Chuong6 mhh dhbk 2016

BK TPHCM TS.LÊ HỒNG NGHIÊM 3 MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ MÔ HÌNH TOÁN HỌC Mathematical Model Physical Model MÔ HÌNH VẬT LÝ MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH Deterministic Model MÔ HÌNH VỊ T

BK

TPHCM

BÀI GIẢNG MÔN HỌC

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

CHƯƠNG 6: MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN

CHẤT Ô NHIỄM TRONG KHÍ QUYỂN

GVHD: PGS.TS Lê Hoàng Nghiêm

Email: hoangnghiem72@yahoo.com

hoangnghiem72@gmail.com

BK

TPHCM Chương VI: MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KHUẾCH TÁN

CHẤT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

6.1 Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm trong không khí

6.1.1 Phương pháp Euler

6.1.2 Phương pháp Lagrange

6.2 Phân bố chuẩn Gaussian

6.3 Mô hình khuếch tán chất ô nhiễm Gaussian

6.3.1 Nguồn điểm có độ cao H với mặt đất không có phản xạ

6.3.2 Nguồn điểm có độ cao H với mặt đất có phản xạ

6.3.3 Phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo phương thẳng đứng

6.3.4 Phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo hướng gió thổi

6.4.5 Nồng độ cực đại trên mặt đất

6.4 Các hệ số khuếch tán trong mô hình Gaussian

6.5 Tính toán chiều cao hiệu dụng của ống khói

6.6 Tính toán nồng độ chất ô nhiễm cho các thời điểm lấy mẫu

khác nhau

Câu hỏi thảo luận và bài tập chương 6

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

3

MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN

Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

MÔ HÌNH TOÁN HỌC (Mathematical Model) (Physical Model) MÔ HÌNH VẬT LÝ

MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH (Deterministic Model) MÔ HÌNH VỊ TRÍ TIẾP NHẬN (Receptor Model) MÔ HÌNH THỐNG KÊ

(Statistical Model)

MÔ HÌNH LARGRANG (Largrangian Model)

MÔ HÌNH EULER (Eulerian Model)

MÔ HÌNH LƯỚI (Grid Model) MÔ HÌNH QUỸ ĐẠO (Trajectory Model)

MÔ HÌNH GAUSSIAN (Gaussian Model)

Hình vẽ 6.1: Tổng quan các loại mô hình

khuếch tán ô nhiễm không khí

BK

TPHCM

v  Toàn bộ khu vực nghiên cứu mô hình được xem như một hình hộp

v  Chất ô nhiễm xáo trộn hoàn toàn trong toàn bộ thể tích hình hộp

Emissions

N, E, S, W Boundary Conditions

Chemistry, Transport, Dispersion, Removal

in each cell

wind MÔ HÌNH EULERIAN HAY LƯỚI 3D

BK

TPHCM

DỮ LIỆU NGUỒN THẢI Toạ độ nguồn thải

§  Chiều cao hình học của nguồn thải

§  Đường kính ống khói

§  Nhiệt độ khí thải

§  Tốc độ phát thải chất ô nhiễm

DỮ LIỆU NƠI TIẾP NHẬN

§   Toạ độ nơi tiếp nhận

§   Cao độ nơi tiếp nhận

DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG

§   Hướng gió, Tốc độ gió

§   Độ bền vững khí quyển

§   Nhiệt độ khí quyển xung quanh

§   Chiều cao xáo trộn

ƯỚC TÍNH NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM TẠI

NƠI TIẾP NHẬN

MÔ PHỎNG CÁC BIẾN ĐỔI VẬT LÝ VÀ HÓA HỌC CỦA CHẤT Ô NHIỄM

Hình vẽ 6.2: Cấu trúc tổng quát của mô hình khuếch tán ô nhiễm

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

7

VÍ DỤ MÔ HÌNH GAUSSIAN

MÔ HÌNH ISC CỦA US EPA

v   Mô hình Gaussian ở trạng thái ổn định: Sử

dụng để mô hình hóa phát thải liên tục từ

nhiều nguồn công nghiệp

v   Versions: ISCST2, ISCLT2, ISCST3, ISCLT3

v   Kết quả tính toán giả sử là bảo toàn (không

phản ứng:

v Nồng độ sẽ cao hơn nồng độ thực tế

v Kiến nghị áp dụng cho tính toán đánh giá tác

động môi trường.

