là 2 đảo Lý Sơn và Phú Quý)”, mã số KC.09.15/11-15

- Các chương trình khoa học công nghệ cấp Bộ: trong giai đoạn 2010-2015,

Bộ Tài nguyên và Môi trường đã phê duyệt thực hiện 07 Chương trình khoa học

và công nghệ trong đó, lĩnh vực biển và hải đảo “Nghiên cứu khoa học và công nghệ phục vụ quản lý tổng hợp, thống nhất về biển và hải đảo Việt Nam giai đoạn 2010-2015”, mã số TNMT.06/10-15

- Các chương trình dự án của Chính phủ như: “Đề án tổng thể về điều tra

cơ bản và quản lý tài nguyên – môi trường biển đến năm 2010, tầm nhìn đến năm 2020”; “Kế hoạch thực hiện tuyên bố chung và chương trình khung giữa Việt Nam, Campuchia, Thái Lan về hợp tác sẵn sàng ứng phó sự cố tràn dầu vịnh Thái Lan”

Điển hình cho một số đề tài, dự án sử dụng mô hình tính toán vận chuyển bùn cát đạt hiệu quả cao được tóm tắt sau đây:

a Đề tài “Mô phỏng vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy khu vực cửa sông Thu Bồn” Vũ Minh Cát, Đặng Đình Đoan

Đề tài đã mô phỏng diễn biến địa hình đáy vùng cửa sông và đáy biển trước cửa sông bằng mô hình MIKE 21 FM Couple và mô phỏng địa hình theo các kịch bản khác nhau Module MIKE 21 FM Couple mô phỏng kết hợp chế độ dòng chảy do triều và sóng sinh ra và kết hợp với module vận chuyển bùn cát sẽ cho ta biết sự biến động của địa hình đáy Mô hình này được sử dụng để tính toán tương tác giữa sóng và dòng chảy, kết hợp động lực học module dòng chảy

và module sóng Do đó, sự tác động qua lại đầy đủ của những thay đổi về độ sâu đến tính toán sóng và dòng chảy cũng được xem xét MIKE 21 áp dụng sơ đồ sai phân hữu hạn và phương pháp giải hiểu quả là kỹ thuật ADI để giải các phương trình bảo toàn khối lượng và động lượng trong miền không gian và thời gian

Đề tài đã thể hiện qua các bước sau:

- Thiết lập miền tính, lưới tính

- Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình: mô hình triều, mô hình sóng, vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy

Mô phỏng bằng mô hình MIKE 21 FM cho ra các kết quả khá phù hợp với thực tế Tuy nhiên, với năng lực máy tính như hiện tại thì không thể mô phỏng cho một chu kỳ đại diện, nên thời gian mô phỏng tốt nhất cho những điều kiện cực hạn, chẳng hạn như các trận lũ lớp, xả lũ từ hồ chứa kết hợp với các điều kiện sóng, triều khác nhau ở phía biển Có thể khẳng định rằng, việc ứng dụng MIKE 21 FM là hoàn toàn khả thi và kết quả của mô phỏng giúp định hướng

giải pháp công trình nhằm các mục đích đề ra ngăn chặn bùn cát gây bồi ở cửa sông, giảm sóng gió tạo luồng giao thông thủy và đủ khẩu độ công trình thoát lũ, đẩy cát bồi phía cửa ra ngoài xa và ổn định cửa sông

b Đề tài “Tính toán và phân tích xu thế bồi tụ, xói lở khu vực Cửa Đáy” Nguyễn Xuân Hiển, Dương Ngọc Tiến, Nguyễn Thọ Sáo, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

Muốn xem sét sự phân bố trầm tích và mức độ bồi tụ và xói lở trầm tích chúng có thể sử dụng các bộ mô hình toán để xác định tốt hơn về mặt định lượng Đã có nhiều mô hình tính toán quá trình vận chuyển trầm tích, trong đó

có bộ mô hình MIKE của Đan Mạch, bộ mô hình gồm nhiều các modul nhỏ để

có thể tính toán các yếu tố thủy động lực và môi trường nước

Nhóm tác giả đã thực hiện qua các bước sau:

