Mô phỏng quá trình tràn dầu khu vực đảo Bạch Long Vỹ bằng mô hình Delft - 3D

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRÀN DẦU KHU VỰC ĐẢO BẠCH LONG VỸ BẰNG MÔ HÌNH DELFT - 3D Trần Anh Tú Vũ Duy Vĩnh Nguyễn Hữu Cử 1. Mở đầu Đảo Bạch Long Vỹ (BLV) nằm giữa vịnh Bắc Bộ, cách đảo Cát Bà (Hải Phòng) khoảng 130km, cách đảo Hải Nam 130km. Với diện tích phần nổi chỉ 2,5km2 nhưng đảo BLV có vị trí chiến lược rất quan trọng về an ninh quốc phòng và kinh tế xã hội, đã được Chính phủ và thành phố đầu tư phát triển thành khu dịch vụ hậu cần nghề cá vịnh Bắc Bộ [2, 4]. Vùng biển BLV liên quan tới tuyến đường vận chuyển dầu vào cụm cảng Hải Phòng - Quảng Ninh và cảng Đà Nẵng. Trong tương lai đảo BLV sẽ xây dựng cảng biển. Do vậy, sự cố tràn dầu ở vùng biển BLV là có thể xảy ra. Khi xảy ra sự cố tràn dầu, ngoài những thiệt hại về kinh tế, còn có thể gây ra và để lại những hậu quả nghiêm trọng cho môi trường sinh thái của khu vực nơi xảy ra tràn dầu trong thời gian dài sau đó. Mô phỏng tràn dầu khu vực đảo BLV với nguồn đổ thải giả định ở 2 vị trí khác nhau sẽ góp phần xây dựng phương án ứng cứu kịp thời khi có sự cố tràn dầu xảy ra, khống chế vệt dầu loang nhằm giảm thiểu thiệt hại môi trường sinh thái do sự cố tràn dầu gây ra. 2. Tài liệu và phương pháp Trong công trình này đã sử dụng các tài liệu về khí tượng, hải văn, thuỷ hoá của các đề tài, dự án từ trước đến nay có liên quan đến khu vực nghiên cứu. Lưới tính của mô hình thuỷ lực lấy từ bản đồ địa hình được số hoá từ các bản đồ, hải đồ khu vực đảo BLV và bổ sung ETOPO5 (Earth Topography - 5 Minute) của NGDC (Trung tâm Tư liệu Địa Vật lí quốc gia Mỹ‏‎). Để mô phỏng quá trình tràn dầu khi có sự cố tràn dầu xảy ra, đã sử dụng mô đun Delft3D-PART trong bộ mô hình Delft3D của Hà Lan. Ngoài ra, mô đun Delft3D-FLOW đã được sử dụng để cung cấp thông tin thủy động lực của khu vực nghiên cứu. Delft3D-PART là nằm trong bộ mô hình Delft3D, có chức năng tính toán và dự báo sự biến động - phân bố về hàm lượng của vật chất theo thời gian bằng phương pháp có tên gọi “Monte Carlo Method” [5, 6]. Đối với việc tính toán tràn dầu, Delft3D-PART mô phỏng sự lan truyền của dầu ở các dạng sau: - Dầu nổi (floading oil) - lớp dầu mỏng trên bề mặt - Dầu nhũ (dispered oil) - dầu hoà vào trong nước - Dầu bám (sticking oil) - dầu bám vào bờ hoặc lắng đọng xuống đáy. Với giả thiết rằng dầu được đưa vào thủy vực từ một nguồn liên tục hoặc tức thời, phạm vi lan truyền của dầu được xác định bằng phương trình (Fay và Hoult, 1971): (1) Trong đó: : thể tích ban đầu của dầu tràn (m3); - tỷ trọng của dầu (kg/m3); : tỷ trọng của nước (kg/m3); g - hằng số hấp dẫn (m/s2); : độ nhớt của nước; k1, k2: hằng số Fay. Tốc độ lan truyền của dầu Q(kg/m2/s) được xác định theo phương trình sau: (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) Với: Q(d) là tốc độ lan truyền trên một đơn vị với giọt dầu đường kính d (kg/m2/s);dmin-đường kính giọt dầu nhỏ nhất (m); dmax-đường kính giọt dầu lớn nhất (m); C” -hằng số hiệu chỉnh (phụ thuộc vào từng loại dầu); N(d)-hàm phân bố kích thước của phần tử dầu; N0 -hàm phân bố tiêu chuẩn; De -tiêu hao của năng lượng sóng trên một đơn vị diện tích bề mặt (J/m2); Fwc - số sóng đổ trên một chu kỳ sóng; tp -chu kỳ sóng cực đại (s); Uw -vận tốc gió (m/s); fw -phần biển được bao phủ bởi sóng bạc đầu [6]. 