Tổng quan nghiên cứu
Theo thống kê của Bộ Tài nguyên và Môi trường, Việt Nam sở hữu hơn 3.200 km bờ biển nhưng từ năm 1997 đến năm 2008 đã ghi nhận hơn 50 vụ tràn dầu nghiêm trọng trên các vùng nước nội địa và ven biển. Tại tỉnh Quảng Ninh, nhu cầu tiêu thụ năng lượng phục vụ phát triển kinh tế khu vực miền Đông gia tăng nhanh chóng, với dự báo mức tiêu thụ xăng dầu bán lẻ đạt 200 m3/tháng, đại lý đạt 6.000 m3/tháng và cung cấp cho Nhà máy nhiệt điện Na Dương khoảng 20.000 tấn Mazut/năm. Nhằm giải quyết bài toán cung ứng và giảm thiểu chi phí vận tải đường bộ, dự án Kho trung chuyển kiêm cửa hàng xăng dầu Tiên Lãng tại xã Tiên Lãng, huyện Tiên Yên được đầu tư xây dựng với công suất thiết kế 94.400 tấn/năm, sức chứa giai đoạn 1 đạt 4.000 m3 và bến chuyên dụng tiếp nhận sà lan tự hành 500 tấn.
Tuy nhiên, do công trình nằm tiếp giáp trực tiếp với sông Tiên Yên và cảng Mũi Chùa, các hoạt động bốc dỡ xăng dầu luôn tiềm ẩn nguy cơ xảy ra sự cố tràn dầu. Rủi ro này đe dọa trực tiếp đến 53.240 ha rừng tự nhiên, hệ thống bãi triều ngập mặn và môi trường sống của 229 loài cá biển trong khu vực. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết lập các kịch bản mô phỏng lan truyền vệt dầu loang trên nền tảng số trị, đánh giá định lượng tốc độ và phạm vi phát tán ô nhiễm trên sông Tiên Yên trong các điều kiện thủy văn khác nhau. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn, hỗ trợ rút ngắn thời gian phản ứng khẩn cấp xuống dưới 60 phút, đồng thời bảo vệ an toàn cho hơn 1.163 ha mặt nước nuôi trồng thủy sản và vùng sinh thái bãi triều đảo Đồng Rui.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng thuyết thủy động lực học dòng chảy hai chiều trong môi trường nước nông và lý thuyết chuyển khối ô nhiễm theo cơ chế bình lưu - khuếch tán. Mô hình số trị sử dụng là bộ công cụ MIKE 21 do Viện Thủy lực Đan Mạch phát triển, tích hợp mô đun thủy lực HD và mô đun theo dõi phần tử PT. Vận tốc trôi dạt của các hạt dầu được xác định dựa trên phương trình vi phân ngẫu nhiên Langevin kết hợp định luật khuếch tán phân tử Stokes-Einstein.
Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm: sự cố tràn dầu theo định nghĩa tại Quyết định số 02/2013/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ; quá trình phong hóa dầu bao gồm các hiện tượng bốc hơi phân đoạn nhẹ, nhũ tương hóa và lắng kết trầm tích đáy; cùng cơ chế lan tỏa màng dầu cơ học trên mặt nước tĩnh nơi 1 tấn dầu có thể che phủ tới 12 km2 bề mặt. Đối với sản phẩm dầu nhẹ như dầu DO và xăng, các hợp chất hydrocarbon có nhiệt độ sôi dưới 200°C sẽ bay hơi từ 25% đến 50% khối lượng trong vòng 24 giờ đầu tiên, trong khi tác động của sóng gió tạo ra các hạt nhũ tương nước trong dầu làm tăng thể tích khối dầu thực tế lên 3 đến 4 lần.
Phương pháp nghiên cứu
Nguồn dữ liệu đầu vào phục vụ mô hình bao gồm: bình đồ địa hình lòng dẫn sông Tiên Yên với cao độ tự nhiên từ 0,0 m đến -2,0 m theo hệ độ cao Quốc gia, chuỗi số liệu khí tượng năm 2014 thu thập từ 7 trạm quan trắc tại Quảng Ninh với lượng mưa bình quân 1.871,0 mm và độ ẩm 87%, cùng dữ liệu mực nước nhật triều thực đo tại trạm Bãi Cháy có biên độ dao động từ 2,43 m đến 4,60 m.
Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập dữ liệu quan trắc khí tượng thủy văn liên tục trong 365 ngày của năm 2014, kết hợp chuỗi dữ liệu đường triều chi tiết 24 giờ theo từng bước thời gian 1 giờ trong 2 pha triều điển hình ngày 28/11/2010 và 16/12/2010. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu phân tầng theo đặc trưng hai mùa gió chính gồm gió mùa Đông Bắc và gió mùa Đông Nam, kết hợp các pha triều cường và triều kiệt đại diện cho quy luật nhật triều 26 đến 28 ngày/tháng của vùng biển Đông Bắc.
Lý do lựa chọn phương pháp mô hình hóa bằng MIKE 21 thay cho các phương trình giải tích truyền thống là vì công cụ này sử dụng lưới tam giác phi tuyến tính linh hoạt, cho phép mô phỏng chính xác trường vận tốc dòng chảy uốn khúc tại cửa sông hình phễu dài 82 km và đánh giá đồng thời tác động kết hợp của ứng suất gió bề mặt với dòng triều. Toàn bộ quá trình thu thập tài liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh biên và chạy mô phỏng 4 kịch bản được thực hiện từ tháng 01/2015 đến tháng 11/2015.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Nghiên cứu đã tính toán chi tiết diễn biến không gian và thời gian của màng dầu theo 4 kịch bản mô phỏng chính:
Thứ nhất, trong kịch bản tràn dầu khi triều rút kết hợp gió mùa Đông Bắc có tốc độ gió lớn hơn cấp 4 (trên 6 m/s), màng dầu trôi nhanh về phía hạ lưu cửa sông với vận tốc dòng đạt 0,65 m/s. Sau 1 giờ phát tán, diện tích vết dầu loang đạt khoảng 12 ha; sau 4 giờ 30 phút, vệt dầu vươn ra khu vực bến cảng Mũi Chùa với diện tích phủ bề mặt hơn 58 ha; và sau 20 giờ 30 phút, toàn bộ lượng dầu tràn lan rộng trên 185 ha mặt nước vịnh ven biển.
Thứ hai, trong kịch bản triều lên kết hợp gió mùa Đông Nam, dòng thủy triều đẩy ngược khối dầu về phía thượng lưu sông Tiên Yên với tốc độ di chuyển nhanh hơn 35% so với trường hợp chỉ chịu tác động của dòng chảy sông tự nhiên. Sau 2 giờ, vệt dầu tiến sâu 3,2 km vào nội địa; sau 8 giờ đến 23 giờ 30 phút, khoảng 70% lượng dầu dạt vào bờ và lưu giữ tại các thảm rừng sú vẹt ven sông xã Tiên Lãng.
Thứ ba, sự cố giả định đối với sà lan 500 tấn xảy ra rò rỉ 100 tấn dầu DO cho thấy quá trình bốc hơi tự nhiên làm suy giảm 28% khối lượng dầu sau 14 giờ, nhưng quá trình nhũ tương hóa làm tăng độ nhớt và mở rộng diện tích màng dầu bám dính bờ lên hơn 220 ha sau 24 giờ.
Thứ tư, khu vực cửa sông Tiên Yên chịu mức độ tổn thương sinh thái cao nhất khi nồng độ hydrocarbon hòa tan vượt ngưỡng 1 ppm, đe dọa trực tiếp sự phát triển của 69 loài tảo thực vật nổi và làm suy giảm khả năng sống của 229 loài cá quý hiếm.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sự khác biệt giữa các kịch bản là do chế độ nhật triều thuần nhất tại sông Tiên Yên có biên độ triều lớn từ 2,43 m đến 3,0 m, đóng vai trò lực đẩy chủ đạo chi phối trường vận tốc dòng chảy. Tác động của trường gió mùa đóng góp khoảng 3% đến 5% vào tốc độ trôi dạt bề mặt của các hạt dầu theo cơ sở lý thuyết Langevin. Khi so sánh với các công trình nghiên cứu tràn dầu tại vùng biển vịnh Bắc Bộ năm 2013, kết quả tại sông Tiên Yên cho thấy mức độ lưu giữ dầu tại bờ cao hơn 40% do hình thái lòng sông hẹp và sự cản trở của thảm thực vật ngập mặn.
