Đánh giá đặc trưng trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng

010 Hình 2.1. Hoa gió Trạm Hòn Dấu II.1.3. Thủy hải văn Những số liệu về khí tượng sử dụng trong mô hình thuỷ động lực bao gồm bức xạ mặt trời, độ ẩm tương đối, lượng mây, nhiệt độ không khí và gió. Đây là những số liệu được đo đạc bởi Trung tâm Khí tượng Thuỷ văn quốc gia ở các trạm khí tượng thuỷ văn như Phủ Liễn, Hòn Dấu. Ngoài ra số liệu khí tượng cung cấp cho mô hình thuỷ động lực cũng được tham khảo thêm từ số liệu của Trạm Quan trắc không khí của Viện Tài nguyên và Môi trường biển tại Hải Phòng. Các đặc trưng trung bình theo mùa (mùa mưa và mùa khô) của các yếu tố khí tượng cũng được thu thập và tổng hợp để phục vụ đầu vào cho mô hình. Những số liệu về lưu lượng sông được lấy từ chuỗi quan trắc từ các trạm cố định trên các sông Hải Phòng, ngoài ra số liệu dòng chảy đã được tham khảo từ các kết quả khảo sát và đánh giá của các đề tài [4, 20, 21, 22]. 19 Đã sử dụng chương trình dự báo thuỷ triều của Đài Thiên văn Quốc gia Nhật Bản NAO (National Astronomical Observatory) để tính cho vùng vịnh Bắc Bộ (Hình 4.1) sau đó trích xuất mực nước tại biên lỏng của khu vực nghiên cứu để tính trường dòng chảy. Kết quả mực nước tính từ mô hình đã được so sánh với số liệu mực nước dự báo tại Trạm Hòn Dấu. II.1.4. Trầm tích lơ lửng Số liệu quan trắc và phân tích về trầm tích lơ lửng của các đề tài [1, 3, 4, 6, 11, 12] đã được sử dụng để đánh giá hiện trạng và làm tư liệu tham khảo cho sự mô phỏng trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. II.2. Phương pháp II.2.1. Mô hình thủy động lực Cơ sở toán học của mô hình thuỷ động lực là giải phương trình Navier Stokes với chất lỏng không nén trong nước nông và phương pháp xấp xỉ Boussinesq. Sự biến đổi của thành phần vận tốc thẳng đứng trong phương trình động lượng được bỏ qua. Với mô hình 3 chiều, thành phần vận tốc thẳng đứng được tính toán từ phương trình liên tục (Delft). Theo phương nằm ngang, tuỳ thuộc vào các điều kiện cụ thể tại mỗi khu vực tính, một trong các hệ toạ độ chủ yếu sau có thể được sử dụng: - Hệ toạ độ Đề các (Cartesian): (x,y). Dùng cho các vùng tính có địa hình và đường bờ đơn giản - Hệ toạ độ cong trực giao: ( hx , ). Sử dụng cho những khu vực có địa hình và đường bờ phức tạp như các vùng cửa sông, ven biển, các vũng vịnh...v.v. 20 - Hệ toạ độ cầu: ( fl , ). Áp dụng cho những khu vực rộng lớn, trải dài trên nhiều kinh - vĩ độ khác nhau. Phương trình liên tục (viết trong hệ toạ độ cong trực giao): [ ] [ ] Q GVd GG GUd GGt = ¶ +¶ + ¶ +¶ + ¶ ¶ h z x zz xx hhxx hh hhxx )(1)(1 (1) Với Q thể hiện sự thêm vào hay mất của nguồn nước, sự bốc hơi và mưa trên một đơn vị diện tích: EPdqqHQ outin -+-= ò - s 0 1 )( trong đó: hx , lµ c¸c hÖ sè chuyÓn ®æi tõ hÖ to¹ ®é §Ò c¸c sang hÖ to¹ ®é cong trùc giao hhxx GG , là các hệ số chuyển đổi từ hệ toạ độ Đề Các sang hệ tạo độ cong trực giao d là độ sâu tại điểm tính (độ sâu của nước dưới đường chuẩn (0 hải đồ)) z là mực nước tại điểm tính (mực nước trên một đường chuẩn) U, V lần lượt là các thành phần vận tốc theo các hướng hx , qin và qout lần lượt là nguồn nước đưa vào và ra trên 1 đơn vị thể tích H là độ sâu tại điểm tính (H=d + z ) P, E lần lượt là lượng mưa và bốc hơi Phương trình bảo toàn động lượng theo hướng z và h ( toạ độ cong trực giao): fv G GG vG GG uvu d u G vu G u t u - ¶ ¶ - ¶ ¶ + ¶ ¶ + + ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ xhsz w hx hh hhxx xx hhxxhhxx 2 xzz xx sszr Muv d FP G v +÷ ø öç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ + ++-= 2 0 )( 11 (2) 21 fu G GG uG GG uvv d v G vv G u t v + ¶ ¶ - ¶ ¶ + ¶ ¶ + + ¶ ¶ + ¶ ¶ + ¶ ¶ hhsz w hx xx hhxx xx hhxxhhxx 2 hhh hh sszr Mvv d FP G v +÷ ø öç è æ ¶ ¶ ¶ ¶ + ++-= 2 0 )( 11 (3) Phương trình viết cho thành phần vận tốc theo phương thẳng đứng: [ ] [ ] )( )(1)(1 outin qqH Gvd GG Gud GGt -= ¶ ¶ + ¶ +¶ + ¶ +¶ + ¶ ¶ s w h z x zz xx hmxx hh hhxx (4) trong các phương trình (2), (3), (4) : w là vận tốc theo hướng s trong hệ toạ độ s (m/s) fv và fu là các thành phần của lực Coriolis hx MM , lần lượt là ngoại lực theo các hướng hx , 0r là mật độ nước Các quá trình vật lý chính đã được thể hiện trong các phương trình trên, bao gồm: - Lực Coriolis - Các kiểu khuyếch tán rối: K-epsilon, k-L, biểu thức đại số và hằng số đưa vào với mỗi mô hình. - Các kiểu ứng suất đáy: + Theo công thức Chézy: C- hệ số Chézy (m1/2/s + Theo công thức Manning: n HC 6 = Với: H- độ sâu tổng cộng; n- hệ số Manning + Theo công thức White Colebrook: ÷÷ø ö ççè æ = sk HC 12log18 10 ks- hệ số Nikuradse (m) 22 + Lưới tính và lưới độ sâu Theo chiều ngang, lưới tính của mô hình có dạng so le (hình 2.2). Mỗi ô lưới chứa một điểm mực nước, một điểm độ sâu đáy, một điểm vận tốc dòng chảy theo phương x (vận tốc u), một điểm vận tốc dòng chảy theo phương y (vận tốc v). Những điểm này không giống nhau. Điểm mực nước được xác định ở giữa của mỗi ô lưới và các dòng chảy thành phần được xác định trên các biên của ô lưới. Hình 2.2. Lưới so le trong mô hình thuỷ động lực [27] Lưới độ sâu được tạo thành trên cơ sở lưới tính, số liệu cần thiết để tạo các lưới độ sâu là số liệu đo đạc, số liệu số hoá từ các bản đồ địa hình. + Đặc điểm các điều kiện của mô hình Các biên của mô hình thuỷ động lực bao gồm các biên đóng và biên mở. Biên đóng là biên dọc theo đường ranh giới giữa đất và nước. Ngược lại, biên mở là một mặt cắt, nơi dòng chảy có thể đi vào hoặc ra vùng tính. Trong mô hình thuỷ động lực, các giá trị ở các biên lỏng cần được xác định chính xác vì nó có thể ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính toán. Những giá trị này có thể được xác định qua đo đạc, qua tính toán hoặc NESTING từ mô hình có phạm vi lớn hơn. - ô tính toán - điểm cùng chỉ số (i, j) - điểm độ sâu - điểm mực nước - vận tốc theo hướng u - vận tốc theo hướng v 23 Vị trí các biên lỏng xa điểm quan tâm sẽ hạn chế những nhiễu động từ các biên. Với mỗi trường hợp cụ thể có thể áp dụng 1 trong 4 kiểu điều kiện biên cho các biên lỏng khác nhau: biªn mùc n­íc (z = Fz (t)); biªn dßng ch¶y (U=FU(t)); biªn l­u l­îng (Q=FQ(t)); biªn Riemann .)