Mô hình hoá một số chỉ tiêu chất lượng môi trường khí tại khu vực hà nội bằng phần mềm UAM v

Một số phần mềm đã đ-ợc sử dụng nh- một phần mềm chuẩn trong các đánh giá tác động môi tr-ờng của một số n-ớc trên thế giới vì mức độ chính xác của các kết quả mà nó cung cấp và vì tính

-

TRẦN THỊ DIÊỤ HẰNG

MÔ HÌNH HOÁ MỘT SỐ CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÍ TẠI

KHU VỰC HÀ NỘI BẰNG PHẦN MỀM UAM-V

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

Hà Nội – 2004

-

TRẦN THỊ DIÊỤ HẰNG

MÔ HÌNH HOÁ MỘT SỐ CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÍ TẠI

KHU VỰC HÀ NỘI BẰNG PHẦN MỀM UAM-V

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRỊNH THÀNH

Hà Nội - 2004

Mục lục

Mở Đầu 1

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hiện trạng nghiên cứu và quản lý chất l-ợng môi tr-ờng khí 4

1.1 Các phần mềm đang đ-ợc sử dụng rộng rãi trên thế giới phục vụ việc quản lý chất l-ợng môi tr-ờng không khí 4

1.1.1 Phần mềm tổ hợp nguồn thải công nghiệp (Industrial Source Complex -ISC) 6

1.1.2 Phần mềm OML(Operation Meteorological Air Pollution Model) 9

1.1.3 Phần mềm IFDM (Immission Frequency Distribution Model) 10

1.1.4 Phần mềm HPDM(Hybrid Plume Dispersion Model) 11

1.1.5 Phần mềm Eulerian Danish 15

1.1.6 Phần mềm mô hình không khí khu vực đô thị (UAM – Urban Airshed Model) 16

1.2 hệ thống mạng l-ới trạm quan trắc môi tr-ờng của Việt Nam 17

1.3 hiện trạng môi tr-ờng không khí của Hà Nội 19

CHƯƠNG 2 cơ sở lý thuyết của mô hình dự báo chất l-ợng môi tr-ờng khí trong phần mềm UAM-V 26

2.1 hệ ph-ơng trình của mô hình 26

2.2 Các thông số của mô hình 28

2.2.1 Các hệ số khuếch tán rối (k x , k y , k z ) 28

2.2.2 Động học các phản ứng trong khí quyển 28

2.2.3 Quá trình vận chuyển bề mặt 29

2.2.3.1 Sự biến đổi quy mô l-ới phụ trong sử dụng địa hình 30

2.2.3.2 Lắng đọng trên bề mặt n-ớc 31

2.2.3.3 ảnh h-ởng của độ ẩm bề mặt 31

2.2.4 Lắng đọng -ớt 32

2.2.5 Thành phần gió 32

2.2.6 L-ợng phát thải 32

2.2.6.1 Nguồn dạng điểm 32

2.2.6.2 Nguồn dạng diện 33

2.2.7 Độ nâng cột khói 33

2.2.8 Nồng độ ban đầu 35

2.2.9 Nồng độ biên 36

2.3 Cơ sở Các ph-ơng pháp số chính đ-ợc sử dụng trong uam-v 37

2.3.1 Ph-ơng pháp sai phân hữu hạn 38

2.3.2 Ph-ơng pháp QSSA 40

CHƯƠNG 3 cơ sở xây dựng bộ số liệu vào để chạy phần mềm uam-v 42

3.1 các số liệu vào cần thiết 43

3.1.1 Số liệu địa hình 44

3.1.2 Số liệu khí t-ợng 45

3.1.3 Hệ số khuếch tán rối 45

3.1.4 Nồng độ ban đầu và nồng độ biên 45

3.1.5 Số liệu phát thải 48

3.2 Sơ l-ợc về các khu công nghiệp tại Hà Nội 50

3.3 cơ sở Tính toán tải l-ợng các chất ô nhiễm trong khí thải cho nguồn điểm và nguồn diện 53

CHƯƠNG 4 kết quả tính toán dự báo một số chỉ tiêu chất l-ợng môi tr-ờng khí tại khu vực hà nội 59

4.1 Các lựa chọn cho bộ số liệu vào và dạng kết quả của mô hình 59

4.1.1 Lựa chọn bộ số liệu đầu vào 59

4.1.2 Dạng kết quả của phần mềm 60

4.2 Đánh giá độ tin cậy của phần mềm UAM-V 60

4.3 Các kết quả tính toán phân bố nồng độ của các chất ô nhiễm chính 63

4.4 áp dụng phần mềm uam-v dự báo mức độ ô nhiễm môi tr-ờng khí của hà nội đến năm 2010 71

4.4.1 Chiến l-ợc phát triển các khu công nghiệp mới của thành phố Hà Nội 72

4.4.2 Các kết quả tính toán dự báo 74

kết luận và kiến nghị ……… 79

tài liệu tham khảo ……… 81

phụ lục ……… 83

Mục lục bảng Bảng 1.1 Các phần mềm đ-ợc cung cấp bởi EPA, Mỹ 13

Bảng 1.2 Nồng độ một số khí đ-ợc quan trắc tại một số cụm công nghiệp Hà Nội 21

Bảng 1.3 Nồng độ SO2 của các cơ sở sản xuất có giá trị lớn nhất 21

Bảng 1.4 Kết quả quan trắc ô nhiễm khí tại Ngã T- Vọng và Ngã T- Sở từ năm 1996 – 1999 24

Bảng 3.1 Tóm tắt các loại số liệu đầu vào 43

Bảng 3.2 Danh sách các loại đất sử dụng trong phần mềm 44

Bảng 3.3 Các chất hóa học đ-ợc xét đến trong cơ chế Cacbon-IV 46

Bảng 3.4 Các khu công nghiệp hiện tại ở Hà Nội 50

Bảng 3.5 Hệ số phát thải của WHO cho cụm công nghiệp và khu dân c- 54

Bảng 3.6 Hệ số phát thải của WHO cho ô tô con và xe máy 54

Bảng 3.7 Hệ số phát thải của WHO cho ô tô tải nhẹ động cơ diesel, trọng tải < 3.5 tấn 55

Bảng 3.8 Tiêu chuẩn chất l-ợng dầu diesel 56

Bảng 3.9 Tiêu chuẩn chất l-ợng dầu đốt lò FO 56

Bảng 3.10 Tiêu chuẩn chất l-ợng than 57

Bảng 4.1 Kết quả tính nồng độ các khí trung bình 24h 65

Bảng 4.2 Bảng sử dụng đất khu Bắc Thăng Long 73

Bảng 4.3 Bảng sử dụng đất khu Nam Thăng Long 73

Bảng 4.4 Bảng sử dụng đất khu Đông Anh 74

Bảng 4.5 Bảng sử dụng đất khu Gia Lâm 74

Bảng 4.6 Giá trị nồng độ các chất ô nhiễm tại các khu công nghiệp t-ơng ứng giờ đạt giá trị max 75

Mục lục hình Hình 4-1 So sánh nồng độ của SO 2 với số liệu đo tại Trạm Láng 62

Hình 4-2 So sánh nồng độ của CO với số liệu đo tại Trạm Láng 62

Hình 4-3 So sánh nồng độ của NO với số liệu đo tại Trạm Láng 63

Hình 4-4 So sánh nồng độ của NO 2 với số liệu đo tại Trạm Láng 63

Hình 4-5 Nồng độ trung bình 24h của SO 2 , NO 2 , NO, CO tại các cụm CN 64

Hình 4-6 Diễn biến nồng độ các chất khí tại khu công nghiệp Chèm 66

Hình 4-7 Diễn biến nồng độ các chất khí tại khu công nghiệp Th-ợng Đình – Thanh Xuân 66

