Tổng quan nghiên cứu

Trong những năm gần đây, khu vực đầm Thủy Triều thuộc vịnh Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa, đang đối mặt với nguy cơ ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng. Đầm Thủy Triều có chiều dài khoảng 16 km, là nơi phong phú về thủy sản và đóng vai trò quan trọng trong phát triển du lịch biển của tỉnh đến năm 2025. Tuy nhiên, trong gần một thập kỷ qua, hiện tượng tôm, cá, nghêu, ốc chết hàng loạt đã làm biến dạng hệ sinh thái đầm, ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn lợi thủy sản và đời sống người dân địa phương. Một trong những nguyên nhân chính là nước thải từ nhà máy đường Cam Ranh, dù đã qua xử lý nhưng vẫn vượt ngưỡng các thông số môi trường, gây ô nhiễm cục bộ.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm dưới tác động của các yếu tố động lực như dòng chảy, gió, thủy triều tại vịnh Cam Ranh bằng mô hình số MIKE 21 HD kết hợp ECO Lab. Nghiên cứu tập trung vào các chất ô nhiễm chính gồm BOD, DO, NO3-, PO4+, NH3+ trong hai mùa mưa và khô, nhằm đánh giá mức độ lan truyền và ảnh hưởng đến chất lượng nước các bãi tắm và khu vực nuôi trồng thủy sản. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ vịnh Cam Ranh và đầm Thủy Triều, với dữ liệu khảo sát thực địa từ năm 2000 đến 2011.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho quản lý môi trường, quy hoạch phát triển bền vững tài nguyên thủy sản và du lịch sinh thái tại khu vực, đồng thời hỗ trợ xây dựng các chiến lược kiểm soát ô nhiễm hiệu quả, giảm thiểu tác động tiêu cực từ các nguồn thải công nghiệp và dân cư.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy động lực và sinh hóa môi trường nước ven biển, bao gồm:

  • Mô hình thủy động lực MIKE 21 HD: Mô phỏng dòng chảy hai chiều trong lớp nước đồng nhất theo phương thẳng đứng, sử dụng phương trình nước nông tích phân theo độ sâu, tính toán vận tốc dòng chảy, ứng suất bề mặt và đáy, ảnh hưởng của gió và thủy triều. Mô hình áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn để rời rạc hóa không gian, phương pháp Runge-Kutta cho tích phân thời gian, và xử lý điều kiện biên kín, mở, khô-ướt.

  • Mô hình sinh hóa ECO Lab: Mô phỏng quá trình truyền tải và biến đổi các chất ô nhiễm như BOD, DO, NH3+, NO3-, PO4+ trong môi trường nước, dựa trên các phương trình truyền tải vật chất không bảo toàn, bao gồm các quá trình sinh học như quang hợp, hô hấp, phân hủy hữu cơ, nitrat hóa, khử nitơ và hấp thụ dinh dưỡng. Phương pháp giải số Euler và Runge-Kutta được sử dụng để tính toán biến đổi nồng độ theo thời gian.

Các khái niệm chính bao gồm: nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), ôxy hòa tan (DO), hợp phần nitơ (NH3-, NO2-, NO3-), hợp phần photpho (PO4+), và các chỉ số ô nhiễm như Chỉ số ô nhiễm dinh dưỡng (NPI) và hữu cơ (OPI).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các đề tài nghiên cứu cấp cơ sở, cấp tỉnh và quốc tế, bao gồm số liệu khí tượng, thủy văn, môi trường, khảo sát thực địa tại 18 trạm phân bố trên toàn vịnh Cam Ranh và đầm Thủy Triều trong các tháng đại diện cho mùa mưa (10/2011) và mùa khô (5/2011). Dữ liệu mực nước, vận tốc dòng chảy, nhiệt độ, độ mặn và nồng độ các chất ô nhiễm được sử dụng làm điều kiện biên và ban đầu cho mô hình.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình số MIKE 21 HD để mô phỏng trường dòng chảy và thủy động lực, kết hợp mô hình ECO Lab để mô phỏng quá trình truyền tải và biến đổi sinh hóa các chất ô nhiễm. Lưới tính được thiết lập với 7.629 tam giác và 4.447 nút lưới, diện tích tam giác nhỏ nhất 57 m², lớn nhất 0,215 km², tập trung chi tiết tại vùng đầm Thủy Triều và ven bờ.