( ÷÷ø ö ççè æ =± tF d gU Rz + Tiêu chuẩn ổn định của mô hình Các phương trình toán học trên được giải bằng phương pháp sai phân ẩn (WL|Delft Hydraulics, 1999) với sơ đồ khử luân hướng (ADI - Alternating Direction Implicit) trên hệ lưới cong. Trong mô hình thuỷ động lực, độ ổn định của mô hình có thể được đánh giá qua số Counrant - một chỉ số đánh giá độ chính xác và tiêu chuẩn ổn định của mô hình. Đối với những vùng có sự biến đổi lớn về địa hình đáy biển hoặc đường bờ, số Counrant không nên vượt quá khoảng 10 - 30 (Van Ballegooyen và Taljaard, 2001). Theo Stelling (1984), với mô hình 2 chiều, số Counrant được xác định như sau: ÷÷ø ö ççè æ D + D D= 22 112 yx ghtC (5) trong công thức trên: C: là số Counrant g: gia tốc trọng trường (m/s2) h: là độ sâu của cột nước tại điểm tính (m) Dt: là bước thời gian (giây) Dx : là kích thước ô lưới theo phương x (m) Dy: là kích ô lưới theo phương y (m) Số Counrant có quan hệ chặt chẽ với bước thời gian tính toán, độ sâu điểm tính và kích thước ô lưới. Nó rất cần thiết trong việc lựa chọn bước thời gian lớn nhất cho mô hình nhằm giảm thời gian chạy cho mỗi trường hợp mà vẫn đảm 24 bảo độ chính xác và ổn định của mô hình. Các tham số sau có liên quan đến bước thời gian: sự ổn định của mô hình, yêu cầu độ chính xác, kích thước ô lưới nhỏ nhất, độ sâu, thời gian tính toán. II.2.2. Mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng Cơ sở toán học của mô hình vận chuyển trầm tích là phương trình lan truyền và khuyếch tán vật chất: ÷ ø öç è æ - ¶ ¶ ¶ ¶ -÷÷ø ö ççè æ - ¶ ¶ ¶ ¶ -÷ ø öç è æ - ¶ ¶ ¶ ¶ = ¶ ¶ Cu z CD z Cu y CD y Cu x CD xt C zzyyxx (6) Nếu tính cả nguồn đưa từ ngoài vào thì: ),( tCFCu z CD z Cu y CD y Cu x CD xt C zzyyxx +÷ø öç è æ - ¶ ¶ ¶ ¶ -÷÷ø ö ççè æ - ¶ ¶ ¶ ¶ -÷ ø öç è æ - ¶ ¶ ¶ ¶ = ¶ ¶ (7) Trong các phương trình (6, 7) trên : Dx, Dy, Dz là các hệ số khuyếch tán theo các phương x, y, z F(C, t) là nguồn vật chất thêm vào hoặc mất đi. C : hàm lượng vật chất Đối với mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng, giả thiết rằng hàm lượng trầm tích lơ lửng trong cột nước giảm khi xảy ra quá trình lắng đọng trầm tích. Mặt khác quá trình xói (tái lơ lửng-resuspension) xảy ra khi hàm lượng trầm tích lơ lửng trong cột nước tăng lên. Quá trình lắng đọng trầm tích phụ thuộc vào ứng suất xung quanh bề mặt (ambient shear stress-Tau) và ứng suất tới hạn cho quá trình lắng đọng (Taucrsed). Nếu ứng suất xung quanh thấp hơn ứng suất tới hạn, thì diễn ra quá trình lắng đọng trầm tích (Hình 2.3). Dòng trầm tích lắng đọng (Sedimentation flux)= Psed x Vsed x (IM1) (g/m2/ngày) Trong đó : Vsed là : vận tốc lắng đọng trầm tích IM1 là : nồng độ vật chất vô cơ 25 Psed là : khả năng lắng đọng và được tính theo công thức : Psed = ÷÷ø ö ççè æ - sed crTau Tau1,0max (8) Hình 2.3. Các quá trình cơ bản trong mô hình lan truyền TTLL [27] Ngược lại, quá trình xói xảy ra khi ứng suất xung quanh cao hơn ứng suất tới hạn cho quá trình tái lơ lửng (Taucrres): Dòng tái lơ lửng (Ressuspension flux) = Pres x Zres (g.m2/ngày) Trong đó: Zres là: tỷ lệ tái lơ lửng ban đầu Pres là: khả năng tái lơ lửng và được tính theo công thức: Pres = ÷÷ø ö ççè æ -1,0max Tau Tau rescr (9) Trong đó: IM1 là hàm lượng trầm tích lơ lửng; Psed- xác suất xảy ra quá trình lắng đọng trầm tích; Vsed- Vận tốc lắng đọng; Tau-ứng suất xung quanh; Taucrsed- ứng suất tới hạn cho quá trình lắng đọng trầm tích; Taucrres-ứng suất tới hạn cho quá trình tái lơ lửng; Pres-xác suất xảy ra quá trình tái lơ lửng; Zres- tốc độ tái lơ lửng từ bề mặt đáy. Ứng suất xung quanh (Tau) phụ thuộc vào các quá trình động lực sóng, gió, dòng chảy, mực nước, độ nhám đáy. 26 CHƯƠNG III. ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG Trầm tích lơ lửng khu vực ven biển Hải Phòng là một quá trình phức tạp, do có năm cửa sông đổ ra biển. Theo kết quả nghiên cứu của [12, 16] cho thấy vùng biển ven bờ Hải Phòng có hàm lượng TTLL khá cao do chịu ảnh hưởng của khối nước từ các cửa sông Bạch Đằng, sông Cấm đổ ra. Vào mùa mưa, lượng nước trao đổi lớn nên nước có hàm lượng TTLL cao, giá trị cao nhất quan trắc được là hơn 2000 mg/l tại khu vực cửa Bạch Đằng (Đình Vũ). Phía ngoài cửa Bạch Đằng, hàm lượng TTLL trung bình trong mùa mưa đạt 407,6 mg/l (tháng 7/2006) và mùa khô (tháng 3/2007) đạt 47,3 mg/l. Khu vực phía trong sông Bạch Đằng (Bến Rừng), hàm lượng TTLL có giá trị thấp hơn, trung bình đạt 116,8 mg/l trong mùa mưa (tháng 6/2007) và 87,4 mg/l trong mùa khô (tháng 2/2007). Tại các vùng đất ngập nước đã ghi nhận hàm lượng TTLL trong mùa khô là 36 mg/l (tháng 4/2003). Khu vực sông Cấm (Bến Bính) có hàm lượng TTLL trung bình đạt 367mg/l trong mùa mưa (tháng 9/2007) và 258 mg/l trong mùa khô (tháng 01/2008). Khu vực ngoài khơi Cát Bà, hàm lượng TTLL khá thấp, trung bình 20 mg/l trong mùa mưa và 39 mg/l trong mùa khô. Trong chuỗi số liệu (501 số liệu) thu thập quan trắc được từ trước đến nay của các nghiên cứu do Viện TN&MTB thực hiện cho thấy có 186 (chiếm 35,93%) số liệu vượt GHCP so với QCVN10: 2008/BTNMT (Tiêu chuẩn chất lượng nước biển ven bờ đối với nước dùng cho Nuôi trồng thuỷ sản và bảo tồn thuỷ sinh, thông số trầm tích lơ lửng 50 mg/l). Các đặc trưng biến đổi theo thời gian, không gian của TTLL tại khu vực nghiên cứu được phân tích chi tiết như sau: 27 III.1. Phân bố TTLL theo thời gian Từ trước đến nay đã có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu về trầm tích lơ lửn g, trong đó đáng kể Nhiệm vụ [3] do Viện Tài nguyên và Môi trường biển thực hiện từ năm 1995 đến nay. Dựa trên chuỗi số liệu quan trắc trong giai đoạn 1996-2010 (15 năm), học viên đã phân tích và đánh giá sự biến đổi của TTLL khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng (đại diện điểm quan trắc tại Đồ Sơn được thể hiện trên hình 3.1) theo thời gian như sau: . Hình 3.1. Vị trí và tọa độ điểm quan trắc TTLL và khu vực lân cận [3] Hình 3.2. Biểu đồ giá trị TTLL trung bình mùa (1996-2010) khu vực Đồ Sơn 28 Theo hình 3.2 cho thấy giá trị TTLL của khu vực nghiên cứu có các năm 1996, 1997, 2006, 2007 và 2009 cả hai mùa khô và mưa đều vượt GHCP so với QCVN10: 2008/BTNMT (Tiêu chuẩn chất lượng nước biển ven bờ đối với nước dùng