Tài liệu Tính toán lan truyền vật chất ô nhiễm khu vực Vịnh Nha Trang bằng mô hình số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN CHÍ CÔNG TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- NGUYỄN CHÍ CÔNG TÍNH TOÁN LAN TRUYỀN VẬT CHẤT Ô NHIỄM KHU VỰC VỊNH NHA TRANG BẰNG MÔ HÌNH SỐ Chuyên nghành: Hải Dương Học Mã số: 60.44.97 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Minh Huấn Hà Nội – 2012 1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ ......................................................................... 6 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu.................................................... 6 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................... 6 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước......................................... 8 1.2 Môđun MIKE 21 HD .................................................................... 10 1.2.1 Cơ sở toán học..................................................................................... 10 1.2.2 Phương pháp số ................................................................................ 13 1.3 Môđun ECO Lab ........................................................................... 17 1.3.1 Cơ sở lý thuyết [15] ............................................................................ 17 1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) ............................ 18 1.3.3 Các hợp phần của Nitơ ........................................................................ 22 1.3.4 Hợp phần của Photpho ........................................................................ 24 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VÙNG NGHIÊN CỨU ....................................... 26 2.1 Tổng quan về điều kiện tự nhiên ................................................. 26 2.1.1 Vị trí địa lí ........................................................................................... 26 2.1.2 Đặc điểm gió ....................................................................................... 26 2.1.3 Đặc điểm sông ngòi............................................................................. 27 2.1.4 Đặc điểm nhiệt - muối......................................................................... 28 2.1.5 Đặc điểm dòng chảy............................................................................ 28 2.1.6 Đặc điểm thủy triều và dao động mực nước ....................................... 29 2.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội .............................................................. 29 2.3 Hiện trạng môi trường vịnh Nha Trang ..................................... 30 2.3.1 Các nguồn thải .................................................................................... 30 2.3.2 Chất lượng nước vịnh Nha Trang ....................................................... 31 CHƯƠNG 3. ÁP DỤNG MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ ........................................ 33 3.1 Thiết lập các thông tin đầu vào cho mô hình .............................. 33 3.1.1 Thu thập số liệu ................................................................................... 33 3.1.2 Địa hình đáy ........................................................................................ 34 3.1.3 Thiết lập lưới tính................................................................................ 35 3.1.4 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu ................................................... 36 3.2 Hiệu chỉnh mô hình ....................................................................... 41 3.3 Một số kết quả tính toán .............................................................. 44 3.3.1 Kết quả tính toán cho mùa khô ........................................................... 44 3.3.2 Kết quả tính toán cho mùa mưa .......................................................... 