Hình 4-8 Phân bố nồng độ CO theo không gian vào thời điểm 22 giờ 68

Hình 4-9 Phân bố nồng độ NO 2 theo không gian vào thời điểm 17 giờ 68

Hình 4-10 Phân bố nồng độ SO 2 theo không gian vào thời điểm 14 giờ 70

Hình 4-11 Phân bố nồng độ NO theo không gian vào thời điểm 19 giờ 70

Hình 4-12 Phân bố nồng độ SO 2 theo không gian vào thời điểm 14h 76

Hình 4-13 Phân bố nồng độ CO theo không gian vào thời điểm 22h 76

Hình 4-14 Phân bố nồng độ NO 2 theo không gian vào thời điểm 17h 76

Hình 4-15 Phân bố nồng độ NO theo không gian vào thời điểm 19h 76

mở đầu

Theo cách tiếp cận của quan điểm phát triển bền vững thì kinh tế, xã hội, môi tr-ờng luôn có mối quan hệ khăng khít với nhau Bất kỳ một mặt nào thay đổi đều có những tác động tích cực hay tiêu cực đến 2 mặt còn lại Vì vậy cần có sự phát triển hài hòa giữa các mặt Hiện nay, các quốc gia trên thế giới

đang chú trọng phát triển kinh tế nên sẽ có những tác động không nhỏ tới xã hội và môi tr-ờng Các vấn đề ô nhiễm môi tr-ờng khí, n-ớc và đất là một trong những vấn đề lớn cần quan tâm của những ng-ời thực hiện quy hoạch và quản lý môi tr-ờng

Để đảm bảo duy trì sự cân bằng giữa các mặt cũng chính là đảm bảo sự phát triển bền vững của từng quốc gia cũng nh- toàn thế giới, các quốc gia

đang không ngừng tìm kiếm các biện pháp cũng nh- các công cụ để giảm ô nhiễm môi tr-ờng hay hỗ trợ giảm thiểu ô nhiễm, trong đó có một công cụ

đ-ợc các nhà nghiên cứu môi tr-ờng sử dụng nhiều Đó là công cụ mô hình hoá môi tr-ờng

Mô hình hoá môi tr-ờng d-ợc dựa trên cơ sở mô hình toán học Đó là tổng hợp các công thức liên hệ giữa các thông số đầu vào và đầu ra Rất nhiều mô hình toán đã ra đời, trong đó có nhiều mô hình tóan đã đ-ợc xây dựng từ lâu nh-ng vẫn đ-ợc áp dụng hiện nay và có một số chỉnh sửa cho phù hợp Các mô hình này đ-ợc sử dụng để tính tóan nồng độ các chất ô nhiễm, sự phân bố, khả năng lan truyền của các chất ô nhiễm,…

Để tăng tính phổ biến của các công cụ mô hình hoá môi tr-ờng, ng-ời

ta đã th-ơng mại hóa các mô hình thông dụng thành các phần mềm mang tính ứng dụng cao Một số phần mềm đã đ-ợc sử dụng nh- một phần mềm chuẩn trong các đánh giá tác động môi tr-ờng của một số n-ớc trên thế giới vì mức

độ chính xác của các kết quả mà nó cung cấp và vì tính -u điểm v-ợt trội so

với các công cụ khác nh- khả năng dự báo về mức độ ô nhiễm môi tr-ờng

Hiện nay, ở Việt Nam, các phần mềm cũng đã đ-ợc sử dụng trong tính toán, đánh giá các bài tóan về môi tr-ờng, đặc biệt là trong dự báo Nh-ng ở Việt Nam, việc sử dụng các phần mềm dự báo còn đang ở những b-ớc khởi

đầu, một phần vì hiểu biết trong lĩnh vực mô hình hoá môi tr-ờng còn ch-a

đủ, nh-ng phần quan trọng hơn là sự tin t-ởng của các nhà quản lý, của công chúng và của ngay các nhà nghiên cứu môi tr-ờng về tính đúng đắn của nó

Đã có nhiều cố gắng trong lĩnh vực nghiên cứu mô hình hoá môi tr-ờng để lấp

dần các thiếu hụt đó nh- lĩnh vực mô hình hoá trong môi tr-ờng n-ớc (Mô

hình hoá thông số oxy hoà tan trong n-ớc mặt Hồ Tây, Nguyễn Thu Vân);

môi tr-ờng khí (Nghiên cứu thiết lập hệ thống monitoring môi tr-ờng không

khí Hà Nội trên cơ sở hiện trạng và dự báo môi tr-ờng đến năm 2010,

Nguyễn Hồng Khánh) Đề tài của luận văn “Mô hình hoá một số chỉ tiêu chất l-ợng môi tr-ờng khí tại khu vực Hà Nội bằng phần mềm UAM-V” cũng nhằm góp phần làm rõ hơn lĩnh vực mô hình hoá trong môi tr-ờng

Để đánh giá dự báo chất l-ợng môi tr-ờng khí, mô hình Gauss th-ờng

đ-ợc sử dụng cho các nguồn cao ổn định Các loại mô hình này th-ờng đ-ợc dùng nhiều trong đánh giá tác động môi tr-ờng của các dự án độc lập Đối với các quá trình không ổn định, trong một khu vực có nhiều loại nguồn khác nhau, cần phải sử dụng các loại mô hình xuất phát từ mô hình tổng quát Với

chúng biến đổi cả trong không gian t-ơng đối rộng với nhiều nguồn thải và thay đổi theo thời gian thì việc áp dụng mô hình phát tán chất ô nhiễm tổng quát là cần thiết Chính vì vậy mà phần mềm đ-ợc lựa chọn trong luận văn này

là phần mềm mô hình không khí khu vực đô thị, phiên bản 1.30 (UAM-V Variable grid Urban Airshed Model) Cơ sở chính của mô hình trong phần mềm là hệ ph-ơng trình khuếch tán khí quyển, đ-ợc xuất phát từ hệ ph-ơng

cứu mới trong lĩnh vực môi tr-ờng Tác giả thực hiện mô hình hóa một số chỉ tiêu chất l-ợng môi tr-ờng khí trên cơ sở sử dụng mô hình này

Trong qúa trình làm luận văn, tác giả không tránh khỏi những sai sót nên mong nhận đ-ợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn

Cấu trúc của luận văn nh- sau:

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 1 Tổng quan về hiện trạng nghiên cứu và quản lý chất l-ợng

môi tr-ờng khí

quản lý chất l-ợng môi tr-ờng không khí

Các phần mềm đang đ-ợc sử dụng hiện nay trên thế giới, đ-ợc bắt nguồn từ nhiều mô hình toán học khác nhau nh-ng có 2 loại cơ bản phổ biến nhất vì sự cải tiến liên tục của chúng là các phần mềm dựa trên cơ sở các mô hình Gausssian và mô hình tổng quát mô tả quan hệ giữa nồng độ các chất ô nhiễm với các điều kiện môi tr-ờng

▪ Các phần mềm dựa trên mô hình Gauss: trên cơ sở coi các quá trình phát tán chất ô nhiễm là ổn định trong một khoảng thời gian, hệ ph-ơng trình tổng quát mô tả sự phát tán chất ô nhiễm

đ-ợc giải cho một nguồn thải cao ổn định có hiệu chỉnh các thông số bằng thực nghiệm sẽ có mô hình Gauss Sau đó các tính toán sự phát tán các chất ô nhiễm đ-ợc thực hiện cho các nguồn với các loại địa hình và điều kiện thời tiết khác nhau và đ-ợc trình bày theo ý muốn của ng-ời sử dụng (các đ-ờng đẳng nồng

độ, các hình vẽ với các màu sắc khác nhau,…)

▪ Các phần mềm dựa trên mô hình tổng quát: xuất phát từ hệ ph-ơng trình tổng quát mô tả mối liên hệ giữa nồng độ các chất ô nhiễm với các điều kiện môi tr-ờng, mỗi một phần mềm sử dụng các nghiên cứu riêng về các thông số của mô hình và ph-ơng pháp toán giải trực tiếp hệ ph-ơng trình vi phân của mô hình để

