Nghiên cứu sử dụng mô hình công cụ phục vụ dự báo và quản lý chất lượng không khí các khu công nghiệp nhơn trạch, tỉnh đồng nai

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Trần Minh Nguyệt Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 06/9/1985 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Quản lý môi trường MSHV: 09260541 1- T

NGUYỄN TRẦN MINH NGUYỆT

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG CỤ MÔ HÌNH PHỤC

VỤ DỰ BÁO VÀ QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ CÁC KHU CÔNG NGHIỆP NHƠN TRẠCH,

TỈNH ĐỒNG NAI

CHUYÊN NGÀNH: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 12/2010

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Hoàng Nghiêm

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC

SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 15 tháng 01 năm 2011

Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Trần Minh Nguyệt Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 06/9/1985 Nơi sinh: Đồng Nai

Chuyên ngành: Quản lý môi trường MSHV: 09260541

1- TÊN ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu sử dụng công cụ mô hình phục vụ dự báo và quản lý chất lượng không khí các khu công nghiệp Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Thu thập và xây dựng cơ sở dữ liệu phát thải của các nhà máy thuộc các KCN Nhơn Trạch (gồm KCN NT1, NT2,NT2 – Lộc Khang, NT2 – Nhơn Phú, NT3,

NT5, NT6, Dệt may Nhơn Trạch);

 Xây dựng cơ sở dữ liệu khí tượng trong khu vực nghiên cứu và chuẩn bị dữ liệu

khí tượng đầu vào cho mô hình ISCST3;

 Áp dụng mô hình ISCST3 cho các chất ô nhiễm: Bụi, SO2, NOx, CO nhằm đánh giá chất lượng môi trường không khí KCN và khu vực xung quanh tại thời điểm

hiện tại và tương lai;

 Nghiên cứu các kịch bản giảm thiểu ô nhiễm và đề xuất các giải pháp quản lý phù hợp, hiệu quả nhằm đảm bảo chất lượng không khí KCN và khu vực xung

quanh đạt quy định cho phép

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 6/7/2010

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 6/12/2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: T.S LÊ HOÀNG NGHIÊM

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỜNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH

Khi luận văn này được hoàn thành, đó cũng là lúc đánh dấu kết thúc quá trình học tập tại lớp Cao học Quản lý môi trường của tôi Để hoàn thành tốt luận văn này, ngoài nổ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của gia đình, thầy

Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm

và luôn bên cạnh chia sẻ những khó khăn, động viên giúp đỡ, tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này

Với thời gian nghiên cứu, tìm hiểu có hạn và vốn kiến thức nhất định nên không tránh khỏi sai sót trong khi thực hiện Luận văn tốt nghiệp Do đó, xin chân thành cám ơn sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và bạn bè

Tp HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2010 Học viên thực hiện

Nguyễn Trần Minh Nguyệt

Luận văn sử dụng mô hình ISCST3 (Industrial Source Complex Short Term) – Mô hình mô tả lan truyền chất ô nhiễm không khí từ hệ thống các nguồn thải công nghiệp ngắn hạn để dự đoán nồng độ các chất ô nhiễm tại KCN Nhơn Trạch theo các điều kiện khí tượng Luận văn tập trung vào các vấn đề: đánh giá hiện trạng chất lượng không khí KCN Nhơn Trạch tại thời điểm nghiên cứu; hiện trạng sử dụng nhiên liệu, phương pháp xử lý chất ô nhiễm trước khi phát thải; đặc tính và thông số ô nhiễm tại các nguồn thải điểm; đặc tính các vị trí nhạy cảm trong khu vực nghiên cứu Trên cơ sở đó sẽ ứng dụng mô hình ISCST3 cho các nguồn điểm để đánh giá hiện trạng và dự báo chất lượng không khí tại KCN Từ kết quả mô hình sẽ xây dựng bản đồ hiện trạng ô nhiễm bụi, SO2, NO2, CO tại KCN Nhơn Trạch, xác định mối quan hệ giữa các thông số nhiễm và điều kiện khí tượng của khu vực Cuối cùng, để xác định hiệu quả và đánh giá mức độ tin cậy của mô hình, tiến hành so sánh kết quả mô hình với kết quả đo đạc thực tế, rút ra ưu – nhược điểm của mô hình và bài học kinh nghiệm Dựa trên việc nghiên cứu các kịch bản giảm tải lượng ô nhiễm, giải quyết tối ưu bài toán ô nhiễm, đề xuất các giải pháp quản lý phù hợp và hiệu quả cho các nguồn thải, nhằm đảm bảo chất lượng môi trường không khí KCN Nhơn Trạch