- Xây dựng bộ số liệu cơ sở cho mô hình:

Nghiên cứu này sử dụng bộ mô hình MIKE với các modul MIKE 11 để tính lưu lượng và nồng độ bùn cát từ trong sông đổ ra, modul MIKE 21 SW để tính sóng, modul MIKE 21 HD tính toán và mô phỏng thủy lực và modul MIKE

21 ST tính vận chuyển trầm tích

- Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình

Bộ mô hình MIKE sử dụng đánh giá và phân tích xu thế bồi xói và vận chuyển trầm tích khu vực cửa sông Đáy và cho kết quả khả quan

c Đề tài “Chế độ vận chuyển bùn cát vùng ven biển bên ngoài các cửa sông Mekong và Đồng Nai” Nguyễn Duy Khang, Trần Bá Hoằng, Viện Khoa học Thủy lợi miền Nam

Nhóm tác giả nghiên cứu chế độ vận chuyển bùn cát vùng ven biển bên ngoài các cửa sông Mekong và Đồng Nai Bộ mô hình họ MIKE 1D và 2D đã được sử dụng cho các mô hình tỷ lệ khác nhau theo hướng tiếp cận từ tổng thể đến chi tiết

Phương pháp nghiên cứu:

- Mô hình thủy động lực vùng cho toàn bộ biển Đông và biển Tây Sử dụng

mô hình MIKE 21 Coupled FM với các modul HD (thủy động lực), SW (phổ sóng) Mục đích của mô hình này là mô phỏng chế độ dòng chảy (thủy triều,

dòng chảy ven bờ) và chế độ sóng nhằm cung cấp biên mở phía biển cho các mô hình với phạm vi nhỏ hơn

- Các mô hình 1D và 2D sẽ được thực hiện các mô phỏng độc lập (MIKE

11, MIKE 21) hoặc được nối kết với nhau (MIKE FLOOD) tùy theo từng mục đích khác nhau Mô hình MIKE FLOOD (MIKE 11/ MIKE 21 Coupled với các modul HD) được sử dụng để xây dựng biên thủy lực (lưu lượng dòng chảy) cho các mô hình vận chuyển bùn cát và diễn biến hình thái 1D (cho hệ thổng sông chính phía thượng nguồn) và 2D (cho vùng cửa sông, ven biển) độc lập Mô hình 1D độc lập được sử dụng để xây dựng biên bùn cát phía các cửa sông cho

mô hình vùng 2D mở rộng, mô hình chỉ gồm các kênh chính Mô hình 2D độc lập được dùng để nghiên cứu chế độ thủy động lực và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông ven biển trên phạm vi rộng Đối với các mô hình 1D độc lập, các module được sử dụng sẽ là MIKE 11 HD, AD Đối với mô hình 2D độc lập, các module sử dụng sẽ là MIKE 21 FM HD, SW và MT

- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Có thể nhận định là kết quả mô phỏng thủy động lực và vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu này có độ tin cậy cần thiết Số liệu và phương pháp nghiên cứu được thể hiện rõ ràng

d Đề tài “Tính toán vận chuyển bùn cát và nguyên nhân bồi lấp cửa Mỹ Á” Nghiêm Tiến Lam, Lê Đình Thành, Vũ Minh Cát, Vũ Thị Thu Thủy

Động lực học và vận chuyển bùn cát khu vực cửa Mỹ Á trong thời kỳ mùa cạn được mô hình hóa bằng mô hình Delft 3D Mô hình mô phỏng các quá trình ảnh hưởng của sóng, thủy triều, dòng chảy từ sông ra, vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình đáy biển

Phương pháp nghiên cứu:

