Tiểu luận môn phương pháp nghiên cứu khoa học KHÍ TƯỢNG học và ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Vấn đề ô nhiễm không khí bao gồm baphần: nguồn gây ô nhiễm, sự di chuyển hay phát tán của chúng và dối tượng tiếp nhận chúngHình Trong bài này ta sẽ đề cập đến cơ chế phát tán của chất g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHÓA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC MÁY TÍNH

BÀI TIỂU LUẬN

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, Nước ta đang trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước Nước tađang tập trung vào việc xây dựng các khu công nghiệp ở tất cả các tỉnh trên cả nước Các khucông nghiệp phát triển càng mạnh mẽ, các nhà máy, xí nghiệp cũng xuất hiện càng nhiều Chấtthải từ các nhà máy sản xuất khí thải ra với khối lượng lớn Cùng với đó, Vần đề khí thải từ cácphương tiện lưu thông cũng đang đe dọa trực tiếp và nghiêm trọng đến môi trường sinh thái, sứckhỏe con người cũng như sự phát triển kinh tế - xã hội bền vững, sự phát triển của các thế hệhiện tại và tương lai Giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệphóa, hiện đại hóa hiện nay không chỉ là đòi hỏi cấp thiết đối với cấp quản lý mà còn là tráchnhiệm của toàn xã hội Để giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường, trong đó vấn đề ô nhiễmmôi trường không khí là quan trọng nhất, chúng ta cần phải tìm hiểu được quy luật, nguyên lýcủa quá trình vận hành và phát tán chất thải không khí như thế nào? Từ đó, chúng ta mới có biệnpháp phù hợp để phòng ngừa và trách việc phát tán chất thải trong không khí càng ít càng tốt

Bài tìm hiểu gồm 3 phần:

Cơ sở lý thuyết về Khí tượng học và Ô nhiễm không khí

Thực trạng ô nhiễm không khí

Biện pháp và kết luận

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KHÍ TƯỢNG HỌC VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG

1 KHÍ TƯỢNG HỌC

1.1 Khái niệm khí quyển:

Khí quyển trái đất là lớp các chất khí bao quanh trái đất với độ cao 100 dặm từ mặt đất, nó đủ

để pha loãng lượng chất thải được đưa vào không khí Tuy nhiên 95% lượng không khí này tậptrung ở tầng đối lưu nơi xảy ra các hiện tượng thời tiết và là nơi phát sinh các vấn đề về ô nhiễmkhông khí

Hình 1: Sự phân tầng khí quyển

Mô hình thời tiết giúp xác định khối không khí ô nhiễm được phân tán trong và di chuyểntrong tần đối lưu ra sau Bên cạnh đó nó còn giúp xác định độ nồng độ chất ô nhiễm được hấpthụ hoặc lượng chất này lắng đọng trên thảm thực vật Vấn đề ô nhiễm không khí bao gồm baphần: nguồn gây ô nhiễm, sự di chuyển hay phát tán của chúng và dối tượng tiếp nhận chúng(Hình) Trong bài này ta sẽ đề cập đến cơ chế phát tán của chất gây ô nhiễm trong khí quyển dựatrên các đặt tính khí tượng

Hình 2: Đặc tính khí tượng của không khí ô nhiễm

1.2. Cơ bản về khí tượng:

Sự hấp thụ và bức xạ nhiệt của khí quyển và mặt đất là không đồng đều nhau ở nhữngđiểm khác nhau trên trái đất do ba nguyên nhân chính: bức xạ nhiệt của mặt trời, hình dángkhông đều của trái đất, bề mặt trái đất

Hình 3: Hình dáng không đều ảnh hưởng đến sự hấp thụ nhiệt của trái đất

(nguồn :Wikipedia)

Sự khác biệt này đồng thời tạo ra sư khác biệt về áp suất trong khí quyển hình thành một

hệ thống động với các khu áp cao và các khu áp thấp mang các đặt trưng về thời tiết khác nhau