BK

TPHCM Kết quả mô hình ISCST2 : bản đồ phân bố nồng độ SO 2 (mg/m 3 )

cho kịch bản không có thiết bị xử lý các nguồn thải, hướng gió

Đông Bắc cho KCX Tân Thuận

4.20

1h- Standard: 0.3 mg/m 3

Area with SO2 exceeding

standard is ~ 64 km 2

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

11

Áp dụng mơ hình CMAQ dự báo ozone cho khu vực ĐNÁ

Ozone forecasting over CSEA and CENTHAI domain

11-14 jan, 2006

BK

TPHCM 7.3 PHÂN BỐ CHUẨN HAY PHÂN BỐ GAUSSIAN (1)

v Hầu hết các nghiên cứu về khuếch tán ô nhiễm

không khí đều dẫn đến cùng một kết quả đó là chất

ô nhiễm phân bố theo hàm phân bố chuẩn Gaussian

(Gaussian distribution function)

v Một biến số x được gọi là phân bố chuẩn nếu hàm

mật độ của nó thõa mãn quan hệ sau:

x o là giá trị trung bình của phân bố; σ là độ lệch

chuẩn với giá trị lớn hơn zero

( )

2

exp 2

1

2

2 2

σ

o

x x x

f

x x

/

) ( exp ) 2 (

1 ) (

σ π

2 / 1 ) 2 (

1 )

x (

π σ

=

σ càng lớn: đường

cong phân bố càng

bẹt

BK

TPHCM PHÂN BỐ CHUẨN HAY PHÂN BỐ GAUSSIAN (4)

v Phân bố Gaussian kép trên hệ hai trục y và z bằng tích

của hai phân bố chuẩn trên từng trục tọa độ, tức là

f(y,z) = f(y)f(z) Sử dụng (6.2) ta có:

v Tương tự phương trình phân bố Gaussian 3 chiều x, y, z

được viết như sau:

v Phương trình phân bố Gaussian hai chiều sẽ được sử

dụng để mô tả sự phát thải liên tục từ nguồn điểm,

trong đó vệt khói khuếch tán theo hướng y và hướng z

khi nó chuyển động theo hướng gió – trục x

22

exp2

1

2 2

o z

y

z z y

y z

y

f

σσ

σπσ

exp 2

exp 2

1 ,

2 2

2 2

2 2

o x

o z

y x

z z y

y x

x z

y

x

f

σ σ

σ σ

σ σ π

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

15

SỰ DI CHUYỂN CỦA VỆT KHÓI

v Trong môi trường không khí bị phân tầng (nghịch

đảo nhiệt), lực nổi của vệt khói bị triệt tiêu do độ

bền vững của khí quyển xung quanh

v Để tránh hiện tượng hạ thấp vệt khói tại miệng thải,

vận tốc của dòng khí phải đủ lớn, và được tính gần

đúng the tỷ lệ sau:

v   Xét một nguồi thải cao là ống khói, hình

dáng luồng khói tổng quát có thể được

minh họa như trong hình vẽ

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

17

KHUẾCH TÁN NGUỒN THẢI CAO

v Mặc dù vệt khói hình thành tại chiều cao h s nhưng nó

dòng khí nóng và động lượng của dòng khí di chuyển

thẳng đứng với vận tốc V s

v Do đó, có thể xem vệt khói hình thành do một nguồn

điểm ở độ cao tương đương hay chiều cao hiệu quả

Trong thực tế tính toán giả sử điểm đặt nguồn ảo này

BK

TPHCM HỆ TRỤC TỌA ĐỘ CỦA MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN GAUSSIAN

đều trên đường trục tâm của vệt khói:

v Khi tính cho ống khói chuyển về hệ trục x, y, z có gốc

đổi nhưng z phải được thay bằng z – H :

v Đây là trường hợp không có sự ngăn cản chuyển

động của luồng khói theo bất kỳ phương nào ( không

) 15 6 ( 2

exp 2

exp 2

2 2

exp 2

2 2

2 2

z y z

y z

y

z y

u

Q z

y u

σ σ π σ

σ σ

exp2

),

,

,

2 2

z y

H z y

u

Q H

σσπ

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

21

MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN GAUSSIAN – PHẢN XẠ TỪ MẶT ĐẤT

v Trong trường hợp xét đến ảnh hưởng của sự phản xạ từ

mặt đất, thì chất ô nhiễm sẽ khuếch tán hay phản xạ

trở lại khí quyển bởi vì mặt đất được như tấm gương

MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN GAUSSIAN – PHẢN XẠ TỪ MẶT ĐẤT

v Nồng độ tại điểm bất kỳ được giả thuyết do hai nguồn

một nguồn ảo đối xứng qua mặt đất tại -H

v Nồng độ do nguồn thực gây ra tính theo công thức

(6.16), còn nồng độ do nguồn ảo tính theo công thức:

toán bằng tổng của (6.16) và (6.17):