- Để xác định nguyên nhân và định lượng được quá trình vận chuyển bùn cát do sóng, phương pháp mô hình mô phỏng đã được sử dụng trong nghiên cứu với bộ phần mềm Delft 3D của Delft Hydraulics (Hà Lan) Delft 3D cho phép mô hình hoá các quá trình thuỷ động lực học như lũ, thuỷ triều, sóng, các quá trình vận chuyển bùn cát do sóng, dòng chảy và biến đổi địa hình đáy

- Mô hình sóng: Tác động của sóng được mô phỏng bằng modul Delft 3D-WAVE dựa trên cơ sở của mô hình SWAN cho sự lan truyền và biến đổi của sóng khu vực nước gần bờ

- Mô hình dòng chảy: Các quá trình thuỷ động lực học của vùng nước ven bờ khu vực cửa Mỹ Á được mô phỏng bằng modul Delft 3D - FLOW bao gồm quá trình dòng chảy từ sông ra, các quá trình thuỷ triều, dòng chảy do gió và do sóng

- Vận chuyển bùn cát và biến đổi đáy: Quá trình vận chuyển bùn cát do tác động của sóng và dòng chảy được tính toán theo phương pháp Bijker (1971) trong modul Delft 3D - FLOW

e Đề tài “Ứng dụng mô hình MIKE 11 tính toán thủy lực, chất lượng nước cho lưu vực sông Sài Gòn – Đồng Nai” Trần Hồng Thái, Hoàng Vũ Thu Trang, Nguyễn Văn Thao, Lê Vũ Việt Phong Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường

Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và tính toán chế độ thủy văn, thủy lực và chất lượng nước cho hệ thông sông Sài Gòn – Đồng Nai, nhóm tác giả đã lựa chọn áp dụng bộ phần mềm MIKE 11 Mô hình MIKE 11 được ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác MIKE 11 bao gồm nhiều modul có khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: modul mưa dòng chảy (RR), modul thủy động lực (HD), module tải khuếch tán (AD), module sinh thái (Ecolab) và một số modul khác

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các bước như sau:

- Cài đặt mô hình

- Thiết lập các điều kiện biên trên và dưới

- Xây dựng điều kiện ban đầu

- Hiệu chỉnh mô hình

- Kiểm định mô hình

f Đề tài cấp nhà nước “Nghiên cứu đề xuất giải pháp ổn định các cửa sông ven biển miền Trung” KC.08.07/06-10

Đề tài sử dụng mô hình Delft 3D để tính toán vận chuyển bùn cát ở khu vực cửa Tư Hiền dưới tác động của dòng chảy thượng nguồn và các quá trình hải dương như thủy triều, sóng, dòng chảy Quá trình tính toán thực hiện theo các bước:

- Thiết lập mô hình toán trong đó có thiết lập lưới tính, các điều kiện biên

và điều kiện ban đầu, kiểm định mô hình

- Trình bày các kết quả tính toán

g Đề tài “Nghiên cứu chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và đánh giá hiệu quả giải pháp nuôi bãi khu vực bãi biển cửa Tùng, Quảng Trị” Trần Thanh Tùng, Lê Đức Dũng Viện nghiên cứu biển và hải đảo chủ trì

Đề tài nghiên cứu chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát và đánh giá hiệu quả của giải pháp nuôi bãi áp dụng cho khu vực bãi biển Cửa Tùng, Quảng Trị Nghiên cứu này được thực hiện trong khuôn khổ của đề tài nghiên cứu tiềm năng cấp nhà nước “Nghiên cứu áp dụng giải pháp Nuôi Bãi Nhân Tạo cho các đoạn

bờ biển bị xói lở ở khu vực miền Trung Việt Nam” mã số KC.08.TN03/11-15 Các nghiên cứu về chế độ thủy động lực, vận chuyển bùn cát tại khu vực Cửa Tùng được thực hiện trên mô hình Mike 21 FM Lượng vận chuyển bùn cát dọc bờ, diễn biến bờ biển khu vực Cửa Tùng được sử dụng làm cơ sở tính toán thiết kế nuôi bãi và đánh giá diễn biến bãi biển sau khi nuôi bãi kết hợp với mô hình LITPROF

Các bước thực hiện mô hình:

- Thiết lập miền tính, lưới tính

- Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Đề tài đã trình bày các kết quả tính toán thủy động lực, vận chuyển bùn cát tại khu vực Cửa Tùng bằng mô hình MIKE 21 FM với việc sử dụng mô hình LITPACK tính toán diện tích ngang bãi biển sau khi nuôi bãi Có thể nhận định rằng kết quả tính toán thủy động lực và vận chuyển bùn cát trong nghiên cứu này

có độ tin cậy cần thiết Số liệu và phương pháp nghiên cứu được thể hiện rõ ràng

Có thể thấy có rất nhiều chương trình, đề tài, dự án nghiên cứu khoa học biển ứng dụng mô hình toán đã được thực hiện, nhưng nội dung việc ứng dụng

mô hình toán tại các đề tài/dự án rất khác nhau, không có sự đồng bộ dẫn đến khó khăn trong việc quản lý và đánh giá chất lượng sản phẩm Ngoài ra, cho đến này vẫn chưa có một hướng dẫn hoặc văn bản quy định cụ thể nào quy định về việc ứng dụng mô hình toán Do đó, cần phải xây dựng quy trình ứng dụng mô hình toán chung trong nghiên cứu khoa học biển, tức là khi ứng dụng mô hình toán trong bất kỳ chương trình, đề tài, dự án nào đều phải tuân thủ theo một quy trình nhất định Việc có được một quy trình cụ thể sẽ giúp nhà quản lý có được

cơ sở để quản lý nhanh chóng, hiệu quả; những người thực hiện có một quy trình áp dụng chung để việc thực hiện được dễ dàng hơn

CHƯƠNG II: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM VÀ CÁC BẤT CẬP TRONG VIỆC ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHẤT

LƯỢNG NƯỚC VÀ VẬN CHUYỂN BÙN CÁT Hiện nay, việc sử dụng mô hình toán để tính toán các quá trình trở nên phổ biến Nó được sử dụng trong hầu hết các đề tài dự án có liên quan đến việc tính toán các quá trình động lực cũng như vận chuyển bùn cát hay tính toán chất lượng nước

2.1 Mô hình tính toán chất lượng nước

Mô hình chất lượng nước đóng vai trò quan trọng trong việc dự báo những

sự thay đổi về chất lượng nước tại bề mặt phục vụ cho việc quản lý môi trường Những mô hình chất lượng nước được sử dụng rộng rãi, nhưng mỗi mô hình lại

có những ưu điểm và những hạn chế trong những trường hợp riêng biệt Những

mô hình thường được sử dụng có thể kể đến là SWAT, WASP, QUALs, MIKE

11, HSPF, EFDC… Mô hình thủy lực, mô hình chất lượng được sử dụng phổ biến cho quản lý, lập quy hoạch và kiểm soát ô nhiễm Với mỗi mục đích khác nhau chúng yêu cầu mức độ khác nhau của đầu ra mô hình Với sự ảnh hưởng của hoạt động kinh tế của con người, suy thoái môi trường và chuỗi các hoạt động như nông nghiệp, nghề cá, thủy sản… chất lượng nước đang bị đe dọa bởi

ô nhiễm nguồn tập trung và ô nhiễm nguồn không tập trung Vì vậy, những mô hình chất lượng nước là công cụ quan trọng cho phân tích chất lượng nước Những mô hình chất lượng nước được phát triển để dự báo thành phần chất gây

ô nhiễm và sự vận chuyển của chúng trong nước sông, hồ, cửa sông Chúng là công cụ hữu dụng cho quản lý nguồn nước Tất cả các mô hình có thể hữu dụng trong quản lý và cải thiện chất lượng nước

