Tài liệu đánh giá ảnh hƣởng từ dòng thải nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện cần thơ đến môi trường nước sông trà nóc

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục đích của đề tài .............................................................................................2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .........................................................................................2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................. 4 1.1. Các nghiên cứu và mô hình sử dụng trong mô phỏng lan truyền chất ...............4 1.1.1. Trên thế giới .................................................................................................4 1.1.2. Tại Việt Nam ...............................................................................................6 1.2. Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu ...............................................................9 1.2.1. Vị trí địa lý ....................................................................................................9 1.2.2 . Đặc điểm khí hậu .....................................................................................13 1.2.3. Đặc điểm thuỷ văn ......................................................................................18 1.2.4. Đặc điểm sinh thái và đa dạng sinh học khu vực nghiên cứu .....................21 1.2.5. Chất lƣợng nƣớc sông tại khu vực nghiên cứu ...........................................23 1.3. Giới thiệu về nhà máy nhiệt điện Cần Thơ ........................................................26 1.3.1 Công nghệ của nhà máy .............................................................................27 1.3.2 Nhu cầu sử dụng nƣớc và xả nƣớc thải của cơ sở xả nƣớc thải ................27 1.3.3. Hệ thống thu gom xử lý nƣớc thải tại nhà máy ..........................................29 CHƢƠNG 2: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH MIKE 3 MÔ PHỎNG KHUẾCH TÁN NHIỆT TỪ NƢỚC LÀM MÁT CỦA NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN CẦN THƠ ......... 32 2.1. Giới thiệu chung về mô hình MIKE 3 ...............................................................32 2.1.1. Hệ phƣơng trình cơ bản ..............................................................................33 2.1.2. Phƣơng pháp giải ........................................................................................36 2.2. Số liệu cho mô hình............................................................................................45 2.2.1. Số liệu địa hình ...........................................................................................45 2.2.2. Số liệu khí tƣợng, thuỷ văn .........................................................................46 2.3. Thiết lập mô hình ...............................................................................................46 2.3.1. Thời gian tính toán ......................................................................................46 2.3.2. Điều kiện ban đầu của mô hình ..................................................................46 2.3.3. Hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả của mô hình ........................................49 2.3.4. Thiết lập lƣới tính toán ...............................................................................50 2.3.5. Thiết lập các thông số của mô hình ............................................................52 2.4. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ......................................................................53 2.4.1. Hiệu chỉnh mô hình.....................................................................................53 2.4.2. Kiểm định mô hình .....................................................................................55 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG CÁC KỊCH BẢN, MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ĐỀ XUẤT CÁC GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU ẢNH HƢỞNG TỚI MÔI TRƢỜNG VÀ HỆ SINH THÁI SÔNG TRÀ NÓC ................... 