Vùng áp thấp với đặt trưng của dòng không khí di chuyển cùng chiều kim đồng hồ (ởnam bán cầu) từ ngoài vào tâm áp và di chuyển thẳng đứng lên cao, nhiệt độ giảm làm hơi nướctrong khối khi này ngưng tụ và tạo thành mưa

Hình 4: Khu áp thấp với kiểu thời tiết nhiều mâyVùng áp cao với đặt trưng của dòng không khí di chuyển ngược chiều kim đồng hồ (ởnam bán cầu) từ tâm áp ra ngoài, hướng từ trên cao xuống thấp mang lại kiểu thời tiết ổn định vànắng ấm.

Hình 5: Khu áp thấp với kiểu thời tiết ổn định và nắng ấm

(nguồn :Wikipedia)

1.2.1 Sự phá tán chất gây ô nhiễm theo phương ngang

Trái đất nhận được năng lượng ánh sáng ở tần số cao từ mặt trời và chuyển đổi nó thànhnhiệt năng ở tần số thấp, sau đó được chiếu xạ trở lại không gian Quá trình truyền nhiệt trên bềmặt trái đất thực hiện qua ba hình thức: bức xạ, dẫn nhiệt và đối lưu Trong đó bức xạ là phươngpháp truyền nhiệt trực tiếp và có ít tác động lên bầu khí quyển, dẫn nhiệt là phương pháp truyền

nhiệt qua tiếp xúc vật lý (khí quyển có tính dẫn nhiệt kém do các phân tử không khí ở cách xanhau), trong khi đó đối lưu là phương pháp truyền nhiệt bằng sự di chuyển các khối khí ấm.

Hình 6: Sự phân bổ của bức xạ mặt trời với khí quyển và mặt đấtBức xạ mặt trời làm ấm trái đất và không khí phía trên nó Sự gia nhiệt này là hiệu quả nhất tại đường xích đạo và ít nhất là ở các địa cực

Hình 7: Biểu đồ nhiệt trái đất do bức xạ mặt trời

(nguồn :Wikipedia)

Ở khu vực xích đạo do nhận nhiều bức xạ nhiệt từ mặt trời khối khí ấm và mật độ thấp,khối khí này dân lên cao, mất nhiết độ và tang dần mật độ, di chuyển và chìm xuống ở cực Nếutrái đất không quay gió bề mặt sẽ có hướng từ cực về xích đạo.Tuy nhiên trái dất luôn quayquanh trục của nó nên các bề mặt mới lại được làm ấm dẫn đến Gradient áp suất của không khíkhông theo chiều của Gradian áp suất ngang, bên cạnh đó là hiệu ứng Coriolis cũng khiến hướnggió bề mặt thay đổi.

Hình 8: Mô hình hướng gió bề mặt trái đấtCác yếu tố địa hình cũng góp phần hình thành và biến đổi hướng gió bề mặt Trong trường hợp cụ thể là biển và dất liền, do khả năng hấp thụ và tỏa nhiệt của đất liền tốt hơn biển nên vào ban ngày đất liền hấp thụ nhiệt nhiều hơn nên không khí ấm hơn có áp suất thấp hơn khối khí ở biển vì vậy hình thành luồn không khí thổi từ biển vào đất liền và xảy ra hiện tượng ngược lại vào ban đêm

Hình 9: Mô hình gió biểnTrong thành phố, gạch và bê tông hấp thụ nhiệt vào ban ngày và bức xạ chúng vào ban đêm dẫn đến việc thiết lập một sự lưu thông khép kín gọi là “đảo nhiêt” Điều này khiến cho các chất gây ô nhiễm không thể phát tán ra ngoài.