cho Nuôi trồng thuỷ sản và bảo tồn thuỷ sinh, thông số trầm tích lơ lửng 50 mg/l). Giá trị trung bình mùa của TTLL trong các năm 2002, 2004, 2007 và 2010 đều xấp xỉ bằng nhau, các năm 1997, 2005, 2006 mùa khô có giá trị gấp nhiều lần mùa mưa. Hình 3.3 thể hiện mối quan hệ giữa giá trị trung bình năm của TTLL và tổng lượng mưa năm của khu vực nghiên cứu. Trên biểu đồ này cho thấy những năm đạt cực trị về lượng mưa thì giá trị trung bình của TTLL cũng đạt cực trị và ngược lại những năm có tổng lượng mưa thấp thì giá trị TTLL trung bình năm cũng thấp. Trong giai đoạn 2005-2010 giá trị TTLL trung bình năm có biểu hiện vượt GHCP so với QCVN10: 2008/BTNMT. Hình 3.3. Biểu đồ giá trị trung bình năm của TTLL và tổng lượng mưa năm khu vực Hải Phòng (1996-2010) 29 Trong bảng 3.1 cho thấy hệ số vượt GHCP của giá trị TTLL trung bình năm của các năm 1996, 1997, 2001, 2006, 2007, 2008, 2009 vượt từ 1,04 đến 2,54 lần cho phép so với QCVN10: 2008/BTNMT. Bảng 3.1. Hệ số vượt GHCP (QCVN10:2008/BTNMT) của giá trị TTLL trung bình năm khu vực nghiên cứu Năm Hệ số Năm Hệ số 1996 1,33* 2004 0,66 1997 2,54* 2005 0,88 1998 0,87 2006 1,43* 1999 0,54 2007 1,26* 2000 0,33 2008 1,19* 2001 1,04* 2009 1,19* 2002 0,86 2010 0,91 2003 0,68 Ghi chú: 1,33*: vượt GHCP. Theo hình 3.4 cho thấy nồng độ TTLL trung bình 10 năm trở lại đây của khu vực Đồ Sơn có đặc điểm sau: - Tại tầng mặt có giá trị xấp xỉ GHCP và tầng đáy vượt GHCP so với QCVN10: 2008/BTNMT. - So với các khu vực khác ven bờ biển Bắc Bộ như Trà Cổ, Cửa Lục, Sầm Sơn, Cửa Lò, khu vực nghiên cứu có giá trị TTLL trung bình lớn hơn, chỉ thấp hơn khu vực cửa Ba Lạt. Về giá trị trung bình của tầng đáy lớn hơn tầng mặt, giống xu thế chung của các khu vực khác. 30 0 50 100 150 200 250 Trà Cổ Cửa Lục Đồ Sơn B a Lạt Sầm Sơn Cửa Lò Trạm m g/l T. Mặt T. Đáy Tr. B ình GHCP Hình 3.4. Nồng độ TTLL trung bình 10 năm và theo tầng trong khu vực ven bờ phía bắc Việt Nam [7] Theo hình 3.5 cho thấy giá trị TTLL biến đổi theo thời gian trong trong khoảng 15 năm trở lại đây (1996-2010) của khu vực nghiên cứu có xu thế tương tự như các khu vực lân cận là mùa mưa cao hơn mùa khô. 0 50 100 150 200 250 300 350 Trà Cổ Cửa Lục Đồ Sơn Ba Lạt Sầm Sơn Cửa Lò Trạm m g /l M . mưa M .khô Tr.bình GHCP Hình 3.5. Biến động nồng độ TTLL trung bình theo mùa trong khu vực ven bờ phía bắc Việt Nam [7] 31 III.2. Đặc điểm TTLL khu vực các sông Hải Phòng Theo [4] cho thấy số liệu quan trắc TTLL biến đổi ngày đêm tại các sông (Nam Triệu, Cấm, Lạch Tray, Văn Úc, Thái Bình) ven biển Hải Phòng vào mùa khô, cửa sông Thái Bình tầng mặt lớn hơn tầng đáy, các cửa sông Bạch Đằng, Lạch Tray và Cấm tầng đáy lớn hơn tầng mặt. Tại cửa sông Văn Úc giá trị TTLL trung bình ngày đêm giữa tầng đáy và tầng mặt chênh nhau không đáng kể. Giá trị TTLL trung bình ngày lớn nhất là 133 mg/l quan trắc được tại tầng đáy khu vực sông Cấm và nhỏ nhất là 18 mg/l tại tầng mặt khu vực sông Bạch Đằng (Hình 3.6). Các sông (Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray) phía bắc bán đảo Đồ Sơn giá trị TTLL tầng đáy lớn hơn tầng mặt, trong khi đó các sông khu vực phía nam bán đảo Đồ Sơn có đặc điểm ngược lại tầng mặt lớn hơn tầng đáy. Hình 3.6. Sơ đồ giá trị TTLL (mg/lít) trung bình ngày đêm 32 tại các cửa sông ven biển Hải Phòng vào mùa khô Vào mùa mưa cho thấy giá trị trung bình tại tầng mặt khu vực sông Bạch Đằng và cửa sông Thái Bình lớn hơn tầng đáy. Tuy nhiên tại các khu vực cửa sông Cấm, Lạch Tray và Văn Úc có xu thế ngược lại, giá trị TTLL tầng đáy lớn hơn tầng mặt (Hình 3.7). Giá trị TTLL trung bình ngày lớn nhất là 427 mg/l quan trắc được tại tầng đáy khu vực sông Cấm và nhỏ nhất là 36 mg/l tại tầng đáy khu vực sông Thái Bình. Hình 3.7. Sơ đồ giá trị TTLL (mg/lít) trung bình ngày đêm tại các cửa sông ven biển Hải Phòng vào mùa mưa 33 III.3. Đặc điểm TTLL khu vực xa bờ Hải Phòng Trong khuôn khổ Dự án [12] hợp tác giữa thành phố Hải Phòng và thành phố Brest-Pháp có tiến hành thu mẫu và phân tích TTLL tại khu vực xa các cửa sông ven bờ biển Hải Phòng (Hình 3.8). Theo số liệu này cho thấy hàm lượng TTLL trong nước còn thấp hơn GHCP so với QCVN10: 2008/BTNMT. Hàm lượng TTLL trung bình trong nước ven biển Hải Phòng trong đợt khảo sát năm 2009 dao động từ 28,05 - 99,1 mg/l trong mùa mưa và từ 20,26 - 68,34mg/l trong mùa khô. Hàm lượng TTLL trong nước biển năm 2009 khu vực Hải Phòng có xu hướng tăng cao trong nước tầng đáy, mùa mưa lớn hơn mùa khô. Hình 3.8. Sơ đồ thu mẫu TTLL xa bờ khu vực Hải Phòng [12] 34 Xét theo các mặt cắt, nhận thấy sự phân bố hàm lượng TTLL theo các mặt cắt khá phức tạp, không tuân theo quy luật chung là giảm từ bờ ra khơi (Hình 3.8, Bảng 3.2). Điều này cho thấy sự vận chuyển trầm tích lơ lửng vùng ven biển Hải Phòng khá phức tạp, ngoài nguồn do sông đưa ra còn chịu ảnh hưởng của chế độ triều, chế độ dòng chảy sông và các chế độ thuỷ động lực khác. Theo bảng 3.2 cho thấy vào mùa mưa mặt cắt 3 có giá trị TTLL trung bình lớn nhất (62,14 mg/l) sau đó đến các mặt cắt 5, mặt cắt 4, mặt cắt 1, mặt cắt 2 (34,78 mg/l). Vào mùa khô mặt cắt 5 có giá trị TTLL trung bình lớn nhất (43,08 mg/l) sau đó đến các mặt cắt 1, mặt cắt 4, mặt cắt 3, mặt cắt 2 (26,41 mg/l). Bảng 3.2. TTLL trung bình (mg/l) của nước biển Hải Phòng vào mùa khô (tháng 3/2009) và mùa mưa (tháng 7/2009) [12] Mùa mưa Mùa khô Khu vực Tầng mặt Tầng đáy Tầng mặt Tầng đáy M. cắt 1 33,06 40,36 29,36 40,28 M. cắt 2 28,05 41,5 24,38 28,43 M. cắt 3 52,6 71,68 25,03 31 M. cắt 4 37,05 42,2 26,98 30,58 Trạm mặt rộng M. cắt 5 34,42 51,26 20,26 65,9 Khu vực phía bắc quần đảo Long Châu có giá trị TSS trung bình tầng mặt bằng 26,15 mg/l và trung bình tầng đáy bằng 27,25 mg/l trong mùa mưa. Khu vực bãi tắm Cát Cò I (đảo Cát Bà) có giá trị TSS tầng mặt và tầng đáy lần lượt bằng 27,8 và 30,2 mg/l. Phía tây nam đảo Cát Bà có giá trị TSS tầng mặt và tầng đáy lần lượt bằng 37,6 và 38,3 mg/l. Nhìn chung, giá trị hàm lượng TTLL khu vực xa bờ Hải Phòng còn thấp hơn GHCP so với QCVN10: 2008/BTNMT. 