Tổng quan nghiên cứu

Vịnh Cam Ranh là một trong những vụng vịnh nước sâu kín gió có giá trị chiến lược kinh tế và quốc phòng hàng đầu khu vực duyên hải Nam Trung Bộ. Với diện tích tự nhiên rộng lớn gồm đầm Thủy Triều dài 16 km và vùng vịnh trong dài hơn 19 km, khu vực này đang tiếp nhận áp lực môi trường nặng nề từ dân số hơn 500.224 người tại thành phố Cam Ranh cùng mật độ cư trú trung bình 400 người/km2. Mỗi ngày, hoạt động nuôi trồng thủy hải sản xả thải hơn 10 tấn chất thải hữu cơ trực tiếp xuống lưu vực, kết hợp với nguồn nước thải công nghiệp từ nhà máy đường, nhà máy chế biến thủy sản và hơn 400 lượt tàu thuyền qua lại cảng Ba Ngòi mỗi năm. Tình trạng suy giảm oxy hòa tan nghiêm trọng đã làm bùng phát hiện tượng thủy sản chết hàng loạt, đặt ra bài toán cấp bách về kiểm soát chất lượng nước khi địa phương hướng tới mục tiêu quy hoạch trung tâm du lịch biển quốc tế vào năm 2025.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là mô phỏng định lượng bức tranh thủy động lực và cơ chế lan truyền các chất ô nhiễm chính gồm BOD, DO, amoni, nitrat và photphat dưới tác động của hoàn lưu gió mùa và dao động nhật triều không đều có biên độ trung bình 1,5 m. Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ vùng nước vịnh Cam Ranh và đầm Thủy Triều trong giai đoạn hai mùa đặc trưng với chuỗi khảo sát thực địa mùa khô tháng 05/2011 và mùa mưa tháng 10/2011. Kết quả mô phỏng số đóng vai trò then chốt trong việc xác định sức chịu tải môi trường, cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm giúp cơ quan quản lý giảm thiểu 35% chi phí giám sát thực địa và dự báo chính xác các kịch bản lan truyền ô nhiễm ven bờ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng hệ phương trình nước nông hai chiều tích phân theo phương thẳng đứng (2D Shallow Water Equations) để giải bài toán thủy động lực học dòng chảy ven bờ. Chuyển động của khối nước chịu sự chi phối của lực quán tính, gia tốc trọng trường, tham số Coriolis tại vĩ độ 11°50’ Bắc, cùng tenxơ ứng suất bức xạ và ma sát đáy tính theo định luật bình phương vận tốc thông qua hệ số Manning.

Quá trình truyền tải và khuếch tán các biến trạng thái không bảo toàn được thiết lập trên phương trình bình lưu - khuếch tán hai chiều kết hợp nhóm nguồn sinh hóa. Trong môđun chất lượng nước ECO Lab, chu trình chuyển hóa sinh địa hóa bậc 3 được tích hợp đồng bộ bao gồm:

  1. Cân bằng oxy hòa tan (DO): Mô tả tổng hợp tốc độ trao đổi oxy qua mặt thoáng nước - khí quyển phụ thuộc độ mặn và vận tốc gió, nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), quá trình quang hợp cực đại của tảo vào buổi trưa, hô hấp thực vật và nhu cầu oxy đáy trầm tích (SOD).
  2. Chu trình Nitơ và Photpho: Động học phân hủy hợp chất hữu cơ giải phóng amoni, tốc độ đạm hóa chuyển từ amoni sang nitrit rồi nitrat với hệ số suy giảm bậc một ở 20°C, cùng quá trình hấp thụ muối dinh dưỡng của vi khuẩn và thực vật nổi.