3. Mô phỏng vệt dầu loang khi có sự cố ở đảo Bạch Long Vỹ 3.1. Phạm vi tính toán của mô hình Khu vực tính toán là toàn bộ vùng nước bao quanh đảo BLV và mở rộng ra xung quanh. Lưới tính của mô hình được xây dựng trên cơ sở đường bờ của đảo BLV do Hải Quân Việt Nam xuất bản năm 1986. Miền tính có 4 biên lỏng theo các hướng là: đông bắc, đông nam, tây nam và tây bắc (hình 1). 3.2. Dữ liệu đầu vào a) Thủy động lực Để cung cấp số liệu thủy động lực cho mô đun tính tràn dầu Delft3D-PART, mô đun Delft3D-FLOW đã được sử dụng để mô phỏng các quá trình thuỷ động lực. Các dữ liệu sử dụng cho mô đun Delft3D-FLOW gồm đường bờ và độ sâu của khu vực, lưới tính, dao động mực nước trên các biên lỏng với biển, hướng và tốc độ gió trung bình của khu vực. Hình 1. Lưới tính và vị trí các biên lỏng của mô hình thủy động lực Hình 2. Mực nước tính toán và quan trắc tại Bạch Long Vỹ (5/2006) Để đảm bảo các số liệu của mô đun Delft3D-FLOW là chính xác, mô đun này đã được chạy vào một số thời điểm có số liệu khảo sát thực tế trong quá khứ sau đó so sánh và đánh giá những kết quả của mô hình với kết quả đo đạc thực địa. Kết quả tính toán mực nước đều cho thấy sự phù hợp và chính xác cao (sai số bình phương trung bình ≈ 0,15 mét) giữa mô hình và quan trắc. Sau nhiều lần hiệu chỉnh mô hình, trên hình 2 thể hiện mực nước giữa quan trắc và kết quả tính toán của mô hình. b) Tràn dầu Loại dầu được sử dụng để tính toán trong các kịch bản tràn dầu là loại dầu FO (loại dầu này thường phổ biến trên các tàu trở dầu) [1, 3]. Tọa độ các vị trí giả định xảy ra sự cố tràn dầu, đặc tính của loại dầu này và một số tham số đã sử dụng để tính toán được mô tả như sau: Các thông số tính toán tràn dầu Điểm 1 Điểm 2 X (UTM) 784867 784044 Y (UTM) 2228270 2230040 Khối lượng dầu tràn 350 tấn 350 tấn Tỷ trọng 850 kg/m3 850 kg/m3 Thể tích dầu tràn 411,77m3 411,77m3 Độ nhớt 8m2/s 8m2/s 4. Kết quả và thảo luận Nhằm đánh giá sự ảnh hưởng khác nhau đối với mỗi trường hợp xảy ra sự cố tràn dầu, trong công trình này, sự cố tràn dầu được giả thiết xảy ra tại 2 điểm khác nhau: ở khu vực phía nam (cửa bến thuyền hiện nay) và phía tây (nơi có kế hoạch xây cảng biển) của đảo Bạch Long Vỹ (hình 1). Sau đây là các kết quả tính toán đối với mỗi trường hợp. 4.1. Sự cố ở phía nam đảo Trong pha triều lên Dầu nổi: trường hợp xảy ra sự cố trong pha triều lên (giả thiết vào 15h, ngày 04/05/2006). Sau khi xảy ra sự cố, lớp dầu mỏng trên mặt nước (FO-Floating Oil) loang rộng ra xung quanh và dưới tác động của dòng chảy đã nhanh chóng di chuyển về khu vực phía bắc của đảo BLV (hình 3), sau đó ra khu vực phía tây bắc. Vệt dầu nổi di chuyển nhanh, sau 7 giờ từ khi xảy ra sự cố, lượng