Mô hình toán phục vụ đánh giá sức tải môi trường khu vực vịnh Hạ Long- Bái Tử Long

Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 MÔ HÌNH TOÁN PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ SỨC TẢI MÔI TRƯỜNG KHU VỰC VỊNH HẠ LONG- BÁI TỬ LONG VŨ DUY VĨNH, TRẦN ĐỨC THẠNH, CAO THỊ THU TRANG Viện Tài nguyên và Môi trường biển, 246 Đà Nẵng Ngô Quyền, Hải Phòng Email: vinhvd@imer.ac.vn 1. MỞ ĐẦU Khái niệm sức tải môi trường lần đầu tiên được các nhà khoa học Mỹ sử dụng khi xác định mật độ chăn thả gia súc phù hợp tại cao nguyên Kaibad vào đầu thế kỷ 20 [6]. Đến nay, việc đánh giá sức tải đã được áp dụng vào nhiều lĩnh vực trong đó có tài nguyên và môi trường biển. Đối tượng đánh giá sức tải môi trường không chỉ là một vài yếu tố liên quan trực tiếp mà tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau có tác động qua lại chịu ảnh hưởng lẫn nhau [3]. Vì vậy cần có những đánh giá tổng hợp, có tính hệ thống và mang tính định lượng. Trong các thủy vực cũng như các hệ sinh thái luôn diễn ra sự tương tác của rất nhiều yếu tố khác nhau [10] cần tính đến trong việc đánh giá sức tải môi trường mà để tổng hợp chúng thì chỉ có thể sử dụng các mô hình toán (MHT) học [3, 7]. Những ứng dụng mô hình đầu tiên có thể kể đến là các kết quả của mô hình thủy động lực (TĐL) để đánh giá các điều kiện TĐL, giới hạn hoạt động và di chuyển của các khối nước, trao đổi nước [1, 9, 18]. Ngoài mô hình TĐL, các mô hình chất lượng nước (CLN)- sinh thái học được sử dụng để để nghiên cứu biến đổi, chuyển hóa của các nhóm chất dinh dưỡng, hữu cơ hòa tan trong môi trường nước [6, 7, 8, 13]. Những kết quả của mô hình theo hướng này không chỉ cung cấp sự hiểu biết về diễn biến của các quá trình chuyển hóa vật chất trong thủy vực mà còn có thể đưa ra những đánh giá định lượng về khả năng tiếp nhận thêm các chất gây ô nhiễm vào khu vực nghiên cứu [2, 9, 13]. Đóng góp khác của MHT cho đánh giá sức tải môi trường cũng đã được thực hiện là tính toán vận chuyển bùn cát và biến đổi địa hình của thủy vực [11, 14]. Khu vực nghiên cứu nằm ở vùng biển ven bờ phía Đông Bắc của Việt Nam, giới hạn trong khoảng 106°58'-107°22' kinh Đông và 20°45'-21015 vĩ Bắc, thuộc tỉnh Quảng Ninh cách thủ đô Hà Nội khoảng 150km về phía Đông – Đông Bắc. Đây là vùng biển giàu tài nguyên thiên nhiên và tiềm năng để phát triển kinh tế xã hội nhưng cũng đã và đang phải đối mặt với những thách thức về môi trường biển. Chính vì vậy, vấn đề đánh giá giới hạn tiếp nhận chất gây ô nhiễm hay sức tải môi trường ở khu vực này rất có ý nghĩa thực tiễn, đặc biệt là các kết quả mang tính định lượng. Trên cơ sở ứng dụng mô hình tổng hợp 3 chiều (Delft3D) với kịch bản được thiết lập khác nhau của mô hình TĐL, CLN, vận chuyển trầm tích và mô hình sinh thái ở khu vực vịnh Hạ Long (VHL)-Bái Tử Long (BTL), những kết quả nhận được đã có đóng góp quan trọng cho việc đánh giá sức tải môi trường ở khu vực này. 2. TÀI LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Tài liệu Các tài liệu cần thiết đã được sử dụng bao gồm các tài liệu thu thập và khảo sát về địa hình, khí tượng, thủy văn hải, CLN, sinh thái trong khuôn khổ đề tài: Nghiên cứu đánh giá sức tải môi trường và đề xuất các giải pháp quản lý, bảo vệ môi trường VHL-BTL. 213 Ngoài ra, các tài liệu về phương pháp ứng dụng mô hình và tài liệu liên quan khác cũng đã được sử dụng. Trên cơ sở những tài liệu này, các MHT học được thiết lập theo những kịch bản khác nhau cho khu vực này đã được tiến hành. MHT được sử dụng ở đây là các nhóm mô hình TĐL, chất lượng nước, vận chuyển trầm tích và mô hình sinh thái trên cơ sở mô hình Delft3D do Viện thủy lực Delft (Hà Lan) nghiên cứu phát triển. 