Phương pháp nghiên cứu

Mô hình số sử dụng bộ công cụ chuyên dụng MIKE 21 HD kết hợp môđun ECO Lab của Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI). Miền tính toán được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn lưới tam giác phi cấu trúc với 7.629 phần tử và 4.447 nút lưới. Kích thước lưới được làm mịn tối đa tại các khu vực nhạy cảm như đầm Thủy Triều và ven bờ tây với diện tích tam giác nhỏ nhất 57 m2, trong khi vùng biển mở ngoài cửa vịnh có diện tích lớn nhất 0,215 km2 nhằm tối ưu hóa thời gian tính toán trên bước thời gian 60 giây.

Dữ liệu đầu vào và kiểm định được thu thập từ 18 trạm quan trắc môi trường phân bố đồng đều, kết hợp 3 trạm đo dòng chảy liên tục tầng mặt và tầng đáy cùng 2 trạm đo mực nước tự ghi trong 2 đợt khảo sát đại diện mùa khô (tháng 05/2011) và mùa mưa (tháng 10/2011). Điều kiện biên lỏng phía biển tiếp giáp Biển Đông được trích xuất từ gói phần mềm dự báo thủy triều toàn cầu TMD (Tide Model Driver). Phương pháp phân tích sai số Nash-Sutcliffe và đối sánh chuỗi số liệu đo đạc thực tế được áp dụng để hiệu chỉnh hệ số nhớt xoáy Smagorinsky ở mức 0,28 m2/s và hệ số nhám đáy Manning 34 m^(1/3)/s, đảm bảo sai số biên độ mực nước luôn duy trì dưới mức 6%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng động lực học chỉ ra sự phân hóa sâu sắc của trường dòng chảy giữa hai mùa. Trong mùa khô, vận tốc dòng chảy trung bình đạt 0,15 m/s với giá trị cực đại 0,27 m/s tại luồng hàng hải chính. Bước sang mùa mưa dưới tác động của gió mùa đông bắc và dòng chảy sông tăng cường, vận tốc dòng chảy trung bình tăng vọt 66,7% lên mức 0,25 m/s, vận tốc cực đại đạt 0,50 m/s tại các vùng thắt hẹp.

Khả năng trao đổi nước tại đầm Thủy Triều rất kém do địa hình kéo dài 16 km nhưng chiều ngang eo hẹp chỉ 250 m. Tốc độ dòng chảy trong đầm chỉ dao động từ 0,04 m/s đến 0,07 m/s, thấp hơn 6 lần so với khu vực cửa eo Sộp (đạt 0,46 m/s). Điều này khiến thời gian lưu giữ chất ô nhiễm tại đầm Thủy Triều kéo dài gấp 3,5 lần so với vùng vịnh ngoài.

Nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng tập trung đậm đặc tại dải ven bờ phía tây. Tại vị trí cống xả của nhà máy đường Cam Ranh và các khu chế biến thủy sản, nồng độ BOD5 trong nước vượt quy chuẩn cho phép từ 1,8 đến 2,5 lần vào thời điểm kiệt triều mùa khô. Khi triều dâng, vệt ô nhiễm bị đẩy ngược về phía bắc đầm Thủy Triều; khi triều rút, khối nước thải lan truyền theo hướng nam hướng ra biển khơi nhưng bị giữ lại một phần tại hoàn lưu xoáy thuận ở phía nam vịnh.

Độ mặn toàn vùng biến động từ 29,51‰ (mùa mưa) đến 34,42‰ (mùa khô). Sự chênh lệch độ mặn giữa tầng mặt và tầng đáy chỉ đạt mức trung bình 0,38‰, phản ánh tính chất xáo trộn đứng rất mạnh nhưng phân bố ngang lại tạo ra sự suy giảm rõ rệt từ cửa vịnh (34,16‰) vào sâu đỉnh đầm (30,59‰).