57 3.1. Xây dựng các kịch bản tính toán ........................................................................57 3.2. Mô phỏng lan truyền nhiệt theo các kịch bản ....................................................58 3.2.1. Kịch bản KB1 .............................................................................................58 3.2.2. Kịch bản KB2 .............................................................................................73 3.3. Đánh giá ảnh hƣởng do nhiệt thải nƣớc làm mát đến môi trƣờng nƣớc khu vực .. ..........................................................................................................................90 3.4 Đề xuất một số biện pháp giảm thiểu tác động của việc lấy và xả nƣớc làm mát đến chất lƣợng nƣớc ..................................................................................................96 3.4.1 Biện pháp giảm thiểu các tác động đến môi trƣờng do lấy nƣớc làm mát ..96 3.4.2 Biện pháp giảm thiểu do xả nƣớc làm mát ..................................................97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 98 1. Những kết quả đã đạt đƣợc ...............................................................................98 2. Những tồn tại trong quá trình thực hiện luận văn ............................................98 3. Những kiến nghị về hƣớng nghiên cứu tiếp theo .............................................99 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Nhiệt độ trung bình các tháng trên địa bàn thành phố Cần Thơ ...............14 Bảng 1.2. Giá trị độ ẩm tƣơng đối trong không khí tại thành phố Cần Thơ .............15 Bảng 1.3. Sự thay đổi lƣợng mƣa trên địa bàn thành phố Cần Thơ .........................16 Bảng 1.4. Số giờ nắng các tháng ở thành phố Cần Thơ ............................................17 Bảng 1.5 Mực nƣớc bình quân tháng tại trạm Cần Thơ - trên sông Hậu ..................19 Bảng 1.6 Lƣu lƣợng nƣớc trung bình tháng trên sông Hậu - tại trạm Cần Thơ .......20 Bảng 1.7. Ngƣỡng nhiệt độ phát triển của tôm trên khu vực nghiên cứu .................23 Bảng 1.8 Chất lƣợng nƣớc mặt của sông Hậu từ năm 2005-2009 ............................24 Bảng 1.9. Kết quả phân mẫu nƣớc mặt tại lƣu vực sông Trà Nóc tại khu vực xả thải ...................................................................................................................................25 Bảng 2.1. Bộ thông số của mô hình sau khi hiệu chỉnh ............................................54 Bảng 3.1. Các kịch bản tính toán ..............................................................................58 Bảng 3.2. Diện tích lớn nhất của vùng nƣớc có nhiệt độ lớn hơn môi trƣờng 10C và 30C theo KB1 tại đỉnh triều .......................................................................................63 Bảng 3.3. Diện tích lớn nhất của vùng nƣớc có nhiệt độ lớn hơn môi trƣờng 1 0C và 30C theo KB1 tại chân triều ......................................................................................70 Bảng 3.4. Nhiệt độ lớn nhất tại của xả nƣớc thải và cửa thu nƣớc làm mát .............88 Bảng 3.5. Tác động tổng hợp của nƣớc thải đến môi trƣờng và hệ sinh thái thuỷ sinh ...................................................................................................................................93 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Vị trí khu vực nghiên cứu trên bản đồ hành chính thành phố Cần Thơ ....10 Hình 1.2. Vị trí nhà máy trên bản đồ hành chính Quận Bình Thủy ..........................11 Hình 1.3. Sơ đồ vị trí của nhà máy trong khu vực ....................................................12 Hình 1.4. Sơ đồ công nghệ sản xuất nhà máy nhiệt điện Cần Thơ ...........................27 Hình 1.5. Cân bằng sử dụng nƣớc .............................................................................29 Hình 1.6. Sơ đồ hệ thống nƣớc làm mát của nhà máy ..............................................30 Hình 1.7. Sơ đồ hệ thống thu gom nƣớc thải sinh hoạt.............................................30 Hình 1.8. Sơ đồ hệ thống thu gom nƣớc mƣa nhà máy nhiệt điện Cần Thơ ............31 Hình 2.1. Lƣới sai phân trong không gian x, y, z .....................................................36 Hình 2.2. Áp dụng các dữ liệu biên tại một biên trên ...............................................38 Hình 2.3. Hệ số ma sát gió ........................................................................................39 Hình 2.4. Sơ đồ khối mô tả quá trình giải quyết