Giáo trình bảo vệ môi trường - Phần 1 Bảo vệ khí quyển - Chương 8 docx

Trong lớp sát mặt đất, những trắc diện thẳng đứng của tất cả các đại lượng khí tượng vμ nồng độ tạp chất được viết có tính tới những thμnh tựu của lý thuyết đồng dạng vμ thứ nguyên.. Vì

Chương 8 Các mô hình số về ô nhiễm khí quyển

thμnh phố lớn

Trong những năm gần đây, đã xây dựng một số mô hình

lan truyền tạp chất từ nhiều nguồn nằm trong lãnh thổ thμnh

phố Vấn đề nμy thuộc loại những vấn đề phức tạp nhất, bởi vì

sự lan truyền tạp chất liên quan mật thiết với chế độ động lực,

nhiệt vμ ẩm của thμnh phố, tính chất của mặt đệm, thμnh phần

hóa học của tạp chất v.v

Một trong những mô hình ô nhiễm thμnh phố đầy đủ nhất

vμ tiến xa nhất được xây dựng bởi các cộng tác viên Chi nhánh

Sibiri Viện Hμn lâm Khoa học Liên Xô V V Penhenko, A E

Aloian, G L Lazriev do viện sĩ G I Marchuk đứng đầu

Hệ xuất phát gồm: a) các phương trình chuyển động,

phương trình liên tục vμ phương trình thủy tĩnh; b) các phương

trình nhập lượng (cân bằng) nhiệt vμ hơi nước; c) phương trình

vận chuyển (cân bằng) các tạp chất

Vận chuyển rối vμ nhập lượng động lượng, nhiệt lượng, hơi

nước vμ tạp chất được tính đến trong khuôn khổ lý thuyết rối

bán thực nghiệm ư bằng cách đưa ra các hệ số rối trên các

phương ngang vμ thẳng đứng

Trong lớp sát mặt đất, những trắc diện thẳng đứng của tất cả các đại lượng khí tượng vμ nồng độ tạp chất được viết có tính tới những thμnh tựu của lý thuyết đồng dạng vμ thứ nguyên ở phần bên trên, phần Ekman của lớp biên khí quyển, nghiệm số trị được xây dựng có sử dụng phương pháp tách nhánh hệ phương trình đầy đủ, trong đó giữ các nhập lượng bình lưu, đối lưu vμ rối của các tính chất, còn trong phương trình cân bằng tạp chất ư giữ các nhập lượng tạp chất từ các nguồn vμ chuyển hóa một dạng chất ô nhiễm nμy sang dạng khác Tốc độ thẳng

đứng xuất hiện do ảnh hưởng của sự phân kỳ thông lượng phương ngang cũng như do sự chảy trườn theo những yếu tố gồ ghề của mặt đất Khó khăn lớn khi xây dựng lý thuyết ô nhiễm khí quyển lμ vấn đề phát biểu điều kiện biên ở mặt đất đối với nồng độ tạp chất Tất cả khó khăn lμ ở chỗ các tạp chất khác nhau về thμnh phần hóa học tương tác không như nhau với mặt

đất: một số chất khi tiếp xúc với mặt đất thì bị hấp thụ mạnh, những chất khác ư hầu như phản xạ lại hoμn toμn Thông thường, người ta viết điều kiện biên nμy dưới dạng

) , , ( )

v q q f x y t z

q

g i

∂

∂

ρ β ρ

ở đây số hạng thứ nhất ở vế trái lμ thông lượng rối của tạp chất i, thứ hai ư thông lượng tạp chất i do rơi lắng trọng lực ( (i) ư

g

v tốc độ rơi lắng), f i(x ,y ,t)ư hμm mô tả các nguồn tạp chất tại mực mặt đất, βi ư nhân tử (với thứ nguyên tốc độ) đặc trưng cho sự tương tác của tạp chất i với mặt đệm, khi βi =0 tạp chất phản xạ từ mặt, khi βi→∞ư bị hấp thụ hoμn toμn Trạng thái hiện nay của vấn đề lμ đối với phần lớn các tạp chất giá trị của nhân tử β chưa được biết i

Phân tích kết quả tính toán cho thấy rằng, chỉ cần biết β i

trong khoảng từ 10ư5 đến 1 m/s Bên ngoμi khoảng nμy, phân bố

nồng độ các tạp chất phụ thuộc yếu vμo sự biến đổi của β ở i

một trong các thí dụ, các trị số cực đại của nồng độ đã tăng lên

khoảng hai lần khi β biến đổi từ i 10ư 5 đến 10ư3 m/s

Vì đồng thời với phương trình vận chuyển tạp chất, cần tìm

nghiệm của các phương trình nhập lượng nhiệt lượng vμ ẩm,

nên có thể mô phỏng chế độ nhiệt vμ ẩm thμnh phố Trong

phương trình cân bằng nhiệt đã tính đến các thông lượng rối

của nhiệt hiện vμ ẩn vμ thông lượng nhiệt đi vμo đất

Trong phương trình cân bằng nhiệt tại mặt đất được dùng

lμm điều kiện biên, bên cạnh các thông lượng nhiệt hiện vμ

nhiệt ẩn, bức xạ sóng ngắn vμ hồng ngoại vμ thông lượng nhiệt

đi vμo đất, đã tính đến thông lượng nhiệt nhân sinh I s tách ra

trong quá trình sản xuất vμ tiêu thụ năng lượng trong thμnh

phố Thông lượng nμy được biểu diễn dưới dạng:

] 18 / ) 6 ( [ sin 29 21 )

vμ I s(t)=21 W/m2

đối với những thời điểm khác

Như vậy, thông lượng nhân sinh bằng 21 W/m2 vμo ban đêm ư

từ 0 đến 6 giờ, sau 6 giờ tăng lên, đạt cực đại bằng 50 W/m2 lúc

15 giờ vμ giảm tới cực tiểu vμo lúc 24 giờ; lưu ý rằng theo ước

lượng ở phần lớn các thμnh phố của thế giới thì I s dao động

giữa 3ư10 vμ 50ư60 W/m2, tuy nhiên ở các khu trung tâm thμnh

phố I s có thể đạt tới 200ư300 W/m2 ở phần trung tâm Luân

đôn (diện tích khoảng 1 km2

), trung bình một ngμy phát thải nhiệt đạt 230ư259 W/m2, còn ở trung tâm New York thậm chí

600ư650 W/m2 Nói chung thông lượng I s bằng 5ư10 % của cân

bằng bức xạ (R) của mặt đất vμo ban ngμy (R≈400ư600 W/m2

)

vμ đạt 15ư25 % vμo ban đêm (ưR≈100ư200 W/m2)

Tham số gồ ghề z0 chấp nhận bằng 1 m đối với phần thμnh phố có các công trình xây dựng với độ cao trung bình 20ư30 m, bằng 0,5 m ư đối với phần công viên của thμnh phố, vμ bằng 0,1m đối với các vùng ngoại ô; albeđô mặt đất ư tuần tự lμ 0,2, 0,4, 0,3; hệ số dẫn nhiệt độ của đất ư 2,6, 1,1 vμ 1,1 W/(m.o

C) Tại thời điểm, đầu độ chênh của tất cả các đại lượng khí tượng so với các trị số trung bình của chúng được chấp nhận bằng không

Việc tính toán các đặc trưng vi khí hậu của thμnh phố được thực hiện cho trường hợp trường áp suất bị suy thoái mạnh, khi

đó tốc độ gió địa chuyển (nền) gần bằng không (u g =0), còn những đặc điểm của chế độ nhiệt vμ gió trong thμnh phố được hình thμnh chỉ dưới ảnh hưởng của những yếu tố bất đồng nhất nhiệt vật lý, bức xạ vμ ẩm của mặt đệm

Trên hình 8.1 biểu diễn biến trình ngμy của hiệu ΔT nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m ở trung tâm thμnh phố vμ ở các điểm nằm ở ngoại vi thμnh phố về phía tây bắc vμ tây nam Cực đại chính của ΔT gần bằng 3,5 o

C đạt được vμo ban đêm, trước khi Mặt Trời mọc (4 giờ 41 ph), cực đại thứ hai (gần 1,6 oC) ư vμo ban ngμy, lúc 12ư13 giờ Các cực tiểu ΔT đạt được ngay sau lúc Mặt Trời lặn (20 giờ 31 ph) vμ sáng sớm (gần 6 giờ) Thực tế trong vòng cả ngμy vμ đêm hiệu ΔT dương, vμ chỉ trong một khoảng thời gian không lớn sau hoμng hôn thì nhiệt độ không khí ở trung tâm thμnh phố mới thấp hơn một chút so với các vùng ngoại vi, chủ yếu lμ so với một điểm ở phía tây nam, nằm gần hồ chứa lớn, ban đêm nguội lạnh chậm hơn so với bề mặt đất trong

thμnh phố

Hình 8.1 Biến trình ngμy hiệu nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m giữa trung tâm

thμnh phố vμ các điểm ở ngoại vi về phía tây bắc (1) vμ tây nam (2); những dấu

gạch nối thẳng đứng ư các thời điểm bình minh vμ hoμng hôn, gạch ngang ư

các thời điểm TΔ đi qua không

đi qua trung tâm thμnh phố tại 14 giờ (a) vμ 4 giờ (b)

Kết quả tính toán trường nhiệt độ trong mặt phẳng thẳng

đứng đi qua trung tâm thμnh phố dọc kinh tuyến được thể hiện trên hình 8.2 Phần gạch chéo của trục y lμ thμnh phố, còn các hình bán nguyệt nhỏ chỉ mặt nước (sông) Vμo ban ngμy (hình 8.2 a), trên mỗi phần thμnh phố hình thμnh một đảo (vòm cung) nhiệt độc lập Cμng lên cao, những vòm cung nμy liên kết lại thμnh một vòm cung, vòm cung nμy lan cao lên tới độ cao gần

