Mô hình hóa ô nhiễm không khí

 Các chất ô nhiễm không khi lắng đọng trên bê mặt không chỉ của khu  Ô nhiễm không khí ở châu Á thực sự là một vấn đề xã hội nghiêm trọng.. Thành phố đẹp quá MÂY SƠNG KHU CƠNG NGHIỆP C

MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

PGS.TSKH Bùi Tá Long , Khoa Môi trường và Tài nguyên, Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh

1

4

Giám sát ô nhiễm không khí

C K y x

C u t

C

z y

6

Lan truyền ô nhiễm không khi trên diện rộng

 Ô nhiễm không khi, va đặc biệt trong

việc giảm ô nhiễm không khi đến

một mức chấp nhận được, là một

vấn đê môi trường quan trọng;

 Ô nhiễm không khi không giới hạn

trong các vùng có nguồn thải lớn.

 Các chất ô nhiễm không khi lắng

đọng trên bê mặt không chỉ của khu

 Ô nhiễm không khí ở châu Á thực

sự là một vấn đề xã hội nghiêm trọng Cần phải tính đến những lộ trình tối ưu nhằm giảm thiểuđến mức tối đa ô nhiễm không khí và tình trạng trái đất ấm lên.

Vấn đê cần quan tâm

khơng khi cần giảm đến các mức đơ

này nhưng khơng nên giảm hơn,

(do chi phí thêm cĩ thê rất đắt, va vì

vậy, cĩ thê gây nên những kho

khăn lớn vê mặt kinh tê).

Thành phố đẹp quá

MÂY

SƠNG

KHU CƠNG NGHIỆP

Cây xanh

NÚI

NÚI

NƠNG NGHIỆP

N G G I Ệ

ĐẤT

ĐẤT

NẮNG

MƯA SẤM CHỚP

Cơng viênCây

Cây xanh

9

Vai trị của mơ hình tốn

 Các mơ hình tốn biểu diễn hiện tượng ơ nhiễm khơng khi là những cơng cụ khơng thê thiếu trong quá trình nơ lực giải quyết các bài tốn được phác họa ở trên.

 Để giảm tối ưu mức ơ nhiễm khơng khi đến mức độ chấp nhận được cĩ thê được giải quyết thành cơng chỉ khi sư dụng các mơ hình tốn học

ơ nhiễm khơng khi đáng tin cậy. NGUỒN

NGUỒN TIẾP NHẬN

TẢI + PHÂN TÁN PHÁT THẢI

Mô hình khí tượng, phát thải và phát tán Các bước mô hình hoá ô nhiễm không khí

14

Trạng thái khí quyển

Sự phân bố nhiệt độ theo độ cao

Nhiệt độ Lúc sáng sớm

Bình minh + 4 h Bình minh + 2 h Khí quyển siêu đoạn nhiệt >

Phân bố nhiệt độ theo chiều cao vào các thời gian khác nhau trong ngày khi thời tiết nắng ráo, không mây và gió nhẹ

Trạng thái khí quyển

 Với trạng thái biến thiên nhiệt độ theo chiều cao nào đó mà lực

tác động vật lý của khí quyển làm cho chất ô nhiễm khuếch tán

theo chiều cao không dễ dàng thì gọi là khí quyển ởtrạng thái ổn

định,tức là khí quyển ổn định sẽ cản trở sự khuếch tán và pha

loãng của chất ô nhiễm;

 Ngược lại với profile biến thiên nhiệt độ theo chiều cao nào đó mà

sự hòa trộn không khí theo chiều cao được dễ dàng thì sẽ làm

cho chất ô nhiễm không khí khuếch tán (pha loãng) trong khí

quyển dễ dàng thì gọi là khí quyển ởtrạng thái không ổn định

 Ở giữa hai trạng thái trên làtrung tính

17

CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA

LUỒNG KHÓI

18

Hình dạng khác nhau của luồng khói

 Looping – luồng khói uốn lượn;

 Coning – luồng khói hình côn;

 Fanning – Luồng khói hình quạt;

 Lofting – luồng khói khuếch tán mạnh ở biên trên

 Fumigation – luồng khói “xông khói”;

 Trapping – luồng khói mắc kẹt;

Uốn lượn (looping)

 Khi quyển không ổn định mạnh (khi phân bô nhiệt đô theo

chiều cao siêu đoạn nhiệt);