bài toán .........................................44 Hình 2.5. Hình ảnh nhà máy nhiệt điện Cần Thơ .....................................................45 Hình 2.6. Biên lƣu lƣợng trên thƣợng lƣu sông Trà Nóc ..........................................47 Hình 2.7. Biên vận tốc ở thƣợng lƣu sông Hậu ........................................................48 Hình 2.8. Biên mực nƣớc tại hạ lƣu sông Hậu ..........................................................48 Hình 2.9. Sơ đồ vị trí vùng và phạm vi nghiên cứu ..................................................50 Hình 2.10. Sơ đồ lƣới tính toán .................................................................................51 Hình 2.11. Sơ đồ quá trình hiệu chỉnh mô hình ........................................................53 Hình 2.12. Sơ đồ vị trí điểm hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ................................55 Hình 2.13. Kết quả hiệu chỉnh (từ 1/1/2012 đến 5/1/2012) và kiểm định mô hình (từ 6/1/2012 đến 10/1/2012) tại lớp 13 ...........................................................................55 Hình 2.14. Kết quả hiệu chỉnh nhiệt độ (từ 12:00AM ngày 2/1/2012 đến 12:00PM ngày 2/1/2012) và kiểm định mô hình (từ 12:00PM ngày 2/1/2012 đến 12:00PM ngày 3/1/2012) tại lớp 13 ..........................................................................................56 Hình 3.1. Thời điểm xét khi mực nƣớc đạt đỉnh triều (9h00 ngày 3/1/2012) ...........59 Hình 3.2. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 13) tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 ............59 theo kịch bản KB1 ......................................................................................................59 Hình 3.3. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 12) tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 ............60 theo kịch bản KB1 ......................................................................................................60 Hình 3.4. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 10) tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 ............61 theo kịch bản KB1 ......................................................................................................61 Hình 3.5. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 5) tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 ..............62 theo kịch bản KB1 ......................................................................................................62 Hình 3.6. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Hậu tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 theo kịch bản KB1 .......................................................................................63 Hình 3.7. Phân bố nhiệt theo mặt cắt dọc sông Hậu tại thời điểm 9h00 ngày 3/1/2012 trong kịch bản KB1......................................................................................64 Hình 3.8. Phân bố nhiệt theo mặt cắt dọc sông Trà Nóc tại thời điểm 9h00 ngày 3/1/2012 trong kịch bản KB1......................................................................................65 Hình 3.9. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Trà Nóc tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 theo kịch bản KB1 .......................................................................................66 Hình 3.10. Thời điểm xét khi mực nƣớc tại chân triều (15h00 ngày 13/1/2012) .....67 Hình 3.11. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 13) tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 ...67 (chân triều) theo kịch bản KB1 ....................................................................................67 Hình 3.12. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 12) tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 ...68 (chân triều) theo kịch bản KB1 ....................................................................................68 Hình 3.13. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 10) tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 ...68 (chân triều) theo kịch bản KB1 ....................................................................................68 Hình 3.14. Phân bố nhiệt trên mặt bằng (lớp 5) tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 .....69 (chân triều) theo kịch bản KB1 ....................................................................................69 Hình 3.15. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Hậu tại thời điểm 15h00 ngày 13/01/2012 (chân triều) trong kịch bản KB1 ...............................................................70 Hình 3.16. Phân bố nhiệt theo mặt cắt dọc sông Hậu tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 (chân triều) trong kịch bản KB1 .................................................................71 Hình 3.17. Phân bố nhiệt theo mặt cắt dọc sông Trà Nóc tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 (chân triều) trong kịch bản KB1 .................................................................72 Hình 3.18. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Trà Nóc tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 (chân triều) trong kịch bản KB1 ........................................................73 Hình 3.19. Phân bố nhiệt trên mặt bằng tại thời điểm 9h00 ngày 3/1/2012 .............74 (đỉnh triều) trong kịch bản KB2..................................................................................74 Hình 3.20. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Hậu tại thời điểm 9h00 ngày 3/1/2012 (đỉnh triều) trong kịch bản KB2 ..................................................................75 Hình 3.21. Phân bố nhiệt dọc theo sông Hậu tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 (đỉnh triều) trong kịch bản KB2 ...........................................................................................76 Hình 3.22. Phân bố nhiệt theo mặt cắt dọc sông Trà Nóc tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 (đỉnh triều) trong kịch bản KB2 ..................................................................77 Hình 3.23. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Trà Nóc tại thời điểm 9h ngày 3/1/2012 (đỉnh triều) trong kịch bản KB2 ..................................................................78 Hình 3.24. Phân bố nhiệt trên mặt bằng tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 (chân triều) trong kịch bản KB2 .........................................................................................79 Hình 3.25. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Hậu tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 (chân triều) trong kịch bản KB2 ..............................................................80 Hình 3.26. Phân bố nhiệt theo mặt cắt dọc sông Hậu tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 (chân triều) trong kịch bản KB2 ..............................................................81 Hình 3.27. Phân bố nhiệt theo mặt cắt dọc sông Trà Nóc tại thời điểm 15h00 ngày 13/1/2012 (chân triều) trong kịch bản KB2 ..............................................................82 Hình 3.28. Phân bố nhiệt theo mặt cắt ngang sông Trà Nóc tại thời điểm 9h00 ngày 3/1/2012 trong kịch bản KB2 ....................................................................................83 Hình 3.29. Vị trí các điểm xuất kết quả của mô hình ...............................................84 Hình 3.30. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi của nhiệt độ theo thời gian đối với các điểm xét trong kịch bản KB1 .............................................................................................86 Hình 3.31. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi của nhiệt độ theo thời gian đối với các điểm xét trong kịch bản KB2 .............................................................................................87 Hình 3.32. Phân bố nhiệt khi cửa xả nƣớc thải làm mát nhà máy đặt tại độ sâu 2,5m so với mặt đất, tại thời điểm đỉnh triều (theo kịch bản KB1) ...................................89 Hình 3.33. Phân bố nhiệt khi cửa xả nƣớc thải làm mát nhà máy đặt tại độ sâu 2,5m so với mặt đất, tại thời điểm chân triều (theo kịch bản KB1) ...................................89 Hình 3.34. Đồ thị biểu diễn giới hạn sinh thái theo nhiệt độ ....................................92 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của các ngành kinh tế quốc dân, nhu cầu sử dụng điện cũng tăng lên không ngừng. Các nhà máy nhiệt điện đƣợc triển khai xây dựng, trong đó có nhà máy nhiệt điện Cần Thơ đã đƣợc xây dựng và