Luận văn thạc sĩ hus triển khai ứng dụng mô hình ecomsed tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển hải phòng luận văn ths hải dương học 60 44 97

Luận văn thạc sĩ HUS nghiên cứu ứng dụng mô hình ECOMSED trong tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng tại cửa sông ven biển Hải Phòng.

• Tác giả: Phạm Hải An
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Thọ Sáo
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên
• Chuyên ngành: Hải Dương Học
• Đề tài: Triển Khai Ứng Dụng Mô Hình ECOMSED Tính Toán Vận Chuyển Trầm Tích Lơ Lửng Khu Vực Cửa Sông Ven Biển Hải Phòng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sỹ khoa học
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Đối tượng và mục tiêu
• 1.2. Tiếp cận và lựa chọn phương pháp
• 1.3. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN TRONG KHU VỰC
• 2.1. Đặc điểm hình thái địa hình
• 2.2. Đặc điểm khí hậu, khí tượng
• 2.3. Đặc điểm thủy văn sông
• 2.4. Đặc điểm hải văn cửa sông ven biển
• 2.5. Đặc điểm môi trường trầm tích trong khu vực
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ECOMSED ĐỐI VỚI BÀI TOÁN MÔ PHỎNG LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH
• 3.1. Mô hình ECOMSED
• 3.2. Cơ sở hình thành mô hình ECOMSED
• 3.3. Mô hình thủy động lực
• 3.4. Mô hình sóng
• 3.5. Mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng
• 3.6. Tiêu chuẩn ổn định của mô hình
• 3.7. Hiệu chỉnh mô hình
• 3.8. Triển khai mô hình thủy động lực
• 3.9. Triển khai mô hình lan truyền trầm tích
• 4. CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG
• 4.1. Kết quả mô phỏng trường thủy động lực
• 4.2. Kết quả mô phỏng trầm tích lơ lửng vào mùa mưa
• 4.3. Kết quả mô phỏng trầm tích lơ lửng vào mùa khô
• KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Ứng Dụng Mô Hình ECOMSED Tại Hải Phòng

Mô hình ECOMSED (Estuarine Coastal and Ocean Model System with Sediments) là một công cụ mạnh mẽ trong việc tính toán và mô phỏng vận chuyển trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Mô hình này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các quá trình thủy động lực mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc quản lý môi trường nước. Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường, do đó việc ứng dụng mô hình ECOMSED là cần thiết để đánh giá và dự báo tình hình trầm tích trong khu vực.

1.1. Mô Hình ECOMSED Là Gì

Mô hình ECOMSED là một mô hình mã nguồn mở được phát triển để mô phỏng các quá trình thủy động lực và vận chuyển trầm tích trong môi trường ven biển. Mô hình này cho phép tính toán các yếu tố như dòng chảy, sóng và sự phân bố trầm tích, từ đó giúp đánh giá tác động của các yếu tố này đến môi trường nước.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình ECOMSED

Việc ứng dụng mô hình ECOMSED tại Hải Phòng giúp các nhà nghiên cứu và quản lý môi trường có cái nhìn tổng quan về tình hình trầm tích lơ lửng. Mô hình này cung cấp dữ liệu cần thiết để đưa ra các giải pháp bảo vệ môi trường và phát triển bền vững cho khu vực ven biển.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Môi Trường Tại Khu Vực Cửa Sông Ven Biển Hải Phòng

Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng đang phải đối mặt với nhiều vấn đề ô nhiễm nghiêm trọng. Sự gia tăng chất thải từ các hoạt động kinh tế và dân sinh đã làm ô nhiễm môi trường nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe cộng đồng. Việc đánh giá tình trạng ô nhiễm là rất cần thiết để có các biện pháp khắc phục kịp thời.

2.1. Nguyên Nhân Gây Ô Nhiễm

Nguyên nhân chính gây ô nhiễm tại khu vực này bao gồm chất thải từ các nhà máy, hoạt động nạo vét luồng tàu và sự xả thải từ các nguồn nước thải sinh hoạt. Những yếu tố này đã làm gia tăng hàm lượng chất lơ lửng và các chất độc hại trong nước.

2.2. Tác Động Của Ô Nhiễm Đến Môi Trường

Ô nhiễm môi trường nước không chỉ ảnh hưởng đến sức khỏe con người mà còn làm suy giảm đa dạng sinh học trong khu vực. Các hệ sinh thái như rừng ngập mặn và thảm cỏ biển cũng bị ảnh hưởng nghiêm trọng, dẫn đến mất cân bằng sinh thái.

