Báo Cáo ứng dụng mô hình toán học phục vụ quản lý tổng hợp vùng bờ ở bờ phía tây vịnh bắc bộ

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC PHỤC VỤ QUẢN LÝ TỔNG HỢP VÙNG BỜ Ở BỜ PHÍA TÂY VỊNH BẮC BỘ








1. Mở đầu
Quản lý tổng hợp vùng bờ biển (QLTHVBB) hướng tới cách tiếp cận tổng thể hệ sinh thái như là một thể thống nhất gồm toàn bộ phần sinh vật, phi sinh vật và các kiểu khai thác sử dụng (Vallega A, 1999) cần được cung cấp các thông tin cần thiết cho các nhà quản lý cũng như cộng đồng. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, các công cụ mô hình toán ngày càng được sử dụng rộng rãi phục vụ nhiều lĩnh vực trong đó có lĩnh vực quản lý vùng bờ biển. Vai trò quan trọng của các công cụ mô hình toán để phục vụ QLTHVBB đã được xác định trong “hướng dẫn cơ bản chiến lược QLTHVBB ở Châu Âu (Burbridge, P.R. (1999). Dựa trên các phương trình phức tạp, mô hình toán học giúp cung cấp những hiểu biết về các quá trình vật lý để các hoạt động của con người phù hợp với các quy luật và điều kiện tự nhiên vùng ven biển. Các mô hình cũng có thể được sử dụng như một công cụ dự báo giúp chứng minh nguyên nhân và ảnh hưởng do biến đổi của môi trường vật lý tới các quá trình khác ở vùng ven bờ. Các mô hình toán học đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích các quá trình phức tạp diễn ra ở vùng ven bờ và biến đổi của các quá trình theo không gian cũng như thời gian.


Với đường bờ biển dài trên 3200km trải rộng trên khoảng 13 vĩ độ địa lý và trên 1 triệu km2 diện tích vùng thềm lục địa, vùng ven biển nước ta là nơi giàu tài nguyên thiên nhiên và có sự đa dạng sinh học cao. Kinh tế biển và các ngành liên quan đến biển có vai trò rất quan trọng đến sự phát triển kinh tế xã hội và đóng góp khoảng 25% tổng GDP cho nền kinh tế của Việt Nam. Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế xã hội nhanh ở nước ta đã và đang gây ra các áp lực đối với môi trường và tài nguyên ở vùng ven biển đe dọa sự phát triển bền vững trong khu vực. Chính vì vậy, nhiều nghiên cứu và áp dụng có liên quan đến QLTHVBB ở Việt Nam đã và đang được tiến hành. Các kết quả nghiên cứu này đã cung cấp những luận cứ quan trọng giúp cho các nhà quản lý đưa ra các chính sách gắn khai thác các tiềm năng lợi thế của vùng ven biển với bảo vệ tài nguyên môi trường. Những kết quả nghiên cứu về QLTHVBB có phần đóng góp quan trọng từ các kết quả áp dụng mô hình ở những khu vực nghiên cứu, trong đó có vùng bờ tây vịnh Bắc Bộ.
2. Tổng quan tình hình nghiên cứu và áp dụng mô hình toán phục vụ ICZM
Theo GESAMP 61 (1996), mục đích của QLTHVBB là nhằm cải thiện chất lượng cuộc sống của con người trên cơ sở cân bằng giữa các yếu tố khác nhau bao gồm kinh tế xã hội, tự nhiên và môi trường, tài nguyên vùng ven bờ vùng ven biển nhưng vẫn đảm bảo duy trì được tài nguyên môi trường khu vực đó (Cicin Sain, B. & R.W. Knecht, 1999). Kinh nghiệm từ quản lý tổng hợp cho thấy để đáp ứng các yêu cầu thông tin phục vụ QLTHVBB cần có nhiều thông tin tổng hợp trong đó có các kết quả mang tính định lượng từ các mô hình toán.


Mô hình toán có thể giúp cải thiện hiểu biết về các quá trình môi trường phức tạp (ví dụ như lan truyền các chất gây ô nhiễm, di chuyển của các khối nước v.v) và giải đáp nhiều câu hỏi liên quan đến các vấn đề liên quan đến quản lý tài nguyên. Các mô hình là các công cụ có giá trị trong lĩnh vực quản lý môi trường, ví dụ như so sánh các tác động môi trường đối với mỗi kịch bản phát triển khác nhau, các phương án bảo tồn phục hồi môi trường và kiểm soát nguồn ô nhiễm. Các kiểu áp dụng điển hình của mô hình toán học phục vụ QLTHVBB là mô phỏng sự di chuyển của hoàn lưu khối nước do sự biến động mùa, dao động của thủy triều ở các mùa

khác nhau; mô phỏng dự báo lan truyền và phân bố của các chất gây ô nhiễm theo các kịch bản; dự báo lan truyền của các ấu trùng thủy sản (GESAMP, 1991). Với những lợi ích và khả năng ứng dụng rộng rãi, linh hoạt và sự phát triển của Công nghệ thông tin, ngày nay các mô hình toán học đã được sử dụng rộng dãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó có QLTHVBB (Van der Weide, J., 1993).