và khu vực xung quanh đạt quy định

Study uses ISCST3 model (Industrial Source Complex Short Term generation 3) which observes the spread of air pollutants from the point source system by meteorological conditions to predict pollutant concentrations from Nhon Trach Industrial Zone This study focuses on these items: assessing the current air quality at Nhon Trach IZ, consuming fuel, pollutant treatment methods before emission, characteristics and parameters of point sources; characteristics of sensitive positions at the study area Based

on the above data, study applies ISCST3 model for point sources to assess and predict air quality in Nhon Trach IZ From the model result, polluted maps are made to show the concentration of dust, SO2, NO2, CO pollutants in Nhon Trach IZ and determines the relationship between polluted parameters and meteorological conditions in the region Finally, the effectiveness and reliability of the model are assessed

by comparing model results with actual measurements to find out advantages and disadvantages of the model and empirical lessons Based on reducing pollution scene from study, pollution is solved optimally by proposing some suiteable and effective management solutions to ensure the air quality in Nhon Trach IZ and surrounding area reach regulations

i   

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

1.3 TÍNH MỚI 2

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

1.5 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4

1.5.1 Phạm vi của đề tài 4

1.5.2 Đối tượng nghiên cứu 5

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

1.6.1 Phương pháp đo đạc, điều tra và thu thập số liệu 5

1.6.2 Phương pháp mô hình 7

1.6.3 Phương pháp ứng dụng kỹ thuật tin học 11

1.6.4 Phương pháp phân tích, đánh giá 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 13

2.1.1 Khái niệm về mô hình 13

2.1.2 Mô hình hóa môi trường 14

2.1.2.1 Khái niệm mô hình môi trường 14

2.1.2.2 Các loại mô hình môi trường 15

2.2 MÔ HÌNH KHUYẾCH TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 15

2.2.1 Những khái niệm cơ bản trong mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí 16

2.2.2 Phân loại các mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí 16

2.2.3 Phương trình cơ bản mô tả sự khuyếch tán ô nhiễm 19

2.2.4 Công thức xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss 23

2.2.4.1 Công thức cơ sở 23

2.2.4.2 Diễn giải công thức mô hình Gauss cơ sở bằng phương pháp phân tích thứ nguyên 24

2.2.4.3 Sự biến dạng của mô hình Gauss cơ sở 26

2.2.4.4 Hệ số khuếch tán và vận tốc gió 28

2.2.4.5 Chiều cao hiệu quả của ống khói 31

2.2.4.6 Sự lắng đọng bụi trong quá trình khuếch tán khí thải từ các nguồn điểm cao 32

2.3 MÔ HÌNH ISCST3 34

ii   

2.3.2.1 Dữ liệu nguồn thải 36

2.3.2.2 Dữ liệu khí tượng 36

2.3.2.3 Dữ liệu vị trí tiếp nhận 37

2.3.3 Hệ tọa độ 37

2.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 37

2.4.1 Tình hình nghiên cứu thế giới 37

2.4.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 38

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN, HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG KHU CÔNG NGHIỆP NHƠN TRẠCH 40

3.1 TỔNG QUAN KHU CÔNG NGHIỆP NHƠN TRẠCH 40

3.1.1 Huyện Nhơn Trạch 40

3.1.2 Khu công nghiệp Nhơn Trạch 41

3.1.2.1 Vị trí 41

3.1.2.2 Hiện trạng hoạt động 42

3.2 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ KCN NHƠN TRẠCH 45

3.2.1 Các nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng không khí KCN 45

3.2.2 Hiện trạng phát thải của KCN 46

3.2.3 Hiện trạng môi trường không khí KCN 47

3.2.4 Các giải pháp quản lý chất lượng môi trường không khí KCN 53

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH ISCST3 CHO KCN NHƠN TRẠCH 55

4.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO CỦA MÔ HÌNH 55

4.1.1 Dữ liệu khí tượng 55

4.1.1.1 Các bước xử lý số liệu khí tượng 55

4.1.1.2 Chế độ gió năm 2009 62

4.1.2 Dữ liệu các nguồn thải trong các KCN Nhơn Trạch 66

4.1.3 Điểm nhạy cảm (Receptor Data) của khu vực nghiên cứu 81

4.1 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CHẠY MÔ HÌNH 82

4.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ HÌNH THEO CÁC KỊCH BẢN 86

4.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ HÌNH THEO CÁC KỊCH BẢN 88

4.3.1 Kịch bản hiện trạng 89

4.3.1.1 Mô tả thông tin đầu vào của mô hình 89

4.3.1.2 Kết quả tính toán mô hình 89

4.3.1.3 Đánh giá kết quả tính toán của mô hình 94

iii   

4.3.2.1 Mô tả thông tin đầu vào mô hình 104

4.3.2.2 Kết quả tính toán 105

4.3.2.3 Đánh giá kết quả tính toán mô hình 106

4.3.2.4 Đánh giá bản đồ phân bố ô nhiễm 109

4.3.3 Kịch bản giảm thiểu ô nhiễm 114

4.3.3.1 Mô tả kịch bản 114

4.3.3.2 Kết quả tính toán của mô hình 115

4.4 ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH 118

CHƯƠNG 5 : ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ CHO KCN NHƠN TRẠCH 122

5.1 BIỆN PHÁP QUY HOẠCH 122

5.2 BIỆN PHÁP QUẢN LÝ 123

5.2.1 Xây dựng hệ thống quản lý chất lượng KCN 123

5.2.2 Các biện pháp quản lý chung 125

5.3 BIỆN PHÁP KỸ THUẬT 126

CHƯƠNG 6 :KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

6.1 KẾT LUẬN 128

6.2 KIẾN NGHỊ 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

iv   

Bảng 2.1: Phân loại độ bền vững khí quyển 32

Bảng 2.2: Công thức σy và σz cho vùng nông thôn 32

Bảng 2.3: Công thức σy và σz cho vùng thành thị 32

Bảng 2.4: Hệ số a, b, c, d 33

Bảng 2.5: Hệ số p 33

Bảng 3.1: Tổng quan các KCN huyện Nhơn Trạch 43

Bảng 3.2 Nguồn phát thải ô nhiễm không khí của các ngành công nghiệp 46

Bảng 3.3: Hiện trạng phát thải KCN Nhơn Trạch 47

Bảng 3.4: Vị trí quan trắc chất lượng không khí KCN Nhơn Trạch 47

Bảng 3.5: Kết quả quan trắc chất lượng không khí KCN KCN Nhơn Trạch 49

Bảng 4.1: Thống kê chế độ gió qua các tháng năm 2009 64

Bảng 4.2: Các nguồn phát sinh khí thải 67

Bảng 4.3: Hệ số phát thải đối với các loại nhiên liệu 71

Bảng 4.4: Tổng hợp các thông số đầu vào của mô hình 73

Bảng 4.5: Thuộc tính các điểm nhạy cảm trong khu vực 81

Bảng 4.6: Nồng độ TSP cực đại các tháng năm 2009 (kịch bản 1) 90

Bảng 4.7: Nồng độ SO2 cực đại các tháng năm 2009 (kịch bản 1) 90

Bảng 4.8: Nồng độ NO2 cực đại các tháng năm 2009 (kịch bản 1) 91

Bảng 4.9: Nồng độ CO cực đại các tháng năm 2009 (kịch bản 1) 91

Bảng 4.10: Nồng độ cực đại các chất ô nhiễm tại các điểm nhạy cảm (kịch bản 1) 92

Bảng 4.11: Kết quả đánh giá bản đồ phân bố ô nhiễm (kịch bản 1) 102

Bảng 4.12: Nồng độ TSP cực đại các tháng năm 2009 (kịch bản 2) 105

Bảng 4.13: Nồng độ SO2 cực đại các tháng năm 2009 (kịch bản 2) 106

Bảng 4.14: Kết quả đánh giá bản đồ phân bố ô nhiễm (kịch bản 2) 112

Bảng 4.15: Nồng độ TSP cực đại qua các tháng năm 2009 (kịch bản giảm thiểu) 115

Bảng 4.16:Nồng độ SO2 cực đại qua các tháng (kịch bản giảm thiểu) 116

Bảng 4.17: Các thông số thống kê được sử dụng để đánh giá mô hình chất lượng không khí 118

Bảng 4.18: Thông số thống kê UPA tháng 12/2009 119

Bảng 5.1: Các vị trí giám sát chất lượng không khí đề xuất 124

v   

Hình 1.1: Quy trình thu thập số liệu nguồn thải 9

Hình 1.2: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu mô hình Breeze ISCST3 11

Hình 1.3: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu mô hình Breeze ISCST3 12

Hình 2.1: Các bước thực hiện quá trình mô hình hóa 15

Hình 2.2: Tổng quan các loại mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí 20

Hình 2.3: Hệ quy chiếu của mô hình Euler và mô hình Largrang 20

Hình 2.4 Biểu đồ luồng khói bằng các khối phụt tức thời và liên tục 25

Hình 2.5 Sơ đồ minh hoạ ảnh hưởng của vận tốc gió đến nồng độ chất ô nhiễm do nguồn phát thải liên tục và hằng số gây ra 27