 Thường xảy ra vào ban ngày khi mặt trời đốt nóng mặt đất với

Hình thành trong điều kiện trung tính hoặc gần trung tính khi trời

có mây che phu làm cho mặt trời vào ban ngày bị che phu hay bức

xa hồng ngoại tư mặt đất vào ban đêm bị giảm;

Xảy ra trong điều kiện khi quyển ổn định với phân bô

nhiệt theo chiều cao nghịch nhiệt;

Rối theo chiều đứng bị triệt tiêu, chỉ có phát triển theo

chiều ngang;

Luồng khói hình quạt- lớp nghịch nhiệt tư bê mặt đất đến

đô cao trên ống khói

 Chất ô nhiễm sẽ tích tụ ở gần mép trên của lớp nghịch nhiệt;

 Chất ô nhiễm khuếch tán thuận lợi ở phía trên;

 Thường xảy ra khi mặt trời xuống.

Xông khói (fumigation)

Luồng khói khuếch tán mạnh ở phía dưới;

Thường xảy ra vào buổi sáng sớm;

Luồng khói khuếch tán mạnh ở biên dưới

Mắc bẫy (trapping)

Nghịch nghiệt bên dưới và bên trên ống khói

Luồng khói bị hạn chê cả ở biên trên lẫn biên dưới

Chất ô nhiễm rất kho khuếch tán lên trên lẫn xuống dưới

29

Key words: tư khóa cần nhơ

Adiabatic (đoạn nhiệt): chỉ tính chất của môi trườngkhông khí khi sư trao đổi nhiệt với môi trường không đulớn đê diễn ra sư cân bằng nhiệt nên có thê bỏ qua;

Gradian nhiệt đô đoạn nhiệt: đô hạ hoặc tăng nhiệt đôcủa một khối khi khi lên cao hoặc xuống thấp;

Đô ổn định của khi quyển: không ổn định, trung tính, ổnđịnh;

30

MÔ HÌNH GAUSS - PASQUILL

Đối tượng thật Quá trình lan truyền chất ô nhiễm

Xây dựng mô hình ý niệm

37

Xác định biến và tham số

Xây dựng phương trình,

thiết lập bài toán

Vệt khói tức thời và trung bình

Dạng vệt khói

Mô hình ý niệm Gauss

Sự thay đổi theo hướng x

 3 2 

A u C

 C u A  dx A

Kz

zC

Kz

44

Sự thay đổi theo hướng y do khuếch tán rối

C K y x

Một số giả thiết

Nghiệm không phụ thuộc vào thời gian (các tham số phát thải làkhông đổi)

Vận tốc gió không đổi

Hệ số khuếch tán không phụ thuộc vào tọa độ không gian

Sự khuếch tán theo hướng x là nhỏ so với vận tốc lan truyền

Giải bài toán biên

Mô hình Gauss cơ sở cho nguồn thải mặt đất

y,z - được gọi là các hệ số phạm vi khuếch tán theo phương

ngang va phương đứng, có thứ nguyên là độ dài (do Ky, Kz– có

thứ nguyên là m2/s)

51

 2  2 2

Gauss biến đổi (Gaussian plume formula)

Phản xạ hoàn toàn tại mặt phẳng z = 0

 2  2 2

Gauss tức thời (Gaussian puff formula)

exp22

exp2

y x z

y x

H z H

z y

t u x Q

exp22

exp2

y x z

y x

H z H

z y

t u x Q

,(

z y

z y

H y

y x

(

z z

y

H u

M x

z

 y,z - phụ thuộc vào

khoảng cách x, độ ổn định củakhí quyển và vận tốc gió

X

Công thức tính y(x), z(x) cho vùng nông thôn

 B - không bền vững loại trung bình

 C - không bền vững loại yếu

 D - trung hòa

 E - bền vững yếu

 F - bền vững loại trung bình

59

Phân loại độ bền vững khi quyển theo Pasquill

Vận tốc gió tại độ cao 10 m Điều kiện thời tiết ban ngày Điều kiện thời tiết ban đêm

Bức xạ mặt trời ban ngày Độ che phủ ban đêm (hệ số mây) Mạnh

(biên

độ >

60 0 )

Trung bình (Biên

độ

35-60 0 )

Yếu (Biên

độ 15 –

35 0 ) Lớn hơn 50% Nhỏ hơn 50%

Lưu ý А – rất không ổn định; В – không ổn định vừa phải; С – không ổn định yếu; D – điều kiện trung tính; E –

điều kiện ổn định yếu; F – điều kiện ổn định vừa phải.

