Các bước mô hình hóa

Tuy nhiên, trong khi khi quyển được làm sạch, đất có thê bị axit hoa do một sô chất ô nhiễm va điều này có thê rất cóhại đối với một sô khu vực nhạy cảm 22 Lắng đọng khô dry deposition

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH

HÓA MÔI TRƯỜNG

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH

HÓA MÔI TRƯỜNG

1

PGS.TSKH Bùi Tá Long , Đại học Bách khoa Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

NỘI DUNG

Nguồn bề mặt(area source): các nguồn thải thấp, đám cháy

Nguồn đường(line source): đường giao thông

Nguồn điểm(point source):ống khói, cống xả

Nguồn diện(non-point source) : xả thải trên diện rộng

Chuyển tải - advection

quyển theo một dòng và đi từ điểm này đến điểm khác

Đối với một tạp chất di chuyển trong một khối khí, sự tải là

sản phẩm củavận tốckhối thê tích khí

Tác nhân gây ra hiện tượng tải làgió, dòng chảy

Phương trình vi phân chuyển tải

lượng dòng vào – tốc độ khốilượng dòng ra)∆t

 Điều kiện biên: có 2 điều kiện biên, mỗi điều kiện ở mỗi đầu sông.

 Điều kiện biên Dirichlet:c t    ,0 f t, c t L g t    , 

 Điều kiện biên Neumann: c t  ,0 f t  , c t L  , g t 

Hiện tượng khuếch tán

Khuếch tán phân tử (Molecular diffusion) : Khuếch tán

phân tử là sự hòa trộn của các hóa chất hòa tan do

chuyển động ngẫu nhiên của phân tử trong chất lưu

Nó được gây nên bởi năng lượng động lượng do sự

chuyển động lắc(vibrational motion),tròn quay(rotational

motion),tịnh tiếncủa phân tử (translational motion)

Về bản chất, khuếch tán phân tử tương tự như tăng

entropy ở nơi mà các chất hòa tan di chuyển từ nơi nồng

độ cao đến nơi nồng độ thấp theo định luật khuếch tán

Định luật 1 Fick (1855)

x

C D

Thông lượng





D – là hệ số khuếch tán phân tử (có thứ nguyên là m2 /s), thông lượng – là

lượng chất chảy qua một đơn vị diện tích, có thứ nguyên là mg/m 2 s, thứ

C z

y x

C D z y x

x

C D t

t t  C t x z C

t z x

C D z y x

 Điều kiện biên: có hai điều kiện biên, mỗi điều kiện ở mỗi đầu sông.

Điều kiện biên Dirichlet: c t  ,0 f t c t L g t      , ,  hoặc điều kiện biên Neumann:

  ,0     , ,  

c t f t c t L g t x

 Điều kiện đầu:c x  0,  x

Mô hình toán hiện tượng khuếch tán

Hiện tượng khuếch tán (tiếp)

Khuếch tán rối (turbulent diffusion):khuếch tán rối hay xáo

động (turbulent or eddy diffusion) có nghĩa là sự hòa trộn

của các chất hòa tan và hạt mịn do sự rối trong phạm vi vi

mô

Sựkhuếch tán rối có bậc lớn hơn sự khuếch tán phân tử

và đây là một yếu tố tạo nên sự phân tán

Biến đổi hóa học (chemical transformation)

21

quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong khi quyển

chất ô nhiễm không khi được thải trực tiếp tư các nguồn

thải trong không khi thường được gọi là các chất ô

Lắng đọng ướt (wet deposition)

Lắng đọng ướt là một trong những cơ chê làm sạch khiquyển hiệu quả nhất

Tuy nhiên, trong khi khi quyển được làm sạch, đất có thê

bị axit hoa do một sô chất ô nhiễm va điều này có thê rất cóhại đối với một sô khu vực nhạy cảm 22

Lắng đọng khô (dry deposition)

 Lắng đọng khô của các chất ô nhiễm không khi (khí và các

hạt) là quá trình diễn ra trong quá trình lan truyền chất ô

nhiễm không khi;

 Cơ chế gây ra quá trình lắng đọng khô:

 Đối với các phân tư lớn: do lắng đọng của lực trọng trường;

 Cây cối;

 Quá trình hút hoặc phản ứng trên bê mặt trái đất

MỞ ĐẦU VỀ

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG MỞ ĐẦU VỀ

MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

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

Mục tiêu của bài giảng

 Làm quen với các bước mô hình hóa trên các ví dụ

cụ thể.

25

Ý nghĩa bài giảng

 Các phương trình vi phân xuất hiện dựa trên việc

mô tả các qui luật vật lý cụ thể.

 Để giải số các phương trình, hệ phương trình vi phân, tích phân cần sử dụng phương pháp toán khác nhau: lấy vi phân, tích phân, Runge – Kutta.