Hình 2.6 Sơ đồ mô hình vệt khói Gauss 28

Hình 2.7 Các trường hợp biến thiên nhiệt độ không khí theo chiều cao trên mặt đất 31

Hình 2.8 Sơ đồ tính chiều cao hiệu dụng của ông khói 34

Hình 3.1: Sơ đồ vị trí quy hoạch khu công nghiệp Nhơn Trạch 41

Hình 3.2: Vị trí các khu công nghiệp Nhơn Trạch 42

Hình 3.3: Diễn biến nồng độ Bụi KCN Nhơn Trạch năm 2009 50

Hình 3.4: Diễn biến nồng độ SO2 KCN Nhơn Trạch năm 2009 51

Hình 3.5: Diễn biến nồng độ NO2 KCN Nhơn Trạch năm 2009 51

Hình 3.6: Diễn biến nồng độ CO KCN Nhơn Trạch năm 2009 52

Hình 4.1: Website của trung tâm dữ liệu khí tượng Hoa Kỳ 55

Hình 4.2: Quy trình xử lý dữ liệu khí tượng 56

Hình 4.3: File số liệu khí tượng mặt đất 1/2h 57

Hình 4.4: File số liệu khí tượng mặt đất 1h (sau xử lý datasav) 58

Hình 4.5: File số liệu khí tượng trên cao 60

Hình 4.6: File số liệu chiều cao xáo trộn 60

Hình 4.7: File số liệu khí tượng đầu vào mô hình Breeze ISCST3 61

Hình 4.9: Hoa gió các tháng năm 2009 65

Hình 4.10 : Cửa sổ Map View 82

Hình 4.11: Bản đồ KCN Nhơn Trạch và vùng lân cận trong giao diện mô hình Breeze ISCST3 83

Hình 4.12: Cửa sổ nhập dữ liệu nguồn thải 83

Hình 4.13 : Cửa sổ quản lý tất cả các nguồn thải 85

Hình 4.14: Bản đồ các KCN Nhơn Trạch thể hiện vị trí nguồn thải và các điểm nhạy cảm 85 Hình 4.15: Cửa sổ kiểm soát chế độ làm việc của mô hình Breeze ICST3 86

vi   

Hình 4.18: Minh họa kết quả bản đồ phân bố ô nhiễm của mô hình Breeze ISCST3 88

Hình 4.19: Đồ thị biểu diễn nồng độ TSP cực đại các tháng (kịch bản 1) 94

Hình 4.20: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 cực đại các tháng (kịch bản 1) 94

Hình 4.21: Đồ thị biểu diễn nồng độ NO2 cực đại các tháng (kịch bản 1) 95

Hình 4.22: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 cực đại tại các vị trí nhạy cảm (kịch bản 1) 97

Hình 4.23: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 01,2/2009 (kịch bản 1) 99

Hình 4.24: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 3,4/2009 (kịch bản 1) 99

Hình 4.24: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 5, 6/2009 (kịch bản 1) 100

Hình 4.26: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 7, 8/2009 (kịch bản 1) 100

Hình 4.27: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 9,10/2009 (kịch bản 1) 101

Hình 4.28: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 11,12/2009 (kịch bản 1) 101

Hình 4.29: Đồ thị biểu diễn nồng độ TSP cực đại các tháng (kịch bản 2) 106

Hình 4.30: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 cực đại các tháng (kịch bản 2) 107

Hình 4.31: Nồng độ SO2 cực đại tại các điểm nhạy cảm (kịch bản 2) 108

Hình 4.32 : Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 1,2/2009 (kịch bản 2) 109

Hình 4.33 : Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 3,4/2009 (kịch bản 2) 109

Hình 4.34 : Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 5,6/2009 (kịch bản 2) 110

Hình 4.35: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 7,8/2009 (kịch bản 2) 110

Hình 4.36: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 9,10/2009 (kịch bản 2) 111

Hình 4.37: Bản đồ phân bố vùng ô nhiễm SO2 tháng 11,12/2009 (kịch bản 2) 111

Hình 4.38: Đồ thị biểu diễn nồng độ TSP cực đại các tháng (kịch bản giảm thiểu) 116

Hình 4.39: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 cực đại các tháng (kịch bản giảm thiểu) 117

vii   

CONNKK : Chất ô nhiễm không khí

DN : Doanh nghiệp

GIS (Geographic Information System) : Hệ thống thông tin địa lý

GPS (Global Positioning System) : Hệ thống định vị toàn cầu

ISC (Industrial Source Complex) : Mô hình nguồn thải công nghiệp

ISCST3(Industrial Source Complex

QCVN : Quy chuẩn Việt Nam

SAPRAs : Tổ chức kiểm soát ô nhiễm không khí của

từng bang của Hoa Kỳ

TH : Tiểu học

THPT : Trung học phổ thông

TSP (Total Suspended Particle) : Bụi lơ lửng

UBND : Ủy ban nhân dân

UPA (Unpaired Peak Prediction

Accuracy)