Hình 10: Sự hình thành đảo nhiệt bên trên thành phố

Sự di chuyển của gió bề mặt có thể đo đạt thông qua vận tốc gió ở các thời điểm và thờigian khác nhau Các dữ liệu này được thể hiện bằng đồ thị hoa gió thể hiện hướng của vận tốc vàhướng gió từ đâu đến.

Sự định hướng của mỗi đoạn thể hiện hướng mà gió đến

Chiều rộng tỉ lệ thuận với tốc độ gió

Chiều dài mỗi đoạn tỉ lệ thuận với thời gian mà gió có tốc độ và hướng cụ thể

Biểu đồ hoa gió có ý nghĩa quan trong trong việc xác định nguồn gây ô nhiễm và tốc độ phát tán của chất gây ô nhiễm không khí theo phương ngang

Hình 11: Biểu đồ hoa gió

1.2.2 Sự phát tán chất gây ô nhiễm theo phương đứng

Khi khối không khí di chuyển lên cao do tác dụng của ngoại lực như gió, chim bay hoặc xáo trộn nào đó… dẫn đến áp suất giảm nên nó giãn nở và bị mất nhiệt độ Quá trình này khối khi không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh được gọi là hiện tượng đoạn nhiệt

 Khí quyển trung tính khi tỉ lệ giảm nhiệt đoạn nhiệt của không khí và môi trường xungquanh là như nhau

 “Siêu đoạn nhiệt” diễn ra khi nhiệt độ môi trường xung quanh giảm nhiều hơn 9.8 oC/Km

 “Đoạn nhiệt thấp” diễn ra khi nhiệt độ môi trường xung quanh giảm ít hơn 9.8 oC/Km

Hình 12: Sự tương quan thay đổi nhiệt độ của khối khí đoạn nhiệt không khí và

môi trường xung quanhTrong trường hợp “siêu đoạn nhiệt”, khối không khí chuyển động thẳng đứng kèm gia tốcnên quá trình khuyếch tán chất gây ô nhiễm thuận lợi và nhanh chóng

Hình 13: Quá trình dịch chuyển của khối khí khi diễn ra “siêu đoạn nhiệt”

Trong trường hợp “Đoạn nhiệt thấp”, khối không khí bị kìm hãm chuyển động thẳng đứng nên quá trình khuyếch tán chất gây ô nhiễm bị hạn chế

Hình 13: Quá trình dịch chuyển của khối khí khi diễn ra “đoạn nhiệt thấp”

Ngoài ra, trong thực tế khi làm lạnh lớp khí từ bên dưới, làm nóng lớp khí từ bên trên, khi

có chuyển động của dòng khí lạnh bên dưới lớp khí ấm hoặc khi có chuyển động của dòngkhí ấm bên trên lớp khí lạnh… thì sẽ xảy ra hiện tượng nghịch nhiệt Đặc điểm của hiệntượng này là khi càng lên cao (trong tầm cao nào đó) nhiệt độ không khí càng tăng Vớitrường hợp này độ ổn định của khí quyển cao hơn “dưới đoạn nhiệt” và khả năng xáo trộnkhí quyển là rất thấp

Hình 14: Biểu đồ thay đổi nhiệt độ theo chiều cao khi xảy ra nghịch nhiệt

(Los Angeles, 4 giờ chiều, tháng 10 năm 1962)Dựa vào các lý thuyết về sự ổn định khí quyển theo Gradient nhiệt độ có thể xác địnhhướng phát tán của luồn khói thải ra từ các ống khói nhà máy từ đó tính toán ra chiều cao tối ưucho cho các ống khói này