0, 3048 m.

Theo dõi tàu con thoi bằng camera

Máy camera được đặt tại mặt đất

để quay film quá trình phóng tàucon thoi, được phóng thẳng

trong đó s được đo bằng ft, t đobằng giây Camera nằm cách vịtrí phóng 2000 ft Hãy tìm tốc độthay đổi khoảng cách giữacamera và đuôi tàu con thoi 10 ssau khi phóng Giả thiết rằngđuôi tàu và camera cùng ở mặtđất vào thời điểm t=0

của các năm tiếp theo:

Vận tốc của ô tô sau khi đi

dt dx

Quần thể vi khuẩn tăng với tốc

độ 2000 trong một giờ Gọi x(t) là số lượng trong quầnthể, x tính bằng con, t tính bằng

học, sinh học

học khác nhau

Xác định các thành phần mô hình hóa

nghiên cứu và được xác định bởi mục tiêu và khả năngnghiên cứu Mô hình nhận thức chứa: mô tả giới hạn của hệđược xem xét; tập hợp các phần tử của hệ; tập hợp các mốiliên hệ giữa các phần tử của hệ; danh mục các quá trìnhdiễn ra trong hệ; danh mục các tác động bên ngoài và bêntrong của hệ

 Biến trạng thái:giống như tên gọi của nó, mô tả tình trạngcủa hệ sinh thái Việc lựa chọn biến trạng thái cho bài toán

mô hình hóa là rất quan trọng và nó phụ thuộc vào mục tiêu

… Tiếp theo

 Hàm điều khiển (hay còn gọi là biến ngoại sinh): là hàm số của các biến

đặc tính bên ngoài có ảnh hưởng đến tình trạng của hệ sinh thái Trong

quản lý môi trường, bài toán cần giải quyết có thể được trình bày lại như

sau: nếu với các hàm điều khiển bất kỳ khác nhau thì tình trạng của hệ

sinh thái sẽ bị ảnh hưởng như thế nào?

 Phương trình toán học: được sử dụng để biểu diễn các quá trình sinh

học, hóa học và vật lý Chúng mô tả mối quan hệ giữa hàm điều khiển và

biến trạng thái Cùng một phương trình có thể được sử dụng trong nhiều

mô hình khác nhau Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là cùng một quá

trình sẽ luôn luôn được biểu diễn bằng cùng một phương trình.

 Các tham số: là các hệ số trong các phương trình toán biểu diễn quá

trình Chúng có thể được xem là hằng số đối với một hệ sinh thái đặc

biệt hoặc một phần của hệ sinh thái Trong bài toán đang xem xét Vi là

thể tích hồ chứa i là tham số được xét tới.

 Các hằng số: thường được sử dụng trong hầu hết các mô hình.

41

Xây dựng phương trình vi phân

hành của hệ thống cũng như một số giải thiết lý tưởng hóabài toán thực tế Phương trình vi phân được xây dựng dựatrên định luật bảo toàn: khối lượng, động lượng và nănglượng

42

Ví dụ mô hình hóa môi trường

Cho một hệ thống ba hồ nước được kết nối với nhau Mỗi hồ được coi là một hình hộp lớn và các kênh kết nối các hồ như đường ống giữa các hình hộp đó Hướng dòng chảy trong các kênh hoặc ống dẫn được chỉ định bởi các mũi tên trên hình

vẽ Một chất gây ô nhiễm được đưa vào hồ đầu tiên tại đó hàm p(t) biểu diễn khối lượng chất ô nhiễm đi vào

hồ trên một đơn vị thời gian Hàm p(t) có thể không thay đổi hoặc có thể thay đổi được theo thời gian.

Bài toán chúng ta quan tâm ở đây là xây dựng phương pháp đánh giá mức độ ô nhiễm ở mỗi hồ bất kì thời điểm nào.

43

Bước 1: Xây dựng mô hình lý luận

 Thể hiện quan điểm nghiên cứu và được xác định bởi mục tiêu và khả năng nghiên cứu.

 Mô tả giới hạn của hệ được xem xét;

 Tập hợp các phần tử của hệ;

 Tập hợp các mối liên hệ giữa các phần tử của hệ;

 Danh mục các quá trình diễn ra trong hệ;

 Danh mục các tác động bên ngoài và bên trong của hệ.

44

Bước 2: Xây dựng phương trình vi phân

Với mục tiêu nàu ta đưa vào xem xét ba biến trạng thái là x i (t) – lượng chất ô nhiễm

cụ thể (ví dụ BOD) trong hồ thứ i tại thời điểm t  0 , trong đó i = 1,2,3.