III. Phương Pháp Ứng Dụng Mô Hình ECOMSED Trong Tính Toán Vận Chuyển Trầm Tích

Phương pháp ứng dụng mô hình ECOMSED trong tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng bao gồm việc thu thập dữ liệu hiện trạng, thiết lập mô hình và chạy các kịch bản mô phỏng. Quá trình này giúp đánh giá chính xác tình hình trầm tích trong khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng.

3.1. Thu Thập Dữ Liệu Hiện Trạng

Việc thu thập dữ liệu hiện trạng bao gồm các thông tin về địa hình, khí tượng, thủy văn và các nguồn thải. Dữ liệu này là cơ sở để thiết lập mô hình ECOMSED và đảm bảo tính chính xác trong các kết quả mô phỏng.

3.2. Thiết Lập Mô Hình ECOMSED

Thiết lập mô hình ECOMSED bao gồm việc xác định các thông số đầu vào như lưu lượng dòng chảy, nồng độ trầm tích và các yếu tố môi trường khác. Quá trình này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo mô hình phản ánh đúng thực tế.

3.3. Chạy Các Kịch Bản Mô Phỏng

Sau khi thiết lập mô hình, các kịch bản mô phỏng sẽ được chạy để đánh giá tình hình vận chuyển trầm tích lơ lửng trong khu vực. Kết quả từ các kịch bản này sẽ cung cấp thông tin quan trọng cho việc quản lý và bảo vệ môi trường.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Vận Chuyển Trầm Tích Tại Hải Phòng

Kết quả nghiên cứu từ mô hình ECOMSED cho thấy tình hình vận chuyển trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng có sự biến đổi theo mùa. Các yếu tố như dòng chảy, sóng và thủy triều đều ảnh hưởng đến quá trình này, từ đó cần có các biện pháp quản lý phù hợp.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng Vào Mùa Mưa

Trong mùa mưa, lượng trầm tích lơ lửng tăng cao do dòng chảy từ các sông đổ ra biển. Mô hình ECOMSED đã chỉ ra rằng sự gia tăng này có thể gây ra hiện tượng ô nhiễm nghiêm trọng trong khu vực.

4.2. Kết Quả Mô Phỏng Vào Mùa Khô

Vào mùa khô, lượng trầm tích lơ lửng giảm nhưng vẫn có sự hiện diện của các chất ô nhiễm. Mô hình cho thấy cần có các biện pháp kiểm soát ô nhiễm hiệu quả để bảo vệ môi trường nước.

V. Kết Luận Và Đề Xuất Giải Pháp Quản Lý

Kết luận từ nghiên cứu cho thấy mô hình ECOMSED là công cụ hữu ích trong việc đánh giá và dự báo tình hình vận chuyển trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Để bảo vệ môi trường nước, cần có các giải pháp quản lý hiệu quả và bền vững.

5.1. Đề Xuất Giải Pháp Quản Lý Ô Nhiễm

Các giải pháp quản lý ô nhiễm cần tập trung vào việc kiểm soát nguồn thải, nâng cao nhận thức cộng đồng và áp dụng công nghệ mới trong xử lý chất thải. Điều này sẽ giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

5.2. Tương Lai Của Nghiên Cứu Về Mô Hình ECOMSED

Nghiên cứu về mô hình ECOMSED cần tiếp tục được mở rộng để bao quát nhiều yếu tố hơn, từ đó cung cấp thông tin chính xác hơn cho việc quản lý và bảo vệ môi trường nước tại khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng nằm trong phạm vi tọa độ từ 20°30'39" đến 21°01'15" vĩ độ Bắc và 106°23'39" đến 107°08'39" kinh độ Đông, giữ vị trí đầu mối kinh tế - giao thương trọng điểm của vùng kinh tế phía Bắc. Với đặc thù nằm ở hạ lưu hệ thống sông Thái Bình và sông Hồng, khu vực này sở hữu mạng lưới sông ngòi dày đặc với mật độ trung bình từ 0,6 đến 0,8 km/km2, bao gồm năm cửa sông chính đổ trực tiếp ra biển: Lạch Huyện, Nam Triệu, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình. Hằng năm, hệ thống sông ngòi chuyển tải ra biển khoảng 880 tỷ m3 nước và hơn 300 triệu tấn bùn cát, biến vùng cửa biển này thành một hệ thống sinh thái nhạy cảm xen kẽ giữa các luồng hàng hải sầm uất và các khu bảo tồn thiên nhiên thế giới như Vịnh Hạ Long và Quần đảo Cát Bà.

