Nghiên cứu đánh giá sự lan truyền bùn nạo vét từ Cảng Sơn Trà và khả năng ảnh hưởng đến Nhà máy nước Cầu Đỏ

^{* Nghiên cứu được thực hiện trước 01/7/2025}

TÓM TẮT

Cảng Sơn Trà – Đà Nẵng là một cảng biển quan trọng của miền Trung với khả năng tiếp nhận tàu biển có tải trọng toàn phần đến 10,000 tấn. Nhằm đảm bảo mớn nước cần có trong quá trình khai thác vận hành, nhu cầu nạo vét cảng định kỳ là cần thiết. Trong quá trình nạo vét, hiện tượng bùn đáy bị xáo động và lan truyền trong khu vực sẽ xảy ra và cần thiết phải đánh giá một cách định lượng để đảm bảo về tiêu chuẩn bảo vệ môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự khuếch tán và đối lưu của bùn có nồng độ cao ở vùng đáy cảng Sơn Trà sẽ lan truyền gần như trong toàn bộ vùng vịnh Đà Nẵng và đi vào vùng hạ lưu sông Hàn với nồng độ bùn lơ lửng khác nhau. Các kịch bản mô phỏng toán số cho thấy nồng độ bùn thải cao tập trung dọc vùng ven bờ vịnh phía cảng Sơn Trà. Nghiên cứu đã sử dụng mô hình số trị thủy động lực 3 chiều Telemac3D trong đó xem xét hiện tượng lan truyền bùn dưới dạng khuếch tán và đối lưu chất và kết hợp với giải bài toán lan truyền sóng vùng ven bờ biển Tomawac.

Từ khoá: Cảng Sơn Trà, Telemac 3D, Tomawac, thủy động lực, lan truyền bùn

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường do sự lan truyền bùn khi nạo vét cảng Sơn Trà là điều không tránh khỏi khi thực hiện thi công nạo vét bùn đáy. Sử dụng các biện pháp thi công truyền thống như tàu hút tự hành, xáng cạp lên vận chuyển xà lan hoặc tàu hút kết hợp vận chuyển xà lan đều gây nên sự khuấy động lớp bùn đáy và một phần sẽ lan truyền trong khu vực dưới tác dụng của dòng triều và khuếch tán bùn trong khu vực thi công. Nghiên cứu này đánh giá nồng độ bùn lan truyền nhằm mục đích xem xét so sánh với các tiêu chuẩn môi trường cho phép về độ đục nhằm có các biện pháp thi công thích hợp để giảm thiểu tác động tiêu cực, đồng thời xem xét ảnh hưởng (nếu có) đến sự lan truyền bùn lơ lửng về thượng lưu sông Hàn nơi có trạm lấy nước thô Cầu Đỏ nhằm phục vụ nước sinh hoạt chủ yếu cho Tp. Đà Nẵng. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự lan truyền bùn khi nạo vét trong đó có hai yếu tố chính là hiện tượng đối lưu (chủ yếu là dòng triều trung bình, dòng chảy trong sông có ảnh hưởng hoặc không ảnh hưởng của triều) và hiện tượng khuếch tán chất do sự chênh lệch nồng độ bùn thải theo không gian. Kết quả nghiên cứu định lượng sự lan truyền khác nhau với các kịch bản khai thác (liên tục hoặc gián đoạn trong ngày) dựa trên các giả thiết về độ đục bùn vùng đáy khi bị khuấy động bởi các thiết bị thi công khai thác hút bùn. Từ đó nồng độ bùn thay đổi theo không gian và thời gian trong vùng vịnh Đà Nẵng sẽ được xác định. Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu là mô hình toán số 3 chiều với mô hình Telemac3D, bài toán sóng với mô hình Tomawac và bài toán khuếch tán đối lưu chất mô tả sự lan truyền bùn pha loãng trong khu vực. Tất cả các mô đun nêu trên đã được phát triển bởi tập đoàn Điện lực Pháp (EDF) với sự cộng tác của các phòng thí nghiệm Châu Âu và Châu Mỹ dưới dạng mã nguồn mở và được sử dụng rộng rãi trên thế giới.

II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Telemac3D mô phỏng dòng chảy 3 chiều được mô tả bởi hệ phương trình Navier-Stokes phi thủy tĩnh (từ [1] – [4]) và người lập trình có thể lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn hoặc thể tích hữu hạn. Bài toán số được lập trình có thể xử lý được các dạng điều kiện biên như: Biên mực nước Z, biên lưu lượng Q, biên lưu lượng và mực nước (Q & Z), biên vận tốc (u,v), biên vận tốc và mực nước (u,v& Z) hoặc dạng biên sóng đến. Các dạng biên khác nếu có sẽ được người sử dụng lập trình riêng nhờ vào phần mềm được tổ chức dưới dạng mã nguồn mở.

