Triển Khai Ứng Dụng Mô Hình ECOMSED Tính Toán Vận Chuyển Trầm Tích Khu Vực Cửa Sông Ven Biển Hải Phòng

• Tác giả: Phạm Hải An
• Người hướng dẫn: PGS. TS Nguyễn Thọ Sáo
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Hải dương học
• Đề tài: Triển Khai Ứng Dụng Mô Hình ECOMSED Tính Toán Vận Chuyển Trầm Tích Ven Biển Hải Phòng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

• 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

I. Tổng Quan Ứng Dụng Mô Hình ECOMSED Ven Biển Hải Phòng

Khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế phía Bắc, đồng thời đối mặt với áp lực bảo vệ môi trường từ các khu vực lân cận như vịnh Hạ Long và Cát Bà. Bất kỳ tác động nào trong khu vực này đều có thể gây ảnh hưởng lớn đến cả quốc gia và quốc tế. Vấn đề này liên quan mật thiết đến hoạt động dân sinh và kinh tế của các tỉnh thuộc lưu vực sông Hồng và sông Thái Bình. Với mạng lưới sông ngòi dày đặc, khu vực này đóng góp vào sự phát triển của giao thông, nuôi trồng thủy sản và kinh tế xã hội của Hải Phòng. Tuy nhiên, sự phát triển kinh tế xã hội đã làm gia tăng lượng chất ô nhiễm, gây ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường nước, làm tăng độ vẩn đục và giảm lượng oxy hòa tan. Việc nạo vét luồng tàu cũng góp phần phát tán các chất ô nhiễm tích tụ trong trầm tích. Để giải quyết vấn đề này, cần có đánh giá toàn diện và đồng bộ về các nguồn gây ô nhiễm và quá trình lan truyền của chúng. Luận văn này tập trung vào việc ứng dụng mô hình ECOMSED để đánh giá vận chuyển trầm tích lơ lửng, cung cấp thông tin cho việc quản lý và bảo vệ môi trường.

1.1. Vị Trí Chiến Lược Ven Biển Hải Phòng Tổng Quan

Khu vực ven biển Hải Phòng là điểm giao thoa quan trọng giữa lục địa và biển, đóng vai trò như một màng lọc tự nhiên. Các cửa sông chính như Lạch Huyện, Nam Triệu, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc và Thái Bình đều đổ ra biển tại đây. Vị trí này không chỉ thuận lợi cho phát triển kinh tế mà còn quan trọng về mặt sinh thái, với các hệ sinh thái đặc thù như vùng triều cửa sông, rừng ngập mặn và thảm cỏ biển. Tuy nhiên, sự phát triển kinh tế đã gây ra những tác động tiêu cực, làm gia tăng ô nhiễm và suy thoái môi trường. Theo tài liệu gốc, khu vực này đang đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, đòi hỏi các giải pháp quản lý và bảo vệ hiệu quả.

1.2. Tầm Quan Trọng Nghiên Cứu Vận Chuyển Trầm Tích Ven Biển

Việc nghiên cứu vận chuyển trầm tích ven biển là vô cùng quan trọng để hiểu rõ cơ chế và đề xuất các giải pháp khắc phục ô nhiễm, ổn định môi trường nước một cách bền vững. Các nghiên cứu trước đây còn hạn chế trong việc đánh giá toàn diện quá trình lan truyền chất ô nhiễm do thiếu dữ liệu về sự biến đổi hàm lượng chất ô nhiễm theo thời gian và không gian. Do đó, cần thiết phải có đánh giá đồng bộ về các nguồn gây ô nhiễm, số lượng các chất ô nhiễm như trầm tích lơ lửng, hữu cơ, dinh dưỡng đi vào các cửa sông chính ở Hải Phòng. Đồng thời, cần xem xét đánh giá sự lan truyền và các quá trình biến đổi của chúng trong nước vùng cửa sông ven biển.