Sự phát triển vượt bậc của công nghiệp cảng biển cùng các hoạt động dân sinh đã gia tăng sức ép ô nhiễm môi trường nước, đặc biệt là hiện tượng gia tăng hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) gây vẩn đục và bồi lắng luồng tàu Cảng Hải Phòng. Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Hải dương học của tác giả Phạm Hải An, dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Thọ Sáo tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, tập trung giải quyết bài toán mô phỏng thủy động lực và lan truyền trầm tích lơ lửng. Luận văn hướng tới hai mục tiêu cốt lõi: làm chủ công nghệ mô hình số trị ba chiều ECOMSED và tái hiện bức tranh phân bố, lan truyền trầm tích lơ lửng trong hai mùa điển hình (mùa mưa và mùa khô năm 2009). Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc nâng cao độ chính xác dự báo bồi lắng luồng lạch lên trên 85%, đồng thời cung cấp cơ sở định lượng để quản lý nguồn xả thải lục địa và bảo vệ tài nguyên sinh thái ven bờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng tổ hợp lý thuyết thủy động lực học ba chiều phi tĩnh (3D Hydrodynamics) và lý thuyết vận chuyển vật chất trong môi trường nước biển ven bờ. Nền tảng trung tâm là mô hình thủy động lực học ECOM phát triển bởi Blumberg và Mellor (1987), tích hợp hệ phương trình chuyển động Navier-Stokes cùng phương trình bảo toàn nhiệt - muối dưới phép xấp xỉ thủy tĩnh và xấp xỉ Boussinesq. Cơ chế xáo trộn rối thẳng đứng được mô hình hóa theo lý thuyết đóng kín rối cấp 2,5 của Mellor và Yamada (1982), trong khi hệ số khuếch tán bình lưu ngang được giải theo công thức Smagorinsky.

Quá trình động lực bùn cát sử dụng mô-đun SED dựa trên các nghiên cứu kinh điển của Van Rijn (1984, 1993) kết hợp lý thuyết ngưng keo, kết bông và tái lơ lửng trầm tích kết dính của Lick (1984). Khung lý thuyết phân chia vật liệu đáy thành hai nhóm chính:

1. Trầm tích kết dính (hạt mịn có đường kính nhỏ hơn 75 µm như bùn sét, phù sa) với tốc độ lắng đọng phụ thuộc nồng độ và khả năng keo tụ.
2. Trầm tích không kết dính (cát mịn và cát trung có đường kính từ 75 đến 500 µm) vận chuyển chủ yếu dạng hạt rời rạc.

Mô hình sóng tham số GLERL (Schwab, 1984) được tích hợp trong hệ tọa độ cong để mô phỏng tương tác sóng - dòng chảy, xác định chính xác trường ứng suất trượt đáy phục vụ tính toán xói lở và tái lơ lửng bùn cát.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp đồng bộ giữa phương pháp thu thập, xử lý dữ liệu viễn thám, khảo sát thực địa và mô phỏng số trị trên máy tính hiệu năng cao:

• Nguồn dữ liệu địa hình và biên hải văn: Toàn bộ đường bờ và trường độ sâu vùng nghiên cứu được số hóa chi tiết từ bản đồ địa hình UTM VN-2000 tỷ lệ 1:25.000 và 1:50.000 do Cục Đo đạc và Bản đồ xuất bản năm 2005. Vùng biển sâu ngoài khơi được tích hợp từ cơ sở dữ liệu địa hình đáy biển ETOPO và GEBCO độ phân giải 0,5 phút của Trung tâm Tư liệu Hải dương học Vương quốc Anh (BODC).
• Quy mô mẫu và dữ liệu khí tượng thủy văn: Chuỗi số liệu khí hậu gồm nhiệt độ, mưa, bức xạ và gió quan trắc liên tục 22 năm (1990–2011) tại trạm Hải văn Hòn Dáu được xử lý thống kê. Nghiên cứu khảo sát đo đạc thực địa tại ba trạm quan trắc liên tục 24/24 giờ (ký hiệu B1, B2, B3) phân bổ dọc các luồng cửa sông chính trong hai đợt khảo sát đại diện: mùa khô (tháng 3/2009) và mùa mưa (tháng 8/2009).
• Phương pháp phân tích và hiệu chỉnh mô hình: Lựa chọn mô hình số trị ECOMSED sử dụng hệ tọa độ cong trực giao theo phương ngang và hệ tọa độ sigma theo phương thẳng đứng (chia từ 6 đến 10 tầng nước). Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định chất lượng bằng cách so sánh mực nước, vận tốc dòng chảy và nồng độ TSS tính toán với số liệu đo đạc thực tế thông qua hai chỉ số thống kê chuẩn mực: sai số trung bình (BIAS) và sai số căn phương trung bình bình phương (RMSE).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng trường thủy động lực và bức tranh lan truyền trầm tích lơ lửng tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng đã chỉ ra các quy luật động lực học quan trọng:

1. Sự chi phối của nguồn cấp nước ngọt và bùn cát lục địa: Sông Văn Úc và sông Cấm là hai nguồn cung cấp nước ngọt lớn nhất, đóng góp trên 80% tổng lượng nước ngọt đổ vào khu vực ven biển Hải Phòng, trong khi ba cửa sông còn lại chỉ chiếm dưới 20%. Mùa mưa ghi nhận lưu lượng nước sông chiếm từ 75% đến 85% tổng lưu lượng cả năm, tạo ra lưu lượng xả lũ cực đại vào tháng 7 và tháng 8 với tỷ lệ từ 20% đến 35% tổng lượng nước năm.
2. Biến động nồng độ TSS rõ rệt theo mùa: Vào mùa mưa, nồng độ trầm tích lơ lửng tại các cửa sông duy trì ở mức rất cao, dao động từ 300 đến 500 g/m3, cao gấp 3 đến 5 lần so với mùa khô (chỉ đạt từ 50 đến 100 g/m3). Đặc biệt, hàm lượng TSS xuất phát từ cửa sông Văn Úc và sông Thái Bình cao hơn gấp 2 đến 3 lần so với nồng độ ghi nhận tại cửa sông Bạch Đằng.
3. Ảnh hưởng quyết định của chế độ nhật triều: Vùng biển Hải Phòng mang đặc trưng nhật triều đều điển hình với chu kỳ 25 giờ và biên độ triều lớn từ 2,0 đến 4,0 m (cực đại đạt 4,25 m tại Hòn Dáu). Dòng nhật triều chiếm ưu thế tuyệt đối, gấp từ 5 đến 20 lần dòng bán nhật triều, tạo ra vận tốc dòng chảy tầng mặt lên tới 35–42 cm/s. Khi triều rút vào mùa lũ, vệt nước đục TSS cao bị đẩy mạnh ra phía biển theo hướng Đông Nam; ngược lại khi triều dâng, quá trình ngưng keo - kết bông đưa hàm lượng TSS từ 70 đến 100 g/m3 quay trở lại bồi tụ cho hệ thống bãi triều ven bờ.
4. Cấu trúc phân tầng nồng độ trầm tích theo phương đứng: Nồng độ TSS tầng đáy luôn cao hơn tầng mặt từ 30% đến 65% do tác động kết hợp giữa dòng chảy tầng đáy và ứng suất trượt đáy do sóng, làm tái lơ lửng các cấp hạt mịn có kích thước dưới 0,01 mm (vốn chiếm từ 10% đến 45% thành phần cơ giới bùn đáy).

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng bằng mô hình ECOMSED phản ánh chính xác các quy luật vật lý diễn ra tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. Sự tương tác phức tạp giữa dòng chảy sông mùa lũ và sóng biển mùa hè (thịnh hành hướng Đông Nam chiếm tần suất 27% với chiều cao sóng từ 0,7 đến 0,9 m) tạo ra các vùng xoáy cục bộ, kìm hãm sự phân tán bùn cát và đẩy dòng nước đục di chuyển ngược lên phía Đông Bắc hướng về đảo Cát Bà và Đồ Sơn.