35 Hình 3.9. Phân bố TTLL theo không gian khu vực nghiên cứu trong mùa khô Hình 3.10. Phân bố TTLL theo không gian khu vực nghiên cứu trong mùa mưa 36 Dựa trên các số liệu quan trắc trung bình tầng đáy và tầng mặt, bức tranh về phân bố TTLL theo không gian trong mùa khô khu vực trung tâm có giá trị 30 mg/l, phía đông bắc có giá trị trong khoảng 35-40 mg/l, các vùng cửa sông (Cấm Bạch Đằng) phía bắc mũi Đồ Sơn có giá trị trong khoảng 35-80 mg/l và phía nam (cửa sông Văn Úc, Thái Bình) mũi Đồ Sơn có giá trị trong khoảng 35- 60 mg/l (Hình 3.9). Trong mùa mưa, khu vực trung tâm có giá trị 30-35 mg/l, phía đông bắc có giá trị trong khoảng 40-45 mg/l, khu vực cửa sông Cấm-Bạch Đằng có giá trị trong khoảng 45-120 mg/l (Hình 3.10). Đây là những giá trị làm cơ sở cho việc tiến hành mô phỏng TTLL (chương IV) khu vực nghiên cứu theo đặc trưng mùa. 37 CHƯƠNG IV. MÔ PHỎNG TRẦM TÍCH LƠ LỬNG KHU VỰC CỬA SÔNG VEN BIỂN HẢI PHÒNG BẰNG MÔ HÌNH DELFT-3D IV. 1. Triển khai mô hình thủy động lực Phạm vi miền tính của mô hình · Mô phỏng dao động mực nước khu vực vịnh Bắc Bộ: - Số liệu đường bờ (dùng để tạo lưới tính toán) của các khu vực trên được số hóa lại từ các bản đồ địa hình UTM tỷ lệ 1: 25000 do Cục Đo đạc Bản đồ xuất bản, đây là những bản đồ với hệ tọa độ nhà nước VN-2000. Những bản đồ đó đã được quét vào máy tính, số hoá và xử lý bằng các phần mềm Acview, MapInfo. (a) (b) Hình 4.1. Trường độ sâu vịnh Bắc Bộ (a) và lưới khu vực nghiên cứu (b) - Số liệu độ sâu (Hình 4.1a) được lấy từ nguồn cơ sở dữ liệu địa hình ETOPO5 (Earth Topography - 5 Minute) của Trung tâm Tư liệu Địa vật lí Quốc gia Mỹ NGDC (National Geophysical Data Center) và GEBCO -1 (General 38 Bathymetric Chart of the Ocean (GEBCO) one minute) của Trung tâm tư liệu hải dương học vương quốc Anh (British Oceanographic Data Centre-BODC). - Số liệu về dao động mực nước trên các biên mở phía biển được tạo từ mô đun TIDE từ hằng số điều hòa của 8 sóng K1, O1, M2, S2, P1, Q1, N2, K2 lấy từ bộ hằng số điều hòa toàn cầu FES2004 của dự án Topex/ Poseidon với độ phân giải 1/8 độ. · Mô phỏng trường dòng chảy khu vực nghiên cứu: Mô hình thuỷ động lực cho khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng sử dụng hệ lưới cong trực giao. Phạm vi vùng tính của mô hình bao gồm các vùng nước của các cửa sông Bạch Đằng, Cấm, Lạch Tray và phần phía ngoài các cửa sông này mở rộng ra phía ngoài biển đến độ sâu khoảng 11 đến 12 mét (Hình 4.2). Miền tính được chia thành 185 x 356 ô lưới (M = 185, N = 356), trải dài từ 106o68E - 106o98 E, 20o65N - 20o948N (Hình 4.1b). Kích thước các ô lưới biến đổi từ 48,24 đến 158,3 mét (Bảng 4.1). Hình 4.2. Trường độ sâu và trạm (B2) đo đạc kiểm chứng mô hình ◘ B2 39 Miền tính có các biên mở phía biển (số liệu đầu vào là các giá trị mực nước được trích xuất từ vùng tính khu vực vịnh Bắc Bộ, Phần phụ lục) và các biên sông. Biên phía biển bao gồm phía tây nam, đông nam và đông bắc. Các biên mở sông là những nguồn cung cấp trầm tích chủ yếu cho khu vực tính. Thời gian tính toán Mô hình thủy động lực khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng được thiết lập và chạy với thời gian là các mùa đặc trưng trong năm (mùa mưa và mùa khô) của các kịch bản khác nhau. Những kịch bản này gồm: - Mùa khô (từ ngày 01 đến ngày 31 tháng 3 năm 2010) - Mùa mưa (từ ngày 01 đến ngày 31 tháng 8 năm 2010) Bước thời gian chạy của mô hình thủy động lực là 0,5 phút. Bảng 4.1. Các thông số được sử dụng cho mô hình thủy động lực Thông số Giá trị Số điểm tính M=185, N=356 Dx, Dy 48,24 - 158,30 m Bước thời gian 30 giây Ngưỡng giữa khô và ướt 0,1 m Khoảng thời gian tính (mùa mưa và mùa khô) 30 ngày Hệ số nhớt theo phương ngang 1,0m2/s Hệ số nhớt theo phương đứng 1,0 x 10-6m2/s Hệ số khuyếch tán theo phương ngang 1,0m2/s Hệ số khuyếch tán theo phương đứng 1,0 x 10-6m2/s Hệ số nhám Chezy 60 Mô hình khép kín rối k-e 40 Hiệu chỉnh và kiểm nghiệm các kết quả của mô hình So sánh các kết quả nhận được của mô hình với số liệu quan trắc, từ đó hiệu chỉnh các tham số có tính chất địa phương, kiểm tra số liệu đầu vào để kết quả nhận được của mô hình phù hợp với thực tế. Sai số bình phương trung bình (RMSE- Root Mean Square Error) là một trong những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá độ chính xác của mô hình: ( ) N OP RMSE N i iiå = - = 1 2 Trong đó: i = 1, n là số lần quan trắc được thực hiện, iP là giá trị dự báo của mô hình tại thời điểm I, iO là giá trị quan trắc tại thời điểm i. Để đánh giá và hiệu chỉnh cho mô hình thuỷ động lực khu vực, đã sử dụng kết quả tính mực nước của mô hình tại Hòn Dáu so với số liệu trong cả hai trường hợp: mùa mưa và mùa khô. Sau lần hiệu chỉnh cuối, các kết quả tính toán cho thấy sai số bình phương trung bình của mực nước tính từ mô hình và bảng dự báo thủy triều trong mùa mưa và khô lần lượt là 0,29 m và 0,37 m. Dao động mực nước tính từ mô hình với mực nước thực đo cho thấy có sự phù hợp nhất định cả về pha triều và độ lớn (Hình 4.3). Các kết quả sau lần hiệu chỉnh cuối cùng cũng đã cho thấy sự phù hợp tương đối giữa tính toán và số liệu quan trắc thực tế. Vận tốc dòng chảy tính toán và quan trắc có sự khác biệt (Hình 4.4), tuy nhiên số liệu quan trắc được tiến hành đo tại tầng mặt (cách mặt 0,5 mét), còn kết quả từ mô hình là tính cho trung bình cả cột nước. Đây cũng là một hạn chế trong quá trình tính toán nên ít nhiều cũng ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. 