: Độ chính xác dự báo các giá trị cực đại

US EPA (United States Environmental

Protection Agency)

: Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ

UTM (Universal Transverse Mercator ) : Hệ quy chiếu toàn cầu

WHO (World Health Organization) : Tổ chức Y tế thế giới

WRPLOT (Wind rose plots for

Meteorological Data)

: Đồ thị hoa gió cho dữ liệu khí tượng

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Huyện Nhơn Trạch nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam, giữa vùng tam giác kinh tế: T.P Hồ Chí Minh – Biên Hòa – Bà Rịa Vũng Tàu, ven các tuyến giao thông thủy bộ huyết mạch của cùng và là cửa ngõ tương lai vào T.P Hồ Chí Minh, nên Nhơn Trạch có lợi thế về phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng cao, đóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế tỉnh Đồng Nai cũng như toàn vùng kinh tế trọng điểm phía Nam

Nhơn Trạch là huyện được quy hoạch nhiều KCN nhất trên toàn tỉnh Đồng Nai Tính đến tháng 5/2010 trên địa bàn huyện đã có 9 KCN được phê duyệt với tổng diện tích 3.500ha (bao gồm 8 KCN hoạt động tập trung chiếm diện tích 2.700ha và 1 KCN diện tích 800ha hoạt động riêng lẻ) Với tổng số dự án đầu tư

310 dự án và 250 dự án đã đi vào hoạt động Theo kế hoạch đến cuối năm 2010, các KCN trên địa bàn huyện sẽ được lấp đầy

Song song với tốc độ phát triển công nghiệp là áp lực về chất lượng môi trường trên toàn huyện Các hoạt động quản lý và bảo vệ môi trường trên địa bàn trong thời gian gần đây đã được quan tâm nhưng vẫn còn hạn chế Các áp lực chính đối với phát triển KCN là: nước thải, khí thải và chất thải rắn Hậu quả đối với áp lực môi trường là các tác động lớn đến chất lượng sống của người dân trong khu vực Nước thải và chất thải rắn hiện nay đang là vấn đề “nóng” của phát triển công nghiệp và được chú trọng ngăn ngừa và kiểm soát, tuy nhiên khí thải chưa được quan tâm đúng mức

Khí thải có khả năng lan truyển rất nhanh trong không khí do đó khi xảy ra sự

cố thì tác động rất nhanh và lớn Tuy nhiên, chất lượng khí thải có thể kiểm soát và quản lý hiệu quả Do đó, công tác quản lý, dự báo và ngăn ngừa các tác động đến

mức thấp nhất có thể thực hiện tốt Trên cơ sở đó, mục tiêu của đề tài “Nghiên cứu

sử dụng công cụ mô hình phục vụ dự báo và quản lý chất lượng không khí các khu công nghiệp Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai” nhằm lựa chọn một mô hình phát

tán ô nhiễm không khí phù hợp, có độ tin cậy cao để dự báo và đánh giá chất lượng

không khí tại KCN Nhơn Trạch tập trung vào thời điểm này là rất cần thiết

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Một trong những nguồn phát thải ô nhiễm không khí chính trên địa bàn huyện Nhơn Trạch là từ hoạt động sản xuất công nghiệp Và cụ thể hơn là do hoạt động sản xuất công nghiệp của các công ty nằm trong vùng công nghiệp tập trung của huyện Hơn nữa, hiện nay tại KCN Nhơn Trạch III (giai đoạn 1) có Nhà máy điện đốt than công suất 150MW thuộc công ty TNHH Hưng Nghiệp Formosa và công ty này đang đầu tư thêm tổ máy phát thứ 2 (dự kiến hoạt động đầu năm 2011)

Với hiện trạng hoạt động của các KCN Nhơn Trạch, sự lan truyền của các chất

ô nhiễm không khí phát sinh từ các hoạt động sản xuất công nghiệp tại các KCN trong khí quyển có thể gây ra tổn thất ở các mức độ khác nhau cho chính môi trường tại KCN và các vùng lân cận Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài là:

1 Đánh giá khả năng phát tán khí thải, phân bố nồng độ ô nhiễm đối với khu vực xung quanh KCN trong điều kiện địa hình, khí tượng và có nhiều nguồn thải tập trung;

2 Khả năng dự báo phạm vi ảnh hưởng, các vị trí bị tác động mạnh nhất nếu

có sự cố xảy ra (một lượng khí thải lớn phát tán);