Những ứng dụng cơ bản và đầu tiên của các mô hình toán học là những ứng dụng của các mô hình thủy động lực. Các quá trình động lực ở vùng ven biển là các yếu tố nền, có ảnh hưởng đến các quá trình khác cũng như môi trường vùng ven biển. Chính vì vậy, các đặc điểm động lực như chế độ dòng chảy, sóng như thế nào, khả năng trao đổi, hoạt động của hoàn lưu nước ra sao đều là những thông tin hữu ích không chỉ cung cấp sự hiểu biết về bản chất của các quá trình đó ở khu vực nghiên cứu mà còn tạo ra các cơ sở dữ liệu nền phục vụ cho những tính toán tiếp theo khác. Ví dụ sử dụng mô hình toán học để khảo sát đặc điểm thủy động lực, xói lở bồi tụ vùng ven bờ lưu vực sông Nile ở Ai Cập. Với một số kịch bản được đưa ra, các kết quả của mô hình đã cho thấy đặc trưng thủy động lực vùng ven biển này và nguyên nhân cũng như bản chất gây xói lở, bồi tụ ở một số đoạn bờ trong khu vực trong đó có ảnh hưởng của các đập chứa trên lưu vực sông Nile (Ahmed Sayed Mohamed Ahmed, 2006). Ở Hà Lan, đất nước nằm trên vùng đất thấp với trên 60% dân số sống ở vùng đất thấp hơn mực nước biển. Nhưng vùng ven biển này lại đóng góp khoảng 65% giá trị cho nền kinh tế. Chính vì vậy vấn đề quản lý và bảo vệ bờ biển là vấn đề sống còn ở quốc gia này. Do đó, QLTHVBB được coi là một trong những chính sách quốc gia của Hà Lan (MIN V&W, 2006). Để thực thi chính sách này, các công cụ toán học trong đó có mô hình đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp những hiểu biết về vận chuyển bùn cát, nuôi bãi, tác động của động sóng, biến đổi địa hình vùng ven bờ
v.v. Kết quả là đã góp phần làm giảm đáng kể quá trình xói lở bờ biển ở Hà Lan: năm 1990 các đoạn bờ bị xói lở mạnh chiếm khoảng 30% nhưng đến năm 2000 đã giảm xuống chỉ còn khoảng 10% (Eurosion, 2004).


Kiểm soát sự lan truyền chất gây ô nhiễm bảo vệ môi trường nước là một trong những lĩnh vực của QLTHVBB. Các kết quả ứng dụng mô hình toán có thể cung cấp các thông tin như các chất gây ô nhiễm đó xuất phát từ đâu, di chuyển và biến đổi như thế nào từ các nguồn phát thải ra các khu vực xung quanh. Ví dụ về ứng dụng này là sử dụng mô hình chất lượng nước của Cục bảo vệ môi trường Hồng Kông. Mô hình này được sử dụng để đánh giá, dự báo tác động do các hoạt động của con người đến chất lượng môi trường nước vùng ven bờ trong vòng 20 năm (bắt đầu từ năm 1986). Kết quả nghiên cứu đã cho thấy vai trò ảnh hưởng của mỗi yếu tố tự nhiên và từng hoạt động của con người, từng nguồn ô nhiễm đến chất lượng môi trường nước vùng ven bờ qua từng thời kỳ (LEE Hok-shing, 2006). Từ đó đưa ra các phương án quản lý những nguồn gây ô nhiễm chính yếu. Tương tự, việc ứng dụng mô hình POM cho vịnh Saronikos (Hy Lạp), là một phần trong dự án môi trường ECOSIM (http://www.ess.co.at/ECOSIM). Saronikos là một vịnh nửa kín nằm ở phía nam thủ đô Athens,
thành phố với khoảng 3.5 triệu dân và khoảng 720 000 m3 nước thải vào vịnh này hằng ngày. Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Athens đã phát triển mô hình POM thêm một module để mô phỏng đường đi của chất gây ô nhiễm từ các nguồn phát thải. Module này sau khi được kiểm nghiệm và hiệu chỉnh đã trở thành một công cụ hữu hiệu giúp giám sát các nguồn gây ô nhiễm
môi trường nước vùng ven bờ (Fedra, K., 1994).


