Tổng quan nghiên cứu

Vịnh Nha Trang là một trong những thủy vực ven bờ đặc sắc với diện tích mặt nước khoảng 500 km2, được bao bọc bởi 19 hòn đảo lớn nhỏ (trong đó đảo Hòn Tre có diện tích lớn nhất khoảng 36 km2) và đường bờ biển trải dài trên 25 km. Vùng đất tự nhiên của thành phố Nha Trang chiếm khoảng 252,6 km2 với quy mô dân số ghi nhận đạt 371.879 người phân bố tại 27 đơn vị hành chính cơ sở, đón hàng vạn lượt du khách trong và ngoài nước mỗi năm. Sự tăng trưởng bùng nổ của các hoạt động kinh tế, du lịch nghỉ dưỡng và nuôi trồng thủy sản đang tạo nên sức ép môi trường to lớn, đe dọa trực tiếp đến hệ sinh thái rạn san hô quý hiếm cùng các bãi tắm ven bờ.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là sự suy giảm chất lượng nước do tiếp nhận nguồn xả thải liên tục từ hệ thống sông Cái (chiều dài 79 km) và sông Tắc đổ trực tiếp ra vịnh. Mục tiêu cụ thể của công trình là ứng dụng bộ mô hình toán số trị hai chiều nhằm tính toán trường động lực học dòng chảy và mô phỏng bức tranh lan truyền, chuyển hóa các chất ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng trong chu kỳ hai mùa gió đặc trưng. Nghiên cứu được định vị trong phạm vi không gian toàn vịnh Nha Trang và hệ thống các bãi tắm trung tâm thành phố. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài được khẳng định qua việc cung cấp các thông số định lượng chính xác, hỗ trợ nâng cao hiệu suất tự làm sạch của vùng nước biển từ 42% đến 90% sau 24 giờ xáo trộn thủy triều, đóng vai trò nền tảng cho công tác quy hoạch bảo vệ môi trường biển bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên hệ thống lý thuyết thủy động lực học môi trường biển và lý thuyết lan truyền chuyển hóa vật chất phi bảo toàn. Cốt lõi của mô hình động lực là hệ phương trình dòng nước nông hai chiều (2D Shallow Water Equations) tích phân theo phương thẳng đứng từ hệ phương trình liên tục và phương trình động lượng Navier-Stokes. Hệ phương trình này tích hợp đầy đủ các yếu tố ngoại lực: lực gia tốc trọng trường g = 9,81 m/s2, lực Coriolis f = 2Ωsinθ phụ thuộc vĩ độ địa lý, ứng suất gió mặt thoáng theo công thức thực nghiệm Wu và ứng suất ma sát đáy biển thông qua hệ số Manning M hoặc hệ số Chezy.

Đối với quá trình sinh địa hóa, mô hình áp dụng phương trình truyền tải - khuếch tán đối lưu hai chiều cho đại lượng vô hướng kết hợp các nguồn sinh/mất nội tại. Cân bằng oxy hòa tan (DO) được mô tả ở mức cân bằng bậc ba phức hợp gồm 6 quá trình: trao đổi khí qua mặt thoáng, quang hợp của thực vật phù du, hô hấp sinh vật, đạm hóa amoniac, nhu cầu oxy hóa sinh học (BOD) và tiêu thụ oxy ở lớp trầm tích đáy. Bên cạnh đó, chu trình chuyển hóa nitơ được mô hình hóa chi tiết qua các giai đoạn biến đổi từ Amoni (NH4+) sang Nitrit (NO2-), Nitrat (NO3-) và khử nitrat, kết hợp với chỉ số ô nhiễm dinh dưỡng NPI và chỉ số ô nhiễm hữu cơ OPI để phân định mức độ rủi ro sinh thái.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào được kế thừa từ các chương trình điều tra hải văn của Viện Hải dương học, bao gồm chuỗi quan trắc khí tượng, nhiệt độ, độ muối và các trạm đo đạc mực nước tại trạm Cầu Đá. Số liệu thực đo xác định mực nước biển cực đại đạt 235 cm, cực tiểu 4 cm, trung bình 124 cm, với biên độ triều dao động bình quân 212 cm và chỉ số phân loại thủy triều Vaderstok bằng 2 biểu thị chế độ nhật triều không đều.

Cỡ mẫu tính toán sử dụng hệ thống lưới phi cấu trúc tam giác linh hoạt (Flexible Mesh) bao phủ toàn bộ 500 km2 diện tích vịnh, trong đó mật độ mắt lưới được làm mịn tối đa tại các cửa sông Cái, sông Tắc và dải bờ 25 km nhằm thu bắt chính xác sự biến thiên cục bộ. Phương pháp giải số áp dụng kỹ thuật thể tích hữu hạn (Finite Volume Method) kết hợp thuật toán Roe giải gần đúng thông lượng Riemann và sơ đồ tích phân thời gian Runge-Kutta bậc 2 đến bậc 4. Lý do lựa chọn bộ công cụ MIKE 21 HD và Ecolab của Viện Thủy lực Đan Mạch là nhờ ưu thế vượt trội trong việc xử lý ranh giới biến động ngập triều - làm khô (wetting-drying) với độ sâu giới hạn phân tầng cực nhỏ, khả năng liên kết không gian địa lý GIS linh hoạt và tính ổn định cao khi giải các bài toán phi tuyến phức tạp trong thủy vực ven bờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Mô phỏng thủy động lực học khẳng định trường dòng chảy vịnh Nha Trang chịu sự chi phối mạnh mẽ của chế độ gió mùa và địa hình phức tạp giữa 19 hòn đảo. Vào mùa đông, dưới ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc, dòng chảy tầng mặt di chuyển chủ đạo theo hướng Nam - Tây Nam với góc lệch dưới 45 độ so với hướng gió, vận tốc dòng chảy trung bình đạt 37,3 cm/s và cực đại lên đến 50 cm/s tại các eo biển hẹp. Ngược lại, trong mùa gió Tây Nam, dòng chảy đổi hướng sang Bắc - Đông Bắc. Đáng chú ý, do độ sâu vịnh tương đối lớn, vận tốc dòng chảy tầng đáy có hiện tượng cường hóa mạnh gấp 2 đến 3 lần so với tầng mặt và xuất hiện hiện tượng xoay véctơ dòng theo phương thẳng đứng.

Trường lan truyền nồng độ chất ô nhiễm chỉ ra sự khác biệt rõ nét giữa hai mùa. Vào mùa mưa, lượng nước ngọt xả ra từ lưu vực sông Cái (diện tích lưu vực sông Dinh 985 km2) làm giảm độ mặn tầng mặt so với mức ổn định 33‰ của mùa khô. Nồng độ các chất phú dưỡng NO3-, PO43- và BOD tăng vọt tại vùng cửa sông, tạo dải ô nhiễm đậm đặc lan tỏa rộng ra phạm vi bán kính 3 km đến 5 km. Khi áp dụng kịch bản giả định nồng độ chất thải từ cửa sông gia tăng vượt ngưỡng cho phép 1,5 lần, dải lan truyền hữu cơ nhanh chóng tiếp cận dải bờ cát các bãi tắm trung tâm, làm suy giảm nồng độ oxy hòa tan (DO) xuống dưới 4,5 mg/l vào các thời điểm ban đêm trước khi phục hồi nhờ quá trình quang hợp cực đại vào giữa trưa.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân tán vật chất ô nhiễm tại vịnh Nha Trang được giải thích bởi sự kết hợp nhịp nhàng giữa dòng đối lưu triều, ứng suất gió bề mặt và động học chuyển hóa sinh hóa nội tại trong cột nước. Dữ liệu tính toán từ mô hình có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua hệ thống biểu đồ và bảng phân tích khoa học:

  • Bảng thông số động lực học và hóa học: Thống kê chi tiết các giá trị vận tốc dòng cực đại (50 cm/s), biên độ triều trung bình (212 cm), độ biến thiên nhiệt độ từ 24,0°C đến 29,5°C và nồng độ nền của các hợp chất Amoni, Nitrat, Phốt-phát theo từng điểm nút quan trắc.
  • Bản đồ số mảng màu hai chiều: Thể hiện các đường đẳng trị phân bố không gian của nồng độ BOD và chỉ số ô nhiễm NPI, minh họa rõ ranh giới phân tách giữa vùng nước giàu dinh dưỡng cửa sông và khối nước biển khơi trong lành.
  • Đồ thị biến thiên thời gian 24 giờ: Trình diễn tương quan nghịch biến giữa nhu cầu oxy hóa sinh học BOD và nồng độ DO hòa tan dưới tác động của bức xạ mặt trời ngày đêm.

So sánh với các nghiên cứu tiền tiêu, kết quả này hoàn toàn tương thích với phát hiện của Phan Minh Thụ và Nguyễn Hữu Huân (1999) về khả năng tự làm sạch chất hữu cơ đạt từ 42% đến 90% sau 24 giờ, đồng thời khắc phục triệt để hạn chế không gian tĩnh của phương pháp cân bằng hộp LOICZ trước đây nhờ khả năng mô phỏng liên tục 2 chiều theo thời gian thực.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát và xử lý nước thải tại nguồn: Triển khai nâng cấp hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải tập trung cho toàn bộ 27 đơn vị hành chính thuộc thành phố Nha Trang và lưu vực sông Cái, hướng tới mục tiêu cắt giảm ít nhất 35% tải lượng BOD và 40% hợp chất tổng Nitơ xả thẳng ra biển, hoàn thành trong giai đoạn 2026 - 2028 do Ủy ban nhân dân tỉnh Khánh Hòa và Sở Tài nguyên và Môi trường chủ trì.
  2. Xây dựng mạng lưới quan trắc và cảnh báo tự động: Lắp đặt hệ thống 5 trạm phao quan trắc hải văn - môi trường trực tuyến kết nối trực tiếp với mô hình số trị MIKE 21, đảm bảo đưa ra các bản tin dự báo chất lượng nước trước 48 giờ với độ chính xác trên 85%, tiến hành trước quý IV/2027 dưới sự phối hợp của Chi cục Biển và Hải đảo cùng Viện Hải dương học.
  3. Tối ưu hóa phân vùng nuôi trồng và khai thác du lịch: Thiết lập dải đệm sinh thái cách ly tối thiểu 2 km giữa các khu vực lồng bè thủy sản với ranh giới bảo tồn nghiêm ngặt của Khu bảo tồn biển Hòn Mun và bãi tắm du lịch, giảm thiểu 25% nguy cơ bùng phát hiện tượng thủy triều đỏ trong giai đoạn 2026 - 2030 do Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn giám sát.
  4. Tích hợp mô hình số vào quy hoạch không gian biển: Bắt buộc sử dụng công cụ mô phỏng động lực dòng chảy và lan truyền ô nhiễm làm tiêu chí thẩm định đánh giá tác động môi trường (ĐTM) đối với 100% các công trình lấn biển, bến cảng nhân tạo mới, giảm thiểu 50% nguy cơ cản trở lưu thông thủy triều tự nhiên, thực thi từ năm 2026 bởi Ban Quản lý Vịnh Nha Trang và Sở Xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  • Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Lãnh đạo Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban Quản lý Vịnh Nha Trang khai thác các kịch bản lan truyền ô nhiễm để hoạch định quy hoạch không gian biển, phân định vùng xả thải hợp lý và bảo vệ dải 25 km bờ biển phục vụ phát triển kinh tế biển bền vững.
  • Nhà nghiên cứu và học viên sau đại học chuyên ngành Hải dương học, Môi trường: Tham khảo quy trình thiết lập điều kiện biên, kỹ thuật rời rạc hóa lưới tam giác phi cấu trúc trên diện tích 500 km2 và phương pháp lồng ghép mô-đun sinh thái Ecolab bậc cao vào bài toán động lực 2D dòng nông.
  • Các doanh nghiệp du lịch nghỉ dưỡng và hiệp hội thủy sản ven biển: Sử dụng các bản đồ vùng an toàn môi trường nước để chủ động bố trí vị trí bãi tắm, khu lặn biển ngắm san hô và xây dựng kế hoạch ứng phó kịp thời khi xảy ra sự cố xả tràn ô nhiễm từ thượng nguồn sông.
  • Ban quản lý các khu bảo tồn thiên nhiên biển: Ứng dụng mô hình dự báo để thiết lập các hành lang bảo vệ nghiêm ngặt cho 19 hòn đảo, giảm thiểu tác động tiêu cực của các nguồn dinh dưỡng N, P lên các rạn san hô nguyên sinh tại đảo Hòn Mun.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình MIKE 21 HD kết hợp Ecolab có ưu điểm gì vượt trội so với các mô hình 1D truyền thống?
Mô hình hai chiều phi cấu trúc cho phép mô phỏng chính xác sự biến đổi dòng chảy và thông lượng chất ô nhiễm theo cả hai chiều không gian mặt phẳng trên diện tích 500 km2. Đồng thời, mô-đun Ecolab tích hợp sâu các phương trình động học chuyển hóa sinh địa hóa phức tạp của chu trình oxy, nitơ và photpho, vượt trội hơn hẳn các phương pháp cân bằng tĩnh trước đây.

Yếu tố nào đóng vai trò quyết định đến hướng lan truyền ô nhiễm tại vịnh Nha Trang?
Hướng lan truyền chất ô nhiễm bị chi phối chủ đạo bởi sự tương tác giữa trường gió mùa và dòng triều nhật không đều. Vào mùa đông, gió Đông Bắc đẩy dòng chảy mặt và vệt ô nhiễm dịch chuyển theo hướng Nam - Tây Nam với vận tốc cực đại 50 cm/s, trong khi mùa hè gió Tây Nam điều hướng dòng chất thải theo chiều ngược lại.

Tại sao mức độ ô nhiễm tại các bãi tắm lại gia tăng đột biến vào mùa mưa?
Vào mùa mưa, lưu lượng dòng chảy từ sông Cái (dài 79 km) và sông Dinh (diện tích lưu vực 985 km2) đổ dồn lượng nước ngọt chứa hàm lượng BOD và chất dinh dưỡng rất cao ra vịnh. Hiện tượng giảm độ mặn kết hợp dòng chảy xiết khiến vệt nước ô nhiễm mở rộng nhanh chóng ra các bãi tắm lân cận trước khi bị hòa loãng.

Khả năng tự làm sạch của vùng nước biển vịnh Nha Trang diễn ra như thế nào?
Nhờ biên độ triều dao động trung bình 212 cm và sự trao đổi nước mạnh qua hai cửa vịnh phía bắc và phía nam, các chất hữu cơ bị khuếch tán và phân hủy sinh hóa nhanh chóng. Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh sau 24 giờ xáo trộn, hiệu suất tự làm sạch các chất ô nhiễm hữu cơ trong vịnh có thể đạt từ 42% đến 90%.

Số liệu mô hình hóa trong luận văn có thể chuyển giao cho các vịnh biển khác không?
Quy trình thiết lập khung toán học, thuật toán giải thể tích hữu hạn và cấu trúc mô-đun sinh địa hóa hoàn toàn có thể nhân rộng để áp dụng cho các vùng vịnh lân cận như vịnh Vân Phong, vịnh Cam Ranh sau khi được cập nhật dữ liệu địa hình đáy và điều kiện biên khí tượng thủy văn cục bộ tương ứng.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công bộ công cụ mô hình toán số trị hai chiều MIKE 21 HD kết hợp Ecolab để tái hiện trường động lực học dòng chảy và chất lượng nước chi tiết cho 500 km2 vùng vịnh Nha Trang.
  • Xác định rõ quy luật phân bố dòng chảy tầng mặt với vận tốc cực đại 50 cm/s, trung bình 37,3 cm/s và hiện tượng cường hóa vận tốc tầng đáy gấp 2 đến 3 lần.
  • Lượng hóa chính xác cơ chế lan truyền nồng độ các thông số BOD, DO, NH4+, NO3-, PO43- từ hệ thống sông Cái và sông Tắc trong cả hai mùa khí hậu đặc thù.
  • Cung cấp các kịch bản mô phỏng lan truyền vượt ngưỡng, chứng minh hiệu quả hòa loãng và khả năng tự làm sạch tự nhiên của vịnh đạt từ 42% đến 90% sau 24 giờ.
  • Đóng góp cơ sở khoa học định lượng vững chắc phục vụ công tác quy hoạch phân vùng chức năng và kiểm soát tải lượng xả thải ven bờ.

Lộ trình phát triển tiếp theo giai đoạn 2026 - 2030 hướng tới việc nâng cấp mô hình lên hệ không gian 3 chiều (3D) nhằm thu bắt trọn vẹn hiện tượng phân tầng nhiệt - muối và xoay dòng theo chiều sâu. Các cơ quan quản lý và đơn vị chuyên môn hãy chủ động tích hợp ngay các kết quả mô hình số trị này vào hệ thống điều hành đô thị thông minh để bảo vệ toàn diện nguồn tài nguyên biển quý giá của thành phố Nha Trang.