Giả sử chất ô nhiễm trong mỗi hồ được phân bố đồng đều trong hồ của suốt quá trình

pha trộn và thể tích nước Vi (m 3 ) trong mỗi hồ i là một hằng số Nồng độ của chất ô nhiễm

trong hồ i mỗi thời điểm t được cho bởi công thức:

  i i i

x t

c t V

 (kg/m 3 )

Tiếp theo, để xây dựng phương trình vi phân, ta đưa vào xem xét ký hiệu: Fji (m 3 /s) là

lưu lượng dòng chảy từ hồ i vào hồ j Để cho thể tích của mỗi hồ không thay đổi, tỷ lệ lưu

lượng vào hồ mỗi phải cân bằng với các dòng chảy ra từ hồ Vì vậy, các điều kiện sau đây

phải được thực hiện: Hồ 1: F 13 = F 21 + F 31 ; Hồ 2: F 21 = F 32 ; Hồ 3: F 31 = F 32 + F 13 ; F 12 = 0.

45

Bước 2 (tiếp theo)

Định nghĩa Tốc độ dòng giữa hai trạng thái i và j là lượng vật chất dịch chuyển từ trạng thái

i đến trạng thái j của hệ trong một đơn vị thời gian (kg/s) Tốc độ dòng được ký hiệu J(j,i).

Dựa trên các ký hiệu ở trên có thể thấy rằng:

 

13 3 3

(2,1) F

V



Định luật bảo toàn khối lượng Tốc độ biến đổi của một biến trạng thái i của hệ bằng

tổng tất cả các hiệu quả thực sự của các dòng vật chất đối với biến đó trong một đơn vị thời gian Nói một cách khác là bằng tổng tất cả các tốc độ dòng vật chất đi vào trừ đi tổng tất cả các dòng vật chất đi ra từ biến i.

46

Bước 2 (TT): Hình thành phương trình vi phân

Dựa trên định luật bảo toàn khối lượng viết cho biến x 1 (t) ta nhận được

Đặt điều kiện ban đầu (điều kiện biên)

m 3 Giả thiết rằng tốc độ dòng tương ứng bằng: F21 = 18 m 3 /năm,F32 = 18 m 3 /năm, F31 = 20

m 3 /năm, F13= 38 m 3 /năm Trong một thời gian ngắn có một lượng chất ô nhiễm đổ vào hồ

1: p(t) bằng với 100 đơn vị cho suốt 10 đơn vị thời gian Giả thiết rằng không có chất ô

nhiễm xâm nhập vào các hồ khác Hãy làm sáng tỏ mức độ ô nhiễm trong các hồ sau một vài thời điểm cụ thể.

52

Các hệ thống đo đạc liên quan

54

Áp kế (barometer)

 Áp suất khí quyển (gọi tắt là khí áp)

 Áp kế là thiết bị dùng để đo áp suất khí

Đo gió (anemometer)

trắc khí tượng bề mặt số 94TCN 6 – 90”

 Số liệu gió được biểu thịbằng hai chỉ số là hướng

và tốc độ (m/s, km/h hoặccấp gió)

tốc độ quay của chong

Đo bốc hơi (evaporation, transpiration)

diện tích bề mặt trong một đơn vị thời gian được biểu thị

bằng khối lượng hay thể tích nước lỏng trên đơn vị diện tích

và đơn vị thời gian

Lều tự ghi nhiệt độ, độ ẩm không khí

58

Quan trắc mây

treo lơ lửng trong khí quyển ở phía trên Trái Đất (hay trên bề

mặt các hành tinh khác) mà có thể nhìn thấy

mây, mây phụ và độ cao chân mây trên mặt trạm

59

Dụng cụ đo bức xạ (pyranometer)

 Bức xạ mặt trời là dòng vật chất và năng lượng của Mặt Trời phát ra.

Đây chính là nguồn năng lượng chính cho các quá trình phong hóa, bóc mòn, vận chuyển, bồi tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong hệ Mặt Trời.

 Năng lượng bức xạ Mặt trời thường biểu diễn bằng cal/cm².phút

 Năng lượng bức xạ Mặt trời ở gần Trái Đất ở vào khoảng 2 cal/cm².phút (hằng số mặt trời), có phổ nằm trong dải bước sóng 0,17-4 μm với cực đại ở khoảng 0,475 μm.

60

Thiết bị quan trắc không khí di động

Hệ thống cọc đo mực nước Thủy chí

Lowrance sonar fish-finders and GPS Đo trên sông Truồi, 3/2011

Ship

Acoustic Doppler Current Profiler ADP và Mini ADP

Đo mực nước

H, đo bằng cm, m) là độ cao

mặt thoáng của dòng nước

so với một mặt chuẩn qui

ước

đối và tương đối

trình mặt thoáng của nước so

với cao trình "0 chuẩn quốc

Mặt chuẩn quy chiếu khi đo mực nước :

– Ký hiệu độ cao không đổi: mựcnước đo trên các dụng cụ đophải quy về một mặt chuẩn quychiếu của trạm có cao độ làhằng số với thời gian

– Để cho việc lấy số đo mực nướcluôn dương, cao độ mặt quychiếu của trạm phải nằm sâuhơn mực nước thấp nhất tạituyến đo ít nhất là 0,5 m

mực nước biến đổi nhanh

(mùa lũ), người ta tiến hành

quan trắc bổ sung cách

nhau 2,4,6 giờ tức là đo 4,

8, 12 lần trong ngày

mực nước lên với nhịp độ

nhanh

73

Đo sâu

 Độ sâu ký hiệu là h đo bằng đơn vị cm, m là khoảng cách từ mặt

thoáng nước tới đáy sông theo chiều thẳng đứng.