600 m Vμo ban đêm (hình 8.2 b), ở các vùng ngoại vi đến tận độ cao gần 200 m quan sát thấy phân tầng nghịch nhiệt với độ chênh nhiệt độ gần 3 o

C, bên trên thμnh phố nghịch nhiệt độ bị suy yếu mạnh ư nó lan đến độ cao gần 100 m với độ chênh nhiệt

độ xấp xỉ 1 o

C; độ cao vòm cung nhiệt ban đêm gần 400 m, tức nhỏ hơn so với ban ngμy Phân tích các dòng không khí cho thấy rằng, vμo ban ngμy ở phần dưới của lớp biên xuất hiện chuyển

động xoáy thuận (tại độ cao 50 m lúc 12 giờ tốc độ cực đại bằng 6,2 m/s), ở phần trên ư chuyển động xoáy nghịch (tại độ cao

1400 m cực đại tốc độ 1,5 m/s) Vì trong xoáy thuận quan sát thấy sự hội tụ các dòng không khí dưới ảnh hưởng của các lực

ma sát, nên bên trên thμnh phố chuyển động thẳng đứng của không khí nhìn chung lμ chuyển động thăng (w>0): lúc 14 giờ

nó lan lên trên tới độ cao khoảng 1500 m (với cực đại tốc độ 16 cm/s tại độ cao 500 m bên trên trung tâm thμnh phố), lúc 2 giờ

0

>

w tới độ cao gần 500 m (với cực đại tốc độ gần 2 cm/s tại độ cao khoảng 100 m) Tuy nhiên, bên trên mặt nước (sông) chuyển

động không khí vμo ban ngμy lμ chuyển động giáng (w<0)

Sự đánh giá đóng góp của các nhân tố khác nhau trong sự hình thμnh hiệu ΔT do các tác giả của công trình chúng ta đang thảo luận tỏ ra rất lý thú Vì hệ số dẫn nhiệt độ của đất trong thμnh phố xấp xỉ 2,5 lần lớn hơn so với các vùng ngoại vi (2,6 vμ

1,1 W/(m.C) vμ ban đêm thông lượng nhiệt trong đất hướng lên

trên, còn ban ngμy hướng xuống dưới, nên do sự khác biệt về các

tính chất nhiệt vật lý của đất ở thμnh phố vμ ngoại ô quan sát

thấy sự cao hơn của nhiệt độ không khí thμnh phố vμ hệ quả lμ

sự tăng cường độ đảo nhiệt ở gần đất vμo ban đêm vμ sự suy yếu

cường độ đảo nhiệt vμo ban ngμy Phần đóng góp cực đại của

nhân tố nμy bằng gần 1,3 o

C vμo ban đêm (lúc 3 giờ) vμ ư1,1 o

C vμo ban ngμy (lúc 9 giờ)

Sự tăng tham số gồ ghề z0 dẫn đến tăng cường thông lượng

nhiệt rối Ban đêm thông lượng nhiệt hướng từ khí quyển xuống

mặt đất, vμ nó tăng cường có nghĩa rằng nhiệt độ không khí gần

mặt đất tăng lên một cách cực đại lên 0,7 o

C, nếu z0 trong thμnh phố 10 lần lớn hơn so với ngoại ô, vμ đảo nhiệt tăng

cường Ngược lại, ban ngμy, trong phân tầng bất ổn định, nhiệt

độ không khí gần mặt đất khi tăng z0 giảm một cách cực đại

ư0,6 o

C, còn đảo nhiệt suy yếu

Giảm albeđô mặt đất trong thμnh phố xuống 0,2 trong khi

trị số của nó ở ngoại ô bằng 0,3 sẽ dẫn tới lμm tăng nhiệt độ

không khí một cách cực đại lên 0,8 o

C; dưới ảnh hưởng của sự tái sắp xếp trường chuyển động, nhiệt độ cũng tăng lên cả vμo

ban đêm

Giảm bốc hơi dẫn đến tăng nhiệt độ không khí Nếu giả

thiết rằng bốc hơi nước chỉ diễn ra từ 1/4 bề mặt thμnh phố do

giáng thủy bị mang ra khỏi thμnh phố vμ do giảm bề mặt bốc

hơi tự do, nhiệt độ không khí tại độ cao 2 m sẽ tăng một cách

cực đại lên 1 o

C vμo ban ngμy vμ 0,6 o

C vμo ban đêm

Cuối cùng, phần đóng góp của các nguồn nhiệt nhân sinh

vμo ΔT nhỏ không đáng kể vμo ban ngμy vμ xấp xỉ bằng ảnh hưởng của các nhân tố khác vμo ban đêm; trong thí dụ đang

được chúng ta bμn luận đã tính đến I s lμm tăng nhiệt độ không khí gần mặt đất trong thμnh phố lên 1,6 o

C

Dưới đây ta tổng hợp những đóng góp của các nhân tố vμo

T

Δ với những trị số nêu ở trên của các tham số:

T

Δ o

C Nhân tố