60

Một sô công thức tính toán độ

nâng vệt khói

61

Công thức Davidson

m T

T u

D h

khoi

,14 / 1

4 / 1

T u D h

khoi

4 /

T khoi – nhiệt độ của khói tại miệng ống khói, 0 K.

ΔT – chênh lệch nhiệt độ giữa khói và không khí xung quanh, 0 K.

P – áp suất khí quyển, milibar (1 atm = 1013 mbar);

quanh, K

a – là hệ số hiệu chỉnh

Cấp A , B và C – nhận với hệ số 1.1 – 1.2;

Cấp D, E, F – nhân hệ số 0.8 – 0.9

Hạn chế của mô hình Gauss

Chỉ ứng dụng trong trường hợp bề mặt tương đối phẳng;

Rất khó lưu ý tới yếu tố cản;

Các điều kiện khí tượng là không đổi trên một diện rộng;

Chỉ ứng dụng tốt đối với khí có mật độ gần với không khí;

Vận tốc gió trung bình u > 1 m/s.

Step by step trong mô hình Gauss

,

(

z y

z y

H y

u

M y

(

z z

y

H u

M x

, 20010

, 200

p m m

Tự động hóa tính toán sự phát tán

69

Tự động hóa tính toán vệt nâng

_ 3

1.5 2.68.10 khoi xung quanh

exp2exp

Các phương trình cơ bản trong mô hình Berliand;

Bài tập, ứng dụng các phần mềm CAP, ENVIMAP;

Tóm tắt

73

Sự phân loại theo WMO

 Mô hình thống kê kinh nghiệm;

 Mô hình thống kê thủy động;

 Mô hình sô trị,

74

Mô hình Gauss

Dưa trên cơ sơ ly thuyêt toán học Gauss

 Các nha toán học co công phat triên mô hình này là Taylor

(1915), Sutton (1925 – 1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill

(1962 – 1971), Seifeld (1975)

Gân đây đươc các nha khoa học môi trương cua các nươc

như My, Anh, Phap, ứng dụng và hoan thiên mô hình tính

theo điêu kiên cua môi nươc

75

Mô hình thống kê thủy động

Còn gọi là ly thuyết nửa thư nguyên (còn gọi là mô hìnhK) Mô hình này được Berliand (Nga) hoàn thiện va ápdụng ở Liên Xô;

Ở Việt Nam, một sô nha khoa học đa áp dụng mô hìnhnày cho một sô công trình, dư án

76

Mô hình sô trị

 Tưc là giải các hê phương trình vi phân băng phương

phap sô;

 Viêc triên khai mô hình này tại Việt Nam đoi hỏi thơi

gian vì sô liêu cho mô hình con thiêu và phương tiên

tính toán chưa đu mạnh

77

Phương trình xuất phát

 C – nồng đô trung bình của chất ô nhiễm (mg/m3);

 x,y,z – các thành phần tọa đô theo 3 trục Ox, Oy, Oz;

 t – thời gian;

 Kx, Ky, Kz– các thành phần của hê sô khuếch tán rối theo 3 trục

Ox, Oy, Oz;

 Vx, Vy, Vz– các thành phần của tốc đô trung bình theo ba trục

Ox, Oy, Oz ;

 α - hê sô tính đến sư biến đổi chất ô nhiễm thành các chất khác

do quá trình phản ứng hóa học xảy ra trên đường lan truyền

CK

KK

VV

C y x

C x z

C y

C x

C t C

78

Các giả thiết làm đơn giản bài toán

Công suất của nguồn điểm phát thải là liên tục va coi là

Nếu hướng trục Ox trùng với hướng gio thi thành phần vận

tốc gio chiếu lên trục Oy sẽ bằng 0

u V

V x    V y 0

Các giả thiết làm đơn giản bài toán

Trên thực tê thành phần khuếch tán rối theo chiều gio nho hơnrất nhiều so với thành phần khuếch tán rối theo phương vuônggóc với chiều gio, khi đo:

0)