Cũng với mục đích kiểm soát, đánh giá ảnh hưởng của các nguồn ô nhiễm, các mô hình toán cũng đã được sử dụng để dự báo, mô phỏng di chuyển phân bố các vệt dầu sau khi sự cố tràn dầu xảy ra phục vụ cho công tác ứng cứu và đánh giá các tác động do sự cố tràn dầu. Sau nhiều năm phát triển và ứng dụng, hàng loạt mô hình tràn đầu đã được ứng dụng rộng rãi ở rất nhiều vùng biển khác nhau trên thế giới, đặc biệt là ở các vùng biển có mật độ phương tiện qua

lại lớn như Biển Đen, vùng biển Đông Nam Á, vịnh Mehico, vùng biển Caribbean. Địa Trung Hải v.v. Cho đến nay, các mô hình tràn dầu là một trong những công cụ không thể thiếu trong các kế hoạch ứng cứu sự cố tràn dầu và đánh giá tác động (Peter Tebeau, 2003).


Một trong các lĩnh vực ứng dụng mô hình toán gần đây được sử dụng nhiều là xây dựng các kịch bản về tác động của biến đổi khí hậu đến vùng ven bờ. Trên cơ sở một số dấu hiệu tác động trực tiếp do biến đổi khí hậu như tăng nhiệt độ nước, tăng mực nước biển, tăng số lượng các cơn bão nhiệt đới, gia tăng lượng mưa và lưu lượng nước từ lục địa v.v. Sử dụng các mô hình toán đã cung cấp các kết quả dự báo theo một số kịch khác nhau từ đó xác định được các vùng, khu vực có thể chịu tác động của biến đổi khí hậu và đưa ra các quyết định thích nghi ứng (K McGuffie and A Henderson-Sellers, 2004; Ida Broker, 2008). Tiêu biểu trong lĩnh vực ứng dụng này là nghiên cứu tác động do biến đổi khí hậu đến vùng vịnh Newbiggin (Anh), vùng ven bờ Matinatta (Italia), biến động đường bờ Trelleborg (Đan Mạch), các kịch bản ngập lụt ở vùng Brud (Đan Mạch).


Vùng ven bờ Việt Nam là một trong những vùng bờ có mật độ dân số cao nhất khu vực Đông Nam Á và chiếm một vị trí rất quan trọng trong nền kinh tế như thủy sản, hàng hải, du lịch và những ngành liên quan khác. Với mật độ dân số cao, các áp lực khai thác sử dụng tài nguyên ở các vùng ven biển phục vụ cho các nhu cầu phát triển kinh tế xã hội ngày càng gia tăng. Ngoài ra, vùng này cũng luôn phải đối mặt với các vấn đề như ô nhiễm môi trường, xói lở bờ, cạn kiệt tài nguyên. Trước thực trạng đó, nhu cầu áp dụng quản lý tổng hợp cho các vùng ven biển ở Việt Nam đã trở lên bức thiết nhằm phục vụ cho mục tiêu phát triển bền vững của khu vực. Từ những năm 90 của thế kỷ trước, các nhà quản lý và các nhà khoa học đã bước đầu quan tâm và tiếp cận các hướng nghiên cứu phục vụ QLTHVBB.