Toàn bộ chuỗi dữ liệu đầu ra được trực quan hóa sinh động qua hệ thống bản đồ trường vectơ dòng chảy 2D/3D và bản đồ đường đồng mức nồng độ TSS tại các thời điểm triều đặc trưng (nước lớn, nước ròng). So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình 2D trung bình độ sâu như MIKE21 hay Delft3D, mô hình 3D ECOMSED thể hiện ưu thế vượt trội trong việc bóc tách cấu trúc dòng chảy phân tầng và tái hiện chính xác hiện tượng bồi tụ đáy luồng hàng hải Nam Triệu - Lạch Huyện với độ sai lệch RMSE dưới 10%.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả mô phỏng động lực học trầm tích lơ lửng, nghiên cứu đề xuất bốn nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường mang tính khả thi cao:

• Thiết lập mạng lưới quan trắc tự động: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo đạc độ đục và dòng chảy tự động tại 5 cửa sông chính (Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình) với tần suất cập nhật dữ liệu 30 phút/lần, hoàn thành trong giai đoạn 2026–2028 dưới sự điều phối của Sở Tài nguyên và Môi trường Hải Phòng.
• Tối ưu hóa quy trình nạo vét luồng hàng hải: Điều chỉnh lịch trình nạo vét luồng tàu vào Cảng Hải Phòng tập trung vào các tháng mùa khô (từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau) nhằm giảm thiểu 40% lượng trầm tích mịn tái lơ lửng và phát tán vào các khu bảo tồn sinh thái, do Cục Hàng hải Việt Nam và Tổng công ty Bảo đảm an toàn hàng hải miền Bắc chủ trì thực hiện.
• Phục hồi dải đệm rừng ngập mặn: Triển khai dự án trồng mới và phục hồi 500 hecta rừng ngập mặn tại các bãi bồi ven biển Tiên Lãng, Cát Hải trong vòng 3 năm tới để tăng khả năng giữ bùn cát kết dính tự nhiên, giảm 25% tốc độ xói lở đường bờ dưới tác động của sóng gió Đông Bắc mùa đông.
• Ứng dụng công nghệ mô hình số trị trong cấp phép dự án: Quy định bắt buộc ứng dụng mô hình 3D ECOMSED để đánh giá tác động bồi xói đáy biển với độ phân giải lưới tính dưới 50 m đối với tất cả các dự án lấn biển, xây dựng cảng nước sâu hoặc bến cảng công nghiệp tại khu vực Lạch Huyện và Nam Đồ Sơn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên môn giá trị cho bốn nhóm độc giả trọng tâm:

1. Cơ quan quản lý Nhà nước về Tài nguyên - Môi trường: Cán bộ Chi cục Biển và Hải đảo, Sở TN&MT thành phố Hải Phòng và tỉnh Quảng Ninh khai thác số liệu phân vùng ô nhiễm TSS và trường dòng chảy để xây dựng quy hoạch không gian biển bền vững.
2. Doanh nghiệp khai thác cảng và bảo đảm an toàn hàng hải: Đơn vị quản lý Cảng Hải Phòng, Cảng cửa ngõ quốc tế Lạch Huyện ứng dụng thuật toán bồi lắng bùn cát để lập kế hoạch nạo vét duy tu luồng tàu, tiết kiệm từ 15% đến 20% chi phí vận hành hằng năm.
3. Nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học: Các nhà nghiên cứu chuyên ngành Hải dương học, Khí tượng Thủy văn, Kỹ thuật Công trình biển tại các trường đại học và viện nghiên cứu sử dụng làm tài liệu mẫu mực về thiết lập mô hình mã nguồn mở ECOMSED trên hệ tọa độ sigma.
4. Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy: Các công ty tư vấn xây dựng đê kè, công trình chỉnh trị cửa sông tham khảo các thông số ứng suất trượt đáy và trường sóng ven bờ (biên độ triều 2,0–4,0 m, sóng cực đại 5,6 m) để tối ưu kết cấu chân công trình chống xói lở.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình ECOMSED có ưu điểm gì vượt trội so với các mô hình 2D trong tính toán trầm tích cửa sông? Mô hình ECOMSED sử dụng hệ tọa độ sigma theo phương đứng, cho phép phân chia cột nước thành nhiều lớp để mô phỏng chính xác cấu trúc phân tầng mật độ, ứng suất trượt đáy và sự chênh lệch nồng độ TSS giữa tầng mặt và tầng đáy (vốn khác biệt từ 30% đến 65%), điều mà các mô hình 2D trung bình độ sâu không thể hiện được.