Sau các phép đơn giản trên

 Tốc đô thẳng đứng thường nho so với tốc đô gio nên có thê bo

qua, trục z thường lấy chiều dương hướng lên trên, do đo đối với

bụi nặng thi thành phần Vzsẽ bằng tốc đô rơi của hạt (dấu âm),

còn đối với chất ô nhiễm khi va bụi nhe thi Vz= 0

C y x

C

z y

x y

Giả thiết đi kèm

 Trong đo u1 , k1– là vận tốc gio va hê sô rối đo đạc vachỉnh ly tại đô cao z1= 1 m; n va m là các tham sô khôngthư nguyên được chỉnh ly tính toán tư sô liệu đo đạc trongtầng không khi sát đất ở các khu công nghiệp (thường thingười ta lấy xấp xỉ m ≈ 1, n ≈ 0,15, z1= 1m),

 k0được xác định trên cơ sơ giải bài toán ngược khuếchtán rối (kết quả nhận được cho thấy k0bằng 0.1 – 1 m phuthuộc vào mức ổn định của tầng kết)

m z

84

y x k n

H u x

k k n

M y

x

0

2 1 2

1 1 2

0

10,,

y x k n

H u x

k k n

M y

x

0

2 1 2

1 1 2

1

1

21

116

0

u k

k H

u

M n

 2 1

1 1

13

2

n k

H u



Các biểu thức chính trong mô hình

 M – Lượng thải (công suất nguồn thải) (mg/s);

 k 1 – là hê sô khuếch tán rối đứng ở đô cao z 1 = 1m (m 2 /s);

 n – sô mũ hàm biến thiên tốc đô gio n = 0.14 – 0.23 Thường lấy n=0.14 trong điều kiện bất ổn định va n = 0.2 khi khi quyển ổn định;

 k 0 – Kích thước khuếch tán rối ngang (m): k 0 =k y /U;

 u1– Tốc đô gio tại đô cao z1= 1 m.

y x k n

H u x

k k n

M y

x

0

2 1 2

1 1 2

0

10,,

Z

91

Xác định hệ số khuếch tán rối ngang K0

Độ dày của lớp biên

Vận tốc gió ở ngoài lớp biên

hệ số K0

z

K K



205.0

z

z

K h





1

1205.0

0

0

10 ln10 lnlnln

Z Z h V

0

,

,

x k x k n

u MH y

y x k n

H

0 2 1 2

1 1

41

exp

w - là tốc đô rơi của các hạt có dạng hình cầu, trong đo ρ p

-mật đô các hạt bụi, r p - bán kính của chúng Trong công

thức trên w được xác định bằng cm/s, còn ρ p va r pđược cho

bằng g/cm3vam tương ứng

2

2.10.3

063

1 0

1 1

1 1

k

k H

u

M n

1 1)5.1()1

H u

 M – Lượng thải (công suất nguồn thải) (mg/s);

 k1– là hê sô khuếch tán rối ở đô cao z1= 1m (m 2 /s);

 n – sô mũ hàm biến thiên tốc đô gio n = 0.14 – 0.2 Thường lấy n=0.14 trong điều kiện bất ổn định va n = 0.2 khi khi quyển ổn định (GS Lê Đình Quang đã tính cho Hà Nội);

 k0– Kích thước khuếch tán rối ngang (m): k0=ky/U;

 u 1 – Tốc đô gio tại đô cao z 1 = 1 m.

1 2 1

1

1 1

Độ cao hữu dụng theo Berliand

 V10– Vận tốc gio tại đô cao 10 m;

 ΔT – Hiệu nhiệt đô giữa khi thải ra khỏi miệng ống khói (T r , 0 C)

va nhiệt đô môi trường không khi xung quanh (T k , 0 C);

 W0– Tốc đô phụt ra của luồng khi thải (m/s);

0 0

.1,273

3,35,2 5,1

V T

T R g V

R W H

k



h h

0

0

1, 273 3 , 3 5

M y

0 2 1

1 1 2 0

1 0 ,

100

Hệ số trung bình về tần suất gió

gió - Thời gian có gio trên tất cả các hướng;

lặng- Thời gian lặng gio;

o =gió+lặng - Tổng thời gian quan trắc (ngày đêm,

tháng hoặc năm);

- thời gian có gio trên hướng;

m – sô hướng gio, thông thường m = 8 hoặc 16

 

Công thức tính nồng độ trung bình tháng

) 1 )

m i lang lang i

P [

1 ) i ( lang lang n 1 i ) tong

thư i gây ra;

105

Các ký hiệu

Cxy(tổng) - nồng đô tổng cộng trung bình do n nguồn thải gây

ra tại điểm tính toán;

Clặng(i) -nồng đô tức thời do nguồn thải thư i gây ra tại điểmtính toán khi lặng gio (u=0);

C(i) - nồng đô tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tínhtoán khi có gio thổi theo hướng ứng với vận tốc gio trungbình trên hướng đo va đô ổn định trung bình của khi quyểntrong suốt khoảng thời gian tính toán trị sô trung bình (ngàyđêm, tháng hoặc năm)

106