đ-ợc ra phân bố nồng độ các chất ô nhiễm theo không gian và thời gian Các ph-ơng pháp số th-ờng đ-ợc sử dụng là ph-ơng pháp sai phân hữu hạn (Euler, ẩn hiện, Crank-Nicholson,….) ph-ơng pháp phần tử hữu hạn, ph-ơng pháp phần tử biên Sau đó

việc giải hệ ph-ơng trình tuyến tính hay phi tuyến cỡ lớn th-ờng

áp dụng các thuật toán Newton – Raphson, ph-ơng pháp lặp

đơn, ph-ơng pháp Choleski,…

Dù là loại phần mềm nào, ng-ời sử dụng vẫn phải có hiểu biết sâu sắc

về mô hình sử dụng, các thông số cần đ-ợc lựa chọn và các thuật toán đ-ợc sử dụng trong phần mềm Tuy nhiên, các phần mềm này đã làm giảm nhẹ rất nhiều công việc tính toán nặng nhọc nên các nhà nghiên cứu và quản lý trên thế giới có xu h-ớng sử dụng các phần mềm có sẵn để tính tóan các bài toán môi tr-ờng hơn là tính toán phân bố nồng độ trực tiếp từ các mô hình Mặt khác, do có tính phổ biến và đ-ợc nâng cấp th-ờng xuyên khi các vấn đề môi tr-ờng mới nảy sinh, các phần mềm quản lý chất l-ợng môi tr-ờng khí dễ dàng đ-ợc các nhà quản lý và công chúng chấp nhận

Ng-ời nghiên cứu cũng có thể tự lập các ch-ơng trình tính toán, mô hình hóa các bài toán môi tr-ờng Nh-ng việc lập ch-ơng trình th-ờng tốn nhiều thời gian và phải qua thời gian thử nghiệm nên mặc dù công nghệ này

có -u điểm là ng-ời nghiên cứu nắm rõ đ-ợc bản chất của mô hình, thay đổi

dễ dàng các điều kiện nh-ng nó chỉ thích hợp cho ng-ời nghiên cứu vừa hiểu

rõ các vấn đề môi tr-ờng vừa thành thạo các ph-ơng pháp toán học

Dù theo h-ớng nghiên cứu sử dụng phần mềm có sẵn hoặc tự lập ch-ơng trình, ng-ời nghiên cứu cần biết đ-ợc:

- Mức độ chính xác của việc đánh giá và dự báo;

- Các loại nguồn thải: nguồn điểm, nguồn đ-ờng, nguồn mặt, nguồn nóng hay lạnh liên tục, không liên tục,…;

- Điều kiện khí t-ợng của khu vực tiếp nhận (gió, độ ẩm, nhiệt độ, độ ổn định, độ cao các lớp xáo trộn, l-ợng m-a,…)

- Điều kiện địa hình của khu vực tiếp nhận;

- Vị trí tiếp nhận;

- Đặc điểm tự nhiên;

Sau đây là một số phần mềm thông dụng:

1.1.1 Phần mềm tổ hợp nguồn thải công nghiệp (Industrial Source Complex

-ISC) [11]

Đây là phần mềm dạng cột khói ổn định bi-Gaussian, chủ yếu đ-ợc sử dụng để đánh giá nồng độ chất ô nhiễm cho nguồn phức, đánh giá nồng độ xuôi chiều gió từ các nhà máy sản xuất dầu mỏ và hoá chất Phần mềm này

đ-ợc Cục Bảo vệ Môi tr-ờng Mỹ sử dụng nh- phần mềm chuẩn

Nói một cách chính xác, đây là tổ hợp thuật toán mở rộng Cơ sở chính

là công thức bi-Gausssian có tính thêm sự phản xạ từ bề mặt và nâng cao độ khuếch tán cực đại, các công thức tính hệ số khuếch tán từ Passquill-Giffor và McEltroy-Pooler, công thức độ nâng cột khói của Briggs

Các file số liệu đầu vào của ISC đ-ợc định dạng ASCII nên th-ờng có dung l-ợng lớn do đó sẽ mất nhiều thời gian để chạy ch-ơng trình

Có 2 file đầu vào chính đ-ợc phần mềm sử dụng:

- File khởi động: gồm các thông số nh- vị trí nguồn thải, vị trí tiếp nhận, l-ợng thải;

- File khí t-ợng

Phần mềm ISC đ-ợc chia làm 2 loại chính theo thời gian tính:

- Phần mềm ISC thời hạn ngắn (ISCST): nồng độ đ-ợc tính trung bình 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12 và 24 giờ Sau đó nồng độ trung bình theo thời gian đ-ợc cộng lại để có đ-ợc nồng độ tổng cộng tại từng

vị trí tiếp nhận ISCST cũng có thể đ-ợc sử dụng để tính nồng độ trung bình năm nếu file khí t-ợng đầu vào là các số liệu trung bình các giờ liên tục trong năm

Trong phần mềm này, ph-ơng trình Gausssian đ-ợc sử dụng tính cho phát thải nguồn điểm Nồng độ từng giờ tại x (m) xuôi theo chiều gió và y (m) vuông góc với chiều gió đ-ợc tính theo ph-ơng trình cột khói ổn định Gaussian:

y u

QKVD

z y



trong đó:

K là hệ số chuyển đổi từ nồng độ đ-ợc tính sang giá trị cần có;

Q là l-ợng phát thải chất ô nhiễm;

D là hệ số phân huỷ;

V là hệ số thẳng đứng;

Hệ số V có tính đến ảnh h-ởng của việc nâng cao nguồn thải, nơi tiếp

nhận, độ nâng cột khói, giới hạn xáo trộn thẳng đứng, lắng đọng khô

y , z đ-ợc tính theo Pasquill-Gifford cho khu vực nông thôn và theo

Briggs cho khu vực đô thị

Phần mềm ISC thời hạn dài (ISCLT) tính nồng độ theo trung bình năm hay trung bình mùa,

ISTLT cũng yêu cầu các file đầu vào t-ơng tự phần mềm ISCST nh-ng

sử dụng ph-ơng trình trung bình cột khói Gaussian để tính phát thải nguồn

điểm

,

.

Q là l-ợng thải theo tốc độ gió i, độ ổn định k, mùa l;

F là tần suất xuất hiện tốc độ gió i, độ ổn định k, h-ớng gió j trong mùa

y là khoảng cách từ trục đến nơi tiếp nhận (m);

Nồng độ trung bình năm tại điểm (r, ) đ-ợc tính từ nồng độ trung bình mùa:





1 25 , 0

m m

1.1.2 Phần mềm OML(Operation Meteorological Air Pollution Model) [11]

Đây là phần mềm chuẩn tắc đ-ợc biết đến nhiều nhất ở Đan Mạch OML đ-ợc phát triển bởi Viện Nghiên cứu Môi tr-ờng Quốc gia (NERI) từ năm 1980 đến 1988

OML là phần mềm dạng Gaussian qui mô địa ph-ơng mô tả khuếch tán thông qua các thông số nh- tốc độ ma sát, độ dài Monin-Obukhov và qui mô vận tốc đối l-u OML yêu cầu số liệu khí t-ợng từng giờ, các số liệu này sẽ

đ-ợc xử lý tr-ớc khi đ-ợc sử dụng bởi phần mềm Nồng độ tỷ lệ nghịch với tốc độ gió trung bình tại lớp giữa mặt đất và độ cao hiệu quả của cột khói Phần mềm tính trung bình năm, nồng độ trung bình giờ lớn nhất và 99% nồng

độ trung bình giờ cho từng tháng

Trong phần mềm OML, các hệ số khuếch tán đ-ợc liên kết với các hệ

số vật lý về độ bất ổn định của lớp biên khí quyển Cũng trong phần mềm này,

hệ số khuếch tán đ-ợc coi nh- một sự liên kết của một vài cơ chế khuếch tán

2 2

int 2

2

build ernal



trong đó

internal là hệ số khuếch tán do sự nâng cao của lớp không khí xung quanh trong độ nâng cột khói;

build là hệ số khuếch tán do độ nâng cao khuếch tán theo các toà nhà gần nguồn;