Các kết quả mô phỏng thủy lực và lan truyền dầu trong luận văn được minh họa trực quan thông qua hệ thống bản đồ số 2D thể hiện đường đi của vệt dầu theo từng bước thời gian gồm 1 giờ, 4 giờ, 8 giờ, 17 giờ và 23 giờ 30 phút, kết hợp với các biểu đồ biến trình đường triều tại trạm Bãi Cháy và bảng tổng hợp đối sánh diện tích nhiễm dầu giữa các kịch bản. Việc trực quan hóa dữ liệu qua biểu đồ và bản đồ lưới tam giác giúp cơ quan ứng phó nhận diện ngay lập tức các vùng xung yếu cần ưu tiên cô lập.
Đề xuất và khuyến nghị
Trên cơ sở kết quả mô phỏng số trị, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường trọng tâm:
- Triển khai bố trí hệ thống phao quây dầu chuyên dụng tự bung có chiều dài tối thiểu 500 m và 02 thiết bị hút váng dầu cơ học công suất 50 m3/giờ tại cầu cảng tiếp nhận sà lan 500 tấn của bến Mũi Chùa; đặt mục tiêu thu gom và cô lập trên 90% lượng dầu rò rỉ trong vòng 30 phút đầu kể từ khi phát sinh sự cố; thời gian hoàn thành lắp đặt trước quý II/2016 do Chủ đầu tư dự án Kho trung chuyển Tiên Lãng trực tiếp thực hiện.
- Xây dựng quy chế phối hợp hành động khẩn cấp liên ngành giữa Ủy ban nhân dân huyện Tiên Yên, Cảng vụ Hàng hải Quảng Ninh và lực lượng Cảnh sát Phòng cháy chữa cháy, tổ chức diễn tập định kỳ 2 lần/năm nhằm rút ngắn thời gian điều động phương tiện ứng cứu hiện trường xuống dưới 45 phút; bắt đầu áp dụng chính thức từ tháng 6/2016.
- Thiết lập hệ thống giám sát và cảnh báo rủi ro tràn dầu tự động tích hợp phần mềm MIKE 21 tại Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, duy trì cập nhật dữ liệu gió và thủy triều 24/7 nhằm khống chế sai số dự báo quỹ đạo dầu tràn dưới 10%; vận hành thử nghiệm trong giai đoạn 2016 - 2017 do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh chủ trì.
- Xây dựng hoàn thiện tuyến đê ngăn cháy bằng bê tông cao 1,0 m dài 380 m và hệ thống rãnh thu gom dẫn về hố thu sự cố dung tích 150 m3 theo đúng tiêu chuẩn TCVN 5307-2009 cho khu bể chứa 4.000 m3, nhằm ngăn chặn tuyệt đối nguy cơ rò rỉ 100% lượng xăng dầu trên bờ tràn thoát vào lưu vực sông Tiên Yên; hoàn thành đồng bộ trước khi đưa công trình vào vận hành thương mại.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Tập luận văn thạc sĩ này là nguồn tài liệu khoa học và thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng cụ thể:
- Cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và hàng hải gồm Sở Tài nguyên và Môi trường cùng Cảng vụ Hàng hải tỉnh Quảng Ninh: Ứng dụng kết quả và số liệu mô phỏng để thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường, xây dựng bản đồ nhạy cảm môi trường và phê duyệt kế hoạch ứng phó sự cố tràn dầu cấp cơ sở.
- Doanh nghiệp và chủ đầu tư dự án kho cảng xăng dầu: Tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê ngăn cháy 380 m, quy trình neo đậu sà lan 500 tấn an toàn và phương án đầu tư trang thiết bị phao quây 500 m tối ưu về mặt kinh tế.
- Chuyên gia tư vấn và kỹ sư môi trường: Sử dụng toàn bộ quy trình thiết lập mô hình 2 chiều MIKE 21, kỹ thuật chia lưới phi tuyến và phương pháp gán biên thủy lực làm mẫu chuẩn để thực hiện các dự án mô phỏng ô nhiễm chất lượng nước tại các vùng cửa sông tương tự.
- Giảng viên, nghiên cứu sinh và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Khai thác tài liệu làm giáo trình tham khảo chuyên sâu về ứng dụng mô hình số trị trong dự báo lan truyền chất ô nhiễm và quản lý rủi ro sinh thái ven biển.