2.2. Phương pháp Để có số liệu cho các biên mở biển của mô hình TĐL khu vực VHL-BTL, phương pháp NESTHD [4] đã được sử dung. Theo phương pháp này, các kết quả của mô hình với phạm vi lớn hơn (lưới thô) đã được sử dụng làm đầu vào cho các điều kiện biên mở của lưới tính khu vực nghiên cứu (lưới chi tiết). Lưới tính thô của mô hình cũng là hệ lưới cong trực giao với phạm vi vùng tính mở rộng ra tới gần đảo Bạch Long Vĩ (BLV). Miền tính này có kích thước khoảng 129km theo phương đông tây và 122km theo phương bắc nam, diện tích mặt nước khoảng 7905.94km2 được chia thành 130 x 128 điểm tính với các ô lưới có kích thước biến đổi từ 262.75-1357.75m. Theo phương thẳng đứng, lưới tính thô cũng sử dụng hệ tọa độ  với 3 lớp nước với tỷ lệ từ mặt xuống đáy lần lượt là 33%, 34% và 33% độ sâu cột nước. Điều kiên biên của mô hình này là các hằng số điều hòa của các sóng triều chính O1, K1, P1, Q1, M2, S2 trong cơ sở dữ liệu thủy triều Fes2004 [12]. Điều kiện biên nhiệt-muối của mô hình này lấy từ số liệu trung bình tháng trong cơ sở dữ liệu WOA09 [19]. Số liệu gió dùng cho mô hình là số liệu quan trắc với tần suất 6h/lần tại BLV. Lưới tính chi tiết là hệ lưới cong trực giao, có phạm vi vùng tính bao gồm các vùng nước của VHL, vịnh BTL, vịnh Cửa Lục. Miền tính có kích thước khoảng 78 km theo chiều đông tây và 56 km theo chiều bắc nam, với diện tích mặt nước khoảng 1987.4km2 được chia thành 327 x 286 điểm tính, kích thước các ô lưới biến đổi từ 65.25 đến 296.5m (hình 1). Các ô lưới tính theo chiều thẳng đứng sử dụng hệ toạ độ  với 3 lớp nước với tỷ lệ từ mặt xuống đáy lần lượt là 33%, 34% và 33%. Đối với các điều kiện biên sông của mô hình chi tiết, sử dụng số liệu lưu lượng nước, nhiệt độ, độ mặn trung bình của các sông Chanh, sông Kinh Trai, sông Bình Hương, sông Trới, sông Diên Vọng và sông Mông Dương. Ghi chú: vị trí các biên mở Hình 1. Luới tính và vị trí biên mở mô hình thuỷ động lực vịnh Hạ Long- Bái Tử Long Mô hình vận chuyển trầm tích lơ lửng (TTLL) được xây dựng trên cơ sở các kết quả tính toán dự báo của mô hình TĐL, trong đó có phạm vi miền tính. Phạm vi vùng tính của mô hình lan truyền TTLL bao gồm các vùng nước của VHL-BTL, vịnh Cửa Lục, phía tây nam đảo Tuần Châu. Các biên mở sông là những nguồn cung TTLL chủ yếu cho khu vực tính bao gồm: sông Chanh, sông Hốt, khu vực Hùng Thắng, Sông Trới, sông Man, sông Diên Vọng và sông Mông Dương (Cửa Ông). Để đánh giá biến động địa hình ở một số khu vực trong VHL- BTL, một số điểm tính của mô hình theo các mặt cắt (từ bờ ra) đã được đưa ra tại các khu vực phía ngoài Tuần Châu, Bãi Cháy, Hòn Gai, Cẩm Phả, Cửa Ông và Mông Dương. 214 Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 Mô hình CLN và sinh thái học được thiết lập trên cơ sở các kết quả của mô hình TĐL. Các kết quả đó gồm: phạm vi miền tính, các vị trí biên cứng và biên mở, trường dòng chảy, độ sâu, trường nhiệt muối...v.v. Các thông số tính toán của mô hình CLN bao gồm: NO3, NH4, PO4, Si2O3, BOD, COD, năng suất sơ cấp do thực vật nổi (TVN). Các nhóm mô hình này được thiết lập và chạy với những kịch bản khác nhau, bao gồm: Hiện trạng (đặc trưng mùa): mùa mưa (tháng 9 năm 2008); mùa khô tháng 12 năm 2008). Các kịch bản này sử dụng các số liệu đo đạc tính toán thực tế ở khu vực nghiên cứu trong thời gian tính toán. Các kịch bản dự báo theo sự gia tăng tải lượng thải của các nhóm chất dinh dưỡng, hữu cơ và TTLL. Nhằm đánh giá ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản đến biến đổi địa hình đáy khu vực nghiên cứu chúng tối đã thiết lập thêm các trường hợp tính: có khai thác khoáng sản và không có khai thác khoáng sản và so sánh hai trường hợp này. Điều kiện ban đầu cho lần chạy đầu tiên sử dụng các giá trị trung bình mùa của nhiệt độ, và các giá trị 0 cho độ mặn, mực nước và các nhóm dinh dưỡng, hữu cơ, TTLL. Sau lần chạy đầy tiên, điều kiên ban đầu của mô hiình sử dụng kết quả của trường nhiệt độ, độ muối và mực nước sau 30 ngày tính. Hiệu chỉnh và kiểm chứng độ tin cậy của mô hình Để đánh giá và hiệu chỉnh cho mô hình TĐL khu vực nghiên cứu, đã tiến hành phân tích và so sánh kết quả tính của mô hình với một số quan trắc về mực nước, dòng chảy, chất lượng nước trong thời gian tính toán. Đối với mực nước, sau lần hiệu chỉnh cuối, các kết quả tính toán cho thấy sai số bình phương trung bình giữa mực nước quan trắc và tính toán đều có giá trị nhỏ hơn 0.2m. Sai số này có thể chấp nhận được trong điều kiện địa hình khu vực tính phức tạp và biên độ dao động mực nước lớn như ở khu vực VHL-BTL. Dao động mực nước tính toán của mô hình với mực nước trong bảng thủy triều và quan trắc cũng cho thấy có sự phù hợp về pha triều và độ lớn. So sánh kết quả tính của mô hình và quan trắc dòng chảy, hàm lượng một số chất dinh dưỡng, hữu cơ trong khu vực nghiên cứu cũng cho thấy sự phù hợp. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Điều kiện thủy động lực và khả năng trao đổi nước Điều kiện TĐL có vai trò rất quan trọng trong việc vận chuyển, phát tán, hòa tan các chất gây ô nhiễm. Nó cũng là cơ sở để tính toán, đánh giá phân bố và biến động theo không gian và thời gian của các nhóm chất gây ô nhiễm. Đối với khu vực VHL-BTL, kết quả mô phỏng điều kiện TĐL ở đây cho thấy chế độ dòng chảy của khu vực này liên quan chặt chẽ đến dao động của thuỷ triều và dòng chảy tổng hợp thể hiện tính chất của dòng triều. Trường dòng chảy trong khu vực có vận tốc nhỏ khi mực nước đạt các cực trị và vận tốc lớn hơn trong các pha triều lên hoặc xuống. Trong pha triều xuống, vận tốc dòng chảy cực đại thường lớn hơn trong pha triều lên do sự kết hợp của dòng triều và dòng chảy từ sông đưa ra. Trường dòng chảy khu vực VHL-BTL có các hướng chủ đạo liên quan đến pha triều là hướng Bắc - Đông Bắc và Tây Bắc (triều lên) và hướng Nam - Tây Nam và Đông Nam (triều xuống). Tính chất dòng chảy tổng hợp giữa mùa mưa và mùa khô không có sự khác biệt nhiều do dòng triều quyết định tính chất của dòng chảy tổng hợp. Chính do tính chất dòng chảy tổng hợp biến động theo pha triều lên trong pha triều xuống, các chất gây ô nhiễm được dòng nước đưa mạng từ bờ ra phía ngoài (hình 2-a). Ngược lại trong pha triều lên, một phần nó lại bị đẩy trở lại vùng ven bờ (hình 2-b). Điều này khá quan trọng khí muốn giảm ảnh hưởng của chất ô nhiễm đến môi trường nước thì có thể chọn thời điểm xả thải hợp lý. 215 (a) (b) Hình 2. Trường dòng chảy khu vực vịnh Hạ Long - Bái Tử Long (a-triều lên; - triều xuống) Khả năng trao đổi nước là một trong những đặc điểm TĐL quan trọng ảnh hưởng lớn đến các quá trình biến đổi chất gây ô nhiễm trong thuỷ vực cũng như khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm. Việc tính toán khả năng trao đổi nước được thực hiện qua đánh giá lưu lượng nước vào (ra) và thể tích nước của thủy vực. Những yếu tố này rất khó xác định hay đánh giá từ số liệu khảo sát vì thể tích, diện tích mặt cắt không chế khu vực trao đổi nước và vận tốc dòng chảy luôn biến động theo thời gian theo dao động của thủy triều. Tuy nhiên khi ứng dụng MHT thì 216 Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 vấn đề này lại được giải quyết một cách khá dễ dàng do trong MHT việc tính toán này được thực hiện bằng phương pháp tích phân. Bảng 1. Lượng nước và tỷ lệ nước trao đổi trung bình ngày tại Vịnh Hạ Long –Bái Tử Long Lượng nước trao đổi (triệu m3) Tỷ lệ nước trao đổi Mùa mưa Mùa khô Mùa mưa Mùa khô Khu vực Diện tích (tr. m2) Thể tích** (tr. m3) vào ra vào ra vào ra vào ra Bãi Cháy 22,4 128,9 90,0 90,3 114,2 109,2 0,698 0,701 0,886 0,848 Cẩm Phả 117,0 1003,3 1304,0 1360,5 1591,8 1643,1 1,3 1,356 1,586 1,638 Giữa Vịnh BTL 183,1 2207,1 2670,9 2688,3 3256,9 3263,1 1,21 1,28 1,476 1,479 Giữa Vịnh HL 275,8 2652,0 1850,4 1877,3 2286,0 2300,7 0,698 0,708 0,862 0,868 Vịnh Hạ Long 361,6 2927,2 1760,6 1882,2 2219,8 2289,2 0,601 0,643 0,758 0,782 Vịnh BTL 359,6 3755,1 2442,7 2434,2 2963,3 2933,7 0,65 0,648 0,789 0,781 Vịnh Cửa Lục 22,9 125,1 27,7 70,4 45,0 70,0 0,222 0,563 0,36 0,559 Vịnh HL-BTL * 721,1 6682,3 4203,3 4316,4 5183,1 5222,8 0,63 0,65 0,78 0,78 Ghi chú: * giới hạn bởi bờ và các mặt cắt HL1, HL5, HL6, BTL1, BTL1, BTL2, BTL3, 4SL4; ** tính trung bình khi dao động mực nước biến đổi từ 0-4m Đối với khu vực VHL, để tính toán trao đổi nước, đã chia khu vực này thành các miền nhỏ ứng với mỗi khu vực nhỏ khác nhau. Các miền nhỏ này bao gồm Bãi Cháy, Cẩm Phả, khu vực giữa VHL, giữa Vịnh BTL, cả VHL, cả Vịnh BTL và toàn bộ khu vực VHL-BTL. Tỷ lệ nước trao đổi được tính bằng tỷ số giữa lượng nước trao đổi (vào hoặc ra trên thể tích vực nước). Các kết quả tính toán (bảng 1) cho thấy tỷ lệ nước vào (hoặc ra) so với thể tích thủy vực ở VHL trong một ngày đêm dao động trong khoảng từ 60 - 78%, khu vực Vịnh BTL tỷ lệ này khoảng 65-79%. Tỷ lệ nước vào (ra) so với thể tích toàn bộ VHL-BTL dao động trong khoảng 63-78% trong một ngày đêm. Khu vực ven bờ Cẩm Phả và giữa VHL có tỷ lệ trao đổi nước với xung quanh lớn hơn các khu vực khác. Trong khi đó, tỷ lệ nước vào (ra) so với thể tích khối nước ở vịnh Cửa Lục với giá trị biến đổi từ 22 