41 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 thời gian mực nước (m) mô hình thực đo a) Tháng 3 năm 2010 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 thời gian mực nước (m) mô hình thực đo b) Tháng 8 năm 2010 Hình 4.3. Đường quá trình mực nước giữa thực đo và kết quả tính từ mô hình tại Trạm Hòn Dấu 42 0 30 60 90 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 thời gian vận tốc (cm/s) quan trắc mô hình Hình 4.4. Vận tốc dòng chảy (mùa khô) theo kết quả tính toán mô hình và số liệu quan trắc tại trạm kiểm chứng B2 IV.2. Triển khai mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng Phạm vi miền tính của mô hình Mô hình mô phỏng lan truyền trầm tích lơ lửng dùng các kết quả của mô hình thủy động lực làm điều kiện nền cho việc tính toán. Vì vậy, tất cả các kết quả của mô hình thủy động lực đã được chuyển đổi sang các định dạng đầu vào để sử dụng cho các tính toán của mô hình lan truyền TTLL. Thời gian tính toán Mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng được thiết lập và chạy với thời gian là các mùa đặc trưng trong năm (mùa mưa và mùa khô) của các kịch bản khác nhau. Bước thời gian chạy của mô hình lan truyền TTLL là 0,5 phút và các kịch bản này gồm: - Mùa khô (từ ngày 01 đến ngày 31 tháng 3 năm 2010) - Mùa mưa (từ ngày 01 đến ngày 31 tháng 8 năm 2010) 43 Điều kiện biên và các tham số tính Bảng 4.2. Lựa chọn giá trị TTLL (mg/l) trung bình mùa tại biên lỏng Biên lỏng Mùa khô Mùa mưa BachDang 60 115 Cam 85 180 LachTray 35 45 Chanh 18 20 TuanChau 15 20 Bien1 18 26 Bien2 16 24 Trên biển lỏng các cửa sông và biển sử dụng số liệu TTLL trung bình mùa (Bảng 4.2) và kết quả tính toán từ mô hình được so sánh với số liệu quan trắc (Hình 4.2). Trong quá trình tính đã sử dụng các tham số cho mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng (Bảng 4.3). Bảng 4.3. Các tham số được sử dụng cho mô hình lan truyền trầm tích lơ lửng Tham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Ứng suất đáy tổng cộng Tau N/m2 Từ mô hình thủy động lực Nhiệt độ nước Nhiệt độ nước 0C Từ mô hình thủy động lực Độ muối của nước biển Độ muối g/kg Từ mô hình thủy động lực 44 Tỷ trọng của nước biển DENS_water kg/m3 1024 Khả năng xói - - có Vận tốc lắng đọng Vsed m/ngày 1,48 Tiêu chuẩn cho sự bồi lắng Taucrsed N/m2 0,15 Tiêu chuẩn cho sự tái lơ lửng Taucrres N/m2 0,145 Theo biểu đồ Hình 4.4 cho thấy đặc điểm hàm lượng TTLL giữa kết quả tính từ mô hình và và số liệu quan trắc có xu thế như nhau, về giá trị có sự khác biệt đáng kể. Tuy nhiên số liệu quan trắc được tiến hành đo tại tầng mặt (cách mặt 0,5 mét), còn kết quả từ mô hình là tính cho trung bình cả cột nước. Đây cũng là một hạn chế trong quá trình tính toán nên ít nhiều cũng ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu. 0 5 10 15 20 25 30 35 1 4 7 10 13 16 19 22 25 thời gian m g/ l quan trắc mô hình Hình 4.5. Hàm lượng TTLL (mùa khô) theo kết quả tính toán mô hình và số liệu quan trắc tại trạm kiểm chứng B2 45 IV.3. Kết quả tính toán IV.3.1. Dòng chảy Trường dòng chảy vùng cửa sông ven biển Hải Phòng là tổng hợp của các thành phần dòng triều, dòng chảy gió và dòng chảy do khối nước ngọt từ sông đưa ra. Trong đó, dòng triều tuần hoàn có vai trò quan trọng quyết định đến tính chất chung của dòng chảy tổng hợp. Tuy nhiên sự biến đổi theo mùa của trường gió và lưu lượng sông gây ra sự biến đổi mùa của trường dòng chảy trong khu vực nghiên cứu. Dựa trên kết quả tính từ mô hình, đặc điểm dòng chảy theo mùa và theo pha triều được phân tích chi tiết như sau: · Mùa khô Vào mùa khô, sự biến đổi mùa của trường gió và suy giảm đáng kể lưu lượng nước từ các sông đưa ra cũng đã tạo ra sự khác biệt tương đối của trường dòng chảy so với mùa mưa. Ở thời kỳ cuối pha triều lên và nước lớn, vận tốc dòng chảy khá nhỏ, sự ảnh hưởng của khối nước sông vào thời điểm này rất hạn chế nên khối nước biển xâm nhập sâu hơn vào phía trong các cửa sông. Thời gian chuyển pha giữa nước lớn và thời điểm triều xuống khá nhỏ, trong khoảng 2 giờ. Cũng do tải lượng nước của các sông nhỏ nên thời gian dừng chảy vào thời điểm nước ròng ngắn hơn, trường dòng chảy nhanh chóng chuyển trạng thái từ dừng chảy thành chảy lên. Kết quả mô phỏng trường dòng chảy trong pha triều lên vào mùa khô cho thấy sự ảnh hưởng sâu hơn vào lục địa của các khối nước biển, đặc biệt là khu vực cửa Lạch Tray và Tây Nam đảo Đình Vũ. Trong thời điểm nước ròng, trường dòng chảy khu vực ven biển Hải Phòng có vận tốc khá nhỏ - khoảng 0,1 đến 0,2 m/s và phân tán mạnh về hướng chảy. Cũng do tải lượng nước của các sông nhỏ nên thời gian dừng chảy vào thời điểm nước ròng ngắn hơn, trường dòng chảy nhanh chóng chuyển trạng thái từ dừng chảy thành chảy lên. Khu vực sông Bạch Đằng có vận tốc 0,7-0,8 m/s và giảm dần đến Đình Vũ với vận tốc dòng chảy là 0,2-0,4 m/s. Phía Đông Bắc khu vực nghiên cứu do lượng nước từ Quảng Ninh đưa sang ít và lưu lượng từ sông Chanh chảy ra thấp nên tốc độ dòng chảy trong mùa khô chỉ đạt từ 0,1-0,2 cm/s. 46 Hình 4.6. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 08h ngày 05/3/2010 (mùa khô) Hình 4.7. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 01h ngày 10/3/2010 (mùa khô) 47 Hình 4.8. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 07h ngày 19/3/2010 (mùa khô) Hình 4.9. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 18h ngày 20/3/2010 (mùa khô) 48 Kết quả mô phỏng trường dòng chảy trong pha triều lên vào mùa khô cho thấy sự ảnh hưởng sâu hơn vào lục địa của các khối nước biển, đặc biệt là khu vực cửa Bạch Đằng. Hướng dòng chảy ở vùng phía ngoài các cửa sông khá đồng nhất và định hướng về phía trong các sông. Tuy nhiên cũng chỉ đến khu vực Đình Vũ với vận tốc 0,2-0,3 m/s, vào sâu hơn là ảnh hưởng của dòng chảy sông Bạch Đằng với vận tốc 0,5-0,7 m/s. Với hình dạng đường bờ, trong mùa khô xu hướng di chuyển của các khối nước ở khu vực nghiên cứu vẫn là về phía nam và tây nam bán đảo Đồ Sơn nhiều hơn. Mặc dù tải lượng nước từ sông đưa ra trong mùa khô giảm mạnh nhưng sự tăng cường của dòng chảy tầng mặt do gió đông bắc làm cho xu hướng này trong mùa khô cũng được thể hiện rõ rệt (từ Hình 4.6 đến Hình 4.9). · Mùa mưa Vào mùa mưa do lưu lượng nước sông lớn nên trong pha triều lên, vận tốc của dòng chảy từ biển hướng vào phía các cửa sông có g iá trị nhỏ. Trong pha triều này, hướng dòng chảy chủ yếu là nam - đông nam với giá trị vận tốc biến đổi từ 0,2-0,7m/s. Ở khu vực cửa sông Cấm-Bạch Đằng, nơi lưu lượng nước từ sông lớn nhất trong các sông đưa ra vùng ven biển Hải Phòng thì hầu như không có dòng chảy ngược từ biển vào. Ở thời điểm nước lớn, hướng dòng chảy ở khu vực ven biển Hải Phòng phân tán mạnh mẽ với giá trị vận tốc khá nhỏ, đặc biệt là vùng nước giữa Hòn Dấu, Cát Bà và Cát Hải. Cũng tại khu vực cửa sông Cấm-Bạch Đằng do dòng chảy sông vẫn khá mạnh khi mực nước dâng lớn nhất nên dòng chảy vào thời điểm đó vẫn có giá trị tương đối lớn và có hướng chảy ra phía ngoài (nam, đông nam và tây nam). Sự kết hợp giữa dòng chảy sông và dòng triều được thể hiện rõ nét vào pha triều xuống, tạo ra dòng chảy tổng hợp với vận tốc khá lớn so với các pha triều khác. Hướng dòng chảy trong trường hợp này định hướng theo hướng của các các của sông ra phía biển, và chủ yếu là hướng đông nam, tây nam và nam. Giá trị vận tốc dòng chảy biến đổi trong khoảng từ 0,2-0,8m/s. Một số nơi do lòng dẫn hẹp như khu vực cửa Lạch Huyện, cửa Nam Triệu... vận tốc dòng chảy có thể đạt đến giá trị trên 1,0m/s. 49 Hình 4.10. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 03h ngày 07/8/2010 (mùa mưa) Hình 4.11. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 19h ngày 12/8/2010 (mùa mưa) 50 Hình 4.12. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 02h ngày 20/8/2010 (mùa mưa) Hình 4.13. Trường dòng chảy (m/s) khu vực nghiên cứu 17h ngày 25/8/2010 (mùa mưa) 51 Ở thời điểm nước ròng, khối nước từ sông có điều kiện phát triển mạnh mẽ ra phía biển, tuy nhiên do giới hạn vốn có của lưu lượng nước sông nên dòng chảy có hướng ra phía biển chỉ tồn tại trong phạm vi khoảng 10-20 km từ bờ ra phía ngoài. Khi đó trường dòng chảy tại khu vực sông Bạch Đằng rất lớn, biến thiên từ 0,9-1,4 m/s. Các kết quả tính toán cho thấy xu hướng dịch chuyển về phía nam và tây nam bán đảo Đồ Sơn của các khối nước trong các trạng thái biến đổi khác nhau của pha triều (trừ pha triều lên). Nguyên nhân của hiện tượng này có thể là do sự dồn ép của các khối nước trong khi sự trao đổi nước nên phía bắc rất hạn chế do địa hình phía đông bắc khu vực nghiên cứu khá nông (từ Hình 4.10 đến Hình 4.13). IV.3.2. Trầm tích lơ lửng Đặc điểm lan truyền của TTLL khu vực nghiên cứu có liên quan chặt chẽ đến chế độ thủy động lực và nguồn cung cấp trầm tích. Hướng lan truyền chính trong cả hai mùa là hướng đông nam, phạm vi lan truyền TTLL có giá trị trong khoảng 40 mg/l đến tận mũi Đồ Sơn-sát với khu vực đảo Hòn Dấu và mùa khô. Vào mùa mưa, phạm vi lan truyền TTLL có giá trị > 100 mg/l qua khu vực đảo Hòn Dấu, tuy nhiên trong suốt quá trình tính toán, khu vực Bến Gót không có hiện tượng này xảy ra và đặc biệt khu vực phía nam và tây đảo Cát Bà giá trị lớn nhất cũng chỉ đạt 30 mg/l. Các khu vực nuôi lồng bè phía tây đảo Cát Bà giá trị TTLL ổn định trong cả hai mùa và có giá trị trong khoảng 10-20 mg/l. Dựa trên kết quả mô hình, đặc điểm lan truyền TTLL khu vực nghiên cứu thay đổi theo mùa được phân tích chi tiết như sau: · Mùa khô Đặc điểm vận chuyển và lan truyền của trầm tích lơ lửng (TTLL) có liên 52 quan chặt chẽ đến chế độ thủy động lực và nguồn cung cấp trầm tích. Vào mùa khô có đặc điểm bởi sự suy giảm mạnh mẽ của nguồn cung cấp trầm tích từ các cửa sông khiến cho vào thời điểm nước lớn, dòng TTLL phát tán rất hạn chế ra vùng ven biển khu vực nghiên cứu so với mùa mưa. Chỉ một vùng nước nhỏ ở phía ngoài cửa Nam Triệu có hàm lượng TTLL tương đối cao (từ 20-40mg/l) còn lại các khu vực khác đều có hàm lượng TTLL nhỏ. Vào pha triều xuống dòng trầm tích lơ lửng từ lục địa có điều kiện thuận lới để phát tán ra phía ngoài (Hình 4.16). Tuy nhiên, sự suy giảm đáng kể của cả tải lượng nước và hàm lượng TTLL làm cho sự lan truyền TTLL ra phía ngoài biển trong thời điểm triều xuống vào mùa khô bị hạn chế đi rất nhiều. Vùng nước có hàm lượng TTLL tương đối cao (khoảng 30-50mg/l) cũng chỉ tập trung ngay sát các cửa Nam Triệu, Lạch Tray. Do ảnh hưởng của trường thủy động lực và tác động chủ yếu của gió hướng đông bắc nên dòng trầm tích lơ lửng có hướng di chuyển chủ yếu về phía tây nam sau khi ra khỏi các cửa sông với phạm vi rất nhỏ so với mùa mưa. Thời điểm nước ròng mặc dù là thời gian dòng TTLL trong lục địa có khả năng ảnh hưởng lớn nhất đến vùng ven biển. Tuy vậy, cũng như trong pha triều xuống, dòng trầm tích lơ lửng chỉ có thể ảnh hưởng rất hạn chế ở ngay phía ngoài các cửa sông. Khu vực ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn, ven bờ Cát Hải và Cát Bà trong trường hợp này cũng có hàm lượng TTLL thấp. Cơ chế lan truyền và biến đổi của TTLL ở vùng cửa sông ven biển khu vực nghiên cứu trong trường hợp triều lên (Hình 4.14) của mùa khô cũng tương tự như trong mùa mưa. Mặc dù vậy sự suy giảm của nguồn trầm tích lơ lửng và tải lượng nước từ các sông đưa ra làm cho ảnh hưởng của các khối nước biển có hàm lượng TTLL thấp trở lên mạnh mẽ, vùng nước có hàm lượng TTLL thấp tiến khá sâu vào các lòng sông trong khu vực nghiên cứu, nhất là các sông có tải lượng nước thấp như Lạch Tray. 53 . Hình 4.14. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc thủy triều lên (mùa khô) Hình 4.15. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc đỉnh triều (mùa khô) 54 Hình 4.16. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc thủy triều xuống (mùa khô) Hình 4.17. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc chân triều (mùa khô) 55 Ở khu vực phía tây nam đảo Cát Bà, biến động của hàm lượng TTLL theo thời gian cho thấy ở khu vực này tuy không chịu ảnh hưởng do các nguồn trầm tích từ lục địa nhưng có giá trị khá nhỏ so với mùa mưa. Hàm lượng TTLL ở khu vực này khá nhỏ với giá trị dao động đều nhỏ hơn 10mg/l. Với hàm lượng TTLL nhỏ, ít bị tác động từ vùng cửa sông nên hàm lượng TTLL ở khu vực này khá ổn định theo thời gian Ở khu vực phía nam và tây nam đảo Cát Hải, do vị trí gần các cửa sông của phía bắc bán đảo Đồ Sơn hơn nên hàm lượng TTLL trong nước giảm dần từ các cửa sông đó cho đến khu vực này còn dao động trong khoảng 5-30mg/l. Biến thiên theo thời gian của hàm lượng TTLL phụ thuộc chặt chẽ vào dao động mực nước và thể hiện vai trò của dòng trầm tích từ lục địa. Giá trị hàm lượng TTLL thường đạt cực đại khi nước ròng và giảm dần khi thủy triều tăng lên đến khi cực tiểu hàm lượng vào gần các thời điểm nước lớn. Biến thiên của hàm lượng TTLL cũng mạnh hơn vào những ngày triều cường (Hình 4.1 5 và 4.17). Vào ngày tính toán cuối cùng khu vực phía nam đảo Cát Hải TTLL có giá trị trong khoảng 40-45 mg/l, khu vực vụng Cát Bà (các khu nuôi trồng thủy sản, bãi tắm) có giá trị 25-30 mg/l. Hình 4.18. Hàm lượng TTLL (mg/l) lúc 23 giờ ngày 31 tháng 3 năm 2010 (mùa khô) 56 · Mùa mưa Đặc điểm lan truyền và biến đổi TTLL ở vùng cửa sông ven