đi vào vận hành nhằm mục đích đảm bảo an ninh năng lƣợng cho phát triển kinh tế đất nƣớc cũng nhƣ khu vực miền Tây Nam Bộ. Tuy nhiên, việc phát triển nhà máy nhiệt điện sẽ gây nên một số tác động không mong muốn đến môi trƣờng và sinh thái. Trong đó, tác động do việc lấy và xả một lƣợng lớn nƣớc làm mát từ nhà máy nhiện điện là vấn đề cần quan tâm. Trong quá trình vận hành, nhiệt độ nƣớc làm mát cao hơn nhiệt độ nƣớc sông xung quanh khoảng 100C. Điều này dẫn đến mất cân bằng sinh thái nhƣ tăng số loài ƣa nóng và giảm số loài không thích nghi đƣợc với nhiệt độ nƣớc sông tăng; giảm lƣợng oxi hoà tan, rối loạn khả năng tái sinh của một số loài thuỷ sinh vật,… Các tác động này đặc biệt nghiêm trọng nếu nhà máy nhiệt điện đƣợc đặt tại khu vực sinh thái nhạy cảm hoặc có giá trị cao. Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá tác động do hoạt động xả thải nƣớc làm mát đến môi trƣờng khu vực xung quanh các nhà máy nhiệt điện là rất cần thiết, giúp cho các nhà thiết kế, nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về phạm vi và mức độ ảnh hƣởng để điều chỉnh phƣơng án thiết kế hợp lý nhất về mặt môi trƣờng, quá trình vận hành nhà máy và quá trình ra quyết định phê duyệt nhà máy. Với ý nghĩa đó, trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ, học viên lựa chọn đề tài: “Đánh giá ảnh hƣởng từ dòng thải nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện Cần Thơ đến môi trƣờng nƣớc sông Trà Nóc” để xác định phạm vi và mức độ ảnh hƣởng của dòng xả thải nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện Cần Thơ đến môi trƣờng nƣớc khu vực. 2 2. Mục đích của đề tài Mô phỏng quá trình lan truyền nhiệt của dòng nƣớc thải làm mát nhà máy nhiệt điện Cần Thơ; Đề xuất một số giải pháp nhằm giảm thiểu tác động xấu đến môi trƣờng nƣớc khu vực. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng: môi trƣờng nƣớc và hệ sinh thái sông Trà Nóc và sông Hậu nằm trong vùng ảnh hƣởng do khuếch tán nhiệt từ dòng thải nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện Cần Thơ. - Phạm vi không gian: khu vực cửa ra sông Trà Nóc và sông Hậu nơi xả thải nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện Cần Thơ. - Phạm vi thời gian: trong suốt thời gian vận hành của nhà máy trong trƣờng hợp máy móc làm việc tốt, không xảy ra các sự cố bất thƣờng. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: Thu nhập và xử lý các số liệu về điều kiện khí tƣợng, điều kiện thuỷ văn, địa hình, hệ sinh thái thuỷ sinh tại khu vực nghiên cứu. - Phương pháp ph n t ch ánh giá ố i : Dựa trên các số liệu đã thu thập đƣợc tiến hành phân tích, đánh giá các chuỗi số liệu đó. - Phương pháp so sánh: So sánh các Tiêu chuẩn, quy chuẩn môi trƣờng Việt Nam. - Phương pháp phỏng oán: Để đánh giá sơ bộ phạm vi và mức độ ảnh hƣởng do nhiệt độ nƣớc sông tăng từ nƣớc thải làm mát của nhà máy nhiệt điện. - Phương pháp mô hình toán: Là công cụ chính đƣợc sử dụng cho nghiên cứu này. Mô hình MIKE 3 đƣợc sử dụng để mô phỏng, tính toán mức độ và phạm vi ảnh hƣởng do nƣớc làm mát theo các kịch bản khác nhau. - Phương pháp kế thừa: Tham khảo và kế thừa các kết quả có liên quan đã 3 đƣợc nghiên cứu trƣớc đây của các tác giả, các cơ quan và tổ chức khác. Những thừa kế sẽ làm kết quả tính toán của luận văn phù hợp hơn với thực tiễn của vùng nghiên cứu. Ngoài phần mở đầu, kết luận, các phụ lục và tài liệu tham khảo, luận văn gồm các chƣơng sau: Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Ứng dụng mô hình MIKE 3 mô phỏng khuếch tán nhiệt từ nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện Cần Thơ đến sông Trà Nóc Chƣơng 3: Xây dựng các kịch bản, mô phỏng, đánh giá kết quả tính toán và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ảnh hƣởng tới môi trƣờng nƣớc khu vực 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Các nghiên cứu và mô hình sử dụng trong mô phỏng lan truyền chất 1.1.1. Trên thế giới Các phƣơng trình cơ bản của cơ học chất lỏng có thể đƣợc giải theo sơ đồ trong không gian của 1 chiều (1D), hai chiều (2D) hoặc 3 chiều (3D). Tƣơng ứng với các phƣơng trình đó là các mô hình số 1 chiều, 2 chiều hoặc 3 chiều đồng thời tính phức tạp cũng lần lƣợt tăng dần. Trong tự nhiên, hầu hết các quá trình thủy động lực và lan truyền nhiệt ở vùng ven sông, cửa sông ven biển nhƣ dòng chảy rối, thủy triều, ứng