3 Mối liên hệ giữa các nguồn thải từ KCN Nhơn Trạch và các vùng lân cận;

4 Khả năng phát tán khí thải và khả năng tiếp nhận khí thải của vùng khi toàn

bộ các KCN được lấp đầy 100%;

5 Xác định loại chất ô nhiễm nào cần được giảm và các giải pháp giảm thiểu

ô nhiễm khả thi nhằm cải thiện chất lượng môi trường không khí KCN và khu vực xung quanh đạt quy định QCVN 05:2009/BTNMT

Việc giải đáp các câu hỏi trên sẽ giúp đáng kể cho nỗ lực giảm mức độ ô nhiễm tại KCN đến mức quy định một cách tối ưu Giảm ô nhiễm đến mức chấp nhận được là một bài toán mang ý nghĩa quan trọng Việc sử dụng mô hình toán biểu diễn hiện tượng ô nhiễm không khí là là những công cụ quan trọng không thể thiếu để giải quyết bài toán bài toán chất lượng không khí KCN

1.3 TÍNH MỚI

Mô hình ISCST, thế hệ 3 là mô hình USEPA cải tiến và là mô hình khuếch tán

đề nghị đã và đang sử dụng tại hầu hết các Tổ chức kiểm soát ô nhiễm không khí của từng bang của Hoa Kỳ (gọi tắt là SAPRAs) để dự đoán nồng độ ô nhiễm không khí do gió Mô hình có thể tính toán nồng độ trung bình 1h, 2h, 4h, 6h, 8h, 12h,

24h, tháng, năm cho bất cứ phân đoạn thời gian nào của các chất ô nhiễm không khí như bụi lơ lửng, SO2, NO2, CO,…

Trên thế giới mô hình ISCST3 thường được sử dụng để:

+ Làm mẫu để chứng minh khi Nhà nước đề nghị thực hiện các tiêu chí bắt buộc đối với chất ô nhiễm không khí

+ Lập mô hình để dự đoán tác động của các nguồn mới đến chất lượng không khí

+ Làm mẫu để hỗ trợ đánh giá tác động sức khỏe của những chất độc có trong không khí

Trước đây, đã có nhiều mô hình được sử dụng để đánh giá lan truyền ô nhiễm không khí Tuy nhiên, mô hình ISCST3 là phiên bản mới với yêu cầu dữ liệu khí tượng đầu vào phải tính theo giờ nên rất ít được sử dụng

Tính mới về số liệu khí tượng: mô hình ISCST3 là phiên bản mới với yêu cầu dữ liệu khí tượng format 1h trong khi các mô hình khác áp dụng hiện nay ở Việt Nam sử dụng chuỗi số liệu đầu vào là các giá trị quan trắc của các Đài Khí tượng Thủy Văn là 4obs (ghi nhận vào lúc 1h, 7h, 13h, 19h) Ngoài ra mô hình ISCST3 có thuật toán mới cho hiện tượng sa lắng khô và sa lắng ướt, kết quả đầu ra là nồng độ chất ô nhiễm ở vị trí bất kì hoặc thông lượng lắng đọng khô (g/m2/s) hay thông lượng lắng đọng ướt (g/m2/s) Kết quả mô hình số phản ánh đúng cho quá trình diễn

ra trạng thái tốt hơn Một phương pháp mới để mô phỏng nguồn khu vực và phương thức mới để mô phỏng địa hình phức tạp

Tính mới về áp dụng các kỹ thuật tin học: để áp dụng được mô hình, cần sự hỗ trợ của một loạt các kỹ thuật tin học như lập trình bằng ngôn ngữ fortran xử lý và chuẩn bị tập số liệu khí tượng trung bình 1h, phần mềm Wrplot View thống kê và đánh giá chế độ gió nhằm kết hợp đánh giá kết quả mô hình là một nét mới

Tính mới về đối tượng nghiên cứu: Ở Việt Nam, mô hình ISCST đã được sử dụng nhưng chỉ thường áp dụng để đánh giá tác động môi trường cho các dự án là các nguồn đơn lẻ Trong công tác quản lý các KCN trên địa bàn tỉnh Đồng Nai nói chung và huyện Nhơn Trạch nói riêng hiện nay hầu như chưa có nghiên cứu nào về việc áp dụng công cụ mô hình trong quản lý chất lượng không khí KCN Do đó việc lựa chọn các KCN Nhơn Trạch làm đối tượng nghiên cứu trong sử dụng mô hình ISCST3 để dự báo và đánh giá ô nhiễm không khí cho vùng này là hợp lý, trên cơ

sở đó nhằm đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả hơn cho chất lượng không khí KCN