 Mục đích của công tác đo sâu là xác định độ sâu và tính chất của địa hình đáy sông, hồ, hồ chứa Sau công tác đo sâu có thể lên được sơ

đồ lòng sông hoặc đáy các thuỷ vực nghiên cứu Ngoài ra tài liệu đo sâu còn phục vụ cho việc tính toán nhiều đặc trưng thuỷ lực và thuỷ văn khác.

 Độ sâu thường được đo tại các thuỷ trực đo sâu Thuỷ trực là một đường thẳng tưởng tượng vuông góc với mặt thoáng của nước và đáy sông mà trên đó người ta tiến hành đo sâu hoặc đo vận tốc.

 Đo sâu là công việc không thể thiếu khi đo vận tốc và tính lưu lượng.

b(x) - Cao trình đáy

 (x,t) - Cao trình mặt nước h(x,t) - Độ sâu

74

75

Các dụng cụ đo sâu

– Làm bằng kim loại hoặc gỗ có bịt sắt 2 đầu dài từ 1,5 – 2

m Chỉ dùng thước đo khi độ sâu điểm đo không quá 2

m

– Đo bằng thước thường rất chính xác và dễ sử dụng, tuy

nhiên bị hạn chế bởi độ sâu điểm đo

– Dạng hình trụ, đường kính từ 6 – 8 cm làm bằng gỗ có

độ dài từ 3 – 4 m

– Dùng khi đo đạc ao hồ, độ sâu khống chế là 4 m

– Chỉ đo được ở nơi có vận tốc dòng chảy bé v < 5 cm/s

đo được ở bất kì độ sâu nào

Các dụng cụ đo sâu

thể đo được ở bất kì độ sâu nào

 Bộ dụng cụ gồm: tời, tải trọng, ròng rọc và giá đỡ

Tải trọng

Ròng rọc – Giá đỡ

76

Đo lưu tốc

 Các loại lưu tốc được xác định:

– Lưu tốc tức thời của dòng chảy là lưu tốc tại một thời điểm nào

đó.

– Lưu tốc bình quân theo thời gian là giá trị trung bình của lưu tốc

dòng chảy tại một điểm nào đó trong một thời gian nào đó.

– Lưu tốc bình quân theo không gian là giá trị bình quân thủy trực

và lưu tốc trên mặt cắt ngang.

 Lưu tốc là một đặc trưng thủy lực quan trọng rất cần cho việc tính

toán thủy văn, thủy lực.

 Trong thực tiễn, vận tốc trung bình được tính theo công thức:

Với T là thời đoạn lấy trung bình vận tốc

78

Phân bố lưu tốc theo không gian

1) Đặc trưng cho sông vùng núi, lưu tốc bề mặt lớn 2) Đặc trưng cho vùng đồng bằng

3) Phân bố lưu tốc chịu ảnh hưởng ghồ ghề của đáy sông 4) Phân bố lưu tốc ảnh hưởng của thuỷ triều.

2)

Các nguyên tắc để đo vận tốc dòng chảy

Đo lưu lượng nước

 Lưu lượng nước là một thể tích nước chảy qua một thiết diện ngang của dòng chảy trong một đơn vị thời gian Đơn vị đo là m 3 /s hoặc l/s.

 Có 2 phương pháp xác định lưu lượng nước: đo trực tiếp và đo gián tiếp.

 Đo trực tiếp: bằng các dụng cụ đo đặt dưới dòng nước, đồng thời đo thời gian lúc đầy dụng cụ chứa Áp dụng trên các dòng chảy bé như suối, kênh, rạch … Phương pháp này có độ chính xác cao

 Đo gián tiếp:

– Phương pháp lưu tốc – diện tích: xác định lưu lượng theo vận tốc dòng chảy và diện tích mặt cắt ngang.

– Xác định lưu lượng nhờ các công trình như: kênh đào, đập chắn,

Công tác đo lưu lượng nước

Mô tả đoạn sông, thời tiết và các yếu tố xác định điều kiện

làm việc

Đo vận tốc trên thủy trực

mặt cắt ngang, tốc độ bình quân mặt cắt, sau đó tính lưu

lượng nước