60 3.3.3 Kết quả tính toán kịch bản ô nhiễm thời kỳ mùa mưa ........................ 75 KẾT LUẬN .......................................................................................... 80 KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 82 3 MỞ ĐẦU Thành phố Nha Trang là một trong những thành phố xinh đẹp và thơ mộng nhất cả nước. Không những thế Nha Trang được xếp vào giới những vịnh đẹp trên thế giới được thiên nhiên ban tặng. Với diện tích khoảng 500km2, 19 đảo lớn nhỏ và 25km bờ biển, vịnh Nha Trang hàng năm đã đón nhận hàng vạn lượt khách du lịch trong và ngoài nước đến tham quan, du lịch. Một đặc điểm của biển Nha Trang là nước biển trong xanh, chất lượng nước rất tốt, sự đa dạng sinh học với rất nhiều loài sinh vật và những rạn san hô thật kỳ vĩ. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế chung, các ngành nghề kinh tế trong thành phố cũng đang tăng trưởng với tốc độ nhanh. Mặt trái của sự phát triển này là những tác động trực tiếp và gián tiếp của các ngành nghề kinh tế gây nên những áp lực lớn đối với môi trường. Đó là sự suy giảm chất lượng nước vịnh Nha Trang, sự đa dạng sinh học đang ngày càng mất đi, sự suy thoái hệ sinh thái, sự mất cân bằng sinh học sẽ dẫn đến hủy hoại môi trường sống, ảnh hưởng tới chất lượng nước các bãi tắm, chất lượng vùng nuôi trồng thủy sản. Hậu quả của các biến đổi này lại tác động trở lại các ngành nghề khác như ngành nuôi trồng thủy sản, ngành du lịch – dịch v . Trước những biến động xấu của môi trường biển, đã có nhiều báo cáo, kiến nghị, đề xuất, hội nghị của các nhà quản lý, các nhà hoạch định, các nhà khoa học nhằm đưa ra những giải pháp hợp lí giúp ngăn chặn, bảo vệ, ph c hồi vịnh Nha Trang như vốn có của nó. Công việc này vẫn đang được triển khai một cách gấp rút và toàn diện. Một trong những công c có thể được sử d ng để giúp công việc này một cách hiệu quả và nhanh chóng, đỡ tốn kém là việc sử d ng mô hình số trị để mô phỏng các quá trình lan truyền các vật chất gây ô nhiễm từ các cửa sông trên nền tảng của các quá trình thủy động lực. Lợi thế của các mô hình toán học là có thể mô phỏng một cách toàn diện theo không gian và thời gian các quá trình tác động biến đổi để có thể đưa ra được những dự báo, cảnh báo về môi trường. Nhận thức được mức độ cấp thiết của vấn đề môi trường vịnh Nha Trang, học viên lựa chọn hướng nghiên cứu với đề tài: “Tính toán lan truyền vật chất ô 4 nhiễm khu vực vịnh Nha Trang bằng mô hình số” để có thể mô phỏng một số vật chất từ các cửa Sông Cái, Sông Tắc có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng môi trường. Có nhiều k thuật đánh giá mức độ ô nhiễm nước dựa vào giá trị của các thông số chọn lọc. Các k thuật này sử d ng các ch số để thực hiện mức độ ô nhiễm. Trong đó có thể n u một số ch số đang được công nhận như Ch số ô nhiễm dinh dưỡng NPI dựa vào các thông số NH4+, NO3-, NO2-, tổng P, pH, chlorophyll, độ dẫn điện và độ đ c. Ch số ô nhiễm hữu cơ OPI dựa vào các thông số OD, COD, nhiệt độ và DO. Với nguồn số liệu có được từ một số đề tài được thực hiện tại Viện Hải dương học như đề tài cấp Cơ sở phòng Vật lý biển, phòng Thủy địa hóa, đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ, Các Dự án hợp tác quốc tế, tác giả sử d ng gói phần mềm MIKE 21 HD, ECO Lab để mô phỏng quá trình lan truyền một số vật chất có thể gây ô nhiễm từ các cửa sông trong mùa mưa và mùa khô. Trong khuôn khổ của luận văn, m c tiêu của học viên là có thể tính toán, mô phỏng, đưa ra được bức tranh về quá trình động lực và quá trình truyền tải các vật chất gồm BOD, DO, NO3-, PO4+, NH3+, từ cửa các cửa Sông Cái Nha Trang, Sông Tắc Nha trang và Sông Cái Ninh Hòa tới vịnh Nha Trang, đặc biệt là các bãi tắm Nha Trang. Một kịch ản mô phỏng sự lan truyền các vật chất ô nhiễm với giả thiết có sự gia tăng vượt ngưỡng giới hạn cho ph p nồng độ các chất gây ô nhiễm từ các cửa sông để có thể đánh giá mức độ lan truyền và ảnh hưởng của các vật chất này tới chất lượng nước các ãi tắm khu vực Nha Trang. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn góp phần ổ sung th m các thông tin khoa học về những nghi n cứu, đánh giá vai tr và sự tác động của các cửa sông tới chất lượng nước khu vực vịnh Nha Trang và các ãi tắm. Luận văn là tài liệu tham khảo liên quan tới vấn đề môi trường đang rất nóng bỏng và nhạy cảm khu vực vịnh Nha Trang hiện nay. 5 Chương 1. MÔ HÌNH SỐ TRỊ 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới Sử d ng các mô hình số để tính toán, mô phỏng, đánh giá chất lượng môi trường nước khu vực gần bờ, khu bãi tắm, khu nuôi trồng thủy sản đã được thực hiện rất phổ biến trên thế giới. Tùy thuộc vào đối tượng và m c đích nghi n cứu, việc áp d ng các loại mô hình tính toán cũng khác nhau. Có thể liệt kê một số mô hình thường được áp d ng để đánh giá chất lượng nước trên thế giới. Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô hình được xây dựng dựa tr n mô hình trước đó WASP – được xây dựng bởi Di Toro, 1983; Connolly vaf Winfield, 1984; Am rose, R. , 1988 . Mô hình này được sử d ng để mô tả và dự báo chất lượng nước giúp các nhà quản lý đưa ra những quyết định, giải pháp đối phó với các hiện tượng ô nhiễm do tự nhi n và con người. Mô hình này cho ph p người sử d ng áp d ng trong không gian 1D nhưng cũng có thể mô phỏng tựa 2D và 3D bằng cách chia hộp với đa dạng thành phần chất ô nhiễm. Mô hình WASP cũng có thể liên kết với các mô hình thủy động lực và vận chuyển trầm tích để thu được trường dòng chảy, nhiệt độ, độ muối và các thông lượng trầm tích. Mô hình WASP đã được sử d ng để mô phỏng quá trình yếm khí trong vịnh Tampa; Cung ứng Photpho cho hồ Okeechobee; Quá trình yếm khí tại cửa sông Neuse River; Ô nhiễm vật chất hữu cơ dễ phân hủy tại cửa sông Delaware, ô nhiễm kim loại nặng tại sông Deep, bắc Carolina [16]. Mô hình AQUATOX là mô hình mô phỏng hệ sinh thái thủy sinh. Mô hình có thể dự báo quá trình suy tàn do nhiều loại chất gây nhiễm môi trường như dinh dưỡng, hóa học hữu cơ, và ảnh hưởng của chúng lên các hệ sinh thái, bao gồm các loài cá, động vật không xương sống và các loài thực vật thủy sinh. AQUATOX là công c hữu hiệu cho các nhà môi trường học, sinh học, những nhà mô hình hóa chất lượng nước và bất kỳ ai cần quan tâm tới việc đánh giá rủi ro và suy giảm các hệ sinh thái thủy sinh. 6 Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) được nâng cấp từ mô hình trước đó là QUAL2E hay Q2E (Brown và Barnwell 1987 . Đây là mô hình mô phỏng chất lượng nước suối và sông một chiều có sự tham gia của quá trình xáo trộn rối và bên. Một đặc điểm linh hoạt của mô hình này là có thể chạy được trong môi trường Visual basic hoặc trong môi trường Excel. Mô hình có những đặc điểm sau: có thể tính toán trên từng phân đoạn của sông và các nhánh sông. Mô hình tính toán chu trình Nitơ. Thông qua các chu trình chuyển hóa nitơ để biểu diễn các hợp chất cacbon (loại ôxy hóa nhanh và chậm), các loại cacbon hữu cơ không sống (các phân tử cac on, nitơ, phôtpho trong các hợp chất hóa học). Các quá trình thiếu h t ôxy gần tới giá trị không do các quá trình ôxy hóa, trong đó quá trình khử nitơ như là ước tương tác đầu tiên. Tính toán thông lượng trao đổi ôxy h a tan và các dinh dưỡng giữa trầm tích và nước. DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước. Ưu điểm của mô hình này là việc kết hợp giữa các module tính toán phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia. SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển k thuật của quân đội M xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng nước, trong đó module RMA4 là mô hình số trị vận chuyển các yếu tố chất lượng nước phân bố đồng nhất theo độ sâu. Nó có thể tính toán sự tập trung của 6 thành phần bảo toàn hoặc không bảo toàn được tính toán theo lưới 1 chiều hoặc 2 chiều. ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp giữa module thủy lực với module sinh thái được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của Trường đại học Ham urg Đức). Mô hình chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của các hợp phần của Nitơ và Photpho trong đó có tính đến cả thực vật và động vật phù du trong nước biển. ECOSMO (ECOSystem MOdel) là mô hình cặp ba chiều thủy động lực – ăng iển – sinh địa hóa. Mô hình được phát triển dựa trên mô hình thủy động lực HAMSOM HAM urg shelf Ocean Model đã được liên kết mô đun động lực nhiệt động lực biển - ăng Schrum và ackhaus, 1999 và môđun sinh học 7 Schrum, 2006 . Môđun sinh học NPZD dựa trên quá trình chuyển đổi giữa mức đầu tiên và thứ hai trong chuỗi thức ăn và được điểu khiển bởi các thông lượng Nitơ, Photpho và Silic. Điều quan trọng trong tính toán mô hình này là thống nhất được giới hạn các chu trình dinh dưỡng vĩ mô và động vật phù du như là mô hình chuẩn đoán iến đổi cho các tương tác phi tuyến trong hệ sinh thái của các mức thứ nhất và thứ hai trong chuỗi thức ăn. Th m vào đó, mô hình còn tính toán sự biến đổi các mảnh v n và ôxy để có thể đánh giá được lượng còn lại và các quá trình ôxy hóa. Các tính toán về sinh khối sơ cấp và thứ cấp. Mô hình ECOSMO đã được áp d ng một cách thành công trong việc mô tả khu vực có động lực dinh dưỡng yếu khu vực Biển Bắc. BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông tin môi trường, giúp các hệ thống phân tích môi trường và phân tích các phương án quản lý. Một điểm nổi bật của ASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên nền tảng lưu vực sông, có kết hợp quản lý dữ liệu không gian thông qua hệ thông tin địa lý GIS. BASINS có thể dùng cho các m c đích sau Mô phỏng các điều kiện của lưu vực và đánh giá hiện trạng chất lượng nước; Mô phỏng các tác động của việc thay đổi sử d ng đất có tính đến cân bằng nước, mô phỏng các kịch bản nguồn ô nhiễm điểm và diện, xây dựng và phát triển cách quản lý của cả lưu vực. Các nhóm tham số của mô hình bao gồm: Các hợp chất dinh dưỡng của Nitơ và Photpho, DO, BOD, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, bùn. Bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển và được thương mại hoá. Một đặc điểm mạnh của MIKE rất dễ sử d ng với các giao diện Windows, kết hợp chặt chẽ với GIS (hệ thống thông tin địa lý). MIKE tích hợp các module thuỷ lực (HD) và chất lượng nước (ECO Lab), bao gồm: thuỷ lực, truyền tải - khuếch tán chất lượng nước. MIKE là một mô hình với nhiều tính năng mạnh, khả năng ứng d ng rộng rãi cho nhiều dạng thuỷ vực khác nhau. 1.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước Ở nước ta, trong những năm gần đây, hướng nghiên cứu, xây dựng và sử d ng mô hình trong nghiên cứu thủy động lực – môi trường đang rất được quan tâm. Trong đó những nghiên cứu, điều tra, tính toán ô nhiễm môi trường các vũng 8 vịnh và khu vực ven biển - khu vực tập trung chủ yếu các hoạt động kinh tế của con người đã, đang được tiến hành. Chương trình hợp tác với Cơ quan hợp tác Quốc tế Nhật Bản - JICA (1995 – 1998) của Viện Tài nguy n và Môi trường biển – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã ước đầu sử d ng phương pháp tính d ng vật chất bổ sung (Flux) và qu nguồn (Budget) chạy trên phần mềm chuyên d ng CABARET of LOICZ (M để đánh giá mức độ tích t và khuếch tán vật chất tại một số điểm thuộc vịnh Hạ Long. Sau đó, phương pháp nghi n cứu này c n được sử d ng tính toán mức độ dinh dưỡng của hệ đầm phá Tam Giang – Cầu Hai (Thừa Thiên Huế . Tuy nhi n, phương pháp này chưa tính toán đến quá trình khuếch tán vật chất trong không gian và ch giới hạn tại một số điểm nhất định. Hoàng Dương Tùng 2004 , trong phạm vi luận án tiến sĩ, đã sử d ng phần mềm DELFT 3D - WAQ đánh giá khả năng chịu tải ô nhiễm của Hồ Tây với m c đích xây dựng căn cứ khoa học trong việc xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển Hồ Tây. Nội dung đã xem x t đến khả năng iến động các yếu tố DO, BOD, COD, NH4+, NO3-, PO4- theo không gian 2 chiều và thời gian [7]. Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ Thủy sản, Trần Lưu Khanh và các cộng sự cũng đã tiến hành nghiên cứu sức chịu tải và khả năng tự làm sạch tại khu vực nuôi cá lồng bè ở Phất Cờ (Quảng Ninh) và Tùng Gấu (Hải Phòng) dựa trên quá trình chuyển hóa các hợp chất dinh dưỡng, hữu cơ cũng như chế độ thủy động lực tại thủy vực nghiên cứu [6]. Trong một số nghiên cứu thuộc chương trình cấp Nhà nước và cấp Bộ, các đề tài đã triển khai theo hướng đánh giá nguồn thải như ô nhiễm biển do sông tải ra, thuộc đề tài KT.03.07 - 1996 , đánh giá tổn thất môi trường do các hoạt động kinh tế gây ra với vùng ven biển... Tuy nhiên, những nghiên cứu này chưa thể hiện được mức độ chi tiết cao trong thủy vực nhỏ và số các biến môi trường còn hạn chế, đồng thời còn mang tính chất vĩ mô cho khu vực nghiên cứu. Tại khu vực vịnh Nha Trang, đã có một số công trình nghiên cứu về môi trường liên quan tới sự truyền tải các vật chất từ các cửa sông, các quá trình tự làm sạch môi trường. Một số công trình nghiên cứu điển hình được liệt k như 9 Phan Minh Th , Nguyễn Hữu Huân 1999 đã sử d ng phương pháp mô hình hóa quá trình sinh học để nghiên cứu quá trình tự làm sạch của môi trường biển khu vực vịnh Nha Trang với nguồn thải là nước sinh hoạt bị ô nhiễm từ sông Cái... Kết quả nghiên cứu đã ch ra, sau 24 giờ khả năng tự làm sạch các chất ô nhiễm hữu cơ của nước biển đạt từ 42 - 90%. Nghiên cứu này không tính đến ảnh hưởng của các quá trình thủy động lực ven biển (vận chuyển, khuếch tán vật chất... dưới tác động của thủy triều). Nhóm tác giả Thái Ngọc Chiến, Nguyễn Tác An, Bùi Hồng Long - Viện Hải dương học cũng đã ứng d ng mô hình số 3 chiều ECOHAM vào tính toán động lực học dinh dưỡng trong vịnh Vân Phong (Nha Trang - Khánh Hòa) và đưa ra được những đặc trưng iến động theo mùa của nồng độ Nitơ và Photpho trong vịnh. Một đề tài cấp Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã và đang được tiến hành nghiên cứu sức tải môi trường tại vịnh Cam Ranh bằng mô hình ECOSMO do Viện Hải dương học chủ trì. Đề tài sử d ng mô hình để tính toán, mô phỏng quá trình lan truyền một số thành phần vật chất gây ô nhiễm, các quá trình sinh hóa từ đó có những đánh giá về quá trình tự làm sạch vịnh. Qua các công trình nghiên cứu đã công ố, có thể thấy rằng, các nghiên cứu về môi trường đã và đang được các nhà khoa học quan tâm và có những kết quả nghiên cứu nhất định từ thống kê, phân tích số liệu hoặc sử d ng các mô hình số trị. Riêng tại vịnh Nha Trang, đã có các công trình nghiên cứu về môi trường khu vực này nhưng thường tập trung phân tích hiện trạng môi trường và chưa có nhiều kết quả nghiên cứu dựa trên các mô hình số trị để có thể mô phỏng quá trình lan truyền các vật chất gây ô nhiễm vịnh từ các cửa sông dựa trên mối liên hệ với quá trình động lực. Vì thế, tính toán lan truyền vật chất ô nhiễm vịnh Nha Trang bằng dựa trên công c phần mềm MIKE là một hướng nghiên cứu mới mà học viên lựa chọn. 1.2 Môđun MIKE 21 HD 1.2.1 Cơ sở toán học Mô hình MIKE 21 HD là gói công c trong bộ phần mềm DHI được xây dựng bởi Viện Thủy Lực Hà Lan, đây là mô hình tính toán d ng chảy hai chiều trong một lớp chất lỏng đồng nhất theo phương thẳng đứng. 10 Các phương trình nước nông [14] Các phương trình động lượng và liên t c tích phân trên toàn bộ cột nước h = η+d trong các phương trình nước nông được viết lại như sau (1.1) (1.2) (1.3) trong đó t là thời gian; x, y là tọa độ Đề Các; η là mực nước bề mặt; d là độ sâu của nước tĩnh; h = η + d là độ sâu nước tổng cộng; u, v là các thành phần vận tốc theo phương x và y; f = 2Ωsinθ là tham số Coriolis Ω là vận tốc góc của Trái đất, θ là vĩ độ địa lý); tương ứng là các thành phần ứng suất theo phương x và y tại mặt và tại đáy; g là gia tốc trọng trường; là các thành phần tenxơ ứng suất bức xạ; đứng; là áp suất khí quyển; là mật độ nước; , , và là nhớt rối theo phương thẳng là mật độ quy ước của nước; S là cường độ lưu lượng cung cấp cho các điểm nguồn và ( ) là vận tốc tại đó nước được đổ ra môi trường xung quanh. Biến số có đường gạch ngang biểu thị giá trị trung