1.4 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Đề tài tập trung giải quyết các nội dung sau:

- Khảo sát thu thập các thông tin:

+ Hiện trạng của các khu công nghiệp: qui mô hoạt động, số doanh nghiệp đang hoạt động trong từng khu, hiện trạng sản xuất, sử dụng nhiên liệu, đặc điểm nguồn thải của từng doanh nghiệp, các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm khí thải đã thực hiện;

+ Khảo sát diễn biến chất lượng không khí qua các năm gần đây, hiện trạng môi trường không khí tại thời điểm thực hiện đề tài và tình hình quản lý ô nhiễm không khí của KCN;

- Xây dựng cơ sở dữ liệu: Bản đồ các KCN, đặc tính và các thông số của nguồn thải điểm, đặc tính các điểm nhạy cảm, tệp dữ liệu khí tượng phục vụ cho việc tính toán bằng phần mềm;

- Ứng dụng mô hình Breeze ICST3 cho nguồn điểm để đánh giá hiện trạng và dự báo chất lượng không khí do hoạt động công nghiệp tại KCN Nhơn Trạch Xây dựng bản đồ hiện trạng ô nhiễm bụi, SO2, NO2, CO tại các KCN Nhơn Trạch Xác định được mối quan hệ của các thông số ô nhiễm với nồng độ nền và điều kiện khí tượng của khu vực Xác định hiệu quả và độ tin cậy của mô hình bằng cách so sánh với kết quả đo dạc thực tế, tìm ra ưu nhược điểm và bài học kinh nghiệm;

- Nghiên cứu các kịch bản giảm tải phát thải, đề xuất các giải pháp quản lý dựa trên kết quả dự báo các kịch bản khác nhau nhằm đảm bảo chất lượng không khí trong KCN và khu vực xung quanh đạt tiêu chuẩn, xây dựng bản đồ phân vùng chỉ số ô nhiễm không khí do KCN gây ra

1.5 PHẠM VI VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

1.5.1 Phạm vi của đề tài

NT2-Nhơn Phú, NT 3, NT 5, NT6, NT Dệt may) và khu vực lân cận Xây dựng vùng tính

toán 10km x 10km từ kết quả của quá trình thử nghiệm mô hình để tìm ra phạm vi ảnh hưởng

- Thời gian: Chạy mô hình hóa chất lượng không khí cho khu công nghiệp

Nhơn Trạch với số liệu của 2009

- Nội dung: Công cụ mô hình Breeze ISCST3 (Industrial source complex

shortterm)

1.5.2 Đối tượng nghiên cứu

- Các nhà máy phát sinh khí thải trong các KCN

- Mô hình ISCST3

- Các chất ô nhiễm cần quan tâm: Bụi, SO2, NOx và CO: là các chất ô nhiễm phát thải chính trong quá trình đốt cháy nhiên liệu phục vụ sản xuất công nghiệp

1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.6.1 Phương pháp đo đạc, điều tra và thu thập số liệu

Thu thập số liệu là một khâu hết sức quan trọng trong các quá trình nghiên cứu

Dữ liệu đầu vào mô tả cả yếu tố môi trường và phát thải sẽ cung cấp thông tin toàn diện để chạy mô hình ISCST và từ đó dự báo nồng độ các chất ô nhiễm tại mặt đất

Mô hình ISCST3 có thể được áp dụng cho nhiều loại nguồn công nghiệp: nguồn điểm (point source): ống khói, nguồn mặt (area source), nguồn đường (line source), nguồn vùng (area source), nguồn thể tích (volume source) Về cơ bản, các thông số khí tượng là giống nhau cho mỗi trường hợp, nhưng đối dữ liệu phát thải

sẽ có một vài khác biệt phù hợp với đặc tính từng loại nguồn

Các dữ liệu đầu vào mô hình ISCST3 yêu cầu phải được phân loại theo 3 nhóm:

 Dữ liệu nguồn phát thải: Thông tin nguồn phát thải cần cho dữ kiện đầu vào

mô hình bao gồm: Vị trí ống khói và các nguồn thải khác (tọa độ), đặc điểm vật lý ống khói (chiều cao, đường kính trong), vận tốc khói thải và nhiệt độ

khói thải, hàm lượng các chất ô nhiễm giải phóng ra ngoài

 Dữ liệu khí tượng: Mô hình ISCST yêu cầu dữ liệu khí tượng tại khu vực

tính toán theo giờ bao gồm: Hướng gió và vận tốc gió, nhiệt độ không khí và chiều cao xáo trộn, độ ổn định của tầng kết theo Pasquill Lý tưởng nhất là có