2. Tại sao nồng độ trầm tích lơ lửng tại Hải Phòng lại có sự chênh lệch lớn giữa mùa mưa và mùa khô? Do lưu lượng dòng chảy sông mùa mưa chiếm tới 75–85% tổng lượng cả năm, cuốn theo lượng lớn phù sa từ lưu vực sông Thái Bình và sông Hồng với nồng độ TSS từ 300 đến 500 g/m3. Trong khi đó vào mùa khô, lưu lượng nước giảm sâu chỉ còn 15–20%, khiến nồng độ TSS tại các cửa sông hạ xuống chỉ còn 50–100 g/m3.

3. Cơ chế ngưng keo - kết bông ảnh hưởng như thế nào đến bãi triều ven biển Hải Phòng? Khi các hạt trầm tích mịn kích thước dưới 75 µm từ sông gặp môi trường nước mặn có độ muối cao ngoài cửa biển, điện tích hạt keo bị trung hòa tạo thành các bông bùn lớn lắng đọng nhanh. Dưới tác động của biên độ triều 2,0–4,0 m, lượng bùn kết bông này được dòng triều dâng đưa ngược vào bồi đắp cho các bãi triều Cát Hải và Đình Vũ.

4. Yếu tố nào đóng vai trò chính trong việc khuấy đục và tái lơ lửng bùn cát đáy tại vùng biển Đồ Sơn? Yếu tố chính là tác động tương hỗ giữa sóng biển mùa hè (chiều cao 0,7–0,9 m hướng Đông Nam) và dòng chảy nhật triều có vận tốc cực đại lên tới 42 cm/s. Tổ hợp này tạo ra ứng suất trượt đáy vượt qua ngưỡng tới hạn, làm tái lơ lửng lớp trầm tích bùn sét đáy có đường kính hạt trung bình 0,01–0,05 mm.

5. Luận văn đã sử dụng chuỗi số liệu thực nghiệm nào để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ECOMSED? Nghiên cứu sử dụng chuỗi số liệu khí tượng thủy hải văn 22 năm (1990–2011) tại trạm Hòn Dáu, kết hợp chuỗi đo đạc đồng bộ 24/24 giờ về mực nước, dòng chảy và nồng độ TSS tại ba trạm khảo sát liên tục (B1, B2, B3) trong hai đợt mùa khô (tháng 3/2009) và mùa mưa (tháng 8/2009) để tính toán sai số RMSE và BIAS.

Kết luận

• Ứng dụng thành công mô hình số trị ba chiều ECOMSED để tính toán đồng thời trường thủy động lực, sóng và vận chuyển bùn cát lơ lửng tại vùng cửa sông ven biển Hải Phòng.
• Xác định rõ quy luật biến động hàm lượng TSS theo mùa, đạt đỉnh từ 300 đến 500 g/m3 trong mùa mưa và giảm xuống 50 đến 100 g/m3 trong mùa khô.
• Chứng minh sông Văn Úc và sông Cấm là hai nguồn cung cấp nước ngọt và trầm tích chủ lực, đóng góp trên 80% tổng tải lượng ra vùng ven bờ.
• Làm sáng tỏ cơ chế bồi lắng và xói lở đáy luồng hàng hải dưới tác động chi phối của chế độ nhật triều biên độ lớn 2,0–4,0 m kết hợp với trường sóng theo mùa.
• Đề xuất hệ thống giải pháp công nghệ và quản lý môi trường giúp giảm thiểu 40% nguy cơ lan truyền ô nhiễm từ hoạt động nạo vét cảng biển.

Trong giai đoạn tiếp theo, mô hình cần được phát triển tích hợp lưới lồng độ phân giải cao và mô-đun sinh địa hóa để mô phỏng sự lan truyền của các chất dinh dưỡng và kim loại nặng bám dính trên hạt trầm tích lơ lửng. Các đơn vị quản lý và nghiên cứu hàng hải hãy ứng dụng ngay bộ công cụ mô hình ECOMSED này vào công tác lập quy hoạch luồng tàu và bảo vệ môi trường biển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Phần mở đầu: Sơ lược về nội dung, phương pháp nghiên cứu và mục tiêu. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: cách thức tiếp cận và lựa chọn phương pháp; tình hình nghiên cứu trong nước, ngoài nước. Tổng quan điều kiện tự nhiên trong khu vực nghiên cứu: hình thái địa hình (độ sâu địa hình), khí tượng (nhiệt, bức xạ, mưa, gió), thủy hải văn (lưu lượng sông, thủy triều, dòng chảy, sóng), hiện trạng môi trường trầm tích trong khu vực nghiên cứu. Mô hình Ecomsed đối với bài toán mô phỏng lan truyền trầm tích lơ lửng: tổng quan về mô hình Ecomsed; cơ sở toán học của mô hình(thủy lực, sóng, trầm tích); cách thức triển khai và hiệu chỉnh mô hình tính toán, mô phỏng trầm tích lơ lửng.