dầu chỉ còn khoảng 5% (so với ban đầu) nổi trên mặt nước ở khu vực phía tây bắc. Dầu hoà tan trong nước: sau khi xảy ra sự cố tràn dầu, một lượng dầu lớn trong quá trình chìm xuống và dưới tác dụng của các quá trình hoá học đã hoàn tan vào trong nước (DO - Dispersed Oil). Quá trình dầu hoà tan trong nước thường diễn ra chậm so với quá trình dầu nổi khuyếch tán trên mặt nước. Cùng với dầu nổi trên bề mặt, khối nước chứa dầu có xu hướng lan rộng và di chuyển từ phía tây nam sang phía tây, lên phía bắc sau đó di chuyển chủ yếu về phía tây bắc khu vực đảo BLV. Phạm vi không gian của vùng nước bị nhiễm dầu mở rộng dần, sau 20 giờ, toàn bộ khu vực phía tây nam đến đông bắc của đảo bị nhiễm dầu (hình 3). Do sự trao đổi và di chuyển của các khối nước, khoảng sau hơn 1 ngày thì lượng dầu trong nước xung quanh đảo giảm dần và chỉ còn khoảng 3-4% so với lượng dầu ban đầu. Dầu nổi, triều lên Dầu trong nước, triều lên Dầu bám, triều lên Dầu nổi, triều xuống Dầu trong nước, triều xuống Dầu bám, triều xuống Hình 3. Diễn biến các vệt dầu với sự cố ở phía nam khu vực đảo Bạch Long Vỹ Dầu bám: trong quá trình di chuyển dầu bám vào các vật trên đường đi, hoặc dưới tác dụng của các phản ứng hoá học và của môi trường xung quanh, đã bị biến chất và lắng đọng dần xuống đáy. Đây là lượng dầu rất khó bị phân huỷ mà tồn tại lâu trong môi trường. Sau khi xảy ra sự cố, cùng với FO, DO, lượng dầu bám (SO - Sticking Oil) cũng có hướng di chuyển từ phía tây nam về phía tây, lên phía bắc, đông bắc của khu vực đảo BLV. Sự hình thành của vệt dầu bám diễn ra chậm, phạm vi không gian nhỏ, tuy nhiên lại tồn tại lâu trong môi trường nước. Trong trường hợp này, toàn bộ khu vực xung quanh đảo trừ khu vực phía đông bị dầu bám (hình 3), đặc biệt ở gần nơi xảy ra sự cố có hàm lượng dầu tập trung cao. Trong pha triều xuống Dầu nổi: trường hợp xảy ra sự cố trong pha triều xuống (giả thiết vào 02h, ngày 05/05/2006). Sau khi xảy ra sự cố, lớp dầu mỏng trên mặt nước loang rộng ra xung quanh và di chuyển về phía tây rồi di chuyển lên phía bắc đảo BLV (hình 3). Các khu vực khác xung quanh đảo bị ảnh hưởng rất ít. Vệt dầu nổi di chuyển nhanh chóng về phía bắc, sau 7 giờ từ khi xảy ra sự cố, chỉ còn khoảng 6-7% (so với ban đầu) nổi trên mặt nước ở khu vực phía bắc. Dầu hoà tan trong nước: sau khi xảy ra sự cố tràn dầu trong pha triều xuống, khối nước chứa dầu từ điểm xảy ra sự cố có xu hướng đi lên phía bắc. Sau 8 giờ từ khi xảy ra sự cố toàn bộ vùng nước xung quanh đảo BLV đã bị nhiễm dầu (hình 3). Khối nước nhiễm dầu có xu hướng di chuyển về phía bắc và tây bắc sau đó giảm dần, 18 giờ sau khi xảy ra sự cố chỉ còn một lượng khoảng 5-6% (so với lượng dầu ban đầu) trong nước ở khu vực phía tây bắc đảo BLV. Dầu bám: tương tự như trong pha triều lên, lượng dầu bám trong trường hợp sự cố xảy ra trong pha triều xuống cũng có hướng xuất hiện từ nơi xảy ra sự cố đến các nơi khác xung quanh đảo BLV. Phạm vi ảnh hưởng khá nhỏ nhưng cũng đã bao quanh toàn bộ dải ven bờ (hình 3) trong vòng một ngày và tồn tại đến ngày cuối cùng của mô hình tính (26 ngày). 