ình theo độ sâu. Ví d , và là các thành phần vận tốc trung ình theo độ sâu được xác định bởi: (1.4) 11 Thành phần ứng suất bên Tij (i,j = x,y) bao gồm cả ma sát nhớt, ma sát rối và chênh lệch bình lưu. Chúng được xác định bằng sử d ng công thức nhớt rối dựa trên những biến đổi vận tốc trung ình theo độ sâu (1.5) Phương trình truyền tải nhiệt độ và độ muối Các phương trình truyền tải nhiệt - muối tích phân trên toàn bộ cột nước được viết dưới dạng: (1.6) (1.7) trong đó, và tương ứng là nhiệt độ và độ muối trung ình theo độ sâu, FT và Fs tương ứng là các hệ số khuếch tán ngang nhiệt độ và độ muối, là nhóm nguồn liên qua tới quá trình trao đổi nhiệt với khí quyển. Phương trình truyền tải cho đại lượng vô hướng (scalar quantity) Các phương trình truyền tải đại lượng vô hướng tích phân theo độ sâu có dạng: (1.8) với là trung ình theo độ sâu của đại lượng vô hướng, FC là nhóm khuếch tán theo phương ngang của đại lượng vô hướng, kp là tốc độ suy giảm tuyến tính của đại lượng vô hướng, Cs là nộng độ của đại lượng vô hướng tại điểm nguồn. Ứng suất đáy Ứng suất đáy, được xác định từ định luật ma sát bậc hai (1.9) trong đó, cf là hệ số ma sát đáy và là tốc độ dòng chảy trên bề mặt đáy. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất đáy thông qua công thức: 12 (1.10) Trong tính toán hai chiều là vận tốc trung ình theo độ sâu và hệ số ma sát đáy có thể được xác định từ hệ số Chezy, C, hoặc hệ số Manning, M (1.11) (1.12) Ứng suất mặt Ứng suất bề mặt được xác định thông qua gió bề mặt. Ứng suất mặt được tính toán dựa trên công thức thực nghiệm: với là mật độ không khí, cd là hệ số cản gió, (1.13) là tốc độ gió ở độ cao 10m trên bề mặt biển. Vận tốc ma sát liên hệ với ứng suất bề mặt được cho bởi công thức: (1.14) Hệ số cản cũng có thể là những giá trị không đổi hoặc ph thuộc vào tốc độ gió. Công thức bán thực nghiệm được đề xuất bởi Wu 1980, 1984 để xác định giá trị của hệ số cản: (1.15) trong đó, ca, cb, wa và wb là các hệ số thực nghiệm và w10 là tốc độ gió tại độ cao 10m trên mực nước biển. Giá trị mặc định của các nhân tố thực nghiệm là ca=1.255x10-3, cb=2.425x10-3, wa=7m/s và wb =25m/s. Các giá trị này cho kết quả tương đối tốt khi áp d ng cho vùng biển khơi. 1.2.2 Phương pháp số a. Rời rạc hóa miền không gian 13 Miền tính được rời rạc hóa bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Theo phương pháp này, miền tính toán được chia nhỏ thành các phần tử liên t c không chồng nhau. Trong không gian hai chiều, vùng tính toán có thể được rời rạc hóa thành từng phần tử dạng đa giác, tứ giác hoặc tam giác. Các phương trình nước nông Dạng tổng quát của hệ các phương trình nước nông có thể được viết dưới dạng: (1.16) với U là các biến bảo toàn, F là hàm v ctơ thông lượng và S là v ctơ của các nhóm nguồn. Trong tọa độ Đề-các, hệ các phương trình nước nông được viết dưới dạng (1.17) trong đó, các ch số I và V tương ứng là các thông lượng không nhớt đối lưu và thông lượng nhớt, và ’ , , (1.18) Tích phân phương trình 1.16 trên toàn bộ phần tử thứ i và sử d ng định lý Gauss để viết lại tích phân thông lượng như dưới đây 14 (1.19) trong đó, Ai là diện tích của phần tử thứ i, Ω là tích phân iến xác định trên Ai , Гi là biên của phần tử thứ i và ds tích phân biến dọc theo biên. n là v ctơ pháp tuyến đơn vị hướng ra ngoài i n. Các tích phân được tính bằng phương pháp cầu phương đơn điểm, điểm cầu phương là điểm trọng tâm của phần tử, và tích phân i n được tính dựa trên phép cầu phương tâm điểm, khi đó phương trình 1.19 được viết lại, (1.20) Ở đây Ui và Si tương ứng là các giá trị trung bình của U và S trên toàn bộ phần tử thứ i và được đặt tại tâm của phần tử, NS là số cạnh của phần tử, nj v ctơ pháp tuyến ngoài đơn vị tại cạnh thứ j và Гj là chiều dài của giao diện thứ j. Trong trường hợp 2D phép xấp x Riemann được sử d ng để tính toán các thông lượng đối lưu tại mặt phân cách của các phần tử. Sử d ng phép giải Roe để ước lượng cho các biến ph thuộc phía bên trái và