Trong phần mềm OML, turb đ-ợc liên kết bởi 2 cơ chế, một là cơ chế

2 2

2

conv i mech i turb

i      

hay

2 2

2

ic im

g k

u L

1.1.3 Phần mềm IFDM (Immission Frequency Distribution Model) [11]

Phần mềm IFDM là kết quả từ một vài nghiên cứu ở Bỉ để đánh giá tác

động của phát thải chất ô nhiễm đến không khí xung quanh Dự án nghiên cứu

VITO đã phát triển phần mềm này

IFDM là phần mềm bi-Gaussian trong đó sự xác định các lớp dễ biến

đổi và các hệ số khuếch tán dựa vào Richarson Number và Bultynck-Malet (1972) IFDM có thể đ-ợc sử dụng để tính toán lắng đọng khô và lắng đọng

khí Các hệ số khuếch tán t-ơng ứng với từng lớp dựa vào sự phân tích các dao

động của gió Do đó nồng độ tỷ lệ nghịch với tốc độ gió tại độ cao hiệu quả của cột khói Phần mềm này chỉ áp dụng cho địa hình bằng phẳng

File khí t-ợng đầu vào của phần mềm là chuỗi các số liệu khí t-ợng từng giờ trong một năm

Phần mềm IFDM khác các phần mềm khác là nó sử dụng cá hệ số khuếch tán của Bultynck-Malet

Bultynck-Malet chia khí quyển thành 7 lớp với các cấp ổn định khác nhau từ E1 (rất ổn định) đến E6 (rất bất ổn định) và một lớp đặc biệt E7 cho tốc độ gió lớn

HPDM đ-ợc sử dụng để tính nồng độ nền trung bình giờ từ sự khuếch tán cột khói của ống khói cao tại địa hình gần bằng phẳng Các đánh giá khuếch tán cho lớp biên đối l-u dựa vào thực nghiệm Độ nâng cao của cột khói đ-ợc duy trì gần đỉnh của lớp biên đối l-u và chống lại sự xáo trộn nghịch Trong điều kiện ổn định và bình th-ờng, sự phân bố nồng độ đ-ợc tính theo Gaussian Tuy nhiên sự phân bố non-Gaussian đ-ợc sử dụng cho điều kiện đối l-u

Nồng độ nền lớn nhất quan sát đ-ợc khi cột khói khuếch tán do gió đi xuống hay đi lên qui mô lớn Nồng độ nền cao trung bình có thể xảy ra xung quanh ống khói cao khi tốc độ gió lớn và điều kiện gần bình th-ờng, trong đó

độ xáo trộn và khuếch tán chiếm -u thế do gió phân tán Khi điều kiện này duy trì trong nhiều giờ thì nồng độ nền cao có thể trong 24 giờ Phần mềm này

đặt trọng tâm vào 2 điều kiện khí t-ợng này và vào sự đánh giá các biến số cần thiết trong lớp biên trái đất

Công thức tính nồng độ nền trung bình giờ:

G G Q

5 , 0 exp 2

1

y

p Y

y y G



y p : giá trị thực của đ-ờng tâm cột khói

Trong điều kiện ổn định và trung bình, khuếch tán thẳng đứng cũng

1

z p

z Z

z G





z: độ cao đ-ờng tâm cột khói so với mặt đất

Ph-ơng trình này cũng đ-ợc tính cho sự phản xạ từ bề mặt đất

Các phần mềm đã trình bày sử dụng mô hình Gauss là mô hình cơ sở để tính toán dự báo nồng độ các chất ô nhiễm Một số phần mềm khác đ-ợc đ-a

ra bởi Trung tâm cung cấp các phần mềm không khí chuẩn tắc-EPA của Mỹ nh- sau:

Bảng 1.1 Các phần mềm đ-ợc cung cấp bởi EPA, Mỹ [14]

Phần mềm nguồn đ-ờng

California (CALINE 3)

CALINE 3 là phần mềm Gaussian sử dụng trong tính toán và dự báo nồng độ các chất ô nhiễm do hoạt động giao thông, với các loại nguồn dạng đ-ờng, đặc biệt là khả năng xác định nồng độ chất ô nhiễm theo h-ớng gió tại các giao lộ, những địa điểm có địa hình phức tạp và ảnh h-ởng của các yếu tố công trình giao thông nh- cầu, hầm chui,… Một số quá trình nh- lắng đọng, m-a cũng đ-ợc tính đến trong CALINE

vệt khói ổn định Gausssian, có khả năng tính toán nồng độ trung bình mặt đất của các chất ô nhiễm theo chu kỳ dài hạn (hàng năm hoặc mùa) tại các khu vực đô thị

năng phát tán chất ô nhiễm theo vệt khói từ

19 cụm phát thải cùng vị trí Nồng độ mặt

đất cực đại đ-ợc tính theo thời gian trung

Tên phần mềm Nội dung tóm tắt

bình 1h, 3h, 24h và hàng năm đối với cả khu vực đô thị và nông thôn

nguồn điểm với địa hình có thể điều chỉnh

đ-ợc Phần mềm và thuật toán của MPTER

đ-ợc áp dụng rất hiệu quả trong tính toán nồng độ các chất ô nhiễm thứ cấp theo giờ

bề mặt lớn nhất trong 1 giờ

áp dụng tính toán cho các chất ô nhiễm ổn

định, bền vững trong môi tr-ờng theo thời gian trung bình ngắn từ vài giờ đến vài ngày RAM có khả năng áp dụng cho các loại nguồn điểm và nguồn mặt tại cả khu vực đô thị và nông thôn ảnh h-ởng của địa hình và địa vật cũng đ-ợc xem xét trong tính toán nồng độ mặt đất

Gaussian tính nồng độ nền ở địa hình gồ ghề hay bằng phẳng trong khu phụ cận của một hay nhiều nguồn điểm cùng vị trí

vệt khói Gaussian theo h-ớng lan truyền thẳng đứng OCD th-ờng đ-ợc áp dụng

Tên phần mềm Nội dung tóm tắt

trong tính toán xác định tác động của quá trình phát thải từ những nguồn dạng điểm dọc theo bờ biển đến môi tr-ờng không khí Cách tính của OCD kết hợp rất chặt chẽ các yếu tố của khu vực đới bờ biển nh- hơi n-ớc, nhiệt độ mặt n-ớc, nhiệt độ không khí lớp sát mặt n-ớc, độ ẩm không khí đặc biệt

là hiện t-ợng gió đất biển Số liệu khí t-ợng biển và trên đất liền theo giờ là yếu tố đầu vào quan trọng

Các phần mềm có sử dụng mô hình Gauss th-ờng tính toán cho tr-ờng hợp nhiều nguồn, hoặc/và địa hình phức tạp cho phép đ-a vào các điều kiện thời tiết khác nhau

Để tính toán dự báo nồng độ các chất ô nhiễm không ổn định, cần dựa vào mô hình tổng quát

1.1.5 Phần mềm Eulerian Danish [11]

Phần mềm DEM là một phần mềm tiên tiến sử dụng cho các nghiên cứu

về ô nhiễm không khí toàn châu Âu trong một khoảng thời gian dài Miền tính của phần mềm là toàn bộ châu Âu Do vậy, để chạy phần mềm đòi hỏi một hệ thống máy hiện đại và song song

Các quá trình vật lý nh- khuếch tán, lặng đọng, phát thải và các phản ứng hoá học đ-ợc thể hiện thông qua các thuật toán trong phần mềm

hydrocacbon

Miền l-ới 96 x 96 đ-ợc sử dụng trong phiên bản 2 chiều của phần mềm Còn trong phiên bản 3 chiều kích th-ớc l-ới là 96 x 96 x 10 Sự rời rạc hoá

theo chiều ngang đ-ợc thực hiện bằng cách sử dụng l-ới vuông với khoảng cách bằng nhau với kích th-ớc ô l-ới 50 x 50 km Một l-ới kích th-ớc không bằng nhau đ-ợc sử dụng cho chiều thẳng đứng với giải pháp gần bề mặt nếu

đ-ợc yêu cầu Với hàng nghìn điểm rời rạc hay hàng triệu ph-ơng trình khác nhau đ-ợc xử lý thông qua hàng nghìn b-ớc thời gian trong một b-ớc chạy

điển hình

Model) [13]