Thảo luận kết quả

Cơ chế thủy động lực đóng vai trò quyết định đối với khả năng tự làm sạch của vịnh Cam Ranh. Tại khu vực phía nam vịnh, sự hình thành của hoàn lưu xoáy thuận giúp phân tán và pha loãng nhanh chóng các chất ô nhiễm từ cảng Ba Ngòi. Ngược lại, khu vực bờ tây đầm Thủy Triều với địa hình nông và vận tốc triều yếu đóng vai trò như một bẫy lắng đọng trầm tích hữu cơ, giải thích hiện tượng suy kiệt oxy đáy cục bộ (DO giảm xuống dưới 2 mg/l) gây chết hàng loạt sinh vật đáy như sá sùng và nhuyễn thể.

Dữ liệu lan truyền ô nhiễm được trực quan hóa sinh động qua các bản đồ phân bố vector dòng chảy 2D và biểu đồ đẳng nồng độ BOD, amoni theo từng pha triều. So sánh với các nghiên cứu trước đây của Viện Hải dương học cho thấy mô hình số MIKE 21 kết hợp ECO Lab phản ánh chính xác hơn 85% các vùng tích tụ ô nhiễm thực tế, đặc biệt là việc làm rõ tương tác động lực giữa đầm Thủy Triều và vịnh chính mà các phương pháp cân bằng hộp đơn giản trước năm 2008 chưa thể hiện được.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Nâng cấp và xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung cho toàn bộ các cơ sở chế biến thủy sản và nhà máy đường Cam Ranh, đảm bảo 100% nước thải đạt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia trước khi xả ra đầm, hoàn thành chỉ tiêu kiểm soát trước quý IV/2026 dưới sự chủ trì của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Khánh Hòa.
  2. Tái cơ cấu và quy hoạch không gian lồng bè nuôi trồng thủy sản tại đầm Thủy Triều, giảm thiểu tối thiểu 30% mật độ nuôi hiện tại để cắt giảm lượng rác thải hữu cơ từ 10 tấn/ngày xuống dưới 7 tấn/ngày trong giai đoạn 2026-2028, thực hiện bởi Chi cục Thủy sản tỉnh Khánh Hòa.
  3. Thiết lập mạng lưới 12 trạm quan trắc tự động liên tục đo đạc mực nước, dòng chảy, DO, BOD và amoni tại các cửa xả trọng điểm và khu vực eo Sộp, tích hợp hệ thống cảnh báo sớm tai biến môi trường trong thời gian 18 tháng do Ban Quản lý Vịnh Cam Ranh vận hành.
  4. Ban hành quy chế vận hành xả thải thông minh dựa trên lịch thủy triều, nghiêm cấm các nhà máy công nghiệp xả thải trong pha triều lên hoặc thời điểm chuyển pha triều khi vận tốc dòng chảy tiệm cận 0 m/s, áp dụng từ đầu năm 2027 bởi Ủy ban nhân dân thành phố Cam Ranh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và quy hoạch biển: Vận dụng số liệu mô phỏng để cấp phép xả thải, quy hoạch phân vùng chức năng phát triển du lịch và cảng biển tại vịnh Cam Ranh.
  • Kỹ sư môi trường và chuyên gia mô hình hóa thủy văn: Khai thác bộ thông số hiệu chỉnh thực nghiệm (hệ số Manning, Smagorinsky, hằng số phân rã sinh hóa) làm dữ liệu tham chiếu chuẩn cho các mô hình MIKE 21 và ECO Lab tại các thủy vực ven biển miền Trung.
  • Doanh nghiệp công nghiệp và nuôi trồng thủy sản: Nắm bắt cơ chế lan truyền chất thải để chủ động xây dựng phương án xả thải hợp lý, bảo vệ nguồn nước cấp cho các ao nuôi tôm và hải sản ven bờ.
  • Giảng viên, học viên cao học và sinh viên ngành Hải dương học, Môi trường: Sử dụng làm tài liệu học thuật mẫu mực về phương pháp kết hợp mô hình số trị 2D với chuỗi số liệu khảo sát thực địa chất lượng nước ven bờ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao mô hình hai chiều nông (MIKE 21 HD) lại phù hợp để mô phỏng vịnh Cam Ranh? Độ sâu trung bình của vịnh Cam Ranh không quá lớn và mức chênh lệch độ mặn giữa tầng mặt và tầng đáy chỉ đạt 0,38‰. Cột nước có tính chất xáo trộn đứng rất đồng nhất, do đó việc sử dụng mô hình 2D tích phân theo độ sâu vừa đảm bảo độ chính xác cơ học chất lưu trên 90%, vừa tối ưu hóa năng lực tính toán.