4.2. Sự cố ở phía tây đảo Trong pha triều lên Dầu nổi: trường hợp xảy ra sự cố trong pha triều lên (giả thiết vào 15h, ngày 04/05/2006). Sau khi xảy ra sự cố, lớp dầu mỏng trên mặt nước đã nhanh chóng di chuyển về khu vực phía tây bắc của đảo BLV (hình 4). Sau khoảng 7 giờ từ khi xảy ra sự cố, vệt dầu đã di chuyển ra khỏi khu vực tính. Trong trường hợp này, chỉ có khu vùng nước phía tây bắc của đảo bị ảnh hưởng bởi vệt dầu nổi. Dầu trong nước: cùng với dầu nổi trên bề mặt, khối nước chứa dầu có xu hướng lan rộng và di chuyển về phía tây bắc khu vực đảo BLV. Phạm vi không gian của vùng nước bị nhiễm dầu mở rộng dần, sau khoảng 20 giờ, toàn bộ khu vực phía bắc và phía tây đảo bị nhiễm dầu (hình 4). Do sự trao đổi và di chuyển của các khối nước, khoảng sau hơn 1 ngày thì lượng dầu trong nước xung quanh đảo giảm dần và chỉ còn một lượng khoảng 2-3% so với ban đầu. Dầu bám: sau khi xảy ra sự cố, lượng dầu bám từ điểm xảy ra sự cố lan rộng ra xung quanh. Tuy nhiên, chỉ có phía tây và tây bắc của đảo BLV bị ảnh hưởng (hình 4), các khu vực khác hầu như không bị ảnh hưởng. Vệt dầu này biến đổi rất chậm và vẫn tồn tại đến ngày tính cuối cùng của mô hình (sau 26 ngày). Trong pha triều xuống Dầu nổi: tương tự như trường hợp xảy ra sự cố trong pha triều lên, trong pha triều xuống (giả thiết vào 02h, ngày 05/05/2006). Sau khi xảy ra sự cố, lớp dầu mỏng trên mặt nước loang rộng ra xung quanh và di chuyển nhanh về phía tây bắc và bắc đảo BLV (hình 4). Các khu vực khác xung quanh đảo không bị ảnh hưởng trong trường hợp này. Dầu trong nước: sau khi xảy ra sự cố tràn dầu trong pha triều xuống, khối nước chứa dầu từ điểm xảy ra sự cố có xu hướng đi về phía tây bắc, sang phía tây, sau đó di chuyển về phía bắc và đông bắc (hình 4). Trong trường hợp này, sự cố ảnh hưởng đến vùng nước phía tây, phía bắc và đông bắc của đảo BLV. Khối nước nhiễm dầu có xu hướng di chuyển về phía bắc và tây bắc sau đó giảm dần, 18 giờ sau khi xảy ra sự cố chỉ còn một lượng 3-4% (so với ban đầu) trong nước ở khu vực phía bắc đảo. Dầu nổi, triều lên Dầu trong nước, triều lên Dầu bám, triều lên Dầu nổi, triều xuống Dầu trong nước, triều xuống Dầu bám, triều xuống Hình 4. Diễn biến các vệt dầu với sự cố phía tây đảo Bạch Long Vỹ Dầu bám: tương tự như trong pha triều lên, lượng dầu bám trong trường hợp sự cố xảy ra trong pha triều xuống cũng có hướng xuất hiện dần từ nơi xảy ra sự cố đến các nơi khác. Phạm vi ảnh hưởng khá nhỏ, chỉ tập trung chủ yếu ở sát bờ phía tây bắc và phía bắc của đảo BLV (hình 4) và tồn tại khá lâu (sau 26 ngày). 