suất của gió, tác động của sóng, tác động của nhiệt độ không khí, sự phân tầng nhiệt-muối, dòng chảy nói chung là các quá trình 3 chiều. Vì vậy, khi áp dụng và phát triển các mô hình toán vào các vùng nhƣ đã kể trên ngƣời ta cố gắng lựa chọn các mô hình 3 chiều. Mô hình 3 chiều dựa trên các phƣơng trình cân bằng khối lƣợng hay khuếch tán đối lƣu của chất vận chuyển. Trong phần lớn các mô hình 3 chiều, trƣờng dòng chảy và nồng độ chất vận chuyển đƣợc tổng hợp (intergrated) và tính toán ở mỗi bƣớc thời gian. Mô hình 3 chiều tính đến cả các thành phần bình lƣu và đối lƣu của quá trình vận chuyển chất và đƣợc dùng khi có sự phân tầng về dòng chảy và vận chuyển chất. Các mô hình 3 chiều cung cấp đầy đủ nhất bao gồm cả số lƣợng các biến của bất kỳ hệ thủy động lực nào. Việc hiệu chỉnh mô hình cũng đòi hỏi lƣợng số liệu lớn và phức tạp hơn, bởi vì các chƣơng trình đƣợc yêu cầu phải thể hiện đƣợc tất cả các quá trình phức tạp của điều kiện thủy động lực diễn ra cả trong 3 hƣớng. Thông thƣờng các số liệu đầu vào cho mô hình 3 chiều có đƣợc từ các số liệu gần đúng của các tài liệu nghiên cứu hơn là từ số liệu khảo sát do việc khảo sát các tham số này ở điều kiện 3 chiều cho đến nay vẫn còn nhiều khó khăn. Các mô hình 5 thủy động lực - vận chuyển chất 3 chiều cung cấp sự hiểu biết sâu sắc về diễn biến và sự tƣơng tác của các quá trình diễn ra trong thủy vực. Một ví dụ của kết quả mô hình thủy động lực 2 chiều là kết quả đánh giá biến động của các nêm mặn vùng cửa sông. Nhiều mô hình 3 chiều đã đƣợc áp dụng với các qui mô khác nhau nhƣ trong phòng thí nghiệm, hay quy mô các khu vực nhỏ. Việc áp dụng mô hình 3 chiều ở quy mô vùng lớn thƣờng gặp khó khăn do thời gian gian tính toán lâu, vì vậy ngƣời ta thƣờng chỉ mô phỏng trong phạm vi một thời đoạn, một vài ngày hoặc một chu kỳ triều. Trên thế giới và trong nƣớc hiện có nhiều mô hình thủy động lực đang đƣợc áp dụng cho nhiều mục đích khai thác khác nhau nhƣ nghiên cứu, quy hoạch và thiết kế hệ thống công trình.., tiêu biểu có thể kể đến SORBEK, DELFT3D (Hà Lan), MIKE (Đan Mạch). Tuy nhiên, mỗi mô hình đều có những ƣu nhƣợc điểm riêng và cho đến nay vẫn chƣa có một đánh giá toàn diện và chi tiết về khả năng áp dụng trong thực tế của các mô hình nói trên. Việc ứng dụng mô hình 3 chiều cần thiết nhất ở những vùng có cấu trúc thủy động lực và quá trình vận chuyển phức tạp với các xoáy và biến động mạnh theo không gian. Ngƣời ta đã đi đến kết luận rằng một mô hình 2 chiều đƣợc xử lý và thiết lập tốt có thể trở thành một công cụ kỹ thuật chuyên nghiệp cho nghiên cứu động lực học công trình bờ. Một ví dụ khác, O’Connor và Nicholson cung cấp một mô hình 3 chiều đầy đủ bao gồm một mô hình vận chuyển chất vận chuyển. Katopodi và Ribberink thông báo về một mô hình tựa 3 chiều (quasi-3D) cho chất vận chuyển dựa trên việc giải gần đúng phƣơng trình khuếch tán- bình lƣu cho sóng và dòng chảy. Briand và Kamphuis đƣa ra một cách tiếp cận chi tiết việc tính toán lan truyền nhiệt độ dựa trên kết hợp tính dòng chảy 3 chiều và phân bổ nồng độ chất vận chuyển theo phƣơng thẳng đứng. Một mô hình sai phân hữu hạn 3 chiều cho thủy động lực và vận chuyển chất vận chuyển đã đƣợc mô tả bởi Cancino và Neves. Gần đây, trong một số nghiên cứu của Châu Âu về vùng cửa sông thuộc Trung tâm Khoa học và Công nghệ biển (MAST). Một trong những kết quả của trung tâm này là một mô hình kết hợp thủy động lực- sinh thái vùng thềm lục địa gọi là mô 6 hình COHERENS. Đây là mô hình tổng hợp của các thành phần vật lý nhƣ dòng chảy, nhiệt độ, độ muối, các module sinh vật phù du, các quá trình sinh- địa- hóa, chất vận chuyển và module phát tán vật chất theo công thức của Eulerian và Lagrangian. Tuy nhiên, phần lan truyền nhiệt độ trong mô hình này chƣa tính đến những biến động của địa hình đáy. Viện Thủy lực Delft cũng đã phát triển hệ thống mô hình tổng hợp (2D/3D) để mô phỏng điều kiện thủy động lực và lan truyền nhiệt độ dƣới ảnh hƣởng của các lực khí tƣợng và thủy triều. Mô hình này tính đến những biến động của địa hình đáy, quá trình lắng đọng, xói lở và có thể tính kết hợp (coupling) các điều kiện thủy động lực - sóng và lan truyền nhiệt độ ở mỗi bƣớc thời gian trong quá trình tính toán. Đáng chú ý là phần lớn các mô hình thủy động lực - lan truyền nhiệt độ đều giả thiết là phân bố áp suất thủy tĩnh