  2. Yếu tố động lực nào chi phối mạnh nhất đến quá trình lan truyền ô nhiễm tại đây? Dao động thủy triều là yếu tố chi phối hàng đầu. Với chế độ nhật triều không đều và biên độ dao động lên đến 2,22 m, dòng triều quyết định hướng lan truyền chính của chất ô nhiễm: kéo chất thải ngược về đầm Thủy Triều khi triều lên và đẩy khối nước bẩn ra biển khơi khi triều xuống.

  3. Tại sao đầm Thủy Triều lại có nguy cơ ô nhiễm cao hơn vùng vịnh chính ngoài? Đầm Thủy Triều có hình thái lạch hẹp dài 16 km nhưng dòng chảy chỉ đạt 0,04 - 0,07 m/s, khiến tốc độ lưu thông nước rất chậm. Đồng thời, khu vực này tiếp nhận trực tiếp nước thải từ các cơ sở công nghiệp và hơn 10 tấn rác thải nuôi trồng mỗi ngày mà không có hoàn lưu xoáy pha loãng như vùng vịnh ngoài.

  4. Độ tin cậy của kết quả mô phỏng trong luận văn được đánh giá như thế nào? Mô hình đã được kiểm định khắt khe thông qua chỉ số tương quan Nash-Sutcliffe và so sánh với chuỗi số liệu thực đo tại 18 trạm môi trường. Sai số pha và biên độ dao động mực nước tính toán so với thực đo đạt mức dưới 6%, chứng minh độ tin cậy khoa học rất cao.

  5. Mùa mưa và mùa khô ảnh hưởng khác nhau thế nào đến nồng độ các chất ô nhiễm? Vào mùa mưa, vận tốc dòng chảy cực đại đạt 0,50 m/s giúp tăng cường khả năng pha loãng và đẩy chất ô nhiễm ra biển nhanh hơn 40% so với mùa khô. Tuy nhiên, lưu lượng nước mặt mùa mưa lại mang theo lượng lớn bùn cát lơ lửng và kim loại từ lưu vực đổ vào vịnh.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công mô hình số trị thủy động lực kết hợp chất lượng nước 2D với lưới tam giác phi cấu trúc 7.629 phần tử cho toàn bộ vịnh Cam Ranh và đầm Thủy Triều.
  • Xác định rõ trường dòng chảy mùa mưa (Vmax 0,50 m/s) mạnh hơn đáng kể so với mùa khô (Vmax 0,27 m/s), tạo ra sự khác biệt lớn về khả năng phát tán ô nhiễm.
  • Chỉ ra khu vực đầm Thủy Triều và bờ tây là điểm nóng môi trường có nguy cơ suy kiệt oxy hòa tan dưới 2 mg/l do vận tốc triều quá yếu (0,04 - 0,07 m/s).
  • Cung cấp bộ thông số sinh địa hóa chuẩn xác cho môđun ECO Lab, làm nền tảng khoa học cho việc phân vùng xả thải và kiểm soát sức chịu tải môi trường vịnh.
  • Đề ra lộ trình 4 giải pháp công nghệ và quản lý đồng bộ từ năm 2026 đến năm 2028 nhằm phục hồi chất lượng nước vùng đầm Thủy Triều.

Các đơn vị quản lý tài nguyên môi trường, viện nghiên cứu và doanh nghiệp ven biển hãy áp dụng ngay bộ công cụ mô hình hóa số trị này vào thực tiễn giám sát để bảo vệ bền vững hệ sinh thái vịnh Cam Ranh.