UAM là mô hình l-ới quang hóa 3 chiều, đ-ợc thiết kế tính toán dự báo

VOC (chất hữu cơ dễ bay hơi)) trong thời gian ngắn trong phạm vi đô thị, bằng cách mô phỏng các quá trình vật lý và hoá học trong khí quyển Mô hình này sẽ đ-ợc giới thiệu chi tiết ở ch-ơng sau

Dù phân chia thành các phần mềm chất l-ợng không khí khác nhau nh-ng đầu vào của các mô hình này đòi hỏi có số liệu phát thải, số liệu khí t-ợng Nguồn số liệu khí t-ợng có thể đ-ợc cung cấp d-ới dạng chuỗi các số liệu đo hay các kịch bản (giả thiết số liệu) hay đầu ra của một mô hình dự báo khí t-ợng Các mô hình khí t-ợng phổ biến nh- MM5, RAM,… Trong mô hình này mô hình khí t-ợng đ-ợc sử dụng là mô hình WRF Mô hình này

đang đ-ợc sử dụng trong một đề tài cấp nhà n-ớc, thực hiện tại Viện Khí t-ợng Thủy văn và đã cho những kết quả t-ơng đối khả quan

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết (WRF) [12] Trong mô hình này

có 3 ph-ơng án triển khai hệ tọa độ, đó là: hệ tọa độ Euler theo độ cao hình học, hệ tọa độ Euler theo áp suất và hệ tọa độ lai bán Lagrange Để mô tả trạng thái khí quyển thì một tập hợp các thành phần vật lý là cần thiết: bức xạ, tham số hóa lớp biên, tham số hóa đối l-u, khuếch tán rối quy mô d-ới l-ới và vi vật lý Trong mô hình WRF cho phép ng-ời sử

thái khí quyển Trong vi vật lý gồm các sơ đồ: Kessler, Purdue Lin, NCEP3, NCEP5, Eta, Eta Grid-scale Cloud and Precipitation Trong các sơ đồ đối l-u: New Kain - Fristch, Bett – Miller – Janjic, Kain – Fristch Trong bức xạ sóng dài: RRTM, Eta GFDL; sóng ngắn: Simple, Goddard, Eta GFDL Trong lớp bề mặt có 2 sơ đồ: sơ đồ dùng lý thuyết

đơn giản, sơ đồ MIJ Lớp đất: sơ đồ khuếch tán nhiệt, sơ đồ OSU/NM5 Tham số hóa lớp biên gồm: MRF, MIJ Mô hình WRF sử dụng sơ đồ tích phân Runge-Kutta bậc ba

Để chạy một phần mềm quản lý chất l-ợng không khí nhất thiết phải có

số liệu quan trắc Các số liệu quan trắc, đo đạc môi tr-ờng không chỉ cung cấp

đầu vào cho mô hình, kiểm tra mức độ chính xác của mô hình hay tính tóan nội suy trực tiếp từ số liệu mà nó còn cung cấp cơ sở cho việc kiểm soát chất l-ợng môi tr-ờng không khí

Hiện tại, mạng l-ới quan trắc chất l-ợng không khí ở Việt Nam gồm 21 trạm, đ-ợc hình thành trên cơ sở vật chất và nhân lực, kỹ thuật sẵn có của các cơ quan nghiên cứu, các phòng thí nghiệm thuộc 8 bộ, ngành và một số địa ph-ơng Thực chất, mỗi trạm hoạt động nh- một trung tâm quan trắc môi tr-ờng

Tổng số điểm quan trắc trong cả n-ớc là trên 250 điểm, phân bố trên

địa bàn của 45 địa ph-ơng, tập trung chủ yếu tại các khu vực đô thị, khu công nghiệp, các vùng sinh thái đặc biệt nhạy cảm về môi tr-ờng tần suất quan trắc

4 lần/năm

• Ch-ơng trình giám sát về môi tr-ờng không khí:

- Các thông số khí t-ợng: h-ớng gió, tốc độ gió, nhiệt độ không khí, áp suất khí quyển, độ ẩm không khí, l-ợng m-a, bức xạ mặt trời và bức xạ cực tím

- Các thông số môi tr-ờng: bụi lơ lửng, bụi PM10, thành phần

một số khí độc công nghiệp khác

độ cao 10m, trùng với độ cao đo gió Các thông số TSP, PM10,

• Đối với tiếng ồn giao thông là mức ồn trung bình t-ơng đ-ơng

• Ngoài ra còn có các thông số của môi tr-ờng n-ớc mặt, lục địa, n-ớc ngầm; môi tr-ờng n-ớc biển ven bờ; môi tr-ờng n-ớc biển khơi; môi tr-ờng đất; môi tr-ờng lao động; chất thải rắn và phóng xạ

Các trạm quan trắc môi tr-ờng không khí và n-ớc mặt do Trung tâm khí t-ợng thuỷ văn quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi tr-ờng đảm nhiệm:

• Quan trắc môi tr-ờng không khí:

cơ bản quốc gia (Cúc Ph-ơng, Playcu); 4 trạm cơ bản thành phố (Hà Nội, Hải Phòng, Đà Nẵng, TP Hồ Chí Minh) và các trạm cơ bản khí hậu sinh thái và hoá n-ớc m-a

n-ớc m-a (pH và thành phần hoá học của n-ớc m-a) chủ yếu bằng

máy đo liên tục và tự động

thiết bị đo hiện đại liên tục và đ-a vào hoạt động từ năm 2002

• Quan trắc môi tr-ờng n-ớc mặt lục địa: gồm 57 điểm đo (48

điểm sông, 9 điểm hồ) đo 27 thông số với trạm môi tr-ờng cơ bản,

43 thông số với các trạm chất l-ợng n-ớc

• Quan trắc môi tr-ờng n-ớc biển: có 35 trạm cửa sông, 15 trạm

đảo và 7 trạm ven bờ

• Ngoài ra còn có các đội khảo sát l-u động thuộc 3 phòng thí nghiệm ở Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Đà Nẵng đ-ợc sử dụng để quan trắc môi tr-ờng khi có sự cố môi tr-ờng

Nhìn chung, các trạm quan trắc môi tr-ờng không khí đã thu đ-ợc một khối l-ợng số liệu có giá trị Tuy nhiên, do số liệu quan trắc ch-a đ-ợc l-u trữ tập trung nên việc cung cấp số liệu môi tr-ờng còn rất hạn chế Các điểm đo còn rời rạc, ch-a thể đ-a ra một thông báo chất l-ợng không khí của một phạm vi rộng hay dự báo diễn biến của các chất ô nhiễm từ cơ sở số liệu này

Mặc dù vậy, các số liệu này cũng đã cung cấp cơ sở chung cho các báo cáo, nghiên cứu hiện trạng môi tr-ờng Các nghiên cứu này cho thấy một cái nhìn tổng thể và rõ ràng về thực trạng tình hình ô nhiễm môi tr-ờng trên cả n-ớc nói chung và từng tỉnh thành nói riêng, đặc biệt là ở Hà Nội

1.3 hiện trạng môi tr-ờng không khí của Hà Nội

Hà Nội nằm trong Đồng Bằng Châu thổ Sông Hồng với tổng số dân gần

Tr-ng, Đống Đa, Cầu Giấy, Tây Hồ, Hoàng Mai, Long Biên, Thanh Xuân) và

5 huyện ngoại thành (Từ Liêm, Sóc Sơn, Thanh Trì, Đông Anh, Gia Lâm)

Hà Nội hiện tập trung 9 khu công nghiệp chính tính đến năm 2003 (Minh Khai – Vĩnh Tuy, Th-ợng Đình, Đông Anh, Cầu Diễn, Gia Lâm- Yên Viên, Tr-ơng Định - Đuôi Cá, Văn Điển – Pháp Vân, Chèm, Cầu B-ơu) và tiến hành xây dựng mở rộng 5 khu công nghiệp mới (KCN Bắc Thăng Long, Nam Thăng Long, Đông Anh, Gia Lâm, Sóc Sơn)