Quá trình hiệu chỉnh mô hình dựa trên so sánh số liệu thực đo và kết quả mô phỏng về mực nước và vận tốc dòng chảy trong hai mùa, với sai số trung bình dưới 6% và hệ số tương quan mực nước đạt 26,7%. Các thông số hiệu chỉnh gồm hệ số nhớt xoáy Smagorinsky 0,28 m²/s, hệ số Manning 34 m¹/³/s, hệ số ma sát gió 0,0026 và bước thời gian 60 giây.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ thu thập số liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh đến mô phỏng các kịch bản ô nhiễm trong tháng 5 và tháng 10 năm 2011.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến động trường dòng chảy theo chu kỳ ngày đêm: Trong mùa khô tháng 5/2011, dòng chảy tại cửa vịnh có tốc độ dao động từ 4 cm/s đến 46 cm/s, với hướng dòng chảy thay đổi rõ rệt theo pha triều. Khi triều lên, dòng chảy hướng từ cửa vịnh lên đầm Thủy Triều và dọc bờ tây vịnh chính; khi triều xuống, nước chảy ngược ra cửa vịnh. Tại các khu vực eo hẹp như mũi Hòn Lương và bờ thôn Mỹ Ca, vận tốc dòng chảy đạt 26-32 cm/s.

  2. Phân bố nồng độ các chất ô nhiễm: Mô hình cho thấy nồng độ BOD, NH3+, NO3-, PO4+ tăng cao gần các điểm xả thải nhà máy đường và khu dân cư, vượt ngưỡng cho phép từ 15-30% so với vùng nước ngoài cửa vịnh. Nồng độ DO giảm xuống dưới 4 mg/l tại các khu vực ô nhiễm cục bộ, gây nguy cơ thiếu oxy cho sinh vật thủy sinh.

  3. Ảnh hưởng của yếu tố động lực đến lan truyền ô nhiễm: Gió thịnh hành với tốc độ trung bình 3,6-5,1 m/s và dòng triều bán nhật triều biên độ trung bình 1,5 m ảnh hưởng mạnh đến sự khuếch tán và pha loãng các chất ô nhiễm. Mùa mưa có vận tốc dòng chảy tầng mặt tăng gấp đôi so với mùa khô (0,25 m/s so với 0,15 m/s), giúp cải thiện khả năng trao đổi nước và giảm nồng độ ô nhiễm.

  4. Kịch bản gia tăng ô nhiễm: Mô phỏng giả định tăng công suất xả thải từ nhà máy đường và khu công nghiệp cho thấy nồng độ BOD và NH3+ có thể tăng thêm 20-40%, làm giảm DO xuống mức nguy hiểm dưới 3 mg/l tại các bãi tắm và vùng nuôi trồng thủy sản, đe dọa nghiêm trọng đến đa dạng sinh học và hoạt động kinh tế.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng phù hợp với các quan sát thực tế và các nghiên cứu trước đây về ô nhiễm nước ven biển tại Việt Nam và quốc tế. Sự biến động dòng chảy theo triều và gió tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình pha loãng và khuếch tán ô nhiễm, tuy nhiên các điểm xả thải tập trung vẫn gây ra ô nhiễm cục bộ nghiêm trọng. So với các mô hình như WASP7 và ECOSMO đã được áp dụng tại các vịnh khác, mô hình MIKE 21 HD kết hợp ECO Lab cho phép mô phỏng chi tiết hơn về ảnh hưởng của các yếu tố động lực và sinh hóa trong không gian hai chiều.

Biểu đồ phân bố nồng độ DO và BOD theo thời gian và không gian có thể minh họa rõ sự suy giảm chất lượng nước gần các điểm thải và sự cải thiện khi dòng chảy mạnh hơn vào mùa mưa. Bảng so sánh nồng độ các chất ô nhiễm giữa các khu vực cũng cho thấy mức độ ô nhiễm vượt ngưỡng tại các vùng ven bờ và đầm Thủy Triều.

Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc kiểm soát nguồn thải và quản lý khai thác tài nguyên thủy sản, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các chính sách bảo vệ môi trường và phát triển bền vững tại vịnh Cam Ranh.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường xử lý nước thải công nghiệp và dân cư: Áp dụng công nghệ xử lý nước thải tiên tiến tại nhà máy đường và các khu công nghiệp, đảm bảo các thông số môi trường không vượt ngưỡng cho phép. Mục tiêu giảm nồng độ BOD và NH3+ ít nhất 30% trong vòng 2 năm, do chính quyền địa phương phối hợp với các doanh nghiệp thực hiện.

  2. Xây dựng hệ thống giám sát môi trường liên tục: Lắp đặt trạm quan trắc tự động tại các điểm xả thải và vùng nhạy cảm để theo dõi chất lượng nước theo thời gian thực, giúp phát hiện sớm và xử lý kịp thời các sự cố ô nhiễm. Thời gian triển khai trong 1 năm, do Sở Tài nguyên Môi trường chủ trì.

  3. Quy hoạch và quản lý vùng nuôi trồng thủy sản hợp lý: Hạn chế mật độ nuôi trồng tại các khu vực có nguy cơ ô nhiễm cao, áp dụng các biện pháp kỹ thuật giảm phát thải hữu cơ và dinh dưỡng. Mục tiêu giảm thiểu ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng trong 3 năm, do ngành thủy sản và chính quyền địa phương phối hợp thực hiện.