2.1.1 Mô hình SWAT

SWAT, một mô hình vật lý cơ bản được phát triển để dự báo những ảnh hưởng dài hạn của thực tiễn quản lý nông nghiệp và nông thôn trong nước, trầm tích… Mô hình có thể trình diễn mô phỏng hằng ngày của dòng nước mặt, dinh dưỡng, vận chuyển nước từ các kênh và bể chứa Đặc biệt là tính toán những hằng số ảnh hưởng đến chất lượng nước

Mô hình SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên với việc sử dụng các phương trình tương quan, hồi quy

để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu vào (sử dụng đất/thảm thực vật, đất, địa hình và khí hậu) và thông số đầu ra (lưu lượng dòng chảy, bồi lắng,…), mô hình SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết, hiện trạng sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực

Hình 2.1 Sơ đồ làm việc trong SWAT Hiện nay, phiên bản SWAT đang được phát triển là SWAT2012, với giao diện đã được phát triển cho môi trường hệ điều hành Windows (Visual Basic), GRASS, ArcGIS Trong thời gian gần đây, SWAT đã tiếp tục được phát triển, tập trung chính vào các mảng sau:

- Mở rộng phạm vi mô phỏng gồm cả thời gian và không gian;

- Cung cấp nguồn dữ liệu đầu vào sẵn có, miễn phí và đảm bảo chất lượng như thời tiết, thuỷ văn, thổ nhưỡng, hoạt động sản xuất nông nghiệp;

- Hiệu chỉnh, phân tích tính bất định của mô hình;

- Mô phỏng theo thời gian thực;

- Tích hợp với các mô hình khác như APEX, SWMM (EPA), DSSAT;

- Hợp tác phát triển mô hình với các tổ chức như CGIAR, ISRIC,…;

- Tăng cường đào tạo, truyền thông về SWAT;

- Xây dựng nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT về các phiên bản sử dụng (SWAT 2005, 2009, 2012), các phần mềm hỗ trợ như ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT (Output Vizualization), các tài liệu hướng dẫn đa ngôn ngữ

Ưu điểm của mô hình:

- Khi mô phỏng các quá trình thủy văn trên lưu vực, mô hình sẽ phân chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ chi tiết mô phỏng về mặt không gian

- Mô hình tính toán các quá trình tự nhiên kiên quan đến chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng dựa vào các thông số dữ liệu đầu vào

- Mô hình có khả năng dự báo thông qua việc thay đổi dữ liệu đầu vào (các phương án quản lý sử dụng đất, kịch bản khí hậu, điều kiện thảm thực vật…) đều định lượng được những tác động của sự thay đổi đến dòng chảy ra của các lưu vực hoặc các thông số khác

- Nó không mô phỏng chi tiết sự kiện lũ thuần túy và đường đi trầm tích 2.1.2 Mô hình WASP

Là một mô hình chất lượng nước bề mặt, là mô hình động lực 1, 2, 3 chiều

Nó được sử dụng để phân tích sự khác nhau của những vấn đề chất lượng nước trong sự phân chia khối nước của ao, hồ, sông, suối, cửa sông và vùng nước ven

bờ Nó có thể liên kết với những mô hình vận chuyển bùn cát và thủy động lực, những mô hình cung cấp trường dòng chảy, độ sâu, vận tốc, nhiệt độ, độ muối

và thông lượng trầm tích Trong WASP, những hệ thống tương tác khác nhau được phát triển bao gồm amoni, nitrat, photphat, phytophankton, nhu cầu oxy sinh học (BOD), DO, nito hữu cơ, phốt phát hữu cơ

Mô hình này giúp cho người sử dụng giải thích và dự báo sự tương tác chất lượng nước với các hiện tượng tự nhiên và ô nhiễm nhân tạo cho việc thảo luận quản lý các vấn đề ô nhiễm

Mô hình không thể mô phỏng hiệu quả cho chất rắn lơ lửng vận chuyển từ sông

Nhược điểm:

- Không xử lý những khu vực xáo trộn hoặc ảnh hưởng gần đấy

- Không xử lý vật liệu chìm/nổi

- Yêu cầu số lượng lớn số liệu để hiệu chỉnh và kiểm định

2.1.3 Mô hình Mike11

Là một hệ thống mô hình thủy lực phổ biến và hữu hiệu, công cụ mô hình một chiều cho việc thiết kế chi tiết, quản lý và phép toán cho sông đơn giản và phức tạp và hệ thống kênh Nó bao gồm một số mô đun như RR (rainfall runoff), HD (hydrodynamic) và AD (advection dispersion), có thể sử dụng để

mô phỏng kết hợp hoặc mô phỏng riêng rẽ Mike 11-NAM là mô hình runfall runoff là một phần của mô đun Mike 11 RR Mike 11 HD là công cụ mô hình một chiều để tính toán dòng chảy không ổn định, lưu lượng và mực nước trong sông và kênh Mike 11 được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu trong sông và hồ

Mô hình Mike 11 là một mô hình tiên tiến của dòng chảy và chất lượng nước trong sông và có thể mô phỏng vận chuyển chất hòa tan và sự biến đổi trong hệ thống sông phức tạp

Điểm hạn chế:

- Cần số lượng lớn số liệu và khó để mô phỏng một vài yếu tố quyết định nếu số liệu có vấn đề

- Những mặt cắt ngang sông là cần thiết ở những lớp biên hoạt động, cái

mà làm cho việc hiệu chỉnh và kiểm định là một công việc khó khăn và đòi hỏi thời gian tính toán dài

2.1.4 Mô hình QUALs

Một loạt các phiên bản của mô hình QUAL có thể kể đến như QUAL2E, QUAL2E-UNCAS, QUAL2K, QUAL2Kw Mô hình cho phép mô phỏng 15 tham số (DO, BOD, nhiệt độ, tảo như chlorophyll a, nito hữu cơ, amoniac,

nitrat, nitrit, photpho hữu cơ, …) liên kết với chất lượng nước trong tổ hợp được lựa chọn bởi người dùng Với mô hình một chiều ổn định, những yếu tố cân bằng nhiệt, cân bằng thủy lực và cân bằng vật chất bị ảnh hưởng bởi dòng chảy, nhiệt độ, nồng độ QUALs cũng được sử dụng rộng rãi cho sông Mô hình bình lưu khuếch tán của vận chuyển được xem xét trong phương trình cân bằng khối luợng

Mô hình QUAL2K (Q2K) là một mô hình về chất lượng nước của sông và dòng chảy nó được cải tiến từ cho mô hình QUAL2E (Q2E) Q2K tương tự như Q2E với những đặc điểm sau:

- Là mô hình một chiều Lòng sông là những nguồn nước trộn lẫn theo chiều dọc và chiều sâu

- Hệ thống có thể bao gồm một sông chính với các sông nhánh

- Tính chất thủy lực là ổn định

- Chất lượng nước thay đổi mô phỏng theo các mức độ thời gian

QUAL2K còn bao gồm các phần tử mới:

- Phần mềm môi trường và giao diện Q2K là một công cụ trong môi trường Microsoft Windows, số lượng tính toán dùng chương trình Fortran 90 Excel được sử dụng để hiện thị đồ thị trên giao diện cho người sử dụng

- Mô hình chia nhỏ Q2E chia hệ thống sông thành các đoạn sông gồm các phần tử có khoảng cách bằng nhau Q2K phân chia hệ thống thành các đoạn sông và các phần tử Thêm vào đó, khối lượng và các dòng chảy ra có thể vào nhiều phần tử

- Tác động qua lại giữa nước và trầm tích Nước và trầm tích chảy mạnh làm hòa tan Oxy và dinh dưỡng có thể mô phỏng bên trong hơn là bắt buộc Do

đó, lượng oxy và dòng chảy dinh dưỡng được mô phỏng như một công thức ổn định về vật chất hữu cơ, phản ứng trong trầm tích và nồng độ ở dạng hòa tan sẽ làm nước bão hòa

- Mô hình hiện mô phỏng gắn liền với tảo dưới nước