2

exp 2

z y

H z y

u

Q C

σ σ

σ σ π

2

exp 2

exp 2

exp 2

2 2

y z

y

H z H

z y

u

Q H

σσ

σπ

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

23

MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN GAUSSIAN – PHẢN XẠ TỪ MẶT ĐẤT

v Aûnh hưởng của phản xạ mặt đất đến nồng độ chất ô

nhiễm trên mặt đất được minh họa trong hình vẽ sau

v Sự phản xạ từ mặt đất sẽ làm tăng nồng độ tại mặt

phản xạ

BK

TPHCM

MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN GAUSSIAN – PHẢN XẠ TỪ MẶT ĐẤT

v Nồng độ chất ô nhiễm tại mặt đất tính toán cho trường

hợp z = 0, công thức (6.18) viết lại như sau:

v Trong trường tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo

hướng gió (trục x), khi này y = 0 và công thức (6.18)

viết lại

) 19 6 ( 2

exp 2

exp )

z y

H y

u

Q H

y

x

C

σ σ

σ σ π

) 20 6 ( 2

exp )

, 0 , 0

y

H u

Q H

x

C

σ σ

σ π

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

25

MÔ HÌNH KHUẾCH TÁN GAUSSIAN – PROFILE NỒNG ĐỘ

v  Biểu đồ nồng độ điển hình theo trục z tương ứng với giá trị x đã

cho; và

v  Biểu đồ nồng độ theo trục x dọc theo đường trục ở mặt đất được

vẽ trên cùng một hình vẽ

Profile nồng độ theo trục z

Profile nồng độ theo trục x

độ theo trục y

Đường trục của vệt khói

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

27

6.4 HỆ SỐ KHUẾCH TÁN σy VÀ σz (1)

v   σy và σz phụ thuộc vào khoảng cách x, độ rối

của khí quyển và vận tốc gió

v   Pasquill và Gifford thiết lập được mối quan hệ

giữa các hệ số σy và σz với khoảng cách x

theo hướng gió ứng với các mức độ bền vững

của khí quyển khác nhau

v   Quan hệ này được thể hiện dưới dạng biểu

đồ (Xem hình vẽ sau)

BK

TPHCM 6.4 HỆ SỐ KHUẾCH TÁN σy VÀ σz (2)

Chú ý khi sử dụng biểu đồ

v   Nồng độ ước tính sử dụng các giá trị

trong biểu đồ chỉ đúng với thời gian lấy

mẫu xấp xĩ 10 phút

v   Các đường cong nét liền sử dụng cho

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

31

7.7 HIỆU CHỈNH NỒNG ĐỘ CHẤT Ô NHIỄM TÍNH TOÁN TỪ

KẾT QUẢ MÔ HÌNH VÀ THỜI GIAN LẤY MẪU KHÁC NHAU

• Công thức hiệu chỉnh

• Trong đó :

• C1 : là nồng độ tính toán từ mô hình với

thời gian trung bình t1 = 10 phút

• C2 : là nồng độ tương ứng t2 : thời gian

trung bình lấy mẫu môi trường, phút

• q = 0,17 – 0,20

) 37 6 (

2

1 1 2

q

t

t C

v Nồng độ tức thời tại một điểm (x,y) trên mặt đất bằng

tổng nồng độ do từng nguồn riêng biệt gây ra trên

điểm đang xét :

) 38 6

(

) (

∑

=

i

i xy

C

C xy(tổng)

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

33

6.4 HỆ SỐ KHUẾCH TÁN σy VÀ σz (3)

v   Ngoài dạng biểu đồ, do nhu cầu lập mô hình

khuếch tán trên máy tính, các số liệu thực

nghiệm đã được sử dụng thiết lập thành công

v   Công thức tính toán của D.O Martin:

) 24 6 (

) 23 6 ( 0 , 894

f x

c

x a

d z

y

+

=

= σ

σ

BK

TPHCM HỆ SỐ KHUẾCH TÁN σy VÀ σz - BẢNG TRA

CÁC HỆ SỐ TÍNH TOÁN CÔNG THỨC MARTIN

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

35

HỆ SỐ KHUẾCH TÁN σy VÀ σz - Công thức tính toán

Cấp bền vững theo

v  Khi V s ≥ 1.5 u s thì luồng khói sẽ không bị hạ thấp hơn so với độ

cao miệng thải Chiều cao hiệu dụng tính theo công thức:

H = Δh + h s

h s : là chiều cao hình học của ống khói

v  Khi V s< u s thì luồng khói sẽ bị hạ thấp xuống dưới so với độ cao

miệng thải khi này chiều cao hình học biểu kiến của ống khói

gây ra do hiện tượng trên tính theo công thức:

Trong trường hợp này chiều cao hiệu dụng tính theo công thức:

H = Δh + h’s

) 27 6 ( 5 , 1 2

=

s

s s s

V d h h

Luồng khói không có

độ nâng cao

BK

TPHCM Sơ đồ quỹ đạo của luồng khói

Giai đoạn phụt

thẳng đứng

Ống khói

Giai đoạn uốn cong

Giai đoạn uốn cong

Giao đoạn cuối cùng của vệt khói

Khoảng cách dưới hướng gió

X f : Khoảng cách tại đó độ nâng cao vệt khói lớn nhất

Độ nâng cao của luồng khói

Chiều cao hình học của ống khói

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

39

v  Nguyên nhân gây ra độ nâng cao của luồng khói:

§  Động lượng theo phương thẳng đứng: tạo ra do vận tốc V s của

luồng khói đi lên trong khoảng thời gian ~ 30-40 s

§  Lực nổi: do sự chênh lệch nhiệt độ giữa luồng khí thải T s và nhiệt

độ môi trường T a , luồng khói đi lên trong khoảng thời gian ~ 3-4

phút

v  Nếu (T s -T a ) > 15 o C Lực nổi chiếm ưu thế

v  Độ nâng cao luồng khói tổng cộng = Động lượng phương thẳng đứng

+ Lực nổi

v  Luồng khói bị uống cong do gió

v  Sau khi nâng lên, ở khoảng cách X > X f , luồng khói sẽ khuếch tán

và trải rộng theo phương ngang

v Độ nâng cao cực đại = Độ nâng cao cuối cùng = Δh tại X = X f

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nâng cao của

luồng khói

BK

TPHCM CÔNG THỨC TÍNH TOÁN ĐỘ NÂNG CAO LUỒNG KHÓI Δh (1)

Công thức Mose and Carson Q h : Tốc độ phát thải nhiệt, kJ/s,

U s : vận tốc gió tại đỉnh ống khói, m/

s

V s : Vận tốc khí thải, m/s

d s : đường kính ống khói, m Δh: Độ nâng cao luồng khói, m P: áp suất khí quyển, mbar (1atm = 1013 mbar)

T s : nhiệt độ của khí thải, o K

T a : nhiệt độ khí quyển, o K

s

2 s

1 1 p

a s p h

TR

PM4

Vdm

CJkg1004C

)TT(CmQ

V

s u 15 5

V

s u 64 2 s

Q 2.62 s

u

d V 0.029

h

: hợp kết

thức

Công

0.5 h s

V

s u 24 2 s

s s

h s

s

s

a s s s

s

d V

Q s

d V h hoặc

T

T T Pd s

d V h

0096 0 5 1 u

10 68 2 5 1 u

3

Công thức Holland (1970):

75 0

5 0

71.2

444 0

71.4

P: áp suất khí quyển, mb

CÔNG THỨC TÍNH TOÁN ĐỘ NÂNG CAO LUỒNG KHÓI Δh (2)

BK

TPHCM 6.5 NỒNG ĐỘ CỰC ĐẠI TẠI MẶT ĐẤT

v   Sự phản xạ từ mặt đất là tăng nồng độ của

chất ô nhiễm tại mặt đất

v   Tính toán nồng độ cực đại Cmax tại mặt đất

cần thiết cho việc đánh giá ảnh hưởng của

v   Tuy nhiên, sự gia tăng nồng độ C theo phương

x không diễn ra vô hạn

v   Chất ô nhiễm khuếch tán ra xa theo phương

trục y và hướng lên theo phương trục z sẽ làm

giảm nồng độ tại mặt đất (z = 0) và giảm nồng

độ dọc theo đường trục (y = 0)