  4. Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình giáo dục, tập huấn về bảo vệ môi trường nước và khai thác bền vững tài nguyên thủy sản cho người dân và doanh nghiệp trong khu vực. Thời gian thực hiện liên tục, do các tổ chức xã hội và chính quyền địa phương đảm nhiệm.

  5. Phát triển mô hình dự báo và cảnh báo ô nhiễm: Sử dụng mô hình số đã hiệu chỉnh để xây dựng hệ thống dự báo ô nhiễm theo các kịch bản xả thải và điều kiện động lực khác nhau, hỗ trợ công tác quản lý và ra quyết định. Mục tiêu hoàn thiện trong 2 năm, do Viện Hải dương học và các cơ quan khoa học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường và quy hoạch đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm, quy hoạch phát triển bền vững khu vực ven biển và đầm Thủy Triều, đảm bảo cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

  2. Các nhà khoa học và nghiên cứu sinh trong lĩnh vực thủy văn, môi trường biển: Tham khảo phương pháp mô hình hóa thủy động lực và sinh hóa môi trường nước ven biển, áp dụng cho các nghiên cứu tương tự tại các vùng ven biển khác.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong ngành công nghiệp và nuôi trồng thủy sản: Hiểu rõ tác động của hoạt động sản xuất đến môi trường nước, từ đó điều chỉnh quy trình sản xuất, đầu tư công nghệ xử lý nước thải phù hợp, giảm thiểu rủi ro môi trường.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Nâng cao nhận thức về tình trạng ô nhiễm và vai trò của cộng đồng trong bảo vệ môi trường, tham gia giám sát và đề xuất các giải pháp bảo vệ nguồn lợi thủy sản và môi trường sống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình MIKE 21 HD và ECO Lab có ưu điểm gì so với các mô hình khác?
    Mô hình MIKE 21 HD kết hợp ECO Lab cho phép mô phỏng chi tiết dòng chảy hai chiều và các quá trình sinh hóa phức tạp trong môi trường nước ven biển, tích hợp tốt với dữ liệu GIS và có khả năng mô phỏng các kịch bản ô nhiễm khác nhau, hỗ trợ quản lý môi trường hiệu quả.

  2. Tại sao đầm Thủy Triều lại quan trọng trong nghiên cứu này?
    Đầm Thủy Triều là vùng nước ngọt ven biển có hệ sinh thái đa dạng, đóng vai trò mắt xích trong phát triển thủy sản và du lịch của vịnh Cam Ranh. Ô nhiễm tại đây ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn lợi thủy sản và chất lượng môi trường toàn vịnh.

  3. Các yếu tố động lực nào ảnh hưởng đến quá trình lan truyền ô nhiễm?
    Dòng chảy thủy triều, gió mùa, đặc điểm địa hình và thủy văn vùng vịnh là các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự khuếch tán, pha loãng và tích tụ các chất ô nhiễm trong nước, quyết định mức độ ô nhiễm tại các khu vực khác nhau.

  4. Nồng độ DO thấp ảnh hưởng thế nào đến sinh vật thủy sinh?
    DO thấp dưới 4 mg/l gây thiếu oxy, làm giảm hoạt động sinh học, gây stress hoặc chết hàng loạt các loài cá, động vật không xương sống và thực vật thủy sinh, làm suy giảm đa dạng sinh học và năng suất thủy sản.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm ô nhiễm tại vịnh Cam Ranh?
    Tăng cường xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt, xây dựng hệ thống giám sát môi trường liên tục, quản lý nuôi trồng thủy sản hợp lý và nâng cao nhận thức cộng đồng là các giải pháp tổng thể và hiệu quả nhất để bảo vệ môi trường vịnh Cam Ranh.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã mô phỏng thành công quá trình lan truyền vật chất ô nhiễm tại vịnh Cam Ranh và đầm Thủy Triều, xác định được các khu vực ô nhiễm cục bộ và ảnh hưởng của yếu tố động lực.
  • Kết quả cho thấy nồng độ BOD, NH3+ vượt ngưỡng tại các điểm xả thải, DO giảm nguy hiểm, đặc biệt trong mùa khô và khi công suất xả thải tăng.
  • Mô hình MIKE 21 HD kết hợp ECO Lab là công cụ hiệu quả hỗ trợ quản lý môi trường và xây dựng các kịch bản ứng phó ô nhiễm.
  • Đề xuất các giải pháp xử lý nước thải, giám sát môi trường, quản lý nuôi trồng và tuyên truyền cộng đồng nhằm giảm thiểu ô nhiễm và phát triển bền vững.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống giám sát, hoàn thiện mô hình dự báo và áp dụng kết quả nghiên cứu vào chính sách quản lý môi trường tại địa phương.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ nguồn tài nguyên quý giá của vịnh Cam Ranh và đầm Thủy Triều, góp phần phát triển kinh tế - xã hội bền vững cho tỉnh Khánh Hòa.