II. Thách Thức Xói Lở Bồi Tụ Ven Biển Hải Phòng Hiện Nay

Sự phát triển kinh tế xã hội tại Hải Phòng đã gây ra nhiều thách thức về môi trường, đặc biệt là tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường nước. Các chất ô nhiễm từ các nguồn thải lục địa và hoạt động kinh tế đã tích tụ trong khu vực cửa sông ven biển, gây ra những ảnh hưởng lớn đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Tình trạng xói lở bờ biển và bồi tụ ven biển diễn ra phức tạp, ảnh hưởng đến các hoạt động kinh tế và đời sống của cộng đồng địa phương. Để giải quyết những thách thức này, cần có các giải pháp quản lý và bảo vệ môi trường hiệu quả, dựa trên cơ sở khoa học và công nghệ.

2.1. Ô Nhiễm Môi Trường Nước Ven Biển Thực Trạng

Các kết quả điều tra nghiên cứu gần đây cho thấy môi trường nước ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng đã có dấu hiệu ô nhiễm nghiêm trọng. Hàm lượng các chất lơ lửng gây vẩn đục cao, chất dinh dưỡng trong nước tăng, lượng oxy hòa tan trong nước ở một số nơi khá thấp, và xuất hiện một số độc tố trong cơ thể sinh vật với hàm lượng cao. Sự ô nhiễm môi trường ở khu vực này không chỉ tác động lớn đến các hệ sinh thái, làm suy giảm sự đa dạng và trữ lượng của nguồn lợi thủy sản, giảm sức hấp dẫn của các khu du lịch (Đồ Sơn, Cát Bà), ảnh hưởng đến sức khỏe của con người mà còn gián tiếp ảnh hưởng tới sự phát triển kinh tế - xã hội của thành phố.

2.2. Tác Động Nạo Vét Luồng Tàu Đến Vận Chuyển Trầm Tích

Việc nạo vét luồng tàu vào cảng Hải Phòng diễn ra hằng năm cũng làm cho các chất gây ô nhiễm tích tụ theo thời gian trong trầm tích có điều kiện phát tán trở lại môi trường nước. Điều này làm gia tăng thêm áp lực lên môi trường nước vốn đã bị ô nhiễm. Cần có các biện pháp quản lý và kiểm soát chặt chẽ hoạt động nạo vét để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Theo tài liệu gốc, việc đánh giá các quá trình lan truyền chất gây ô nhiễm cho toàn bộ khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng vẫn còn rất hạn chế.

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

Để đánh giá và dự báo vận chuyển trầm tích lơ lửng, luận văn này sử dụng mô hình ECOMSED, một công cụ mạnh mẽ trong mô phỏng các quá trình thủy động lực và lan truyền trầm tích. Mô hình ECOMSED cho phép mô phỏng các quá trình vật lý, hóa học diễn ra trong môi trường nước, tính đến sự tương tác giữa các yếu tố động lực (sóng, dòng chảy, thủy triều) và các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ mặn). Việc áp dụng mô hình ECOMSED kết hợp với dữ liệu thực tế từ khảo sát và quan trắc sẽ giúp đánh giá chính xác hơn về tình hình lan truyền trầm tích và ảnh hưởng của nó đến môi trường nước.

3.1. Giới Thiệu Mô Hình ECOMSED Ưu Điểm và Ứng Dụng

ECOMSED (Estuarine Coastal and Ocean Model System with Sediments) là một mô hình mã nguồn mở về thủy động lực và lan truyền trầm tích ba chiều. Mô hình này cho phép mô phỏng các quá trình phức tạp diễn ra trong môi trường cửa sông ven biển, bao gồm cả sự tương tác giữa dòng chảy, sóng, thủy triều và trầm tích. Ưu điểm của ECOMSED là khả năng tích hợp nhiều yếu tố và quá trình khác nhau, cung cấp một cái nhìn toàn diện về hệ thống ven biển. Mô hình này đã được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và quản lý môi trường ven biển trên thế giới.