đến 56% trong một ngày đêm, khá thấp so với các khu vực khác. Nhìn trên tổng thể toàn khu vực VHL-BTL, trao đổi nước mùa khô tốt hơn và cân bằng vào ra với tỷ lệ đều 78%, trao đổi nước mùa mưa kém hơn hẳn với tỷ lệ vào 63% và ra 65% với sự đóng góp của khối nước sông. Tuy nhiên, nhìn vào từng tiểu khu vực thì thấy bức tranh trao đổi nước không đồng nhất và thay đổi phức tạp giữa các tiểu khu vực và theo mùa. Nói chung, ở tất cả các tiểu khu vực trao đổi nước mùa mưa đều kém hơn mùa khô và cân bằng ra lớn hơn cân bằng vào, trừ vịnh BTL ít chịu ảnh hưởng của sông, cân bằng này là tương đương. Vào mùa khô có hiện tượng dồn nước cục bộ ở VHL, đặc biệt là tại Bãi Cháy do hiện tượng 217 khối nước chảy ra nhỏ hơn chảy vào. Điều này thể hiện trao đổi nước VHL yếu hơn BTL kể cả về xu hướng và tỷ số trao đổi. 3.2. Biến động theo thời gian và không gian của các chất ô nhiễm Các kết quả mô phỏng phân bố và biến động hàm lượng các chất gây ô nhiễm ở khu vực nghiên cứu đã cung cấp bức tranh về sự ảnh hưởng của các chất này (BOD, COD, NH4, NO3, PO4) đến môi trường nước, cũng như biến động hàm lượng của chúng từ vị trí các điểm xả thải đến các khu vực khác nhau trong phạm vi nghiên cứu. Ở khu vực VHL-BTL, các kết quả của mô hình cho thấy hàm lượng các chất ô nhiễm đều có xu hướng giảm dần từ các khu vực ven bờ ra phía ngoài và biến động của vùng ô nhiễm cũng thay đổi theo pha triều (hình 3). Điều này cũng có nghĩa là ở khu vực gần bờ sức chịu tải còn lại nhỏ, khả năng tiếp nhận thêm chất ô nhiễm hạn chế nhưng ở khu vực phía ngoài sức chịu tải còn lại lớn, khả năng tiếp nhận thêm chất ô nhiễm còn khá nhiều. distance (m)  di st an ce (m )  Ortho-Phosphate (PO4) (gP/m3) 10-Oct-2008 20:00:00 6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 x 105 2.29 2.3 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 x 106 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 distance (m)  di st an ce (m )  Ortho-Phosphate (PO4) (gP/m3) 10-Oct-2008 08:00:00 6.8 7 7.2 7.4 7.6 7.8 x 105 2.29 2.3 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 x 106 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 (a) (a) (b) Hình 3. Phân bố hàm lượng PO43- ở khu vực Hạ Long - Bái Tử Long kỳ triều cường - mùa mưa, năm 2008 (a-triều xuống; b- triều lên) Kết quả khác của mô hình CLN cho khu vực VHL-BTL là cung cấp các thông tin về biến động theo thời gian của hàm lượng chất gây ô nhiễm tại bất kỳ thời điểm nào ở mỗi khu vực trong miền tính. Theo đó có thể biết thời điểm nào hàm lượng chất ô nhiễm đạt giá trị lớn nhất, nhỏ nhất. 218 Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 05 /1 0/ 20 08 06 /1 0/ 20 08 07 /1 0/ 20 08 08 /1 0/ 20 08 09 /1 0/ 20 08 10 /1 0/ 20 08 11 /1 0/ 20 08 12 /1 0/ 20 08 13 /1 0/ 20 08 14 /1 0/ 20 08 15 /1 0/ 20 08 16 /1 0/ 20 08 17 /1 0/ 20 08 18 /1 0/ 20 08 0.1200 0.1300 0.1400 0.1500 0.1600 0.1700 Mực nước NH4_HL(m) NH4 (gN/m3) 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 4.50 05 /1 0/ 20 08 06 /1 0/ 20 08 07 /1 0/ 20 08 08 /1 0/ 20 08 09 /1 0/ 20 08 10 /1 0/ 20 08 11 /1 0/ 20 08 12 /1 0/ 20 08 13 /1 0/ 20 08 14 /1 0/ 20 08 15 /1 0/ 20 08 16 /1 0/ 20 08 17 /1 0/ 20 08 18 /1 0/ 20 08 0.1200 0.1250 0.1300 0.1350 0.1400 Mực nước NH4_BTL(m) NH4 (gN/m3) (a) (b) Hình 4. Biến động hàm lượng NH4+ theo thời gian ở Vịnh Hạ Long (a) và Bái Tử Long (b), mùa mưa Một trong những nội dung cần thiết phục vụ đánh giá khả năng tự làm sạch môi trường là tính toán và phân tích khả năng hấp thụ và chuyển hóa các chất gây ô nhiễm của vực nước thông qua quá trình quang hợp và phát triển của TVN. Việc đánh giá ảnh hưởng của quá trình tổng hợp chất hữu cơ của TVN tới quá trình tự làm sạch của vực nước căn cứ vào phương trình quang hợp của chúng. Thông qua phương trình này ta sẽ tính được lượng chất hữu cơ (các- bon) và dinh dưỡng (ni-tơ, phốt-pho và si-líc) được hấp thụ và chuyển hóa thành vật chất hữu cơ trong tế bào của TVN. Đây chính là lượng chất gây ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng trong vực nước được chuyển hóa sang dạng khác, hay nói cách khác đây là một phần chất gây ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng mà vực nước tự làm sạch thông qua quá trình quang hợp. Tuy nhiên, trong vực nước