Hình 15: Các dạng khác nhau của luồn khói

1.2.3 Ảnh hưởng của nước trong khí quyển

Tỷ lệ trôi đi đoạn nhiệt khô là đặc trưng của không khí khô Nước trong không khí sẽ ngưng

tụ hoặc bay hơi; Cứ lần lượt, làm như vậy nó sẽ giải phóng hay hấp thụ nhiệt, làm phức tạp côngviệc tính toán của các tỷ lệ giảm áp suất và sự ổn định khí quyển Nói chung, khi một phầnkhông khí tăng lên, hơi nước ở đó ngưng tụ và nhiệt được giải phóng Do đó, không khí tăng lên

sẽ làm mát chậm hơn khi nó tăng lên; nói chung, tỷ lệ trôi đi đoạn nhiệt ẩm sẽ ít bị động hơn sovới tỷ lệ trôi đi đoạn nhiệt khô Tỷ lệ trôi đi đoạn nhiệt ẩm đã được quan sát thay đổi trongkhoảng từ -6.5 0C/km đến -3.5 0C/km

Nước trong khí quyển ảnh hưởng đến chất lượng không khí theo những cách khác cũnggiống như vậy Sương mù hình thành khi không khí ẩm làm mát và hơi ẩm ngưng tụ Bình xịtcung cấp các hạt nhân ngưng tụ, do đó sương mù có xu hướng xảy ra thường xuyên hơn ở cáckhu vực đô thị Ô nhiễm không khí nghiêm trọng gần như luôn luôn kèm theo sương mù (nhớrằng nguồn gốc của từ "sương khói" là "khói" và "sương mù") vì những giọt nước nhỏ trongsương mù tham gia vào việc chuyển đổi SO3 thành H2SO4 Sương mù lơ lửng trong thung lũng

và làm sự đảo ngược ổn định bằng cách ngăn chặn mặt trời làm ấm đáy thung lũng, do đó thườngkéo dài một vùng

1.2.4 Sự phát tán trong khí quyển

Phát tán là quá trình mà các chất gây ô nhiễm di chuyển qua không khí và một luồng khí lâylan trên diện rộng, do đó làm giảm nồng độ của các chất ô nhiễm mà nó chứa Các luồng khí lâylan cả hướng ngang lẫn hướng dọc Nếu Nó thuộc thể khí, sự chuyển động của các phân tử tuântheo quy luật khuếch tán khí

Mô hình thường được sử dụng phổ biến nhất cho sự phát tán của chất ô nhiễm không khídạng khí là Gaussian, được phát triển bởi Pasquill, trong đó các loại khí phát tán trong khí quyểnđược giả sử biểu hiện thông qua các hoạt động khí lý tưởng Những nguyên tắc mà mô hình dựavào các yếu tố sau:

• Lực lượng chủ yếu trong việc truyền chất ô nhiễm là gió; chất ô nhiễm di chuyển chủ yếu theohướng gió

• Nồng độ lớn nhất của các phân tử chất ô nhiễm di chuyển dọc theo đường trung tâm khí

• Các phân tử khuếch tán một cách tự nhiên từ các vùng có nồng độ cao hơn đến các vùng củanồng độ thấp hơn

• Các chất gây ô nhiễm được phát ra liên tục, và quá trình phát xạ và phát tán chất ô nhiễm ởtrạng thái ổn định

Hình 16 cho thấy các tính năng cơ bản của mô hình phân tán Gaussian, với sự sắp xếp hình họccủa nguồn gây ra ô nhiễm, gió, và khí Chúng tôi có thể xây dựng một hệ thống tọa độ Descartesvới các nguồn phát thải vào nguồn gốc và hướng gió dọc theo trục x Sự phân tán bên và dọc

theo các trục y và trục z một cách tương ứng Khi Luồng khí di chuyển theo hướng gió, nó lâylan cả sang hai bên và theo chiều dọc đi từ đường tâm luồng khí khi các phân tử khí di chuyển từnồng độ cao đến nồng độ thấp hơn Do đó,Các phần giao nhau của nồng độ chất ô nhiễm dọctheo trục y và trục z có dạng hình chuông đặc trưng của đường cong Gauss, như thể hiện tronghình.

