Công nghệ tiên phong trong mô phỏng hành trình rác thải nhựa đại dương

Lần đầu tiên tại Việt Nam, một hệ thống dự báo hành trình rác thải nhựa trôi dạt trên biển đã được phát triển, kết hợp dữ liệu khí tượng hiện đại và công nghệ mô phỏng dòng chảy. Công cụ mới cho phép dự báo và truy vết nguồn phát thải, hỗ trợ hiệu quả công tác quản lý rác nhựa đại dương chính xác, kịp thời.

Rác thải nhựa đại dương, đặc biệt là các mảnh vụn kích thước lớn (macro plastic debris - MPD), đang ảnh hưởng nghiêm trọng đối với hệ sinh thái biển và an ninh môi trường toàn cầu. Vấn đề đã nhiều lần được đưa ra bàn thảo tại Hội đồng Môi trường Liên hợp quốc, cho thấy tính chất cấp bách và quy mô ảnh hưởng xuyên biên giới của ô nhiễm nhựa. Dù vậy, các dữ liệu thực địa chi tiết phục vụ việc xác định nguồn gốc, hướng vận chuyển và cơ chế phát tán của MPD, đặc biệt tại các khu vực ven sông, cửa biển vẫn còn rất hạn chế, nhất là tại các quốc gia đang phát triển. 

Trước yêu cầu cấp thiết đó, Th.S. Nguyễn Đức Thịnh và nhóm nghiên cứu Viện Hải dương học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá quá trình vận chuyển và phát tán rác thải nhựa kích thước macro ở các vùng cửa sông ven biển Nam Trung Bộ” (mã số: VAST06.05/22-23). Nghiên cứu góp phần cung cấp dữ liệu thực địa và mang lại cơ sở khoa học quan trọng cho việc xây dựng chính sách và giải pháp giảm thiểu ô nhiễm rác thải nhựa khu vực ven biển Việt Nam.

Chia sẻ về phương pháp nghiên cứu, Th.S. Nguyễn Đức Thịnh cho biết: Khác với nhiều nghiên cứu hiện nay chủ yếu dựa vào mô phỏng máy tính đơn thuần, nhóm đã kết hợp đồng thời dữ liệu thực địa và công nghệ mô hình hóa hiện đại. Cụ thể, nhóm đã sử dụng các phao trôi (drifter) gắn GPS để theo dõi trực tiếp hành trình của rác thải nhựa trên biển. Đây là cách tiếp cận theo phương pháp Lagrangian - quan sát chuyển động của các vật thể trôi theo dòng nước, thường chỉ được áp dụng trong các nghiên cứu quốc tế quy mô lớn. Ngoài ra, nhóm cũng xây dựng bản đồ dòng chảy thực tế từ dữ liệu đo đạc ngoài hiện trường và kết hợp với mô hình tính toán dòng chảy biển dựa trên dữ liệu khí tượng quốc tế. Nếu như ở các nước Bắc Âu hay vùng biển Baltic, từng phương pháp đã được sử dụng riêng lẻ, thì lần đầu tiên tại Việt Nam, cả 2 phương pháp này đã được tích hợp đồng bộ để mô phỏng hành trình của rác thải nhựa đại dương theo từng mùa và theo từng cửa sông. Cách làm này không chỉ tăng độ chính xác cho kết quả mà còn mở ra khả năng ứng dụng trực tiếp trong công tác dự báo và quản lý rác thải nhựa vùng ven biển nước ta.

Vị trí thu thập dữ liệu cũng được nhóm bố trí hợp lý nhằm đảm bảo tính đại diện cho khu vực nghiên cứu và phù hợp với điều kiện thực địa. Các trạm quan trắc được lựa chọn tại những vị trí chiến lược trong khu vực vịnh Nha Trang, bao gồm cửa sông Cái, cửa sông Tắc và các khu vực biển mở chịu ảnh hưởng trực tiếp của chế độ gió mùa. 
Trên cơ sở khảo sát, thu thập và phân tích thực địa đã cho thấy, tình trạng ô nhiễm MPD đang hiện diện với mật độ cao, đặc biệt nghiêm trọng tại các điểm nóng như cảng Phan Rí, bãi Chí Công (Bình Thuận, nay là Lâm Đồng), Phan Thiết, Sa Kỳ và Mỹ Á. Gần 90% số điểm khảo sát phát hiện có MPD, trong đó 45% điểm bị ô nhiễm nặng, 33% ô nhiễm nhẹ và chỉ 9% được đánh giá là khá sạch.

Chia sẻ về quá trình triển khai thực địa, Th.S. Nguyễn Đức Thịnh cho biết: Ban đầu, nhóm sử dụng phao Nomad của hãng SouthTeck (Tây Ban Nha), được trang bị thiết bị định vị vệ tinh SPOT và truyền dữ liệu qua mạng di động GSM/GPRS. Tuy nhiên, qua 2 đợt khảo sát, loại phao này bộc lộ nhược điểm là dễ mất tín hiệu ở vùng xa bờ, dẫn đến thất lạc thiết bị và chi phí thay thế khá cao. Sau đó, nhóm được Viện Khoa học và Công nghệ biển Hàn Quốc (KIOST) tài trợ 5 phao Yotta Nano sử dụng liên lạc vệ tinh, giúp hạn chế tình trạng mất kết nối. Nhưng do giá thành vẫn ở mức cao (khoảng 1.200 đô la Mỹ mỗi thiết bị), nhóm đã không thể mở rộng quy mô triển khai.