không chỉ có quá trình tổng hợp các chất hữu cơ mà còn có cả quá trình hô hấp và chết (tự nhiên và do địch hại) của TVN. Quá trình chết tự nhiên sẽ trả lại một phần chất hữu cơ (các-bon) và dinh dưỡng (ni-tơ, phốt-pho và si-líc) cho vực nước thông quá các quá trình phân huỷ và một phần sẽ lắng đọng vào trầm tích như đã mô tả chi tiết ở phần trước 219 Việc tính toán lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng được TVN sử dụng trong quá trình quang hợp tương đối đơn giản và được thực hiện thông qua các tỷ lệ C:P, C:N, C:Si được sử dụng khi tính toán mô phỏng quá trình hình thành năng suất sơ cấp của TVN. Riêng phần tính toán lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng được trả lại môi trường nước do TVN chết tự nhiên là rất khó thực hiện vì tỷ lệ chết tự nhiên của TVN khác nhau tùy theo điều kiện môi trường, cũng như khác nhau giữa các loài và nhóm loài. Trong khuôn khổ của nghiên cứu này, chỉ thực hiện việc tính toán lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng được sử dụng trong quá trình quang hợp của TVN. Cụ thể, sẽ tính toán tổng lượng các-bon, ni-tơ và phốt- pho do TVN hấp thụ và tổng lượng si-lic được nhóm tảo Diatom hấp thụ. Kết quả tính toán lượng vật chất hữu cơ và dinh dưỡng được TVN sử dụng trong quá trình quang hợp tại khu vực VHL-BTL được thể hiện trên bảng 2. Kết quả tính toán lượng vật chất hữu cơ và dinh dưỡng được tích lũy trong tế bào TVN được thể hiện trong bảng 3. Bảng 2. Lượng vật chất hữu cơ và dinh dưỡng được TVN sử dụng trong quá trình quang hợp tại Vịnh Hạ Long (Tht) Vịnh Hạ Long Vịnh Bái Tử Long Mùa mưa Mùa khô Mùa mưa Mùa khô Thông số Triều cường Triều kém Triều cường Triều kém Triều cường Triều kém Triều cường Triều kém Các-bon (tấn/ngày) 223,59 203,57 302,89 328,39 467,17 438,78 418,66 444,14 Phốt-pho (tấn/ngày) 2,24 2,04 3,03 3,28 4,67 4,39 4,19 4,44 Ni-tơ (tấn/ngày) 35,77 32,57 48,46 52,54 74,75 70,21 66,98 71,06 Si-líc (tấn/ngày) 22,79 20,43 31,51 34,07 52,61 49,58 44,15 46,78 Bảng 3. Lượng vật chất hữu cơ và dinh dưỡng được tích lũy trong tế bào TVN ở Vịnh Hạ Long - BTL Vịnh Hạ Long Vịnh Bái Tử Long Mùa mưa Mùa khô Mùa mưa Mùa khô Thông số Triều cường Triều kém Triều cường Triều kém Triều cường Triều kém Triều cường Triều kém Các-bon (tấn/ngày) 184,46 167,95 249,88 270,92 385,42 361,99 345,39 366,42 Phốt-pho (tấn/ngày) 1,85 1,68 2,50 2,71 3,85 3,62 3,46 3,66 Ni-tơ (tấn/ngày) 29,51 26,87 39,98 43,35 61,67 57,92 55,26 58,62 Si-líc (tấn/ngày) 18,80 16,85 26,00 28,11 43,40 40,90 36,42 38,59 Kết quả so sánh khả năng hấp thụ và tích lũy chất dinh dưỡng trong tế bào TVN và lượng chất dinh dưỡng tích lũy trong nước khu vực nghiên cứu được thể hiện trong bảng 4 cho thấy TVN ở khu vực nghiên cứu có khả năng hấp thụ một lượng chất dinh dưỡng (ni-tơ và phốt-pho) khá lớn, nhất là đối với ni-tơ hòa tan trong nước. Điều này thể hiện TVN ở khu vực 220 Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 nghiên cứu có khả năng giúp làm sạch vực nước khá tốt. Ngoài ra, kết quả tính toán thể hiện trong các bảng cũng cho thấy hàm lượng chất dinh dưỡng ni-tơ và phốt-pho ở khu vực nghiên cứu hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu về dinh dưỡng của TVN. Trong trường hợp không có thêm nguồn cung cấp dinh dưỡng thì với hàm lượng chất dinh dưỡng tích lũy hiện tại vào mùa mưa VHL có thể đáp ứng được nhu cầu phốt-pho của TVN trong vòng 38 ngày, nhu cầu ni-tơ trong vòng 12 ngày. Vào mùa khô, khả năng đáp ứng của vịnh đối với hai thông số này lần lượt là 20 ngày nhu cầu phốt-pho và 6 ngày nhu cầu ni-tơ). Đối với VHL, khả năng đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng lần lượt như sau: mùa mưa – 39 ngày đối với phốt-pho, 12 ngày với ni-tơ; và mùa khô – 32 ngày với phốt-pho và 9 ngày với ni-tơ. Bảng 4. So sánh khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng bởi TVN và tổng lượng chất dinh dưỡng tích lũy trong nước Mùa mưa Mùa khô Khu vực Thông số Tổng tích lũy (tấn) Hấp thu (tấn/ngày) Tỷ lệ (%) Tổng tích lũy (tấn) Hấp thụ (tấn/ngày) Tỷ lệ (%) Phốt-pho 145,4 3,74 2,57 113,8 3,56 3,13 Vịnh Hạ Long Ni-tơ 716,1 59,80 8,35 487,4 56,94 11,68 Phốt-pho 145,4 3,74 2,57 113,8 3,56 3,13 Vịnh Bái Tử Long Ni-tơ 716,1 59,80 8,35 487,4 56,94 11,68 3.3. Vận