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

43

v Khoảng cách theo hướng gió có giá trị cực đại x max và

nồng độ cực đại tại điểm đó C max được thực hiện trên cơ sở

biểu đồ

v Biểu đồ trên Hình vẽ sau được thiết lập trên cơ sở công thức

(6.4) và cho điều kiện vùng nông thôn

v Trên hình vẽ sau giá trị cực đại của tham số (Cu/Q) được vẽ

theo khoảng cách có nồng độ x max trên cơ sở độ bền vững

khí quyển (s) và chiều cao hiệu dụng của ống khói (x max =

f(s, H))

v Trong tính toán các dữ liệu biết là độ bền vững khí quyển

và chiều cao hiệu dụng của ống khói, từ các dữ liệu này

xác định một điểm tương ứng trên hình vẽ Từ điểm đó đọc

được trên trục ngang giá trị x max và trên trục đứng giá trị

(Cu/Q) max và tính được C max

BK

NỒNG ĐỘ CỰC ĐẠI TẠI MẶT ĐẤT

[ Cmax

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

45

6.5 NỒNG ĐỘ CỰC ĐẠI TẠI MẶT ĐẤT

TÍNH TOÁN ĐẠI SỐ THEO CÔNG THỨC CỦA RANCHOUX

H = chiều cao hiệu dụng ống khói tính bằng m

Cu

+ +

Ghi chú: Sai số giữa kết quả tính toán từ công thức (6.25) và biểu

đồ hình vẽ 7.13 khoảng 2% cho các đường cong A, B, C và khoảng

Bức xạ mặt trời ban ngày Độ mây che phủ ban đêm

Mạnh Vừa Nhẹ Mây che

phủ mỏng

≥ 50%

Trời quang mây hay độ che phủ ≤ 3/8

A – cấp độ không bền vững (ổn định) vững mạnh; (strongly unstable); B – cấp độ

không bền vững vừa (moderately unstable); C - cấp độ không bền vững nhẹ

(slightly unstable); D – cấp độ khí quyển trung tính (neutral); E - cấp độ bền vững

nhẹ (slightly stable); F - cấp độ bền vững vừa (moderately stable)

BK

TPHCM 6.5 NỒNG ĐỘ CỰC ĐẠI TẠI MẶT ĐẤT

v Dưới điều kiện khí quyển từ không bền vững nhẹ (C)ï

vào khoảng cách x

v Giả sử tỷ số này là hằng số và cho y = 0, Công thức

(6.19) có thể được viết lại trong đó nồng độ C chỉ phụ

quyển đã cho) Aùp dụng kỹ thuật tính toán vi phân xác

định giá trị lớn nhất của x, kết quả của phép tính vi

phân (6.19) ta có:

) ' 25 6 ( 707

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

49

NỒNG ĐỘ CỰC ĐẠI TẠI MẶT ĐẤT

v Giá trị σz được xác định từ chiều cao hiệu dụng của

ống khói H

v Từ giá trị σz tính toán trên, căn cứ vào biểu đồ σz theo x

cho nhiều độ bền vững khác nhau (hình vẽ 6.12) xác

định được vị trí x max , tại đây cho nồng độ C max Từ đĩ xác

định σy

v Nồng độ cực đại trên đường trục tại mặt đất dưới

hướng gió được tính toán xấp xĩ theo công thức:

Lưu ý: Công thức này chỉ áp dụng cho điều kiện khí

) 26 6 ( 1171 ,

0

max

z y

u

Q C

σ σ

BK

TPHCM

6.10 TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CHIỀU CAO CẦN THIẾT

CỦA ỐNG KHÓI (1)

toán xác định chiều cao ống khói cần thiết để khuếch

tán chất ô nhiễm sao cho nồng độ tại một điểm xác

định nào đó tại mặt đất phải nhỏ hơn tiêu chuẩn cho

phép

v Bài toán đặt ra trong trường hợp này là: Xác định chiều

v Thải lượng phát thải Q của nhà máy công nghiệp

v Khoảng cách x dưới hướng gió yêu cầu nồng độ

chất ô nhiễm nhỏ hơn tiêu chuẩn cho phép hay nồng

độ cực đại cho phép C max

v Tốc độ gió tính toán u.

BK

TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

53

TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH CHIỀU CAO CẦN THIẾT

CỦA ỐNG KHÓI (2)Cách xác định:

v Ta có công thức (6.26): [

v trong đó tất cả các thông số ở vế phải đã biết [ xác

định được tích số σyσz

v Tra biểu đồ trên hình vẽ 6.17 xác định vị trí (*) của tích

số σyσz nằm giữa hai cấp độ bền vững của khí quyển

(căn cứ vào tỷ lệ khoảng cách thẳng đứng)

v Sử dụng vị trí (*) tra biểu đồ trên hình vẽ 6.12 để xác

định σz

Aùp dụng công thức (6.25): xác định chiều cao

hiệu dụng của ống khói

z y

u

Q C

σ σ

1171 ,

0

Q ,

max z

y

11710

=σσ

2

H

z =σ