3.2. Cơ Sở Toán Học Mô Hình ECOMSED Thủy Động Lực và Trầm Tích

Mô hình ECOMSED dựa trên cơ sở toán học vững chắc, bao gồm các phương trình thủy động lực (Navier-Stokes) để mô phỏng dòng chảy và các phương trình lan truyền để mô phỏng vận chuyển trầm tích. Mô hình này cũng tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển trầm tích, như kích thước hạt, độ kết dính và tương tác giữa trầm tích và dòng chảy. Việc hiểu rõ cơ sở toán học của mô hình là rất quan trọng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình một cách chính xác.

3.3. Quy Trình Triển Khai và Hiệu Chỉnh Mô Hình ECOMSED

Việc triển khai mô hình ECOMSED đòi hỏi quy trình chặt chẽ, bao gồm thu thập và xử lý dữ liệu đầu vào (địa hình, khí tượng, thủy văn), thiết lập lưới tính, chạy mô hình và hiệu chỉnh mô hình. Quá trình hiệu chỉnh mô hình được thực hiện bằng cách so sánh kết quả tính toán với dữ liệu quan trắc thực tế, điều chỉnh các tham số của mô hình cho đến khi đạt được sự phù hợp tốt nhất. Việc kiểm định mô hình cũng rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả mô phỏng.

IV. Kết Quả Mô Phỏng Vận Chuyển Trầm Tích Ven Biển Hải Phòng

Kết quả mô phỏng bằng mô hình ECOMSED cho thấy sự phân bố và vận chuyển trầm tích lơ lửng ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng biến đổi theo mùa và theo pha triều. Vào mùa mưa, lượng trầm tích lơ lửng từ các sông đổ ra biển tăng lên, gây ra tình trạng vẩn đục nước. Vào mùa khô, lượng trầm tích lơ lửng giảm xuống, nhưng quá trình vận chuyển và lắng đọng vẫn diễn ra do tác động của thủy triều và dòng chảy. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy khu vực cửa sông Bạch Đằng và Lạch Tray là những nơi tập trung nhiều trầm tích lơ lửng.

4.1. Phân Tích Trường Thủy Động Lực Ven Biển Hải Phòng

Kết quả mô phỏng trường thủy động lực cho thấy dòng chảy ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều. Dòng chảy triều có vận tốc lớn và hướng thay đổi theo pha triều. Ngoài ra, dòng chảy sông cũng đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển trầm tích từ lục địa ra biển. Sự tương tác giữa dòng chảy triều và dòng chảy sông tạo ra các xoáy và dòng chảy phức tạp, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển và lắng đọng trầm tích.

4.2. Mô Phỏng Trầm Tích Lơ Lửng Mùa Mưa Phân Bố và Vận Chuyển

Vào mùa mưa, lượng trầm tích lơ lửng từ các sông đổ ra biển tăng lên đáng kể. Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ trầm tích lơ lửng cao nhất tập trung ở khu vực cửa sông và giảm dần ra phía biển. Quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng chủ yếu diễn ra theo hướng dòng chảy triều và dòng chảy sông. Một phần trầm tích lơ lửng lắng đọng ở khu vực cửa sông, trong khi phần còn lại được vận chuyển ra phía biển và lắng đọng ở các khu vực xa bờ.

4.3. Mô Phỏng Trầm Tích Lơ Lửng Mùa Khô Ảnh Hưởng Thủy Triều

Vào mùa khô, lượng trầm tích lơ lửng từ các sông đổ ra biển giảm xuống, nhưng quá trình vận chuyển và lắng đọng vẫn diễn ra do tác động của thủy triều và dòng chảy. Kết quả mô phỏng cho thấy thủy triều đóng vai trò quan trọng trong việc phân tán trầm tích lơ lửng ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Dòng chảy triều có thể vận chuyển trầm tích lơ lửng đi xa và lắng đọng ở các khu vực khác nhau, tùy thuộc vào pha triều và điều kiện địa hình.