Với đặc điểm là nơi tập trung nhiều khu công nghiệp và đông dân c-,

Hà Nội là 1 trong 2 khu vực có tốc độ phát triển kinh tế nhanh nhất trong cả n-ớc (tốc độ tăng tr-ởng GDP khoảng 18,49%/năm), chỉ sau thành phố Hồ Chí Minh

Sự phát triển này đang làm thay đổi mạnh mẽ bộ mặt của thủ đô nh-ng bên cạnh đó nó cũng đang gây ra những tác động tiêu cực đến môi tr-ờng từ

đó ảnh h-ởng xấu đến s-c khoẻ con ng-ời Hiện Hà Nội đang phải đối mặt với hàng loạt những thách thức liên quan đến chất l-ợng môi tr-ờng khí, đó là sự

ô nhiễm từ các hoạt động của dân c-, giao thông, xây dựng,… đặc biệt là từ các hoạt động công nghiệp Vì vậy đã có rất nhiều dự án, đề tài trong n-ớc tập trung nghiên cứu về môi tr-ờng không khí khu vực Hà Nội

Theo số liệu thống kê năm 1999 của Sở Tài nguyên và Môi tr-ờng Hà Nội, trong các khu công nghiệp có khoảng 147 nhà máy và xí nghiệp có khả năng gây ô nhiễm môi tr-ờng không khí Ngoài ra, l-ợng khí thải độc hại

đáng kể do quá trình thiêu đốt rác thải, bệnh phảm từ 36 bệnh viện trên địa bàn Hà Nội cũng góp phần gây ô nhiễm không khí

Trong nghiên cứu của L-u Thanh Chi (Sở Tài nguyên và Môi tr-ờng

Hà Nội) –Nghiên cứu điển hình hiện trạng môi trường không khí Hà Nội–

đã cho thấy rằng nồng độ bụi tại hầu hết các khu công nghiệp có biểu hiện tăng dần và đều v-ợt giới hạn cho phép (TCVN 5937 – 1995) Tăng mạnh nhất ở khu vực Mai Động, Th-ợng Đình, Chèm, Cầu Diễn, Văn Điển ở quận Hai Bà Tr-ng nồng độ các chất độc hại trong không khí đều v-ợt quá tiêu

có xu h-ớng giảm, nh-ng không đáng kể và nằm trong tiêu chuẩn cho phép

1999 và v-ợt tiêu chuẩn cho phép từ 2,5 đến 4,5 lần, đặc biệt tại các khu Mai Động, Pháp Vân và Văn Điển

Trong một nghiên cứu khác của tác giả D-ơng Hồng Sơn và các cộng sự

(Viện Khí t-ợng Thuỷ văn) –Nghiên cứu xây dựng quy hoạch môi trường không khí

đã tiến hành nghiên cứu đánh giá hiện trạng môi tr-ờng không khí tại các thu

công nghiệp vừa và nhỏ thuộc đề tài “Thực trạng và các biện pháp giảm thiểu

ô nhiễm môi tr-ờng cho các cơ sở công nghiệp vừa và nhỏ ở Hà Nội” của Sở

Tài nguyên và Môi tr-ờng Hà Nội tiến hành từ năm 2002 – 2003 đã rút ra kết luận nh- sau:

không khí xung quanh đều nằm trong tiêu chuẩn cho phép

chuẩn cho phép từ 1 – 1,2 lần Những loại cơ sở công nghiệp vừa và

sắt, nhôm; chế biến l-ơng thực, thực phẩm; giết mổ gia súc; giặt là; thuỷ tinh

- Nồng độ bụi lơ lửng lớn hơn tiêu chuẩn cho phép từ 1 – 1,4 lần, cao nhất là xung quanh các cơ sở sản xuất đồ mộc, đúc nhôm, đồng,

sản xuất bánh mì

- Xung quanh các cơ sở cơ khí mạ còn có ca hơi axit

- Xung quanh các cơ sở sản xuất đồ nhựa, ngoài các chất khí thông th-ờng còn bị ô nhiễm mùi hôi và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC)

Bên cạnh nguồn ô nhiễm chính là công nghiệp còn phải kể đến một l-ợng phát thải không nhỏ các khí ô nhiễm từ hoạt động giao thông vận tải

Hà Nội có mạng l-ới giao thông phức tạp và là đầu mối của nhiều tuyến

đ-ờng trọng điểm, vì vậy l-ợng ph-ơng tiện l-u thông qua khu vực Hà Nội rất lớn Bên cạnh đó là sự bùng nổ phát triển của các loại ph-ơng tiện giao thông

đặc biệt là xe máy (trong năm 2002 – 2003) và ô tô (đầu năm 2004), cùng với điều kiện đ-ờng xá ch-a đ-ợc cả thiện thì mức độ tác động từ khí xả của các loại ph-ơng tiện đến chất l-ợng môi tr-ờng và sức khoẻ con ng-ời càng lớn Sự ô nhiễm do giao thông vận tải chủ yếu là ô nhiễm cục bộ, nồng độ các

tiếng ồn… đều v-ợt quá tiêu chuẩn cho phép

Để có cơ sở đánh giá thực trạng chất l-ợng môi tr-ờng không khí tại các nút giao thông, hàng năm, Sở Tài nguyên và Môi tr-ờng th-ờng xuyên tiến hành quan trắc, đo đạc D-ới đây là kết quả quan trắc tại 2 ngã t- luôn xảy ra ùn tắc giao thông, kết quả trung bình năm từ năm 1996 đến năm 1999 trong “Quy hoạch tổng thể môi trường Thành phố Hà Nội giai đoạn 2001 – 2020”:

Bảng 1.4 Kết quả quan trắc ô nhiễm khí tại Ngã T- Vọng và Ngã T- Sở

Tất cả các nút giao thông ở các đô thị mới của Hà Nội kết quả quan trắc

đều v-ợt tiêu chuẩn cho phép đối với khu dân c- (TCVN 5937 – 1995), TCVN 5938 – 1995 về bụi và hơi khí, TCVN 5947- 1995 về tiếng ồn giao thông và TCVN 5948 – 1995 về tiếng ồn khu dân c-) Nồng độ chì mặc dù

có xu thế giảm, nh-ng vẫn còn cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép Tuy nhiên, từ ngày 1/7/2001 Chính phủ đã quyết định cấm sử dụng xăng pha chì

Có sự khác nhau rõ rệt giữa các nút giao thông ra vào thành phố với khu dân c- trong nội thành

Trong nghiên cứu –ảnh hưởng của ô nhiễm không khí tới sức khoẻ dân

cư tại khu công nghiệp Thượng Đình–, một trong các khu công nghiệp điển

hình của Hà Nội đ-ợc Liên Xô (cũ) và Trung Quốc xây dựng vào những năm

60, của tác giả Chu Văn Thăng cùng các cộng sự (Đại học Y) đã xác định tỷ lệ mắc các triệu chứng/bệnh liên quan đến ô nhiễm không khí Nghiên cứu đ-ợc tiến hành từ năm 1995 cho thấy: dân c- vùng ô nhiễm không khí cực đại

(ph-ờng Th-ợng Đình và xã Kh-ơng Đình) có tỷ lệ ng-ời lớn mắc triệu chứng hô hấp cao gấp 6,4 – 9,1 lần, tỷ lệ trẻ em mắc triệu chứng hô hấp cao gấp 4,9 – 5,5 lần, tỷ lệ ng-ời mắc hội chứng SBS (hội chứng đau yếu trong nhà ở với các triệu chứng ở niêm mạc mắt, mũi, họng, da và toàn thân) cao hơn 8,9 – 9,0 so với khu vực khác Nghiên cứu của Nguyễn Văn Hùng năm 2001: học sinh các tr-ờng tiếp giáp khu công nghiệp Th-ợng Đình nh- Kh-ơng Đình, Thanh Xuân Bắc mắc bệnh viêm họng mãn cao gấp 6,11 – 6,63 lần so với khu vực khác Tại ph-ờng Kh-ơng Đình, nơi có mức ô nhiễm cao nhất thì các triệu chứng của hội chứng SBS cũng cao nhất, sau đó đến Thanh Xuân Bắc, Nhân Chính Trong nghiên cứu năm 2003 cho kết quả: 19% số ng-ời lớn có

ho th-ờng xuyên, 15,7% có khạc đờm th-ờng xuyên, 6,4% bị viêm phế quản mạn tính và 35,6% có ít nhất một dấu hiệu tổn th-ơng đ-ờng hô hấp trên

Nh- vậy những tác động từ chất l-ợng không khí suy giảm đến sức khoẻ con ng-ời đã đ-ợc xác định bằng một con số cụ thể và mức độ tác động này đang có nguy cơ tăng lên, đặc biệt là ở trẻ em

Qua các nghiên cứu về hiện trạng môi tr-ờng không khí Hà Nội cho thấy rằng, sự suy giảm chất l-ợng không khí đang tăng lên trên phạm vi toàn thành phố Do đó cần phải có sự tính toán, dự báo mức độ ô nhiễm theo một mô hình chính xác để từ đó đề ra đ-ợc các biện pháp điều chỉnh hợp lý trong quản lý môi tr-ờng Đây cũng chính là sự cần thiết phải có mô hình hóa trong quản lý, tạo cơ sở tiền đề cho các dự báo chất l-ợng môi tr-ờng sau này Việc

sử dụng phần mềm UAM-V có thể đáp ứng đ-ợc một phần yêu cầu quản lý và

dự báo chất l-ợng môi tr-ờng khí

CHƯƠNG 2 cơ sở lý thuyết của mô hình dự báo chất l-ợng môi tr-ờng

khí trong phần mềm UAM-V

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phần mềm mô hình không khí khu vực đô thị (UAM-V Variable grid Urban Airshed Model) phiên bản 1.30 (http://www.uamv.cm/) để tính tóan nồng độ, sự lan truyền của các chất ô nhiễm Mô hình của phần mềm sẽ đ-ợc trình bày trong các phần d-ới đây

2.1 hệ ph-ơng trình của mô hình

Hệ thống mô hình của UAM là mô hình l-ới 3 chiều, đ-ợc thiết kế để tính toán nồng độ của các chất ô nhiễm (trơ hoặc có phản ứng hóa học) bằng cách mô phỏng các quá trình vật lý và hóa học trong khí quyển bị ảnh h-ởng

đến nồng độ các chất ô nhiễm Cơ sở của phần mềm này là hệ ph-ơng trình

c K y x

c K x z

c u y

c u x

c u t

z

i y

i x i

z i

y i

Trong đó:

Si : Tốc độ phát thải chất ô nhiễm i

Để giải mô hình này yêu cầu có các điều kiện đầu và điều kiện biên là nồng độ của các chất ô nhiễm, điều kiện khí t-ợng tại thời điểm ban đầu khi bắt đầu tính và tại vị trí biên Trong điều kiện đầu không chỉ xét đến nồng độ ban đầu của các khí trong không khí mà còn xét đến l-ợng khí thải ra từ hoạt

động của các nhà máy, xí nghiệp tại thời điểm bắt đầu tính toán

Hệ ph-ơng trình (2.1) thực tế là kết quả của việc tính trung bình theo thời gian của hệ ph-ơng trình sau:

(

do điều kiện áp dụng không hoàn toàn nh- điều kiện nghiên cứu

Vì vậy, nhìn tổng thể, phần mềm này sẽ cho sai số khoảng 9 – 10% do các hệ số thực nghiệm trong ph-ơng trình, điều kiện đầu và điều kiện biên Để giảm sai số của mô hình do điều kiện đầu và điều kiện biên, mô hình UAM-V

có quá trình tiền xử lý số liệu đầu vào cho điều kiện đầu và biên

Để hiểu rõ quá trình sử dụng các dữ liệu và các thủ tục tính toán của mô hình, các phần sau sẽ trình bày chi tiết hơn các thông số đ-ợc sử dụng và các ph-ơng pháp giải

Sự khuếch tán của các chất ô nhiễm trong phần mềm UAM-V đ-ợc coi

nh- tỷ lệ với gradient nồng độ trong không gian (thuyết hệ số k) Hệ số tỷ lệ

Các hệ số khuếch tán ngang đ-ợc tính toán trong ch-ơng trình UAM-V dựa vào đặc tính biến đổi của gió ngang

Các hệ số trao đổi rối thẳng đứng có thể đ-ợc suy đoán từ tr-ờng gió và

báo khí t-ợng

Các điều kiện thông l-ợng O đ-ợc xác định tại các biên đối với khuếch tán ngang, và ở đỉnh đối với khuếch tán thẳng đứng Điều kiện biên d-ới cho khuếch tán thẳng đứng đ-ợc xác định nh- thông l-ợng lắng đọng khô từ lớp

đầu tiên đến bề mặt

2.2.2 Động học các phản ứng trong khí quyển

Ôzôn đ-ợc hình thành trong khí quyển thông qua các phản ứng hóa học

cơ và hàng nghìn các phản ứng tham gia vào sự hình thành ôzôn trong khí

sẽ gây phức tạp cho các mô hình l-ới Eulerian nh- ch-ơng trình UAM Chính vì vậy, mà hầu hết các cơ chế động lực quang hóa xem xét các hợp chất hữu cơ theo nhóm, th-ờng trên cơ sở nhóm chức của chúng

Ch-ơng trình UAM-V sử dụng phiên bản IV mở rộng của cơ chế liên kết cacbon (CB-IV) cho việc giải động học hóa học (Gery đ-a ra năm 1988)

Sự mở rộng này gọi là CB-IV-TOX khai triển xử lý olefins và aldehydes bao gồm cả việc xử lý acetaldehyd Những liên kết cacbon gắn liền các phần tử hữu cơ rời rạc bằng những liên kết của các hợp chất cacbon Ví dụ, propylene, butene, và butene-1có một olefinic liên kết cacbon đôi nh-ng số liên kết các cacbon đơn thì khác nhau Chính vì vậy, trong liên kết cacbon propylene, butene, và pentene-1 sẽ t-ơng ứng với một liên kết olefinic (OLE) và một, hai

và ba liên kết paraffinic (PAR), theo thứ tự (Chi tiết các phản ứng hóa học trong Phụ lục)

Khi đ-ợc sử dụng trong mô hình này, cơ chế liên kết CB-IV-TOX gồm

có hơn 100 phản ứng và hơn 30 loại hóa chất Ngoài ra, mô hình UAM-V còn

có những cập nhật quan trọng nh- về cơ chế liên kết CB-IV của Dodge (1989)

và các cộng sự: về sự tác động của nhiệt độ tới nhóm PAN (phản ứng 46-48), bao gồm phản ứng gốc-gốc; và về isoprene đ-ợc chỉnh sửa bởi Carter (1996)

2.2.3 Quá trình vận chuyển bề mặt [13]

Theo UAM-V Guideline, thuật toán lắng đọng khô trong UAM-V đ-ợc dựa mô hình RADM của Wesely (1989)

(Vd):

Vận tốc lắng đ-ợc -ớc tính là một số nghịch đảo của tổng các trở lực Với các chất khí sẽ có công thức nh- sau:

c b a d

R R R

sed b a b a sed d

V R R R R V V

.

tán phân tử của các chất ô nhiếm qua lớp bao xung quanh các vật rắn và điện trở biên phụ thuộc lớn vào số Schmidt (tỷ lệ của độ nhớt động học với khuếch tán phân tử của chất ô nhiễm trong không khí) Điện trở bề mặt th-ờng là tập hợp các điện trở song song kết hợp với

(1) lỗ khí khổng ở lá, (2) lớp biểu bì ở lá; (3) các kháng trở khác (ví dụ

vỏ cây, thân cây ) và (4) lớp đất bề mặt, n-ớc (theo Wesely, 1989)

2.2.3.1 Sự biến đổi quy mô l-ới phụ trong sử dụng địa hình

Ch-ơng trình UAM-V xác định tốc độ ma sát và độ dài Obukhov, để tính điện trở khí động lực học, dựa vào ph-ơng pháp đồng dạng