chuyển trầm tích và biến động địa hình ở khu vực vịnh Hạ Long – Bái Tử Long Những ảnh hưởng của sự vận chuyển trầm tích cũng như biến động địa hình là các yếu tố cần thiết khi đánh giá sức tải cho khu vực VHL-BTL. Các kết quả tính toán từ mô hình cho thấy: - Nguồn trầm tích, đặc điểm phân bố của TTLL, đặc điểm TĐL mà trọng tâm là dòng chảy và dao động mực nước là những yếu tố trực tiếp và quan trọng nhất ảnh hưởng đến quá trình bồi lắng đáy VHL-BTL. - Hàm lượng TTLL cao tập trung chủ yếu ở vùng ven bờ vịnh, gần các điểm nguồn thải và cửa sông đổ vào vịnh, với hàm lượng biến đổi trong khoảng từ 40-90mg/l. Ảnh hưởng của trầm tích từ các sông thuộc Hải Phòng đến VHL được thể hiện qua dòng bùn cát từ khu cửa Lạch Huyện đi lên phía Tây Nam Tuần Châu với hàm lượng khá lớn so với các khu vực còn lại trong VHL-BTL. Tuy nhiên, do đáy ở đây khá nông, sự trao đổi nước kém nên những ảnh hưởng đó chỉ ở phạm vi khá nhỏ đối khu vực Tây Nam đảo Tuần Châu. Các khu còn lại hàm lượng TTLL trong nước tương đối nhỏ với giá trị biến đổi giữa các vùng nước và theo các pha triều thường chỉ trong khoảng 10-30mg/l. - TTLL từ các cửa sông và vùng ven bờ ở khu vực VHL-BTL không có điều kiện để phát triển mở rộng ra phía ngoài xa do tải lượng bùn cát từ sông suối đưa ra tương đối nhỏ và tính chất tuần hoàn của dòng triều mà chỉ phân bố tập trung ở vùng ven bờ và gần các nguồn cung cấp. Đây cũng là những khu có khả năng bồi tụ cao. - Các kết quả tính toán mô phỏng cho thấy tốc độ bồi tụ đáy ở khu vực ven bờ VHL-BTL biến đổi khác nhau theo thời gian và không gian. Tốc độ bồi lắng đáy mùa mưa lớn hơn hẳn mùa khô và ở các vùng sát bờ vịnh cao hơn hằn các vùng vùng xa bờ vịnh. Cả vùng gần bờ và xa bờ có tốc độ lắng đọng mùa mưa cao gấp khoảng 1,3 - 2 lần mùa khô. Khu gần bờ có chiều rộng cách bờ từ 2km (phía Bãi Cháy) đến 5km (phía Vân Đồn) có tốc độ bồi lắng trung bình trong khoảng 2 – 7mm/năm, phổ biến ở mức 3,0 – 4,5mm/năm; Khu giữa vịnh có tốc độ bồi lắng trung bình 1-2mm/năm và khu rìa ngoài vịnh có tốc độ bồi tụ phổ biến khoảng 1mm/năm. 221 Trong đó tốc độ 2mm/năm đặc trưng cho khu giữa vịnh và tốc độ 1mm/năm đặc trưng cho khu rìa ngoài vịnh. Những nơi sát bờ, tốc độ bồi lắng cao nhất, đạt cục bộ 6 - 7mm/năm ở Mông Dương và Tây Nam Tuần Châu. Ước tính trung bình trên toàn hệ thống VHL-BTL, tốc độ bồi lắng trung bình khoảng 2mm/năm. Theo Trần Văn Trị và đồng nghiệp [16] hệ thống VHL-BTL có diện tích 1553 km2, trong đó có 10% là diện tích đảo và 90% là diện tích mặt vịnh, tương ứng với 1398km2. Nếu tính quy đổi 1,65 tấn trầm tích tương đương 1m3 bồi tích và tổng lượng bồi tích đưa ra được bồi lắng lại ước tính 85% thì lượng bồi tích từ nguồn 655371 tấn/năm do khai thác khoáng sản hiện nay đưa ra góp phần bồi lắng đáy vịnh bằng 0,24mm/năm, con số này tương đối phù hợp với và có tính chất kiểm định tính đúng đắn của mô hình tính toán. Việc xác định mức độ bồi lắng đáy vịnh có thể xác định bằng các phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi nhiều công sức và khó có thể thực hiện trên diện rộng trong thời gian kéo dài. Tác giả Nguyễn Quang Tuấn [17] cũng đã công bố số liệu khảo sát và đo thực nghiệm lắng đọng bằng bẫy trầm tích cho trên mặt rạn san hô ở rìa ngoài VHL. Kết quả cho thấy về mùa khô, lượng rơi lắng là 3,6mg/cm2/24giờ và mùa mưa là 7,2mg/cm2/24 giờ. Nếu quy đổi 1,65 tấn trầm tích tương đương 1m3 trầm tích thì tốc độ rơi lắng trầm tích trung bình xấp xỉ 12mm/năm. Thí nghiệm xác định tốc độ rơi lắng trầm tích lên đáy VHL-BTL cũng đã được nêu trong nghiên cứu của Trần Đức Thạnh và đồng nghiệp [15]. Theo đó, tốc độ rơi lắng có giá trị cao nhất ở khu vực Cẩm Phả, trung bình 1,822mm/ngày, tương đương 655,742mm/năm. Các khu vực khác giữa vịnh cũng có tốc độ lắng đọng cao là Lạch Giới (1,645mm/ngày, tương ứng 592,265mm/năm) và đảo Đầu Bê (0,919mm/ngày, tương ứng 330,721mm/năm). Khu vực ven bờ Hoàng Tân và Vịnh Cửa Lục có tốc độ lắng đọng thấp, đạt 0,099mm/ngày tương ứng 35,062mm/năm tại Hoàng Tân và 0,108mm/ngày tương ứng 38,915mm/năm tại Vịnh Cửa Lục. Những kết quả tính của mô hình như ở trên cũng đã được so sánh với một số mẫu khoan được phân tích theo phương pháp đồng vị phóng xạ Cs137 và Pb210 tại Phòng Thí nghiệm Địa chất biển