Trong đó: h là chiều sâu, (U,V,W) là thành phần vận tốc theo các phương, Q là lưu lượng đơn vị của nguồn, Z_s là cao độ mặt thoáng, F_x,y,z là các ngoại lực tác dụng trên một đơn vị khối lượng chiếu theo các phương ngang, là hệ số khuếch tán và C là nồng độ chất. Phương trình 6 cho phép tính toán hiện tượng khuếch tán đối lưu chất trong lan truyền bùn pha loãng.

Dưới tác dụng của gió lên bề mặt đại dương sẽ gây nên hiện tượng sóng lan truyền và được mô tả bởi phương trình biểu diễn sự biến đổi của mật độ phổ sóng theo hướng bởi phương trình 7 và được giải bởi mô hình toán số tính sóng Tomawac.

Với N(x^->, y^-> ,k^-> ,t) =N (x,y,k_x,k_y,t) chỉ phổ của mật độ tác dụng của sóng, Qx chỉ số liệu nguồn sóng x^->=(x,y) vectơ chỉ vị trí trong hệ tọa độ Cartesian và k^->=k_x,k_y=(ksin θ,kcos θ) vectơ chỉ số sóng, θ chỉ hướng sóng.

III. MÔ PHỎNG CHẾ ĐỘ THỦY ĐỘNG LỰC HỌC 3D VÙNG VỊNH ĐÀ NẴNG & LÂN CẬN

III.1: Miền tính

Miền tính bao gồm phía bắc vùng vịnh Đà Nẵng, bán đảo Sơn Trà và phía nam đến vùng cửa Đại thành phố Hội An. Chiều dài dọc bờ biển khoảng 55km, chiều rộng trung bình kể từ bờ khoảng 45km. Diện tích miền tính khoảng 2374 km². Miền tính được mô tả bởi 40573 phần tử tam giác phi cấu trúc với lưới lớn nhất có cạnh 4000m, cạnh nhỏ nhất cho vùng sông Thu Bồn là 50m. Theo phương đứng mô hình sử dụng hệ tọa độ Z với 5 điểm nhằm nghiên cứu sự phân bố theo chiều thẳng đứng của nồng độ bùn nhấn chìm theo thời gian và không gian. Khu vực dự kiến nhấn chìm bùn có lưới phi cấu trúc có cạnh trung bình 200m.

III.2: Điều kiện biên miền nghiên cứu

Thuỷ lực: Miền tính gồm có 3 biên lưu lượng trên 2 nhánh sông chính ở thượng lưu cách Cửa Đại khoảng 12 km theo đường thẳng và 1 thượng lưu sông Hàn. Do số liệu đo đạc cùng thời kỳ không có nên sơ bộ tham khảo các trạm thuỷ văn Nông Sơn, Thành Mỹ vùng thượng lưu. Nhánh sông lớn (sau cầu Câu Lâu) và nhánh nhỏ hơn (nhánh phía Nam, lui về thượng lưu cầu Cửa Đại 12 km). Lưu lượng trung bình tại các biên lỏng sông như sau: Q₁(t) =50 m³/s, Q₂(t) =200 m³/s, Q₃(t) =100 m³/s

Mực nước và dòng triều ngoài biển: Mực nước trên biên hở tại vị trí ngoài khơi biển Đông lấy theo triều thiên văn cùng thời kỳ được lấy với 9 sóng chính (S₂, N₂, K₂, M₂, K₁, O₁, P₁, Q₁ và M₄) từ cơ sở dữ liệu của OTIS có độ phân giải 1/30⁰. Mực nước triều trên biên sẽ thay đổi theo không gian và thời gian.

Sóng và gió: Số liệu sóng đến ngoài biển trong cùng thời kỳ được lấy từ cơ sở dữ liệu của NOAA. Ảnh hưởng của gió (biến đổi theo không gian và thời gian) tác dụng trên mặt thoáng biển miền tính đến chế độ thủy động lực dòng chảy cũng được xét đến.