bên phải của của giao diện. Độ chính xác bậc hai theo không gian đạt được bằng cách sử d ng k thuật tái cấu trúc gradient tuyến tính. Các giá trị gradient trung ình được ước lượng thông qua phép giải của Jawahar và Kamath, 2000. Phương trình truyền tải Các phương trình truyền tải xuất hiện trong mô hình nhiệt – muối, mô hình rối và mô hình truyền tải. Tất cả các phương trình này đều có dạng chung. Trong trường hợp 2D, các phương trình truyền tải có dạng tổng quát như phương trình (1.16 trong đó ( (1.21) b. Tích phân theo thời gian Các phương trình dạng tổng quát được viết: 15 ( (1.22) Trong mô phỏng 2D, có hai phương pháp giải cho tích phân theo thời gian đối với hệ phương trình nước nông và phương trình truyền tải Phương pháp ậc thấp và phương pháp ậc cao. Phương pháp ậc thấp là phương pháp Euler hiện bậc một (1.23) với là ước thời gian. Phương pháp ậc cao hơn là sử d ng phương pháp Runge Kutta bậc hai có dạng (1.24) c. Các điều kiện biên Biên kín Dọc theo các i n kín i n đất liền , thông lượng trao đổi qua các biên này thường được áp đặt là giá trị 0 cho tất cả các i n. Đối với các phương trình động lượng điều này hướng đến điều kiện i n trượt hoàn toàn dọc theo i n đất. Biên mở Các điều kiện biên mở có thể được đưa vào theo các dạng là lưu lượng hoặc dao động mực nước mặt cho các phương trình thủy động lực. Với các phương trình truyền tải, điều kiện biên có thể là các giá trị xác định hoặc giá trị gradient. Điều kiện khô và ướt Các giải pháp xử lý các vấn đề về i n di động front khô và ướt) dựa trên các nghiên cứu của Zhao và cộng sự (1994) và Sleigh và cộng sự (1998). Khi các trường độ sâu nhỏ, vấn đề xảy ra là các phần tử được loại bỏ từ việc tính toán. Công thức tính toán được xây dựng lại bởi sự giảm thông lượng động lượng tới giá trị không và ch tính toán tới thông lượng khối lượng. Độ sâu của mỗi phần tử biến đổi và các phần tử được sắp xếp thành các loại khô, bán khô, ướt. Khi đó ề mặt các phần tử được kiểm tra để xác định các điều kiện i n ướt. 16 Bề mặt của một phần tử được xác định là ngập nếu thỏa mãn hai tiêu chuẩn: thứ nhất, độ sâu nước tại một cạnh của bề mặt phải nhỏ hơn độ sâu tới hạn khô hdry, và độ sâu nước ở cạnh khác của bề mặt lớn hơn độ sâu độ sâu tới hạn ngập hflood. Thứ hai, độ sâu tổng cộng của nước tĩnh tại cạnh có độ sâu nhỏ hơn hdry và mực nước bề mặt tại cạnh khác đều phải lớn hơn giá trị 0. Một phần tử được gọi là khô nếu độ sâu nước nhỏ hơn độ sâu giới hạn khô hdry, và không một cạnh nào bị ngập. Phần tử này bị loại ra khỏi miền tính toán. Một phần tử xem như là ngập một phần nếu nếu độ sâu nước lớn hơn hdry và nhỏ hơn độ sâu giới hạn ướt, hoặc khi độ sâu nhỏ hơn hdry và một trong số các cạnh khác là biên ngập nước. Trong trường hợp này thông lượng động lượng bằng không và ch có thông lượng khối lượng được tính. Một phần tử được gọi là ướt nếu độ sâu nước lớn hơn hwet. Trong trường hợp này cả hai thành phần thông lượng khối lượng và thông lượng động lượng được tính. Độ sâu ướt hwet phải lớn hơn độ sâu khô giới hạn hdry và độ sâu giới hạn ngập hflood, được xác định theo điều kiện hdry < hflood < hwet. 1.3 Môđun ECO Lab 1.3.1 Cơ sở lý thuyết [15] Động lực học của ình lưu các biến trạng thái trong ECO Lab có thể được mô tả bằng các phương trình truyền tải của vật chất không bảo toàn, có dạng: (1.25) trong đó c: Nồng độ của biến trạng thái ECO Lab u, v: Các thành phần vận tốc dòng chảy Dx, Dy: Các hệ số khuếch tán theo phương x và y Sc: Nguồn sinh và nguồn mất Pc: Các quá trình trong ECO Lab Phương trình truyền tải có thể được viết lại: 17 (1.26) trong đó, nhóm ADc đại diện cho tốc độ thay đổi nồng độ gây ra bởi quá trình bình lưu và khuếch tán (bao gồm các nguồn sinh và mất). Khi tính toán các biến đổi nồng độ cho ước tiếp theo, một phương trình ECO Lab số được thay thế cho các phương trình truyền tải tích phân theo thời gian. Một phương pháp xấp x khác được sử d ng trong ECO Lab là xem thành phần bình lưu – đối lưu ADc không