và dùng các sơ đồ phần tử hữu hạn hoặc sai phân hữu hạn, phƣơng pháp chuyển đổi hệ tọa độ thẳng đứng sigma, ảnh hƣởng của các lực đƣợc phân chia giống nhau lên toàn bộ cột nƣớc. Phần lớn các mô hình này dùng các biểu diễn đại số để tham số hóa các hệ số rối và dùng các phƣơng trình bán thực nghiệm với các hệ số đã đƣợc đơn giản hóa. 1.1.2. Tại Việt Nam Trong những năm gần đây, do sự phát triển của các công cụ tính toán nên mô hình toán học đã dần đƣợc đƣa vào sử dụng trong việc tính toán thủy động lực và lan truyền chất. Các mô hình đƣợc sử dụng nhiều ở Việt Nam là MIKE 21 (Viện Địa lý, ĐH Thủy lợi, Viện KTTV và MT), SMS (Viện KTTV và MT, Viện Cơ học, trƣờng ĐHKHTN), MDEC (Trƣờng ĐHKHTN), Delft3D (Viện Tài nguyên và Môi trƣờng biển, Đại học Thủy lợi). Những lĩnh vực ứng dụng nhiều của mô hình lan truyền chất nhƣ phục vụ đánh giá bồi tụ xói lở vùng cửa sông ven biển Bắc Bộ, vùng ven biển miền Trung và vùng biển Nam Bộ, đánh giá xu thế bồi tụ xói lở khu vực Cửa Đáy, lan truyền chất và biến đổi địa hình đáy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. Trong những nghiên cứu trên, các mô hình vận chuyển bùn cát chủ yếu 7 đƣợc dùng để tính toán dự báo cân bằng của các dòng bùn cát ở vùng ven bờ nhƣng có ít mô hình lan truyền nhiệt đƣợc áp dụng. Ứng dụng khác liên quan đến mô hình vận chuyển chất liên quan đến lĩnh vực môi trƣờng là đánh giá phân bố của chất vận chuyển ở các vùng cửa sông ven biển. Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này nhƣ ứng dụng mô hình MIKE và SMS đánh giá ảnh hƣởng do hoạt động của nhà máy nhiệt điện Mông Dƣơng đến quá trình vận chuyển nhiệt ở khu vực này; ứng dụng mô hình 3 chiều để nghiên cứu lan truyền nhiệt ở vùng biển ven bờ Quảng Ninh do NMNĐ Cẩm Phả xả ra, v.v… Điển hình là các nghiên cứu tƣơng tự về điều kiện thủy động lực và lan truyền nhiệt ở vùng cửa xả của nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả, Quảng Ninh và nhiệt điện Ô-Môn (Cần Thơ). Những nghiên cứu liên quan về lan truyền nhiệt ở khu vực này đã đƣợc tiến hành thông qua ứng dụng mô hình MIKE 3 để đánh giá điều kiện động lực, dự báo lan truyền nhiệt khu vực trong các điều kiện gió đặc trƣng. Việc ứng dụng các mô hình toán học nghiên cứu đặc điểm lan truyền nhiệt ở vùng cửa xả của nhà máy nhiệt điện ở nƣớc ta vẫn chƣa nhiều và vẫn còn có những hạn chế, đặc biệt là vấn đề số liệu đầu vào cho mô hình. Nguồn số liệu cung cấp cho các mô hình ở nƣớc ta thƣờng thiếu số lƣợng, thiếu đồng bộ, hệ thống và cả độ chính xác. Do đó việc xử lý số liệu đầu vào, hiệu chỉnh các tham số tính toán để lựa chọn đƣợc những tham số phù hợp cho mô hình vẫn là một vấn đề tồn tại cần giải quyết trong thời gian tới. Mô hình DELFT3D. Đây là mô hình tổng hợp 3 chiều (3D) do Viện Thủy lực DELFT (Hà Lan) nghiên cứu phát triển gồm có các module cơ bản nhƣ thủy động lực (DELFT3D-FLOW), sóng (DELFT3D-WAVE), vận chuyển bùn cát (DELFT3D-SED), chất lƣợng nƣớc (DELFT 3-WAQ) và sinh thái học (DELFT3DECO). Mô hình này có thể mô phỏng tốt điều kiện thủy động lực - sóng, vận chuyển bùn cát, chất lƣợng nƣớc ở vùng cửa sông ven bờ. Module thủy động lực (DELFT3D-FLOW) có thể tính toán kết hợp đồng thời (online coupling) với các module khác nhƣ sóng (DELFT3D-WAVE), lan truyền nhiệt độ (DELFT3D-SED). 8 Việc tính toán kết hợp đồng thời có thể cho thấy đƣợc sự tƣơng tác giữa các quá trình thủy động lực - sóng và lan truyền nhiệt độ tại mỗi thời điểm tính của mô hình. Cơ sở toán học của mô hình thủy động lực trong DELFT3D là giải phƣơng trình Navier Stokes với chất lỏng không nén trong nƣớc nông và phƣơng pháp xấp xỉ Boussinesq. Sự biến đổi của thành phần vận tốc thẳng đứng trong phƣơng trình động lƣợng đƣợc bỏ qua. Với mô hình 3 chiều, thành phần vận tốc thẳng đứng đƣợc tính toán từ phƣơng trình liên tục. Mô hình MIKE 3 FM đƣợc nghiên cứu tính toán lan truyền nhiệt trong nƣớc biển khu vực nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch của tác giả Phạm Văn Tiến, Lê Quốc Huy, Trần Duy Hiền, Khƣơng Văn Hải. Nghiên cứu đã chứng tỏ mô hình có thể mô phỏng tốt quá trình lan truyền và khuếch tán nhiệt trong môi trƣờng nƣớc biển dƣới tác động của các yếu tố khí tƣợng, thuỷ hải văn trong khu vực nhà máy nhiệt điện Quảng Trạch. Vùng cửa sông Trà Nóc (khu vực tiếp giáp với sông Hậu) là nơi hằng ngày tiếp nhận một lƣợng nƣớc ấm