Vì khí ở ống khói thường được phát ra ở nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh, luồngkhí nổi sẽ tăng ở một số khoảng cách trước khi bắt đầu đi theo hướng gió thổi Tổng khoảng cáchnày đi theo chiều dọc và chiều cao hình học của ống khói là:

Hình 16 Mô hình phát tán không khí Gaussian

H, chiều cao của ống khói Trên thực tế, Các nguồn của luồng khí gây ô nhiễm là mộtnguồn cao so với mặt đất ở độ cao bất kỳ

nơi C (x, y, z) là Nồng độ chất thải tại một số điểm trong không gian có tọa độ x, y, z, và

Q = tỷ lệ phát thải của các nguồn gây ô nhiễm, đơn vị tính g / sec

u = tốc độ gió trung bình, đơn vị tính m / sec

σ y = độ lệch chuẩn của hướng khói theo hướng y, đơn vị tính mét

σ z = độ lệch chuẩn của hướng khói theo hướng z, đơn vị tính mét

Các đơn vị của nồng độ là g / m3 Nồng độ ô nhiễm thường được đo ở mặt đất; có nghĩa

là, cho z = 0, phương trình 19.2 giảm đến

Đối với sự giải phóng khí thải trên mặt đất, Nồng độ tại mặt đất theo hướng gió tối đa xảy

ra dọc theo đường tâm luồng khí khi các điều kiện sau đây được thỏa mãn:

σ z=H

√2(1.6)

1.2.5 Làm sạch khí quyển:

Quá trình mà bầu không khí tự làm sạch bao gồm các tác động của lực hấp dẫn, tiếp xúc với

bề mặt trái đất, và loại bỏ bởi lượng mưa

Các hạt trong không khí, nếu nó lớn hơn khoảng một milimet đường kính, được quan sát đểlắng xuống dưới ảnh hưởng của trọng lực; các hạt carbon từ cao của xe tải diesel thải ra là một ví

dụ rất tốt về sự lắng xuống như vậy

Tuy nhiên, hầu hết các hạt của chất gây ô nhiễm không khí là đủ nhỏ mà tốc độ lắng xuốngcủa nó tạo thành sự nhiễu loạn không khí, độ nhớt, và ma sát, cũng như tốc độ của trọng lực, sựlắng xuống có thể là cực kỳ chậm

Các hạt nhỏ hơn 20 μm, đường kính sẽ ít khi lắng xuống bởi lực hấp dẫn riêng.m, đường kính sẽ ít khi lắng xuống bởi lực hấp dẫn riêng

Khí được loại bỏ bằng lực hấp dẫn chỉ khi chúng được hấp phụ trên các hạt hoặc nếu các chấtkhí ngưng tụ thành các hạt vật chất

Ví dụ SO2 ngưng tụ lại với nước và các hạt bụi trong không khí khác để tạo thành các hạtsulfate hay nước axit

Lượng mưa loại bỏ chất gây ô nhiễm từ không khí bằng hai phương pháp

Rainout là một quá trình "incloud" trong đó các hạt ô nhiễm rất nhỏ trở thành hạt nhân cho sựhình thành của những giọt mưa mà phát triển và cuối cùng rơi như mưa

Rửa trôi là một quá trình "belowcloud" mà trong đó mưa rơi qua các hạt phân tử và chất gây

ô nhiễm, mà đang bị cuốn theo bởi những giọt mưa tác động đến hoặc có thực sự hòa tan trongnước mưa