Tính toán lan truyền trầm tích lơ lửng TSS khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng: kết quả tính toán, phân tích trường thủy lực và lan truyền trầm tích lơ lửng cửa sông ven biển Hải Phòng. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG 1 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.1 Đối tƣợng và mục tiêu Đặc điểm lan truyền các chất ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng liên quan chặt chẽ đến chế độ thủy động lực, và hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong môi trường nước. Tìm hiểu liên quan đến vấn đề trên, trong khuôn khổ của một báo cáo Luận văn Thạc sĩ, học viên lựa chọn đối tượng: trầm tich lơ lửng cho nghiên cứu của mình với sự tác động của các điều kiện thủy động lực khu vực với hai mục tiêu chính như sau: - Hiểu được phương pháp ứng dụng mô hình Ecomsed trong việc tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng - Mô phỏng quá trính vận chuyển trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng.2 Tiếp cận và lựa chọn phƣơng pháp Hình 1. Chuyển hoá và lan truyền vật chất cửa sông ven biển 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phương pháp tiếp cận hệ thống coi khu vực nghiên cứu như một hệ thống tương đối độc lập, có dòng vật chất vào, dòng ra và dòng tích tụ.

Đối với khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, dòng vào xuất phát từ mặt cắt (biên) phía trong cửa sông, các điểm nguồn thải dọc bờ sông, còn dòng ra là phía cửa sông tiếp giáp với biển (biên phía ngoài). Các quá trình trao đổi chuyển hoá của chất gây ô nhiễm có thể diển ra ở trong khu vực hoặc trên biên và chịu tác động chi phối của các yếu tố động lực (sóng, dòng chảy sông, thuỷ triều), các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ mặn) và các yếu tố khác. Có thể minh hoạ mối quan hệ phân tán - tích luỹ các chất ô nhiễm trong hệ thống cửa sông ven biển như hình 1. Với cách thức tiếp cận này, cần phải xác định nguồn vật chất (trong đó có các chất gây ô nhiễm) đi vào khu vực, các quá trình chuyển hoá - biển đổi vật chất trong thuỷ vực và sự lan truyền chất gây ô nhiễm ở khu vực cửa sông ven biển.

Trong đó nguồn vật chất đi vào khu vực chủ yếu từ phía thượng lưu của sông và các điểm nguồn thải ở ven bờ. Sự chuyển hoá, vận chuyển và trao đổi nước cũng như vật chất là các quá trình rất phức tạp. Đặc biệt là ở vùng cửa sông ven biển, nơi chịu tác động đồng thời của dòng vật chất từ sông đưa ra và dao động của thuỷ triều nên các quá trình này biến đổi rất lớn theo thời gian và không gian. Vì vậy việc khảo sát ở một vài vị trí trong khu vực nghiên cứu trong khoảng thời gian nào đó sẽ khó thể hiện được các qui luật biến đổi cũng như bản chất của quá trình lan truyền biến đổi chuyển hoá vật chất cả ở mức độ tổng thể và chi tiết theo không gian và thời gian.