V. Đề Xuất Giải Pháp Quản Lý Vận Chuyển Trầm Tích Ven Biển

Dựa trên kết quả nghiên cứu và mô phỏng, cần có các giải pháp quản lý tổng hợp để giảm thiểu tác động tiêu cực của vận chuyển trầm tích đến môi trường nước và hệ sinh thái ven biển Hải Phòng. Các giải pháp này bao gồm kiểm soát nguồn thải, quản lý hoạt động nạo vét, xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển và phục hồi các hệ sinh thái ven biển. Việc áp dụng các giải pháp này cần được thực hiện một cách đồng bộ và có sự tham gia của cộng đồng địa phương.

5.1. Kiểm Soát Nguồn Thải Giảm Thiểu Ô Nhiễm Trầm Tích

Kiểm soát nguồn thải là một trong những giải pháp quan trọng nhất để giảm thiểu ô nhiễm trầm tích ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Cần có các biện pháp kiểm soát chặt chẽ các nguồn thải từ các khu công nghiệp, khu dân cư và hoạt động nông nghiệp. Các nguồn thải cần được xử lý trước khi xả ra môi trường để giảm thiểu lượng trầm tích và các chất ô nhiễm khác đổ ra biển.

5.2. Quản Lý Nạo Vét Giảm Phát Tán Trầm Tích Ô Nhiễm

Hoạt động nạo vét luồng tàu có thể gây ra phát tán trầm tích ô nhiễm, ảnh hưởng đến môi trường nước và hệ sinh thái ven biển. Cần có các quy định và biện pháp quản lý chặt chẽ hoạt động nạo vét để giảm thiểu tác động tiêu cực. Các biện pháp này bao gồm lựa chọn phương pháp nạo vét phù hợp, quản lý chất thải nạo vét và giám sát chất lượng nước trong quá trình nạo vét.

5.3. Giải Pháp Công Trình và Phi Công Trình Bảo Vệ Bờ Biển

Xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển, như đê chắn sóng, kè và tường chắn, có thể giúp giảm thiểu tình trạng xói lở bờ biển và bảo vệ các khu vực ven biển khỏi tác động của sóng và dòng chảy. Ngoài ra, các giải pháp phi công trình, như trồng rừng ngập mặn và phục hồi các hệ sinh thái ven biển, cũng có thể giúp tăng cường khả năng chống chịu của bờ biển trước các tác động tự nhiên.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Vận Chuyển Trầm Tích Tương Lai

Luận văn đã trình bày kết quả nghiên cứu về ứng dụng mô hình ECOMSED để tính toán vận chuyển trầm tích lơ lửng ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Kết quả nghiên cứu đã cung cấp những thông tin quan trọng về sự phân bố và vận chuyển trầm tích lơ lửng, giúp hiểu rõ hơn về các quá trình động lực học và môi trường diễn ra trong khu vực. Trong tương lai, cần có các nghiên cứu sâu hơn về tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến vận chuyển trầm tích và đề xuất các giải pháp thích ứng phù hợp.

6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu Vận Chuyển Trầm Tích

Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng mô hình ECOMSED để mô phỏng quá trình vận chuyển trầm tích lơ lửng ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Kết quả mô phỏng đã được kiểm định bằng dữ liệu quan trắc thực tế và cho thấy sự phù hợp tốt. Nghiên cứu đã cung cấp những thông tin quan trọng về sự phân bố và vận chuyển trầm tích lơ lửng, giúp hiểu rõ hơn về các quá trình động lực học và môi trường diễn ra trong khu vực.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Biến Đổi Khí Hậu và Nước Biển Dâng

Trong tương lai, cần có các nghiên cứu sâu hơn về tác động của biến đổi khí hậu và nước biển dâng đến vận chuyển trầm tích ở khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Biến đổi khí hậu có thể làm thay đổi chế độ mưa, dòng chảy và thủy triều, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển và lắng đọng trầm tích. Nước biển dâng có thể làm ngập lụt các khu vực ven biển và thay đổi cấu trúc bờ biển, ảnh hưởng đến quá trình vận chuyển trầm tích.