Các mô hình toán học được sử dụng cho các nghiên cứu ở Việt Nam vẫn còn rất mới mẻ và hầu như mới bắt đầu từ cuối những năm 90 của thế kỷ trước, chủ yếu được ứng dụng ở một số cơ quan nghiên cứu như Viện Cơ học, Viện Địa Lý, Viện Khí tượng thủy văn và Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại Học Quốc Gia Hà Nội). Tuy nhiên các mô hình này chủ yếu phục vụ cho nghiên cứu và giảng dạy. Các kết quả ứng dụng mô hình toán học thường nhằm đạt được các mục tiêu cụ thể nào đó hơn là vì QLTHVBB, chẳng hạn như các kết quả ứng dụng mô hình toán học ở Trường Đại học Khoa Học Tự nhiên (Đoàn Bộ, 1997, 1999; Đinh Văn Ưu và nnk, 1999, 2000); Viện Cơ học (Nguyễn Mạnh Hùng và nnk, 1998; Đỗ Ngọc Quỳnh và nnk, 1998 ), Viện Khí tượng thủy văn (Lê Đình Quang và nnk, 1998), Trung tâm Khí tượng thủy văn biển (Bùi Xuân Thông và nnk, 1998) và một số cơ quan nghiên cứu khác. Gần đây hơn, do nhu cầu thực tế đòi hỏi nên các mô hình toán mang tính thương mại cũng đã được đưa vào sử dụng ở một số cơ quan nghiên cứu với các lĩnh vực rất đa dạng như chế độ thủy động lực, vận chuyển trầm tích, tràn dầu, chất lượng nước v.v. Một số mô hình toán học có khả năng tính toán và ứng dụng rất mạnh cũng đã có ở Việt Nam là MIKE (Viện Khoa học Thủy lợi, Viện Cơ học), Delft3D (Viện Tài Nguyên và Môi trường biển, Trường Đại học Thủy Lợi, Trung tâm Hải văn và Môi trường), SMS (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên). Mặc dù chưa được quan tâm nhiều nhưng cho đến nay ở Việt Nam việc ứng dụng các mô hình toán học phục vụ cho QLTHVBB cũng đã cho những kết quả bước đầu rất tích cực, nổi bật trong đó là các mô hình toán học được dùng trong các dự án quản lý lưu vực sông như một công cụ hỗ trợ nghiên cứu, đánh giá các phương án quản lý lưu vực khác nhau, đó là ứng dụng mô hình MIKE phục quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Hồng – Thái Bình, lưu vực sông Vu Gia- Thu Bồn; ứng dụng mô hình SWAT- ISSI phục vụ quy hoạch và quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả; xây dựng công nghệ tính toán và dự báo lũ lớn trên hệ thống sông Hồng – Thái Bình trên cơ sở mô hình MIKE11 (Huỳnh Thị Lan Hương, 2005). Đặc biệt, các mô hình về thủy động lực, vận chuyển bùn cát và chất lượng nước cũng đã được sử dụng như là những công cụ hỗ trợ tích cực trong

các dự án về QLTHVBB Việt Nam – Hà Lan ở các khu vực Thừa Thiên Huế, Nam Định và Bà Rịa - Vũng Tàu (VNICZM, 2003).


3. Các công cụ mô hình đang được sử dụng tại Viện Tài nguyên và Môi trường Biển


Tại Viện Tài nguyên và Môi trường biển, các công cụ mô hình mới được sử dụng trong những năm gần đây. Đặc biệt là từ sau năm 2002, một số mô hình chủ yếu đã được sử dụng như sau:


Mô hình Delft3d: Đây là một mô hình tổng hợp 2 hoặc 3 chiều (3D) do Viện Thủy lực Delft (WL | Delft Hydraulics) của Hà Lan nghiên cứu phát triển. Mô hình này gồm các module chính như Delft3d-Flow (Thủy động lực), Delft3d-Waq (chất lượng nước), Delft3d-Eco (sinh thái học), Delft3d-Sed (trầm tích) và Delft3d-Morph (địa hình đáy), Delft3d-Part (phần tử vật chất). Ngoài ra còn một số module hỗ trợ khác như GRID (lưới tính), QUICKIN (độ sâu), GPP (xử lý kết quả tính) v.v. Delft3d sử dụng hệ lưới cong trực giao theo phương ngang và hệ tọa độ  cho phương thẳng đứng. Các phương trình cơ bản của mô hình thủy động lực được giải bằng bằng phương pháp sai phân ẩn (WL|Delft Hydraulics, 1999) với sơ đồ khử luân hướng (ADI – Alternating Direction Implicit). Với các tính năng và ưu điểm của mình, Delft3d có thể được sử dụng để mô phỏng- dự báo thủy động lực, chất lượng nước, lan truyền chất gây ô nhiễm, vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình ở các vùng cửa sông, vùng ven biển và biển khơi.


Mô hình SHYFEM (Finite Element Model for Coastal Seas) được nghiên cứu và phát triển bởi Viện Khoa học biển Venice (Italia). Đây là bộ chương trình dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để giải các phương trình thủy động lực cho các vùng đầm phá, vùng cửa sông ven biển. Bộ chương trình này có thể dùng để mô phỏng đặc điểm thủy động lực, lan truyền các chất gây ô nhiễm, chất lượng nước và vận chuyển trầm tích. SYFEM được viết bằng ngôn ngữ lập trình FORTRAN chạy trên hệ điều hành UNIX và người dùng có thể thay đổi các tham số của mô hình thông qua việc can thiệp trực tiếp vào mã nguồn (codes) của các module trương trình thành phần của mô hình. Đây là một lợi thế lớn so với các phần mềm thương mại về tính “mở” và vấn đề bản quyền nhưng cũng đòi hỏi người dùng phải có kiến thức về UNIX và khả năng lập trình FORTRAN.