Để giải quyết bài toán chi phí và phù hợp điều kiện của Việt Nam, nhóm đã phối hợp với TS. Vũ Duy Vĩnh (Viện Khoa học công nghệ Năng lượng và Môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Alexei Sentchev (Viện Nghiên cứu vì Phát triển - IRD, Cộng hòa Pháp) để tự chế tạo thiết bị. Nhóm đã sử dụng ống nhựa PVC làm thân phao và lắp đặt thiết bị định vị GPS Trace nhập khẩu từ Cộng hòa Pháp. Chi phí mỗi bộ phao tự chế khoảng 80 đô la Mỹ nhưng vẫn đảm bảo theo dõi chính xác hành trình rác thải nhựa ngoài thực địa.
Điểm mới của đề tài là việc xây dựng và ứng dụng bộ mô hình thủy động lực học kết hợp, dựa trên nền tảng mã nguồn mở OpenDrift và mô hình Delft3D (bộ mô hình thủy động lực học 2D/3D để tái hiện dòng chảy biển) để mô phỏng và dự báo sự vận chuyển, tích tụ của rác thải nhựa tại vùng biển Nam Trung Bộ. Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã tích hợp nhiều loại dữ liệu đầu vào bao gồm: dữ liệu gió từ bộ khí tượng tái phân tích (ERA5) của Trung tâm Dự báo Thời tiết châu Âu, dòng chảy biển từ mô hình Delft3D và dữ liệu thực đo từ hệ thống các phao trôi. Mô hình sau khi được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm đã cho thấy độ chính xác cao trong việc tái hiện hướng đi, tốc độ và vị trí tích tụ của MPD dưới tác động của các điều kiện khí tượng - hải văn khác nhau theo mùa gió (Đông Bắc, Tây Nam).

Quá trình mô phỏng đã xác định được các khu vực có nguy cơ tích tụ rác thải cao như đầm Nha Phu, Bãi Dài, bãi biển Nha Trang, Cam Ranh hay Hòn Tre, những vùng ven biển đang chịu áp lực lớn từ các hoạt động du lịch và đô thị hóa. Đặc biệt, mô hình đã được đóng gói thành chương trình độc lập, dễ vận hành có tên gọi là VAST-PlasticDrift. Khi sử dụng VAST-PlasticDrift, chỉ cần nhập vị trí phát thải và thời gian mong muốn, người dùng có thể nhanh chóng mô phỏng hành trình trôi dạt của rác thải nhựa. Nhờ đó, công cụ sẽ hỗ trợ kịp thời cho công tác thu gom theo mùa, ứng phó sự cố tràn rác, phục vụ hiệu quả việc quy hoạch quản lý vùng ven biển, giáo dục cộng đồng và hoạch định chính sách bảo vệ môi trường biển chủ động.

Thành tựu của nghiên cứu đã được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín trong nước và quốc tế, khẳng định giá trị thực tiễn trong việc mô phỏng, theo dõi và dự báo hành trình trôi dạt của rác thải nhựa. Tiêu biểu là 2 bài báo quốc tế chất lượng cao được đăng trên tạp chí Ocean Science thuộc danh mục SCI-Q1 (IF: 5.9). Trong đó, nhóm tập trung mô tả đặc điểm dòng chảy bề mặt tại vùng biển Nam Trung Bộ dựa trên dữ liệu radar tần số cao kết hợp với mô hình số, cung cấp những luận giải về cơ chế vận chuyển và tích tụ rác thải nhựa trong khu vực. Ngoài ra, các nghiên cứu này cũng làm rõ vai trò của dòng chảy, thủy triều và sông trong việc hình thành hiện tượng nước trồi ngoài khơi miền Nam Việt Nam, yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình phát tán hoặc tích tụ rác thải nhựa trên biển.

Chia sẻ về định hướng tiếp theo, nhóm nghiên cứu cho biết: Phương pháp thu mẫu thực nghiệm Lagrangian đã và đang tiếp tục được ứng dụng trong các chuyến khảo sát hải dương học quy mô lớn, như hành trình trên tàu nghiên cứu ANTEA trong khuôn khổ dự án“Nghiên cứu vận chuyển vật chất từ lục địa (river plume) và ảnh hưởng của chúng đến môi trường, các hệ sinh thái vùng biển ven bờ Việt Nam”. Ngoài rác thải nhựa, nhóm sẽ tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu sang các loại vật chất khác nhằm hiểu rõ hơn về mối liên hệ giữa các quá trình tự nhiên và tác động của con người đối với môi trường biển ven bờ. Đây chính là cơ sở khoa học vững chắc cho các chiến lược phát triển bền vững hệ sinh thái biển của Việt Nam trong tương lai.

Nguồn: Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam