đồ án mô hình hóa môi trường

CHƯƠNG I: LÝ THUYẾT1.1 Mô hình GAUSS(Mô tả kết quả tính toán khi thay đổi các yếu tố về vận tốc gió, độ khuếch tán, loại ổn định không khí đến nồng độ C trong mô hình GAUSS.)+ Tháng 34 (hướng gió chủ đạo là hướng Nam, vận tốc gió trung bình 2ms) Nồng độ cực đại: 0.000761 (mgm3); x max= 200(m) và độ nâng luồng khói H: 16.91(m). Đồ thị phân bố theo hướng gió: + Tháng 510 (hướng gió chủ đạo là hướng Tây Nam, vận tốc gió trung bình 3ms) Nồng độ cực đại: 0,000753(mgm3); xmax= 216(m) và độ nâng luồng khói H:17,11(m). Đồ thị phân bố theo hướng gió: Hệ số khuếch tán và loại ổn định không khí đến nồng độ C theo mô hình Gauss và Hệ số khuếch tán σy, σz là sai lệch chuẩn của hàm khuếch tán Gauss theo phương ngang và đứng. Hệ số σy, σz phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn thải và tính ổn định của khí quyển. Hệ số này được xác định theo biểu đồ thực nghiệm của Gifford xây dựng năm 1960 Cấp ổn định của khí quyển được phân thành 6 cấp theo Turner như sau: 1 Là nắng mùa hè, mặt trời có góc cao > 〖60〗0 Là nắng mùa hè, trời có mây và trong sang, góc cao mặt trơi là 〖30〗0 〖60〗0 Nắng buổi chiều mùa thu hay ngày mùa hè có mây, mặt trời ở góc cao 〖15〗0 〖35〗0

ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

KHOA MÔI TRƯỜNG

- -ĐỒ ÁN MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: PGS.TS Mai Văn Trịnh

Hà Nội, 12/2015

MỤC LỤC

DANH SÁCH THÀNH VIÊN TRONG NHÓM

4 Nguyễn Thu Thảo DC00200995

+ Tháng 3-4 (hướng gió chủ đạo là hướng Nam, vận tốc gió trung bình 2m/s)

Nồng độ cực đại: 0.000761 (mg/m3); x max= 200(m) và độ nâng luồng khói H:

16.91(m)

Đồ thị phân bố theo hướng gió:

+ Tháng 5-10 (hu ng gió chu ao là hu ng Tây Nam, v n tôc gió trung bình 3m/s) ̛ớ ̉ đ ̣ ̛ớ ậ ́

Nồng độ cực đại: 0,000753(mg/m3); xmax= 216(m) và độ nâng luồng khói H:17,11(m)

Đồ thị phân bố theo hướng gió:

Hệ số khuếch tán và loại ổn định không khí đến nồng độ C theo mô hình Gauss

và

Hệ số khuếch tán σy, σz là sai lệch chuẩn của hàm khuếch tán Gauss theo phương

ngang và đứng Hệ số σy, σz phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn thải và tính ổn định của khí quyển Hệ số này được xác định theo biểu đồ thực nghiệm của Gifford xây dựngnăm 1960

Cấp ổn định của khí quyển được phân thành 6 cấp theo Turner như sau:

1 - Là nắng mùa hè, mặt trời có góc cao >

1 - Là nắng mùa hè, trời có mây và trong sang, góc cao mặt trơi là

2 - Nắng buổi chiều mùa thu hay ngày mùa hè có mây, mặt trời ở góc cao

3 - Độ mây được xác định bằng mức mây che phủ bầu trời

và phụ thuộc vào khoảng cách x, độ rối của khí quyển và vận tốc gió Hệ số , phụ thuộc vào khoảng cách x xuôi theo chiều gió ứng với các mức độ ổn định của

khí quyển khác nhau A, B, C, D, E và F D.O.Martin đã đưa ra công thức tính ,

440.8 106.6 61 33.2 22.8 14.35

1.941 1.149 0.911 0.725 0.678 0.740

9.27 3.3 0 -1.7 -1.3 -0.35

459.7 108.2 61 44.5 55.4 62.6

2.094 1.098 0.911 0.516 0.305 0.180

-9.6 2.0 0 -13.0 -34.0 -48.6

1 2

Hình 1.1: Biểu đồ luồng khói bằng các khối phụt khi tức thời hoặc khi liên tục.

Kết quả tính so sánh nồng độ chất gây ô nhiễm trên mặt đất trong vệt khí thải ở các độ

ổn định khí quyển khác nhau :

Giả sử: Cho SO 2 phát thải với tốc độ 20g/s vào khí quyển từ một ống khói có chiều cao hiệu dụng là H = 60m Tốc độ gió tại đỉnh ống khói là 3m/s Xác định nồng độ của SO 2 tại trục của vệt khói cách chân ống khói 1km ( δ y = 30; δ z = 20).

1.1.1 Khi thay đổi yếu tố về vận tốc gió trong mô hình GAUSS

+ Áp dụng công thức Gauss ta có:

C (1000,0,0) = 1768 (ug/m 3 )

+ Khi thay đổi các giá trị của vận tốc gió ta có:

Nhận xét:

Khi vận tốc gió càng lớn thì nồng độ ô nhiễm SO 2 giảm dần.

1.1.2 Khi thay đổi các giá trị của độ khuếch tán

Nhận xét: Tại cùng một giá trị X thì nồng độ C tại khu vực thành thị và nông thôn là

khác nhau Cụ thể, đối với khu vực nông thôn thì nồng độ chất ô nhiễm bị lan rộng Còn với

khu vực thành thị thì nộng độ hạn hẹp hơn Nguyên nhân là do các vật cản cản lại trên đường phát tán

1.1.3 Khi thay đổi các giá trị loại ổn định không khí đến nồng độ C

Nhận xét: Loại ổn định khí quyển khác nhau thì nồng độ tại nông thôn và thành thị là

khác nhau Cụ thể, nồng độ khu vực tại nông thôn lớn hơn.

Trên đây là kết quả tính toán (mô phỏng) khi thay đổi các yếu tố về vận tốc gió, độ khuếch tán, loaị ổn định không khí đến nồng độ C trong mô hình GAUSS, cho chúng ta thấy một bức tranh về chất lượng môi trường của khu vực đó với đầy đủ sắc thái, đầy đủkhía cạnh, xu hướng môi trường ở khu vực đó tăng hay giảm rất chính xác, rõ ràng,…

1.2 Xác định chất lượng môi trường nước của một đoạn

sông

1.2.1 Xác định nội dung, nhiệm vụ cần thực hiện:

XÁC ĐỊNH CLN ĐOẠN SÔNG

Phân tích mẫu

Thu thập thông tin Sử dụng thông tin

Đánh giá xu hướng, chọn lựa phương pháp

Thiết kế mạng lưới

Báo cáo

Phân tích số liệu

• địa điểm/trạm vị, các thông số cần đo đạc, các loại mẫu cần lấy, thời gian thực hiện

• Xác định yêu cầu về nhân lực tham gia (số lượng, lĩnh vực chuyên môn)

• Yêu cầu về trang thiết bị

• Lập kế hoạch lấy mẫu

• Phương pháp lấy mẫu và phân tích

• Kinh phí cho chương trình

• Các vấn đề đảm bảo an toàn con người, thiết bị cho các hoạt động bao gồm:

- Các biện pháp, phương tiện bảo đảm an toàn (người và thiết bị);

- Phương án cứu hộ;

- Liệt kê những vùng nước xoáy, bãi cát ngầm trong vùng quan trắc để tàu thuyền netránh;

- Những yếu tố thời tiết bất thường có thể xẩy ra trong thời gian lấy mẫu

1.2.2 Quy trình xác định chất lượng môi trường nước của 1 đoạn sông X:

Bước 1: Thu thập thông tin về đoạn sông X

Xác định chi tiết về đặc điểm, điều kiện tự nhiên của đoạn sông X

- Đặc điểm điều kiện tự nhiên:

+ Vị trí địa lý

+ Đặc điểm địa hình

+ Đặc điểm khí tượng, khí hậu (khí hậu, nhiệt độ,lượng mưa, tình hình khô hạn,

…), hệ sinh thái trong sông X

- Đặc điểm thủy văn

+ Mạng lưới sông

+ Dòng chảy năm

+ Tình hình dân sinh, kinh tế, xã hội, khai thác sử dụng nước từ sông

+ Ảnh hưởng của các hoạt động xung quanh đến chất lượng dòng sông X

Bước 2: Nhận xét , đánh giá về CLN đoạn sông X những năm gần đây

- Xu hướng biến đổi chất lượng nước đoạn sông X trong giai đoạn … đến…

Bước 3: Xây dựng kế hoạch Đánh giá chất lượng môi trường nước của đoạn sông X

3.1 Lên kế hoạch chi tiết các bước đánh giá, từ đó lựa chọn phương pháp phù hợp nhất

3.2 Thiết kế, xây dựng mạng lưới đi lấy mẫu

- Thiết kế mạng lưới là sự lựa chọn địa điểm lẫy mẫu, lựa chọn tần suất lấymẫu, thời gian lấy mẫu và loại mẫu cần phải lấy Đảm bảo chất lượng/kiểmsoát chất lượng trong thiết kế mạng lưới là lập kế hoạch lấy mẫu đáp ứng đượcyêu cầu mục tiêu đề ra

- - Bố trí cán bộ theo kế hoạch;

- - Diện lấy mẫu, địa điểm lấy mẫu;

- - Tần suất và thời gian;

- Cơ sở lý thuyết về phương pháp tính được chọn lựa phù hợp nhất

Bước 4 : Thực hiện : Lấy mẫu

Lựa chọn vùng/điểm lấy mẫu, lựa chọn tần suất,thời gian lấy mẫu và dạng lấy mẫucho từng loại nước đã được trình bày chi tiết trong các tiêu chuẩn TCVN 5994-1995(Hướng dẫn lấy nước hồ ao nhân tạo), TCVN 5996-1995 (Hướng dẫn lấy mẫu nướcsông và suối), TCVN 5998-1995 (Hướng dẫn lấy mẫu nước thải), TCVN 6000-1995(Hướng dẫn lấy mẫu nước ngầm), ISO 5667-13:1993 (Hướng dẫn lấy mẫu nước, nướcthải và bùn) nên nghiên cứu trước khi lập kế hoạch để thiết kế mạng lưới bảo đảm tínhkhoa học, phản ánh được mục tiêu chất lượng, đáp ứng nhu cầu thông tin trong công tácquản lý môi trường

Bước 5 : Phân tích mẫu

Người thực hiện phải sử dụng những tiêu chuẩn/phương pháp phù hợp với tài liệu sẵn

có nhưng phải đáp ứng các mục tiêu chất lượng và theo các vấn đề sau:

• Thông số phân tích,

• Yêu cầu giới hạn phát hiện,

• Độ chính xác của phương pháp (độ chính xác, độ chuẩn xác),

• Yêu cầu về khả năng so sánh số liệu,

• Sụ phù hợp của phương pháp với các điều kiện đồ án đề ra

Bước 6 : Xử lý, phân tích số liệu

- Kiểm tra số liệu: kiểm tra tổng hợp về tính hợp lý của số liệu và phân tích môi trường Việc kiểm tra dựa trên hồ sơ của mẫu (biên bản, nhật ký lấy mẫu tại hiện trường, biên bản giao nhận mẫu, biên bản kết quả đo, phân tích tại hiện trường, biểu ghi kết quả phântích trong phòng thí nghiệm,…) số liệu của mẫu QC (mẫu trắng, mẫu lặp, mẫu chuẩn,

…);

- Xử lý thống kê: Căn cứ theo lượng mẫu và nội dung của báo cáo, việc xử lý thống kê

có thể sử dụng các phương pháp và các phần mềm khác nhau nhưng phải có các thống

kê miêu tả tối thiểu (giá trị nhỏ nhất, giá trị lớn nhất, giá trị trung bình, số giá trị vượt chuẩn );

- Bình luận về số liệu: việc bình luận số liệu phải được thực hiện trên cơ sở kết quả,phân tích đã xử lý, kiểm tra và các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật có liên quan

Bước 7: Kết luận và báo cáo

1.2.3 Đánh giá chất lượng môi trường nước của sông Đồng Nai

I, Tông quan chung về lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai

Hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai có vai trò quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế- xã hội của 12 tỉnh, thành mà nó chảy qua Đặc biệt trên hệ thống sông này có 4 địa phương

là Bình Dương, Thành phố Hồ Chí Minh (TP HCM), Đồng Nai, Bà Rịa - Vũng Tàu là hạt nhân của vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Đây là đầu tàu kinh tế, chiếm hơn 54% giá trị sản xuất công nghiệp và hơn 60% kim ngạch xuất khẩu của cả nước Điều đó nói lên tầm vóc và vị trí của các tỉnh thuộc lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai trong chiến lược phát triển kinh tế đất nước Tuy nhiên, sự phát triển kinh tế nhanh chóng, sự nở rộ của nhiều đô thị và nhiều vấn đề khác đã keo theo nhiều vấn đề làm ảnh hưởng đến môi trường, đáng ngại nhất là sự ô nhiễm trên lưu vực sông Sài Gòn - Đồng Nai, mà hiện nay đang ở giai đoạn báo động.

Gây ra ô nhiễm môi trường trên lưu vực sông Sài Gòn- Đồng Nai do nhiều nguyên nhân, trước hết phải nói nước thải từ các khu công nghiệp chưa qua xử lý xả thẳng ra sông đã mang theo nhiều hóa chất độc hại từ các ngành công nghiệp như dệt nhuộm, sảnxuất giấy, chế biến thủy hải sản, sản xuất phân bón Qua điều tra của ngành chức năng chỉ có 16/47 khu công nghiệp, khu chế xuất có hệ thống nước thải tập trung, còn lại hầu hết nước thải chưa qua xử lý mà trực tiếp thải ra sông làm cho nguồn nước ngày càng ô nhiễm nặng hơn

Như vậy sự phát triển kinh tế của khu vực sẽ keo theo sự gia tăng ô nhiễm của các sông,mức độ đóng góp của các loại nguồn thải gây ô nhiễm và trong tương lai diễn biến ô nhiễm hệ thống sông Sài Gòn Đồng Nai sẽ như thế nào? Trong trường hợp nước thải chưa được xử lý và đã được xử lý, chất lượng nước sông sẽ biến đổi ra sao? Vậy cần phải tính toán dự báo đưa ra được bức tranh ô nhiễm nước sông Sài Gòn Đồng Nai trong những năm tới để có biện pháp kịp thời hạn chế, khắc phục Việc tính toán mô phỏng sự ô nhiễm nước sông rất phức tạp, nó bao gồm rất nhiều các quá trình sinh hóa phức tạp đòi hỏi phải có công cụ toán học đủ mạnh trợ giúp mới có thể giải quyết được yêu cầu đặt ra của bài toán

Gần đây việc ứng dụng mô hình để mô phỏng chất lượng nước (CLN) đã trở nênphổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới Các mô hình CLN được xem là một trongnhững công cụ hỗ trợ đắc lực cho công tác quản lý CLN, giúp đánh giá và dự báo về sựbiếnđổi CLN trong tương lai Trong số các mô hình CLN đang được áp dụng, Qual2K

là mô hình CLN sông tổng hợp, đơn giản và miễn phí được áp dụng phổ biến nhiều nơitrên thế giới Mô hình Qual2K đã được áp dụng trong mô phỏng DO của sôngBlackstone (Mỹ); đánh giá CLN chảy qua đập Gavins Point trên sông Missouri (Mỹ);.Bên cạnh đó, còn có rất nhiều mô hình khác được sử dụng thông dụng trong việc môphỏng, tính toán chế độ thủy văn, thủy lực và chất lượng nước của 1 dòng sông : MIKE11,mô hình chất lượng nước đơn giản (BOD/ DO đơn giản),

+ Mô hình QUAL2K (Q2K) do Brown và Barnwell xây dựng vào năm 1987 dựa trên

mô hình gốc là QUAL2E (Q2E) Phiên bản mới nhất của Qual2K (tháng 3/2006) làphần mềm Q2K Fortran 2.04 được phát triển bởi Steve Chapra và Greg Pelletier ở Đạihọc Tuft và Trung tâm Mô hình CLN của Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ Mô hình nàychạy trên nền MS Excel với giao diện ñơn giản, dễ sử dụng, tốc độ tính toán khá nhanh.Qual2K mô phỏng được 15 thông số bao gồm: độ dẫn điện, chất rắn vô cơ lơ lửng, oxyhòa tan (DO), CBOD phân hủy chậm, CBOD phân hủy nhanh (BOD5), nitơ hữu cơ,nitơ amoni (NH4-N), nitơ nitrat (NO3-N), phospho hữu cơ, phospho vô cơ,

Với mỗi thành phần lien quan đến CLN, phương trình lan truyền chất có dạng như sau:

(I) : thay đổi khối lượng theo thời gian

(II) : sự khuếch tán

(III): sự chuyển tải

(IV): thành phần (nồng độ) thay đổi theothời gian

(V) : các nguồn từ bên ngoài và sự lắngđọng các chất

Hình 1.2: Phân đoạn hệ thống sông có nhánh và không có nhánh của Qual2K

Bước đầu tiên của chương trình tính QUal2k là chia hệ thống sông thành các đoạnsông Mỗi đoạn sông lại được chia thành 7 phần tử tính toán như: phần tử thượngnguồn, phần tử chuẩn, phần tử cận nối tiếp, phần tử nối tiếp, phần tử cối cùng, phần tửnước đi vào, phần tử nước đi ra, Trong mỗi đoạn sông sẽ chứa đựng các dữ liệu liênquan đến mô hình như: thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng,…

Các công thức, phương trình, mô hình cơ bản được sử dụng để tính toán trong mô hìnhQUal2K như: phương trình cân bằng lưu lượng, phương trình Manning, thời gian dichuyển, mô hình nhiệt độ, mô hình thành phần )Thực vật phù du, CBOD dễ phân hủy –BOD5, Các hợp chất nito, các hợp chất photpho, oxy hòa tan)

Sau khi nhập các số liệu ở các Worksheet, bao gồm dữ liệu đầu vào (CKN, lưu lượngnước, hệ số nhám, nhiệt độ, các nguồn thải, thủy lực,…) Qual2k sẽ tính toán trên nềncủa MS Excel và cho kết quả tính toán, mô phỏng ở các Worksheet dưới dạng biểu đồhoặc dữ liệu

Qual2k là mô hình một chiều và điều kiện dòng chảy đều và tải lượng nguồn thải đều.Kết quả tính toán các thông số CLN trong mô hình được thể hiện dưới dạng đồ thị theodọc chiều dài dòng chạy

Mô hình Qual2k còn 1 số hạn chế như chỉ mô phỏng một chiều và chỉ áp dụng cho sôngkhông quá rộng,không tính toán được ảh hưởng thủy triều

+ Mô hình chất lượng nước đơn giản (BOD/DO đơn giản) là loại mô hình liên quan

đến nồng độ õy trong sông và suối; Mô hình chất lượng nước đầu tiên xem xet mối quan

hệ BOD/DO trong một hệ thống sông đã được phát triểu bởi Streeter Phelps năm 1025.Phương trình Streeter Phelps

=

là nồng độ xoy bão hòa

là nồng độ oxy ở thời điểm t

là nộng độ chất hữu cơ được đo bằng BOD, ở thời điểm t

là hệ số vận tốc phân hủy các chất hữu cơ hay hang số tốc độ tiêu thu oxy do qua trìnhphân hủy chất hữu cơ (

là hằng số tốc độ hòa tan õy qua mặt thoáng (( gọi ngắn gọn là bên sống thấm khí)

+ Mô hình MIKE 11: là một phần mềm kỹ thuật chuyên dụng do Viện Thuỷ lực Đan

Mạch (DHI) xây dựng và phát triển trong khoảng 20 năm trở lại đây, được ứng dụng để

mô phỏng chế độ thủy lực, chất lượng nước và vận chuyển bùn cát vùng cửa sông, trongsông, hệ thống tưới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nước khác MIKE 11 bao gồm nhiều

mô đun có các khả năng và nhiệm vụ khác nhau như: mô đun mưa dòng chảy (RR), môđun thuỷ động lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) vàmột số mô đun khác Trong đó, mô đun thuỷ lực (HD) được coi là phần trung tâm của

mô hình, tuy nhiên tuỳ theo mục đích tính toán mà chúng ta kết hợp sử dụng với các môđun khác một cách hợp lý và khoa học Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng các

mô đun HD, AD và Ecolab

Để giải quyết vấn đề chất lượng nước có liên quan đến những phản ứng sinh hóa, môhình MIKE 11 sử dụng đồng thời hai mô đun là mô đun tải - khuếch tán (AD) và môđun sinh thái (Ecolab) trong tính toán

a Mô đun truyền tải khuếch tán

Mô đun truyền tải khuếch tán được dùng để mô phỏng vận chuyển một chiều của chấthuyền phù hoặc hoà tan (phân huỷ) trong các lòng dẫn hở dựa trên phương trình để trữtích luỹ với giả thiết các chất này được hoà tan trộn lẫn Quá trình này được biểu diễnqua phương trình sau:

b Mô đun sinh thái (Ecolab)

Mô đun sinh thái trong mô hình MIKE 11 giải quyết khía cạnh chất lượng nước trongsông tại những vùng bị ảnh hưởng bởi các hoạt động dân sinh kinh tế.v.v Mô đun nàyphải được đi kèm với mô đun tải - khuếch tán, điều này có nghĩa là mô đun chất lượngnước giải quyết các quá trình biến đổi sinh học của các hợp chất trong sông còn mô đun