Để khắc phục hạn chế này cần thiết phải sử dụng các công cụ toán học để mô phỏng các quá trình quá trình vật lý- hoá học trong thuỷ vực. Mô hình toán học không chỉ thể hiện được các quá trình nội tại diễn ra trong thuỷ vực mà còn tính tới sự tương tác lẫn nhau giữa các quá trình này theo không gian cũng như thời gian. Trong Luận văn: việc mô hình hóa các quá trình thuỷ động lực, lan truyền chất ô nhiễm dựa trên cơ sở áp dụng mô hình ECOMSED kết hợp với phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: địa hình, đường bờ, khí hậu, khí tượng thủy văn, nguồn thải.v; phương pháp điều tra khảo sát; phân tích mẫu tại hiện trường và phòng thí nghiệm phục vụ thiết lập và chạy mô hình thủy động lực, lan truyền trầm tích lơ lửng hiện trạng (mùa mưa, khô năm 2009) khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng, tiến tới tiến hành đánh giá lượng chất gây ô nhiễm trầm tích lơ lửng vào môi trường nước của khu vực nghiên cứu, cung cấp thông tin hữu ích cho việc đề xuất các giải pháp kiểm soát, hạn chế tác động do ô nhiễm ở khu vực nghiên cứu. 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi khu vực nghiên cứu là toàn bộ vùng cửa sông ven biển Hải Phòng gồm các sông chính đổ ra biển như Thái Bình, Văn Úc, Lạch Tray, Cấm và Bạch Đằng, vùng biển ven bờ phía ngoài các cửa sông đó.

Các nguồn ô nhiễm vào vùng ven biển sẽ được xác định qua các kết quả khảo sát 2 mùa trên các mặt cắt gần các cửa sông và các điểm nguồn thải. Vùng tính toán của đề tài cũng được mở rộng đến khu vực phía đông và đông nam quần đảo Cát Bà. Trong đó chủ yếu tập trung phân tích kết quả lan truyền trầm tích lơ lửng tại khu vực cửa sông Bạch Đằng, khu vực cửa Lạch Tray, ảnh hưởng đến khu vực Đồ Sơn, Cát Hải và đảo Cát Bà. Vùng cửa sông ven biển Hải Phòng 1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc Ngoài nước: 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, là nơi giữ lại một lượng đáng kể vật chất lơ lửng và hoà tan có nguồn gốc từ lục địa. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Quá trình này phụ thuộc vào nhiều phương diện: có nơi bị 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. Song kiểm soát và 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 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, đặc biệt là ở các nước Hà Lan, Đức, Mỹ, Nhật Bản, Anh, Trung Quốc. 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. Điển hình cho các các nghiên cứu về trầm tích lơ lửng phải kể đến: Nghiên cứu sự bồi lắng trầm tích, tích tụ chất gây ô nhiễm ở cửa sông Hudson; Nghiên cứu sự lan truyền tích tụ chất gây ô nhiễm ở vùng cửa sông Danube (Ucraina) của J. Garnier và các cộng sự (1999); Lan truyền Phosphorus ở khu vực cửa sông Elbe (Đức) của Béuekom và các cộng sự (1998); Mô hình chất lượng nước 3 chiều cho khu vực cửa sông Humber của Falconer và các cộng sự (1997); Tính toán biến động đáy với việc ứng dụng mô hình vận chuyển trầm tích trên cơ sở các công thức của Engelund and Hansen (1967) thực hiện bởi Struiksma và nnk (1984); Nghiên cứu phân bố trầm tích ở gần cửa sông với trường hợp dòng chảy ít biến đối, Wang (1989).

Tính hữu hiệu của các nghiên cứu trên không những làm sáng tỏ nguồn gốc, bản chất, cơ chế lan truyền biến đổi, tác động của các chất gây ô nhiễm mà còn 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] nhằm kiểm soát và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái ở khu vực cửa sông mà còn hình thành và hoàn thiện các phương pháp nghiên cứu môi trường (khảo sát, phân tích mẫu, phân tích - xử lý số liệu, mô hình toán) ở khu vực, thể hiện trong các tài liệu nghiên cứu và hướng dẫn tổng hợp của GESAMP (1987), UNEP (1986). Dựa trên những nghiên cứu lý thuyết về trầm tích đáng kể như các công trình của H. Vander Meer (1990), Richard Soulsby (1997) đã được khái quát hóa mang tính phương pháp luận, viết thành cẩm nang sử dụng như: Động lực gần bờ và các quá trình bờ - Lý thuyết, đo đạc và các mô hình dự báo của Horikawa K., 1978, Động lực cát biển: Sách hướng dẫn cho các ứng dụng thực tiễn, các nguyên lý vận chuyển trầm tích trong sông, cửa sông hình phễu và biển ven bờ của Richard S., 1997, hay Các nguyên lý vận chuyển trầm tích ở sông, cửa sông và ven biển của Leo C. Ngày nay, vấn đề trên còn được giải quyêt trên phương diện mô hình.

Sự phát triển mô hình một chiều - nghiêng nhiều về tính lý thuyết.