5. Kết luận Phân tích các kết quả tính toán cho thấy với cùng một lượng dầu tràn ra tại các vị trí và thời điểm xảy ra sự cố khác nhau sẽ có những ảnh hưởng khác nhau đến khu vực. Trường hợp sự cố tràn dầu xảy ra ở phía nam của đảo Bạch Long Vỹ. Trong pha triều lên, chủ yếu ảnh hưởng đến khu vực phía tây và tây bắc của đảo, trong khi nếu xảy ra sự cố trong pha triều xuống thì toàn bộ vùng nước xung quanh đảo sẽ bị nhiễm dầu. Do đặc điểm gió và dòng chảy nên trường hợp xảy ra sự cố tràn dầu ở phía tây của đảo Bạch Long Vỹ, vùng nước phía tây, tây bắc và bắc của đảo chịu ảnh hưởng, các khu vực khác không bị ảnh hưởng. Lượng dầu nổi và hoà trong nước di chuyển nhanh ra khỏi vùng nước xung quanh đảo Bạch Long Vỹ trong vòng vài ngày sau khi xảy ra sự cố, nhưng lượng dầu bám xuống đáy rất khó nhận biết, tồn tại lâu trong môi trường nước sẽ có những tác động tiêu cực và lâu dài đến môi trường biển. TÀI LIỆU THAM KHẢO Binh D. T., Chien D. D., 2004. Oil spill simulation in Ha Long Bay using the DELFT-3D model. Marine resources and Environment, Tome XI, pp. 167-180. Science and Technics Publishing House. Nguyễn Hữu Cử, 1998. Động lực phát triển và tương quan bồi tụ-xói lở bờ đảo Bạch Long Vỹ. Tuyển tập Tài nguyên và môi trường biển, tập V, trang 17 - 27. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Deborah P. French- McCay, 2003. Oil spill impact modeling: Development and vilidition. Environmental Toxicology and Chemistry Manuscrip 03-382 Chemistry Vol. 23, No.10. Nguyễn Thị Phương Hoa, Trần Đình Lân, 1998. Tai biến môi trường vùng đảo Bạch Long Vỹ. Tuyển tập Tài nguyên và môi ttường biển, tập V, trang 121 - 129. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. Vũ Duy Vĩnh, Trần Anh Tú, 2005. Mô hình toán nghiên cứu thuỷ động lực và chất lượng nước vịnh Bái Tử Long và Chân Mây. Báo cáo chuyên đề thuộc đề tài KC.09 - 22. Lưu trữ tại Viện Tài nguyên và Môi trường Biển. Lưu trữ tại Viện Tài nguyên và Môi trường Biển. WL|Delft Hydraulics, 1999. Delft3D-FLOW User Manual Version 3.05, Delft3D - Waq User Manual Version 3.01, Delft3D - Part User Manual Version 1.0 WL| Del`ft Hydraulics, Delft, Netherlands. Summary OIL SPILL SIMULATION IN BACHLONGVY WATERS USING DELFT3D MODEL Tran Anh Tu Vu Duy Vinh Nguyen Huu Cu Bachlongvy waters in the center of Tonkin Gulf are related to oil transport routes to Haiphong, Quangninh and Danang ports and near some oil fields that are in exploitation at China side. Thus the risk of oil spills in Bachlongvy waters is potential. This paper presents the simulation of Delft-3d software for oil spill in Bachlongvy waters with supposed source discharges at two different places. The scenario of oil spill that happens in the south of Bachlongvy Island is as following: In the flood-tide, oil affects mainly to the west and northwest of the Island, and in the ebb-tide, waters around the Island are affected. The scenario of oil spill that happens in the west of Bachlongvy Island shows: because of wind and current properties, oil only affects the waters of the west, northwest and north of Island. Floading oil and dispered oil move quickly out of the waters around of the Island in some days after oil spill happens, but sticking oil is very difficult to identify and it exists for a long time in water. Therefor it will have negative and long-term impacts on marine environment.