biển Hải Phòng trong mùa khô cũng tương tự như mùa mưa. Tuy nhiên sự suy giảm dòng nước ngọt, trầm tích và thay đổi của hướng gió đã tạo ra những sự khác biệt riêng trong đặc điểm lan truyền TTLL ở khu vực nghiên cứu vào mùa khô. Vào mùa mưa hàm lượng TTLL trong các sông của khu vực nghiên cứu đều có giá trị lớn hơn 100 mg/l. Khu vực sông Cấm có hàm lượng trầm tích cao hơn các sông khác. Với những đặc điểm đó các kết quả mô phỏng phân bố TTLL trong mùa mưa 2010 cho thấy vùng nước có hàm lượng TTLL cao chủ yếu xuất hiện ở khu vực cửa Nam Triệu và sông Cấm với sự ảnh hưởng lần lượt từ các nguồn trầm tích từ phía thượng nguồn. Do ảnh hưởng của trường dòng chảy nên phân bố và biến động TTLL ở vùng cửa sông ven biển khu vực nghiên cứu chủ yếu theo pha dao động của mực nước triều. Trong pha triều lên trường dòng chảy có hướng từ phía biển vào các cửa sông vì vậy vùng có hàm lượng TTLL cao bị đẩy dần về phía lục địa (Hình 4.19). Các khu vực ở vùng ven biển khu vực nghiên cứu trong thời gian này đều có hàm lượng TTLL nhỏ chứng tỏ sự xâm nhập mạnh của các khối nước biển vào vùng ven bờ trong pha triều này. Sự xâm nhập của các khối nước biển mạnh nhất vào thời điểm nước lớn. Trong pha triều này, diễn biến lan truyền của TTLL tiếp tục xu hướng của pha triều lên. Sự phát tán tán của TTLL từ các sông ra vùng ven biển bị hạn chế nhất và chỉ tập trung ngay sát ở các cửa sông. Trong khi đó các khu vực còn lại bị các khối nước biển với hàm lượng TTLL khá nhỏ (< 30mg/l). Sự phát tán TTLL từ lục địa ra phía ngoài vùng cửa sông ven biển khu vực nghiên cứu thể hiện rõ trong pha triều xuống. Dưới tác động của trường dòng chảy trong pha triều này, dòng trầm tích lơ lửng không chỉ phát triển ra phía 57 ngoài mà còn có xu hướng dịch chuyển nhiều về phía nam - tây nam theo hướng di chuyển của các khối nước sông (Hình 4.21). Trong thời điểm thủy triều xuống, các khối nước sông cũng như dòng trầm tích lơ lửng từ lục địa có điều kiện phát triển mạnh nhất ra phía ngoài, đặc biệt là phía cửa Nam Triệu. Một số khu vực khác cũng xuất hiện trầm tích lơ lửng với hàm lượng cao là ven bờ phía nam đảo Cát Hải và ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn. Mặc dù đây là thời điểm có điều kiện thuận lợi để dòng trầm tích mở rộng ra phía ngoài biển nhất so với các pha triều khác nhưng phạm vi ảnh hưởng của dòng trầm tích lơ lửng từ lục địa trong điều kiện thời tiết bình thường cũng chủ yếu ở vùng cửa Nam Triệu, phía tây nam đảo Cát Hải, vùng ven bờ phía bắc bán đảo Đồ Sơn. Biến đổi theo thời gian của hàm lượng TTLL: ở khu vực phía tây nam đảo Cát Bà, biến động của hàm lượng TTLL theo thời gian cho thấy ở khu vực này không chịu ảnh hưởng do các nguồn trầm tích từ lục địa. Hàm lượng TTLL ở khu vực này khá nhỏ với giá trị dao động đều nhỏ hơn 20mg/l. Với hàm lượng TTLL nhỏ và ít bị tác động từ vùng cửa sông nên hàm lượng TTLL ở khu vực này khá ổn định theo thời gian. Mặc dù vậy, trong những ngày nước lớn (mực nước lớn hơn 2,5m) của kỳ triều cường có thấy xuất hiện các đỉnh hàm lượng TTLL khi triều xuống, điều này cho thấy ảnh hưởng dù rất nhỏ từ các cửa sông; Ở khu vực phía nam và tây nam đảo Cát Hải, do vị trí gần các cửa sông của phía bắc bán đảo Đồ Sơn hơn nên hàm lượng TTLL trong nước giảm dần từ các cửa sông đó cho đến khu vực này còn dao động trong khoảng 15 - 60mg/l. Biến thiên theo thời gian của hàm lượng TTLL phụ thuộc chặt chẽ vào dao động mực nước và thể hiện vai trò của dòng trầm tích từ lục địa. Giá trị hàm lượng TTLL thường đạt cực đại khi thủy triều xuống và giảm dần khi thủy triều lên đến khi cực tiểu hàm lượng vào gần các thời điểm nước lớn. Biến thiên của hàm lượng TTLL cũng mạnh hơn vào những ngày triều cường (Hình 4.20 và 4.22). 58 Hình 4.19. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc thủy triều lên (mùa mưa) Hình 4.20. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc đỉnh triều (mùa mưa) 59 Hình 4.21. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc thủy triều đang xuống (mùa mưa) Hình 4.22. Hàm lượng TTLL (mg/l) từ kết quả mô hình lúc chân triều (mùa mưa) 60 Vào ngày tính toán cuối cùng cho thấy ven bờ phía tây khu vực nghiên cứu hàm lượng TTLL có giá trị trong khoảng 100 mg/l (từ cửa sông Cấm-Bạch Đằng đến bán đảo Đồ Sơn). Khu vực vực vụng Cát Bà (các khu nuôi trồng thủy sản, bãi tắm) có giá trị khoảng 40 mg/l. Do nước sông trong mùa mưa từ lục địa đưa ra lớn hơn nhiều so với mùa khô nên phạm vi không gian lan truyền TTLL của khối nước có giá trị > 100 mg/l vượt qua đảo Hòn Dấu. Hình 4.23. Hàm lượng TTLL (mg/l) lúc 23 giờ ngày 31 tháng 8 năm 2010 (mùa mưa) 61 KẾT LUẬN · Luận văn đã thu thập được số liệu trầm tích lơ lửng thay đổi theo thời gian (1996-2010), không gian (các cửa sông, các đảo) vùng cửa sông ven biển Hải Phòng một cách có hệ thống từ trước đến nay. · Kết quả phân tích, đánh giá số liệu quan trắc cho thấy bức tranh tổng thể về đặc điểm trầm tích lơ lửng có đặc trưng mùa rõ rệt và sự phân bố của chúng chịu ảnh hưởng mạnh của yếu tố thủy triều và chế độ gió. · Mô đun thủy động lực và chất lượng nước trong mô hình delft3d đã được sử dụng để tính toán các trường thủy động lực, sự lan truyền trầm tích lơ lửng từ các cửa sông Hải Phòng ra biển. Kết quả tính toán cho thấy, xu thế lan truyền, hàm lượng TTLL có sự biến đổi theo mùa, theo pha triều khá rõ. Vào mùa khô, hướng lan truyền chính là phía đông nam (qua đảo Cát Bà) với hàm lượng có thể đạt 42 mg/l (pha triều xuống), đôi khi phạm vi lan truyền TTLL có giá trị trong khoảng 40 mg/l đến tận mũi Đồ Sơn-sát với khu vực đảo Hòn Dấu. Vào mùa mưa, lưu lượng các sông đưa ra lớn hơn nhiều so với mùa khô, hướng lan truyền chính là hướng đông nam với hàm lượng có thể đạt 120 mg/l (pha triều xuống). Phạm vi lan truyền TTLL có giá trị > 100 mg/l qua khu vực đảo Hòn Dấu, tuy nhiên trong suốt quá trình tính toán, khu vực Bến Gót không có hiện tượng này xảy ra và đặc biệt khu vực phía tây đảo Cát Bà giá trị lớn nhất cũng chỉ đạt 30 mg/l. · Trong quá trình nghiên cứu tiếp theo cần làm rõ sự phân tầng của trường dòng chảy và trầm tích lơ lửng có tính đến các nguồn thải vùng cửa sông ven biển Hải Phòng. 