III. 3. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Mô hình thủy động được hiệu chỉnh và kiểm định theo số liệu quan trắc tại vị trí trạm hải văn Sơn Trà, hiệu chỉnh sóng tại vị trí S₁, W₁ (xem hình 1). Bước hiệu chỉnh sử dụng số liệu 8 ngày từ 5/1/2019 đến 13/1/2019 như hình 6 và tổng hợp phân tích điều hòa được liệt kê ở bảng 1. Kết quả so sánh cho phép đánh giá mô phỏng phản ánh giá trị quan trắc đáng tin cậy.

Bảng 1: Tổng hợp phân tích điều hoà

Ở bước kiểm định, số liệu thủy triều tại trạm hải văn Sơn Trà từ 12/4/2019 đến 18/4/2019 được so sánh (xem hình 7) và tính toán tổng hợp điều hòa ở bảng 2. Kết quả so sánh cho phép đánh giá mô phỏng phản ánh giá trị quan trắc đáng tin cậy.

Bảng 2: Tổng hợp phân tích điều hoà

Mô hình được tiếp tục hiệu chỉnh với số liệu sóng quan trắc từ tháng 16/10/2014 đến 12/11/2014 ở hình 8 và 9, sau đó được kiểm định với số liệu sóng quan trắc từ 19/10/2016 đến 25/10/2016 theo điều kiện dữ liệu sẵn có. Kết quả hiệu chỉnh tính sóng cho mô hình cho thấy hiệu chỉnh mô hình là tương đối tốt.

IV. KẾT QUẢ & THẢO LUẬN

Để đánh giá sự lan truyền bùn khi nạo vét, một số giả thiết và kịch bản sau đây đã được mô phỏng:

Nhận xét: Từ kết quả tại 2 thời điểm xem xét cách nhau 6h cho thấy vùng bùn đã lan rộng ra xa kể từ vị trí nạo vét cảng Sơn Trà. Trong khi đó vùng có nồng độ bùn cao xảy ra lúc 18h cao hơn lúc 24h (lưu ý là trong phương án thi công liên tục 8h trong ngày và bắt đầu lúc 8h, thi công đã tạm dừng lúc 16h, điều này giải thích nồng độ bùn cao hơn lúc 18h so với lúc 24h. Tuy nghiên mặc dù ngưng tạm thi công lúc 18h nhưng bùn vẫn tiếp tục lan rộng, kết quả này giải thích diện tích vùng bùn lan rộng vào lúc 24h lớn hơn lúc 18h).

Các đồ thị sau đây trình bày sự lan truyền theo phương ngang sau 5 ngày và sau 10 ngày thi công nạo vét:

Kết quả mô phỏng cho thấy nồng độ bùn cát tối thiểu 0.1 kg/m³ bao phủ gần như toàn bộ vùng vịnh Đà Nẵng sau 10 ngày thi công nạo vét, tập trung chung quanh khu vực cảng nạo vét. Bùn lan truyền không đi vào xa về thượng nguồn sông Hàn, chỉ tập trung tại vùng cửa sông.

Nhằm đánh giá ảnh hưởng của phương pháp thi công (liên tục 8h trong ngày hoặc 2 ca/ngày, với mỗi ca 4h và nạo vét thực hiện trong chu kỳ trong 10 ngày) và thời điểm thi công (xét 2 thời điểm điển hình bắt đầu là 0h, ngày 1/3/2018 và 0h, ngày 1/6/2018), các kịch bản đã được mô phỏng. Các đồ thị sau trình bày tóm tắt kết quả điển hình.

Nhận xét:

V. KẾT LUẬN

Trên cơ sở kết quả mô phỏng với các kịch bản thi công trong 10 ngày và thời điểm nạo vét cảng Sơn Trà nêu trên có thể rút ra một số nhận xét như sau:

Lời cám ơn: Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuôn khổ Đề tài mã số đề tài C2024-20-29.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

2. PHẠM Văn Huấn (2002). Động lực học Biển-Phần 3: Thủy triều. Đại Học Quốc Gia Hà Nội.

5. MEISSNER Loren P. (1995). Fortran 90. PWS Publishing Company.

6. NOAA. National Geophysical Center. http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html.

7. OTIS Regional Tidal Solutions. http://volkov.oce.orst.edu/tides/region.html.

     Tác giả: TS. Nguyễn Quang Trưởng^1,2, TS. Hồ Tuấn Đức^1,3, ThS. Phan Quang Hưng^1,2, ThS. Trịnh Đình Vũ^1,2

^{1 Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, TPHCM, Việt Nam}

^{2 Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUT), 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TPHCM, Việt Nam}

^{3 Trung tâm châu Á nghiên cứu về nước (CARE), HCMUT, 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, TPHCM, Việt Nam}