Quốc Gia, Trường Đại học Đồng Tế (Thượng Hải) cho thấy kết quá khá tương đồng. 3.4. Ảnh hưởng từ hoạt động khai thác than đến bồi lắng của vịnh Hạ Long- Bái Tử Long Các kết quả phân tính toán, phân tích ở trên cho thấy, ngoài các can thiệp khác của con người như hoạt động đổ thải, lấn biển và nạo vét thì ở trạng thái tự nhiên hầu như các khu vực trong VHL-BTL đều diễn ra quá trình bồi lắng làm nông dần địa hình đáy vịnh với những tốc độ khác nhau. Đây là hậu quả tác động của rất nhiều các yếu tố trong đó có vai trò nhất định của các hoạt động khai thác khoáng sản. Để đánh giá ảnh hưởng của hoạt động này đến biến động bồi lắng trầm tích đáy đáy của khu vực nghiên cứu, các trường hợp có hoạt động khai thác khoáng sản và không có hoạt động khai thác khoáng sản đã được tính toán mô phỏng. Phân tích các kết quả tính về phân bố của trầm tích lơ lửng trong khu vực nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của các hoạt động khai thác khoảng sản đến phân bố và biến động trầm tích lơ lửng ở khu vực VHL-BTL là không lớn. Theo các giai đoạn khác nhau của pha triều, phân bố vùng có hàm lượng TTLL cao chỉ tập trung hạn chế ở gần bờ. Mặc dù trong trường hợp tăng tải lượng thải do khai thác khoáng sản làm tăng lượng trầm tích vào khu vực nghiên cứu nhưng lượng đó không đủ làm tăng đáng kể hàm lượng và phạm vi phân bố khu vực có hàm lượng bùn cát cao ở ven bờ. Một cách định lượng có thể đánh giá ảnh hưởng của các hoạt động khai thác khoáng sản qua tính toán tốc độ bồi lắng ở khu vực nghiên cứu trong 2 trường hợp có và không có hoạt động này. Các kết quả tính toán và phân tích cho thấy những tác động rõ rệt hơn do khai thác khoáng sản đến tốc độ bồi lắng trung bình ở khu vực nghiên cứu: làm tăng tốc độ bồi lắng trung bình hằng năm ở đây khoảng từ 0,1-1,0mm/năm, tính trung bình trên toàn hệ thống vịnh là 0,25mm/năm, chiếm khoảng 12,5% tổng giá trị bồi lắng. 222 Tuyển tập Tài nguyên và Môi trường biển, tập 17. 2012. ISSB 978-604-913-106-6 Giá trị này biến đổi theo xu hướng giảm dần từ bờ ra phía ngoài tương ứng với phạm vi tác động do các hoạt động khai thác khoáng sản giảm từ bờ ra phía ngoài. Tại các điểm phía ngoài của các mặt cắt, tốc độ bồi tụ nhỏ, sự chênh lệch giá trị này trong cả hai trường hợp có và không có hoạt động khai thác khoáng sản hầu như không đáng kể. Ở những khu vực khác nhau, ảnh hưởng của các hoạt động khai thác khoáng sản đến tốc độ bồi lắng đáy VHL-BTL cũng khác nhau. Một số khu vực tốc độ bồi lắng tăng nhiều hơn (trong trường hợp có khai thác khoáng sản) như Cẩm Phả, phía ngoài cửa sông Mông Dương với sự chênh lệch có thể lên tới 1mm. Các khu vực khác có tốc độ bồi tụ tăng do khai thác khoáng sản nhỏ hơn với giá trị chênh lệch lớn nhất chỉ khoảng 0,5-0,7mm. Theo thời gian, những tác động đến tốc độ bồi lắng biến đổi rõ rệt theo mùa. Trong mùa mưa, tốc độ bồi lắng trung bình lớn hơn và chênh lệch do ảnh hưởng của các hoạt động khai thác than so với không có khai thác than cũng lớn hơn. 4. KẾT LUẬN MHT học là công cụ hữu ích phục vụ đánh giá sức tải môi trường của các thủy vực ven biển. Công cụ này không những cung cấp các kết quả mang tính chất định tính và định lượng cho các điều kiện hiện tại mà còn có thể dùng để dự báo với những kịch bản khác nhau. Ứng dụng MHT học ở khu vực VHL-BTL đã cung cấp các kết quả về điều kiện thủy động lực, khả năng trao đổi nước ở các khu vực khác nhau trong vùng, đặc điểm lan truyền các chất gây ô nhiễm, khả năng chuyển hóa chất gây ô nhiễm trong môi trường nước cũng như sự hấp thụ các chất này của thực vật phù du. Ngoài ra, kết quả ứng dụng MHT học ở khu vực VHL-BTL cũng đã cung cấp các thông tin về đặc điểm vận chuyển trầm tích và biến động địa hình ở khu vực này do các yêu tố khác nhau, trong đó có vai trò của hoạt động khai thác khoáng sản. Lời cảm ơn Các tác giả xin chân thành cảm ơn những nhận xét, góp ý hết sức sâu sắc của TS. Nguyễn Hữu Cử trong quá trình hoàn thiện bài viết này. Abstract: A NUMERICAL MODEL FOR ASSESSMENT OF ENVIRONMENTAL CAPACITY IN THE COASTAL ZONE OF HALONG-BAI TU LONG BAY Vu Duy Vinh, Tran Duc Thanh, Cao Thi Thu Trang Numerical models have developed incessantly and gradually become effective tools for study on marine environment. This paper