xả thải từ quá trình làm mát của nhà máy nhiệt điện Cần Thơ. Nƣớc thải làm mát thiết bị: 288.000 m3/ngày đêm (khoảng 3,33 m3/s), lƣu lƣợng tối đa 312 100 m3/ngày đêm (khoảng 3,6 m3/s). Nhiệt độ nƣớc làm mát cao hơn nhiệt độ nƣớc sông xung quanh khoảng 100C. Điều này dẫn đến mất cân bằng sinh thái nhƣ tăng số loài sinh vật thủy sinh ƣa nóng và giảm số loài không thích nghi đƣợc với nhiệt độ nƣớc sông tăng; giảm lƣợng oxi hoà tan, rối loạn khả năng tái sinh của một số loài thuỷ sinh vật,… Các tác động này đặc biệt nghiêm trọng nếu vị trí cửa xả thải nƣớc làm mát của nhà máy nhiệt điện đƣợc đặt tại khu vực sinh thái nhạy cảm hoặc có giá trị cao. Chính vì vậy đặc điểm lan truyền nhiệt ở vùng nghiên cứu đƣợc quan tâm nghiên cứu. Sau khi cân nhắc, so sánh các mô hình toán có thế áp dụng cho khu vực phù hợp với mục tiêu nghiên cứu, tác giả đã lựa chọn mô hình MIKE. Các môđun MIKE 3 cho phép mô phỏng và tái hiện bức tranh thủy động lực trên toàn miền nghiên cứu, thay vì chỉ tại một vài điểm nhƣ số liệu đo đạc. Đây là mô hình 3 chiều 9 tiên tiến nhất thế giới hiện nay, đƣợc sử dụng trong hầu hết các trƣờng đại học, viện nghiên cứu và các đơn vị tƣ vấn ở trong và ngoài nƣớc với các lợi thế: - Là bộ phần mềm tích hợp đa tính năng: tính toán trƣờng sóng, dòng chảy, vận chuyển chất, diễn biến địa hình đáy; - Cơ sở toán học chặt chẽ, chạy ổn định, thời gian tính toán nhanh. - Đã đƣợc kiểm nghiệm thực tế ở nhiều quốc gia trên thế giới; - Có giao diện thân thiện, dễ sử dụng, có khả năng tích hợp với một số phần mềm chuyên dụng khác. Mô hình bao gồm các mô đun sau: - Mô đun thủy động lực - Mô đun tải khuếch tán - Mô đun lan truyền chất. 1.2. Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 1.2.1. Vị trí địa lý Nhà máy nhiệt điện Cần Thơ là nhà máy trực thuộc Công ty trách nhiệm hữu hạn một thành viên Nhiệt điện Cần Thơ, có diện tích khoảng 63.000m2. Nhà máy nằm trên bờ phải của sông Hậu (theo chiều dòng chảy) thuộc Khu vực 2, phƣờng Trà Nóc, quận Bình Thuỷ, thành phố Cần Thơ. Khu vực nghiên cứu cách trung tâm thành phố Cần Thơ 10km về phía Tây Bắc, cách sân bay Cần Thơ khoảng 2km, cách cảng Cần Thơ khoảng 3km và cách thành phố Hồ Chí Minh khoảng 130km. Phía Đông Bắc là sông Hậu, phía Đông Nam là sông Trà Nóc, phía Tây Nam giáp đƣờng Lê Hồng Phong, phía Tây Bắc giáp khu công nghiệp Trà Nóc I. 10 Hình 1.1. Vị trí khu vực nghiên cứu trên bản đồ hành chính thành phố Cần Thơ (Hình ảnh chỉ mang tính chất minh họa nên không ử dụng tỷ 11 Vị trí khu vực nghiên cứu Hình 1.2. Vị trí nhà máy trên bản đồ hành chính Quận Bình Thủy (Hình ảnh chỉ mang tính chất minh họa nên không ử dụng tỷ ) 12 Đi Quận Ô Môn Khu KCN Trà Nóc I CÔNG TY TNHH NHÀ NƢỚC MTV NHIỆT ĐIỆN CẦN THƠ Sông Hậu Nhà dân Đƣờng Lê Hồng Phong Nhà máy chế biến thực phẩm MÊKO Điểm lấy nƣớc làm mát Chợ Trà Nóc Nhà dân Điểm xả nƣớc làm mát Sông Trà Nóc Đi Trung tâm Tp. Cần Thơ Cầu Trà Nóc Nhà dân Hình 1.3. Sơ đồ vị trí của nhà máy trong khu vực (Hình ảnh chỉ mang tính chất minh họa nên không ử dụng tỷ ) 13 1.2.2 . Đặc điểm khí hậu Khu vực nhà máy nằm trong khu vực mang tính chất nhiệt đới gió mùa tƣơng đối ôn hoà, có đặc điểm chung của vùng đồng bằng sông Cửu long. Khí hậu trong năm đƣợc chia thành hai mùa rõ rệt: - Mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 năm sau, có đặc điểm: + Gió chủ đạo là gió mùa Đông Bắc + Lƣợng mƣa không đáng kể, chỉ chiếm khoảng 8% lƣợng mƣa cả năm; + Lƣợng bốc hơi lớn + Độ ẩm không khí nhỏ - Mùa mƣa từ tháng 5 đến tháng 11, có đặc điểm: + Gió chủ đạo là hƣớng gió Tây Nam + Lƣợng mƣa chiếm khoảng 95% lƣợng mƣa cả năm a. Nhiệt độ Nhiệt độ trung bình trên địa bàn thành phố Cần Thơ trong những năm gần đây dao động từ 25,6-300C. Nhiệt độ cao nhất trong năm thƣờng vào khoảng tháng 4, tháng 5 và thấp nhất vào khoảng tháng 12 hoặc tháng 1. Chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa tháng nóng nhất và mát nhất khoảng 30C. Sự thay đổi nhiệt độ các tháng trong những năm gần đây đƣợc thể hiện nhƣ bảng 1.1. b. Gió và hƣớng gió Tốc độ gió trung bình các tháng trong năm trên địa bàn thành phố Cần Thơ dao động từ 2-18m/s (ngoại trừ những cơn gió bão có thể đạt đến tốc độ 40-45m/s), trong năm có các hƣớng gió khác nhau, bao gồm: - Hƣớng gió Đông – Bắc: từ tháng 11 đến tháng 2 năm sau; - Hƣớng gió Đông – Nam: từ tháng 2 đến tháng 6;