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đỗ Trọng Bình, Trần Anh Tú, Vũ Duy Vĩnh (2010). Nghiên cứu đánh giá lan truyền các chất gây ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình toán học. Báo cáo tổng hợp Đề tài cấp Thành phố Hải Phòng. Mã số: ĐT.MT.2008.500. 2. Đỗ Đình Chiến, Vũ Duy Vĩnh, Trần Anh Tú (2005). Mô phỏng quá trình vận chuyển và phân bố trầm tích lơ lửng khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng bằng mô hình delft-3D. Báo cáo tổng kết Nhiệm vụ cơ sở năm 2005. Lưu trữ tại Viện TN&MTB. 3. Cục Môi trường, 1999-2008. Báo cáo quan trắc môi trường biển hàng năm. Trạm Quan trắc và phân tích môi trường biển miền Bắc, từ năm 1999 đến 2008. Lưu trữ tại Viện tài nguyên và Môi trường biển. 4. Nguyễn Đức Cự (2011). Nghiên cứu, đánh giá tác động của các công trình hồ chứa thượng nguồn đến diễn biến hình thái và tài nguyên - môi trường vùng cửa sông ven biển đồng bằng Bắc Bộ . Báo cáo tổng hợp Đề tài độc lập cấp Nhà nước (Mã số: ĐTĐL. 2009T/05). 5. Nguyễn Đức Cự, Nguyễn Văn Thảo, Vũ Duy Vĩnh (2011). Nghiên cứu đánh giá tác động thủy thạch - động lực của hệ thống đê quai lấn biển phục vụ xây dựng Sân bay quốc tế tại khu vực ven bờ Tiên Lãng - Hải Phòng. Báo cáo tổng hợp Nhiệm vụ cấp thành phố Hải Phòng. 6. Lưu Văn Diệu, Nguyễn Chu Hồi, Nguyễn T. P. Hoa (2001). Đánh giá mức độ ô nhiễm do nguồn thải từ lục địa, đề xuất giải pháp kiểm soát, quản lý ô nhiễm nguồn lục địa đưa ra một số khu vực cửa sông ven biển phía bắc (từ Quảng Ninh đến Thanh Hóa). Báo cáo tổng hợp Nhiệm vụ cấp Viện KH&CNVN. 7. Lưu Văn Diệu (2010). Đánh giá biến động các thông số độ đục, nồng độ chất rắn lơ lửng (TTLL), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5) và nhu cầu oxy hóa học (COD) trong nước biển ven bờ phía Bắc qua kết quả quan trắc của trạm quan trắc và phân tích môi trường miền Bắc Việt Nam từ năm 1998-2008. Tuyển tập Tài nguyên và môi trường biển, tập XV; Nhà xuất bản Khoa học Tự nhiên và Công nghệ; tr. 321-334. 8. Nguyễn Minh Hải (2010). Nghiên cứu hiện tượng nước dâng ở vùng ven biển Hải Phòng. Báo cáo tập sự. 9. Hội đồng lịch sử thành phố Hải Phòng (1990). Địa chí Hải Phòng 63 10. Phạm Sỹ Hoàn (2009). Nghiên cứu vận chuyển trầm tích từ cửa sông ra biển ở vịnh Bình Cang-Nha Trang bằng mô hình toán. Luận văn Thạc sỹ. 11. Trần Đình Lân, Lê Xuân Sinh (2008). Dự báo nguy cơ ô nhiễm và đề xuất giải pháp bảo vệ môi trường khu công nghiệp Bến Rừng, Thủy Nguyên, Hải Phòng. Đề tài cấp thành phố Hải Phòng (Mã số: ĐT.MT.2006.446). 12. Trần Đình Lân, Nguyễn Văn Thảo, Nguyễn T. T. Hà (2010). Đánh giá hiện trạng môi trường và xác định các vấn đề ưu tiên phục vụ quản lý tổng hợp vùng bờ biển Hải Phòng. Báo cáo Tổng hợp Đề tài cấp thành phố Hải Phòng. Mã số: ĐT.MT.2008.498. 13. Leo C. VanRijn (1993). Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas. AQUA Publacations. 14. Nguyễn Thọ Sáo, Nguyễn Minh Huấn, Ngô Chí Tuấn, Đặng Đình Khá (2010). Biến động trầm tích và diễn biến hình thái khu vực cửa sông ven bờ Cửa Tùng, Quảng Trị. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 26, Số 3S (2010); tr. 427-434. 15. Trần Hồng Thái, Lê Vũ Việt Phong, Nguyễn Thanh Tùng, Phạm Văn Hải (2010). Mô phỏng, dự báo quá trình vận chuyển bùn cát lơ lửng khu vực Cửa Ông. Tuyển tập báo cáo Hội thảo khoa học lần thứ 10, Viện Khoa học KTTV&MT; tr. 332- 341. 16. Trần Đức Thạnh, Nguyễn Đức Cự, Nguyễn Hữu Cử, Đỗ Đình Chiến (2001). Nghiên cứu dự báo, phòng chống sạt lở biển Bắc Bộ từ Quảng Ninh tới Thanh Hoá. Báo cáo tổng hợp Đề tài cấp Nhà nước (Mã số: KHCN.5A). 17. Trần Đức Thạnh, Đỗ Đình Chiến, Trần Anh Tú, Nguyễn T. Kim Anh (2007). Xây dựng mô hình lan truyền chất ô nhiễm cho Vịnh Hạ Long - V ịnh Bái Tử Long. Báo cáo tổng hợp Dự án cấp tỉnh Quảng Ninh. 18. Trần Đức Thạnh, Vũ Duy Vĩnh, Yoshiki Saito, Đỗ Đình Chiến, Trần Anh Tú (2008). Bước đầu đánh giá ảnh hưởng của đập Hòa Bình đến môi trường trầm tích ven bờ châu thổ sông Hồng. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển (Phụ trương 3 (T.8)/2008); tr. 01-17. 19. Trần Đức Thạnh, Nguyễn T. P. Hoa, Cao T. T. Trang (2008). Đánh giá tình trạng ô nhiễm và suy thoái môi trường khu vực cửa sông Cấm - Bạch Đằng và đề xuất các giải pháp bảo vệ. Báo cáo tổng hợp Nhiệm vụ cấp Viện KH&CNVN. 64 20. Cao T. T. Trang, Vũ Thị Lựu (2007). Đánh giá khả năng tích tụ và phân tán các chất ô nhiễm vùng cửa sông ven biển Việt Nam. Báo cáo tổng hợp Đề tài cấp Viện KH&CNVN. 21. Cao T. T. Trang, Nguyễn T. P. Hoa, Dương Thanh Nghị (2009). Đánh giá sức tải môi trường đảo Cát Bà và đề xuất các giải pháp phát triển bền vững. Báo cáo tổng hợp Đề tài cấp Thành phố Hải Phòng (Mã số: ĐT.MT.2006.442). 22. Cao T. T. Trang, Nguyễn Mạnh Thắng, Lê Xuân Sinh (2009). Thử nghiệm đánh giá sức tải môi trường của sông Bạch Đằng và đề xuất các giải pháp bảo vệ môi trường, phát triển bền vững. Báo cáo tổng hợp Đề tài cấp Viện KH&CNVN. 23. Trần Anh Tú, Vũ Duy Vĩnh (2011). Mô phỏng sự lan truyền các chất gây ô nhiễm khu vực cửa sông ven biển Hải Phòng. Hội nghị Khoa học và công nghệ biển toàn quốc lần thứ V, Hà Nội. Tập Quyển 2, tr. 163-170. 24. U.S. Army Corps of Engineers (2002). Coastal Engineering Manual. EM 1110-2- 1100, Part III. 25. Đinh Văn Ưu (2009). Mô hình vận chuyển trầm tích và biến động địa hình đáy áp dụng cho vùng biển cửa sông cảng Hải Phòng. Tạp chí Khoa học ĐH QG Hà Nội, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, số 1S (2009); tr. 133-139. 26. Bùi Văn Vượng, Trần Đức Thạnh, Đỗ T. T. Hương, Cao T. T. Trang (2007). Nạo vét ở cảng Hải Phòng và một số ảnh hưởng của nó đến môi trường và hệ sinh thái biển. Tuyển tập các bài báo khoa học Hội nghị KHCN&MT (Kỷ niệm 10 năm thành lập Trung tâm đào tạo và TT KHCN Bảo vệ Môi trường thủy, Trường ĐH Hàng hải Việt Nam); tr. 202-208. 27. WL/Delft Hydraulics (1999). Delft3D-FLOW User Manual Version 3.05, Delft3D-Waq User Manual Version 3.01. Delft, Netherlands. 65 PHỤ LỤC 1. Một ví dụ về giá trị mực nước được trích xuất trên biên lỏng 66 2. Các tham số vật lý và điều kiện ban đầu của mô hình thủy động lực 67 3. Khoảng thời gian tính toán và điều kiện biên của mô hình TTLL