presents results application a numerical model system for assessment of environment capacity in the coastal zone of Ha Long-Bai Tu Long bay. The model used in this study is integrated model system – Delft3d which developed by Delft Hydraulic (Netherlands). With differently scenarios for hydrodynamics condition, water quality, biological and sediment transport as well as morphological change, the results of the model have supply effective information about hydrodynamics condition, water exchange ability, transform ability of pollutions in the study area as well as morphological change in Ha Long – Bai Tu Long bay. These results are really necessary for assessment of environmental capacity in the coastal zone of Ha Long- Bai Tu Long Bay. 223 224 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Bacher, C., Duarte, P., Ferreira, J.G., Héral, M., Raillard, O., 1998. Assessment and comparison of the Marennes-Oléron Bay (France) and Carlingford Lough (Ireland) carrying capacity with ecosystem models. Aquat. Ecol. 31, 379–394. 2. Carver, C.E.A., Mallet, A.L., 1990. Estimating the carrying capacity of a coastal inlet for mussel culture. Aquaculture 88, 39–53. 3. Christopher W. McKindsey, Helmut Thetmeyer, Thomas Landry, William Silvert, 2006. Review of recent carrying capacity models for bivalve culture and recommendations for research and management. Aquaculture 261 (2006) 451–462 4. Delft Hydraulics, 2003. Delft3D-FLOW User Manual; Delft3D-WAQ User Manual 5. Duarte P., R. Meneses , A.J.S. Hawkins, M. Zhu, J. Fang, J. Grant, 2003. Mathematical modelling to assess the carrying capacity for multi-species culture within coastal waters. Ecological Modelling 168 (2003) 109–143 6. Edwards, R. Y., and C. D. Fowle, 1974. "The Concept of Carrying Capacity." In Readings in Wildlife Management, edited by J. A. Bailey, W. Elder, and T. D. McKinney. Washington, DC: The Wildlife Society 7. Ferreira, J.G., Duarte, P., Ball, B., 1998. Trophic capacity of Carlingford Lough for oyster culture—analysis by ecological modelling. Aquat. Ecol. 31, 361–378. 8. Herman, M.J., 1993. A set of models to investigate the role of benthic suspension feeders in estuarine ecosystems. In: Dame, R.F. (Ed.), Bivalve Filter-Feeders in Estuarine and Coastal Ecosystems. NATO ASI Series, pp. 421–454. 9. Jiang, W.M., Gibbs, M.T., 2005. Predicting the carrying capacity of bivalve shellfish culture using a steady, linear food web model. Aquaculture 244, 171–185. 10. Knauss, J.A., 1997. Introduction to Physical Oceanography. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 309 pp. 11. Lin, H.J., Shao, K.T., Kuo, S.R., Hsieh, H.L., Wong, S.L., Chen, I.M., Lo, W.T., Hung, J.J., 1999. A trophic model of a sandy barrier lagoon at Chiku in southwestern Taiwan. Estuar. Coast. Shelf Sci. 48, 575–588. 12. Lyard F., F. Lefevre, T. Letellier, and O. Francis, 2006. Modelling the global ocean tides: modern insights from FES2004. Ocean Dynamics, 56:394–415, 2006. 13. Raillard, O., Ménesguen, A., 1994. An ecosystem model for the estimating the carrying capacity of a macrotidal shellfish system. Mar. Ecol. Prog. Ser. 115, 117–130. 14. Schendel, E.K., Nordstrom, S.E., Lavkulich, L.M., 2004. Floc and sediment properties and their environmental distribution from a marine fish farm. Aquac. Res. 35, 483–493. 15. Trần Đức Thạnh, Đỗ Đình Chiến, Trần Anh Tú và nnk, 2007. Xây dựng mô hình lan truyền chất ô nhiễm cho Vịnh Hạ Long - Bái Tử Long. Đề tài cấp tỉnh Quảng Ninh. Lưu trữ tại Viện TN&MT biển và Sở KH&CN tỉnh Quảng Ninh. 16. Trần Văn Trị, Trần Đức Thạnh, Waltham Tony, Lê Đức An, Lại Huy Anh, 2003. The Ha Long Bay world heritage: outstanding geological values. J.Geology. Series B, No.22. Hà Nội. 1-18. 17. Nguyễn Quang Tuấn, 2000. Vật liệu trầm tích lục nguyên trên một số rạn san hô rìa ngoài Vịnh Hạ Long. Tài nguyên và Môi trường biển. T.VII. Nxb, KH&KT. Hà Nội. Tr. 25 – 34. 18. Wan, Z., 2001. Simulation of hydrodynamic processes in Jiaozhou and Sungo Bay. In: Carrying Capacity and Impact of Aquaculture on the Environment in Chinese Bays. INCO- DC, contract number ERBIC18CT980291, EU. 19. World Ocean Atlas, 2009. National Oceanographic Data Center. 30-03-2010. Retrieved 19-5-2010