Tầm quan trọng tương đối của các cơ chế loại bỏ được minh họa bằng một nghiên cứu về khíthải SO2 trong Vương quốc Anh, nơi các bề mặt đã hấp thụ 60% lượng S02, 15% đã được lọai

bỏ bởi lượng mưa, và 25% gió thổi bay mất từ Vương quốc Anh theo hướng tây bắc tới Na Uy

và Thụy Điển

THỰC TRẠNG Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TẠI VIỆT NAM

Ô nhiễm môi trường không khí đang là một vấn đề bức xúc đối với môi trường đô thị,công nghiệp và các làng nghề ở nước ta hiện nay Ô nhiễm môi trường không khí có tác độngxấu đối với sức khoẻ con người (đặc biệt là gây ra các bệnh đường hô hấp), ảnh hưởng đến các

hệ sinh thái và biến đổi khí hậu (hiệu ứng "nhà kính", mưa axít và suy giảm tầng ôzôn), Côngnghiệp hoá càng mạnh, đô thị hoá càng phát triển thì nguồn thải gây ô nhiễm môi trường khôngkhí càng nhiều, áp lực làm biến đổi chất lượng không khí theo chiều hướng xấu càng lớn, yêu

cầu bảo vệ môi trường không khí càng quan trọng

2.1 Nguồn ô nhiễm không khí từ hoạt động công nghiệp

Công nghiệp cũ (được xây dựng trước năm 1975) đều là công nghiệp vừa và nhỏ, côngnghệ sản xuất lạc hậu, một số cơ sở sản xuất có thiết bị lọc bụi, hầu như chưa có thiết bị xử lýkhí thải độc hại Nói chung, công nghiệp cũ không đạt tiêu chuẩn về chất lượng môi trường.Công nghiệp cũ lại rất phân tán, do quá trình đô thị hoá, phạm vi thành phố ngày càng mở rộngnên hiện nay phần lớn công nghiệp cũ này nằm trong nội thành của nhiều thành phố Ví dụ ởthành phố Hồ Chí Minh, không kể các cơ sở thủ công nghiệp, có khoảng 500 xí nghiệp trongtổng số hơn 700 cơ sở công nghiệp nằm trong nội thành, ở thành phố Hà Nội có khoảng 200 xínghiệp trong tổng số khoảng 300 cơ sở công nghiệp nằm trong nội thành Trong các năm gần đâynguồn ô nhiễm từ hoạt động công nghiệp nằm trong nội thành có phần giảm bớt do các tỉnh,thành đã tích cực thực hiện chỉ thị xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm nghiêm trọng nằm xen kẽtrong các khu dân cư Ví dụ như ở Hà Nội đã đầu tư xây dựng kỹ thuật hạ tầng 10 cụm côngnghiệp nhỏ ở các huyện ngoại thành với tổng diện tích đất quy hoạch 2.573ha để khuyến khíchcác xí nghiệp cũ ở trong nội thành di dời ra các cụm công nghiệp đó Đặc biệt, thành phố Hà Nội

có chế độ thưởng tiến độ di chuyển sớm trong giai đoạn từ 2003 - 2004, mức thưởng từ 10 triệuđến 500 triệu đồng/đơn vị sản xuất Cho đến nay Hà Nội đã di chuyển được 10 cơ sở sản xuấtgây ô nhiễm nặng ra ngoại thành như: Công ty Cổ phần Dệt 10/10, Công ty Thuỷ tinh Hà Nội,Công ty Giầy Thụy Khuê, Hiện nay có 6 công ty đang di chuyển là Công ty Nhựa Hà Nội, Dệtkim Hà Nội, Xe đạp xe máy Đống Đa, Kỹ thuật điện thông, Dệt kim Thăng Long Thành phố HồChí Minh đã đưa ra chính sách thưởng 500 triệu đồng (mức cao nhất) cho những doanh nghiệp didời trong năm 2002, mức thưởng này chỉ còn 50% đối với các doanh nghiệp di dời vào năm

2003 và chỉ còn 40% nếu di dời vào năm 2004 Tỉnh Bắc Ninh và một số tỉnh khác cũng đã đầu

tư kỹ thuật hạ tầng xây dựng một số cụm công nghiệp nhỏ để tập trung các doanh nghiệp gây ônhiễm môi trường nặng nề ở đô thị và làng nghề vào các cụm công nghiệp này,