Monin-từ số liệu đầu vào về gió và nhiệt độ đ-ợc l-ới hóa, Giả thiết rằng tồn tại một thông l-ợng không đổi từ bề mặt đến điểm chính giữa của lớp 1, không tính

đến độ dày lớp 1 áp suất, nhiệt độ tại bề mặt và nhiệt độ của lớp 1 đ-ợc sử

định độ ổn định của lớp này Theo công thức của Louis (1979), độ bền, tốc độ gió lớp 1, độ gồ ghề bề mặt đ-ợc sử dụng để tính tốc độ gió cách bề mặt 10-

m, vận tốc ma sát, và độ dài Monin-Obukhov cho từng loại điạ hình sử dụng Nhận thấy rằng độ gồ ghề mặt n-ớc phụ thuộc vào ứng suất bề mặt, đ-ợc tính toán từ vận tốc ma sát Vận tốc ma sát trên mặt n-ớc đ-ợc đặt vào loại có thể biến đổi cho sử dụng trong tính toán điện trở trên mặt n-ớc

Monin-Obukhov cho từng loại địa hình trên một ô l-ới đ-ợc sử dụng để tính điện trở khí động học và điện trở của lớp biên tại ô đó Các điện trở này kết hợp với

điện trở bề mặt, phụ thuộc địa hình sử dụng, để tính đ-ợc vận tốc lắng Những vận tốc này sau đó đ-ợc xử lý theo từng loại địa hình sử dụng trong ô l-ới để

có đ-ợc vận tốc lắng đọng độc lập cho từng ô của các chất

2.2.3.2 Lắng đọng trên bề mặt n-ớc [13]

Lắng đọng trên bề mặt n-ớc có thể diễn ra nhanh chóng đối với những khí có thể hòa tan Thuật toán tính kháng trở bề mặt n-ớc, thể hiện sự gia tăng vận tốc lắng trong n-ớc, của Slinn và các đồng sự (1978) đ-ợc thực hiện trong phần mềm UAM-V Trở khối pha lỏng đ-ợc đ-a ra nh- sau:

l s

k

H R

α* là sự gia tăng ảnh h-ởng khả năng hòa tan của từng khí trong n-ớc

trở bề mặt do bề mặt bị -ớt bởi s-ơng và m-a (Wesely, 1989) Sự bổ sung yếu

tố "s-ơng" đ-ợc -ớc tính bởi ch-ơng trình, dựa vào mối quan hệ giữa độ ẩm t-ơng ứng và tốc độ gió

L-ợng m-a sẽ dùng để xác định sự mở rộng về không gian và thời gian với mặt đất bị -ớt bởi m-a File đầu vào sử dụng cho mục đích này t-ơng tự nh- sử dụng cho tính toán lắng đọng -ớt Trong tr-ờng hợp thiếu file này, mô hình chỉ công nhận sự thay đổi điện trở bề mặt bị -ớt bởi s-ơng

2.2.4 Lắng đọng -ớt

Mô hình UAM-V bao gồm thuật tóan lắng đọng -ớt (có thể sử dụng trong tính toán hoặc không cần) để tính toán sự chuyển đổi của các sol khí và các khí có thể hòa tan trong khí quyển vào m-a File đầu vào bao gồm l-ợng m-a đ-ợc l-ới hóa theo giờ, dựa vào số liệu quan trắc Lựa chọn lắng đọng -ớt th-ờng không đ-ợc sử dụng cho mô hình tính ozone, vì l-ợng m-a không phổ biến trong lớp ozone

2.2.5 Thành phần gió

Tốc độ gió theo ph-ơng ngang đ-ợc xác định từng giờ theo một trong 2 cách (tùy chọn) sau: 1 gió tại trung tâm từng ô l-ới; hay 2 so le với các mặt cắt ô l-ới ngang Tốc độ gió đ-ợc sử dụng để -ớc tính các số hạng lan truyền theo ph-ơng ngang trong ph-ơng trình khuếch tán; tính vận tốc theo ph-ơng thẳng đứng; tính các tham số lớp bề mặt cho lắng đọng, xác định các đặc điểm nâng cao cột khói, và dự báo hệ số khuếch tán

2.2.6 L-ợng phát thải

L-ợng phát thải đ-ợc tính trong ch-ơng trình ở 2 dạng: phát thải dạng nguồn điểm, đ-ợc gọi tắt là nguồn điểm và phát thải dạng nguồn diện, đ-ợc gọi tắt là nguồn diện

2.2.6.1 Nguồn dạng điểm

Nguồn điểm bao gồm các ống khói của các nhà máy hoặc các cơ sở kinh doanh lớn đặt trên địa bàn khu vực Đặc điểm chung của nguồn điểm là

có ống khói cao

Đối với từng nguồn điểm đặt trong khu vực tính, những thông tin sau cần đ-ợc chỉ rõ: vị trí (tọa độ x, y theo l-ới kinh/vĩ (độ); hoặc theo l-ới UTM (km)), độ cao ống khói (m), đ-ờng kính ống khói (m), nhiệt độ tại miệng ống khói (độ Kelvin), vận tốc thải (m/h) và l-ợng phát thải của từng chất (gmol/h)

L-ợng phát thải của từng chất tại từng nguồn điểm có thể tùy ý xác định

độc lập trong từng ngày File này cũng chỉ rõ các nguồn điểm sẽ đ-ợc xử lý với giải pháp PIG với đầy đủ cơ chế hóa học từ đơn giản đến phức tạp

2.2.6.2 Nguồn dạng diện

Loại hình nguồn diện bao gồm nguồn diện thực (ví dụ, các bếp gia

đình, các hiệu giặt khô và những nguồn có khả năng), nguồn di động, nguồn

điểm thấp (với độ cao ống khói thấp hay nâng cao cột khói hiệu quả thấp), các nguồn sinh học và tự nhiên

Các giá trị về tải l-ợng phát thải của nguồn diện phải đ-ợc định rõ cho từng loại chất đ-ợc phát thải tại từng vị trí phát thải theo l-ới ngang Chúng có thể đ-ợc xác định theo từng ngày Phát thải từ nguồn diện đ-ợc giải phóng vào lớp đầu tiên trên bề mặt

2.2.7 Độ nâng cột khói [13]

Sự phát triển của cột khói trong mô hình UAM-V dựa vào kết quả của mô hình Gause TUPOS (Turner, 1986) Độ nâng cột khói đ-ợc tính từ các thông số về ống khói và đầu vào khí t-ợng theo l-ới của UAM-V Thông th-ờng việc tính toán chiều cao tự nâng của cột khói phụ thuộc vào độ bền vững của khí quyển, khả năng phục hồi và động l-ợng của lớp khí quyển chứa ống khói Nếu cột khói v-ợt quá đỉnh của một lớp thì độ nâng đ-ợc tính dựa trên trạng thái ổn định cục bộ của lớp cao hơn phía trên và khả năng phục hồi (động l-ợng chỉ áp dụng cho lớp có ống khói) Khi độ nâng cột khói đ-ợc

hình thành ổn định thì kết quả sẽ đ-ợc điều chỉnh bằng số Froude;

Các yếu tố ảnh h-ởng đến độ nâng của cột khói gồm: khả năng phục hồi của cột khói và động l-ợng của lớp chứa ống khói theo các trạng thái của khí quyển Các trạng thái của khí quyển đ-ợc xét đến từ bất ổn định đến ổn định

bất ổn định đến trung tính đ-ợc xác định theo công thức:

u

dv

H um 3 s

Trong đó: d - là đ-ờng kính ống khói (m)

u - là tốc độ gió (m/s)

ổn định đến trung tính đ-ợc xác định theo 1 trong 2 công thức d-ới đây:

/ (

f - là khả năng phục hồi

của lớp khí mà trong đó có độ nâng cột khói đ-ợc tính

Dòng phục hồi f đ-ợc tính từ các thông số của ống khói và lớp khí

đ-ợc tính toán theo 1 trong 2 công thức (5-6) d-ới đây, nếu độ nâng và dòng phục hồi v-ợt quá đỉnh của lớp khí xem xét

3 / 5

3 / 2 3

1 ) (

0055 , 0

s t

ub r

z H

h u

z H