thay đổi trong một ước thời gian. Việc giải cả hai thành phần trong phương trình sai phân thường của ECO Lab là tổng hợp của tốc độ thay đổi gây ra do chính các quá trình nội tại và các quá trình ình lưu - khuếch tán. (1.27) Thành phần ình lưu - khuếch tán được xấp x bằng công thức (1.28) trong đó, nồng độ tức thời c* được cho bởi quá trình truyền tải biến trạng thái trong ECO Lab khi vật chất được bảo toàn trong suốt chu kỳ sử d ng môđun AD. Một lợi thế chính của phương pháp này là li n kết được phương pháp giải hiện và các vấn đề phi tuyến từ các nguồn ECO Lab phức tạp, vì vậy ECO Lab và thành phần ình lưu - khuếch tán có thể được giải một cách riêng lẻ. Phương pháp giải số được sử d ng trong mô hình ECO Lab là phương pháp Euler, Runge Kutta 4, Runge Kutta 5. 1.3.2 Ôxy hòa tan (DO) và nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD) a. Ôxy hòa tan (DO) DO là lượng ôxy hoà tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước cá, lưỡng thê, thuỷ sinh, côn trùng v.v... thường được tạo ra do sự hoà tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo,... Nồng độ ôxy tự do trong nước ph thuộc vào nhiệt độ, sự phân huỷ hoá chất, sự quang hợp của tảo và v.v... Khi nồng độ DO thấp, các loài sinh vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết. Do vậy, DO là một ch số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của các thuỷ vực [2], [12]. 18 Quá trình cân bằng ôxy được xem xét theo các mức độ phức tạp khác nhau của cân bằng tùy thuộc vào m c đích của người sử d ng. Có 4 mức độ khác nhau mô tả cân bằng khối DO, trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, ch tập trung vào mức cân bằng bậc 3. Mức cân bằng này giả thiết rằng sự biến đổi của nồng độ ôxy là tổng hợp của các quá tương tác nước - khí quyển (mặt phân cách , quá trình đạm hóa, nhu cầu ôxy sinh hóa, quá trình quang hợp, quá trình hô hấp, nhu cầu ôxy trầm tích (ch ở đáy . Các quá trình đó được mô tả bằng phương trình cân bằng sau: (1.29) trong đó Reaeration (1): quá trình trao đổi ôxy giữa ôxy h a tan trong nước và khí quyển (g/m3/ngày . Quá trình này có tính đến mức ão h a ôxy trong nước Cs ph thuộc vào nhiệt độ và độ mặn. (1.29a) Giá trị Cs được tính thông qua biểu thức thực nghiệm sau: Tốc độ tương tác K2 (1/s) ph thuộc vào tốc độ gió Wv, tốc độ dòng chảy V và độ sâu nước: Y1.nitrification (2): quá trình đạm hóa (g/m3/ngày), Y1: hệ số bổ sung cho ôxy. Đây là một quá trình khác ảnh hưởng tới cân bằng ôxy khi ôxy được sử d ng trong quá trình đạm hóa từ amoniac sang nitrite. (1.29b) 19 BOD decay (3): quá trình phân hủy BOD (g/m3/ngày). Sự phân hủy các vật chất hữu cơ là một nguyên nhân khác làm suy giảm ôxy. Quá trình này ph thuộc vào các yếu tố nhiệt độ, nồng độ ôxy và nộng độ vật chất hữu cơ. (1.29c) Photosynthesis (4): quá trình quang hợp (g O2/m2/ngày). Các sản phẩm ôxy từ quá trình quang hợp được mô tả thông qua mối liên hệ giữa giá trị năng suất cực đại vào giữa trưa và iến đổi theo thời gian trong ngày. ( (1.29d) Respiration (5): quá trình hô hấp của sinh vật (g O2/m2/ngày). Sự suy giảm nồng độ ôxy bởi quá trình hô hấp của sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng thông qua biểu thức ph thuộc nhiệt độ. (1.29e) SOD (sidement oxygen demand) (6): nhu cầu ôxy cho phân hủy vật chất hữu cơ tại đáy ch ph thuộc vào hàm lượng ôxy và nhiệt độ (g/m3/ngày). Lưu ý rằng các vật chất hữu cơ trầm tích trong quá trình này không tính đến thành phần trầm tích có nguồn gốc từ các nguồn ô nhiễm. Giá trị này ch ph thuộc vào nồng độ ôxy và nhiệt độ. (1.29f) b. Nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD) BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hoá là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu. Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi sinh vật sử d ng oxy hoà tan, vì vậy xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là ph p đo quan trọng đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước. OD có ý nghĩa 20