Câu hỏi thường gặp
-
Tại sao mô hình MIKE 21 được lựa chọn để mô phỏng sự cố tràn dầu tại khu vực Tiên Lãng?
Bộ mô hình MIKE 21 tích hợp mô đun thủy lực HD và mô đun hạt PT giải hệ phương trình Navier-Stokes 2 chiều trên lưới phi tuyến tính. Phương pháp này mô tả chính xác tương tác phức tạp giữa chế độ nhật triều biên độ 2,43 m - 4,60 m và dòng chảy uốn khúc tại cửa sông hình phễu Tiên Yên dài 82 km với độ tin cậy vượt trội.
-
Hướng di chuyển nguy hiểm nhất của vệt dầu tràn trên sông Tiên Yên là hướng nào?
Hướng di chuyển nguy hiểm nhất xảy ra khi triều lên kết hợp gió mùa Đông Nam, đẩy khối dầu đi ngược vào thượng lưu sông với tốc độ 0,65 m/s. Vệt dầu xâm nhập sâu 3,2 km sau 2 giờ, đe dọa trực tiếp 53.240 ha rừng ngập mặn và hơn 1.163 ha diện tích bãi triều nuôi trồng thủy sản xã Tiên Lãng.
-
Quy mô thiết kế và công suất thông qua của kho trung chuyển Tiên Lãng đạt bao nhiêu?
Công trình được quy hoạch với công suất luân chuyển 94.400 tấn/năm nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ 6.000 m3/tháng cho các đại lý miền Đông Quảng Ninh và 20.000 tấn Mazut/năm cho nhà máy nhiệt điện. Sức chứa giai đoạn 1 gồm 4 bể 1.000 m3 (tổng 4.000 m3) tiếp nhận sà lan 500 tấn với tần suất 300 lượt/năm.
-
Quá trình phong hóa làm biến đổi thành phần dầu tràn DO như thế nào sau khi thoát ra môi trường?
Trong 24 giờ đầu tiên, khoảng 25% đến 30% các hợp chất hydrocarbon nhẹ có nhiệt độ sôi dưới 200°C sẽ bay hơi vào không khí. Dưới tác động của sóng và gió, quá trình nhũ tương hóa nước trong dầu diễn ra mạnh mẽ, làm thể tích váng dầu tăng gấp 3 đến 4 lần và tạo màng bám dính khó thu gom.
-
Giải pháp công trình nào giúp ngăn chặn sự cố tràn dầu ngay tại khu bể chứa trên đất liền?
Công trình xây dựng tuyến đê ngăn cháy bằng bê tông cao 1,0 m dài 380 m bao quanh khu bể chứa 4.000 m3 theo tiêu chuẩn TCVN 5307-2009. Cùng với hệ thống hố thu sự cố dung tích 150 m3, giải pháp này ngăn chặn 100% nguy cơ dầu rò rỉ trên mặt đất tràn xuống dòng sông Tiên Yên.
Kết luận
- Luận văn đã mô phỏng thành công 4 kịch bản lan truyền dầu tràn tại khu vực dự án kho trung chuyển xăng dầu Tiên Lãng bằng bộ công cụ số trị tiên tiến MIKE 21.
- Định lượng chính xác phạm vi lan truyền của vệt dầu: dạt ngược thượng lưu 3,2 km khi triều lên và lan rộng 185 ha ra vịnh biển khi triều rút.
- Phân tích rõ quy luật phong hóa làm bốc hơi 28% khối lượng phân đoạn nhẹ và cơ chế nhũ tương hóa mở rộng diện tích ô nhiễm lên 220 ha.
- Đóng góp luận cứ khoa học chuẩn xác để xây dựng phương án phòng ngừa và kế hoạch ứng phó sự cố tràn dầu đạt chuẩn quốc gia cho địa phương.
- Kế hoạch triển khai giai đoạn tiếp theo tập trung lắp đặt phao quây 500 m, hoàn thiện đê ngăn cháy 380 m và diễn tập định kỳ 2 lần/năm trong năm 2016.
Các nhà quản lý, chủ đầu tư dự án kho cảng xăng dầu và chuyên gia môi trường hãy ứng dụng mô hình số trị để tối ưu hóa kế hoạch phòng ngừa, bảo vệ an toàn cho hệ sinh thái ven biển bền vững.