được dữ liệu về khí tượng trong 1 năm

 Dữ liệu điểm tiếp nhận (điểm nhạy cảm): Nghĩa là thông số định dạng cho

tất cả điểm tiếp nhận (ví dụ, khu vực có dân số cao hay nồng độ chất thải cực đại cho phép tại mặt đất) Thông thường, các điểm tiếp nhận được định vị bởi

toạ độ và cao độ

 Các dữ liệu này thu thập từ quá trình khảo sát hiện trạng khu công nghiệp

và khu vực lân cận (Phiếu thu thập thông tin đính kèm phần phụ lục 5)

Để thu thập thông tin về nguồn thải, các bước được thực hiện theo quy trình như sau:

Hình 1.1: Quy trình thu thập số liệu nguồn thải

Thu thập thông tin từ cơ quan quản lý môi trường

Sử dụng Phiếu điều tra,

đo tọa độ nguồn thải

Tổng hợp số liệu điều tra

- Thu thập các tài liệu về điều kiện tự nhiên, xã hội khu vực, số lượng doanh nghiệp đang hoạt động, ngành nghề hoạt động, các doanh nghiệp có khả năng gây ô nhiễm không khí Tình hình bảo vệ môi trường từ báo cáo đánh giá tác động môi trường, các báo cáo giám sát môi trường định kỳ của KCN và các tài liệu khác có liên quan (phiếu cung cấp thông tin, báo cáo giám sát môi trường định kỳ của mỗi nhà máy) được cung cấp bởi Chi Cục Bảo Vệ Môi Trường tỉnh Đồng Nai, các công

ty quản lý cơ sở hạ tầng mỗi KCN;

- Khảo sát, đo đạc tọa độ các nguồn thải, các vị trí nhạy cảm bằng thiết bị định

vị GPS Thu thập các thông tin phát thải cần thiết bằng phiếu điều tra Ghi nhận hình ảnh về hiện trạng phát thải của các nhà máy trong KCN Nhơn Trạch;

- Dữ liệu khí tượng năm 2009 tại các trạm khí tượng trong khu vực như: Vũng Tàu, Tân Sơn Hòa, Biên Hòa được thu thập từ trang web của Trung tâm dữ liệu khí tượng quốc gia Hoa Kỳ (NDDC - National Climatic Data Center)

1.6.2 Phương pháp mô hình

 Đối với dữ liệu nguồn thải: sau khi thu thập đầy đủ số liệu cần Tác giả tiến

hành thống kê và xử lý số liệu bằng Excel Dựa trên cơ sở tài liệu đánh giá nhanh

của Tổ chức y tế thế giới WHO, tính toán các thông số cần thiết và tích hợp vào mô

hình

 Đối với dữ liệu khí tượng: Số liệu khí tượng (surface data và upper air data)

dạng format theo ½ giờ năm 2009 sẽ xử lý theo nhiều bước sử dụng cho chương trình việt bằng ngôn ngữ lập trình Compaq Visual Fortran để chuyển thành dạng

format trung bình 1 giờ tương ứng sử dụng trực tiếp cho mô hình Sử dụng phần

mềm Wrplot View để thống kê, biểu diễn các dữ liệu khí tượng thành các bản đồ có

dạng “hoa gió” Một “hoa gió” bao gồm sự biến thiên hướng thổi, thời gian thổi của gió bằng hình các cánh quạt trên bản đồ trục Bắc – Nam – Đông – Tây có thang đơn

vị là phần trăm (%), kèm theo thang phân chia theo màu sắc chỉ thị tốc độ gió khu vực trong khoảng thời gian xác định Đây là cơ sở để đánh giá mức độ ảnh hưởng của gió lên sự phân bố nồng độ các chất ô nhiễm là kết quả của mô hình

Mô hình Breeze ISCST3 được áp dụng cho nhiều loại nguồn công nghiệp: nguồn điểm (point source) như ống khói, nguồn mặt (area source), nguồn đường (line source) và nguồn khối tích (volume source) Breeze ISCST3 với hệ giao tiếp

đồ họa bề mặt Breeze ISC thường được dùng để mô hình hóa nồng độ chất ô nhiễm

không khí Đối với các nguồn thải điểm, mô hình Breeze ISCST3 được đề xuất để nghiên cứu trong phạm vi đề tài này bởi khả năng đáp ứng các mục tiêu đề ra với nhiều ưu điểm

Sơ đồ phương pháp nghiên cứu như hình 1.2 là một phác thảo thường được

dùng để đánh giá khả năng của mô hình khuếch tán Breeze ISCST3

Hình 1.2: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu mô hình Breeze ISCST3

ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH

NO YES

NO

Dữ liệu CLKK(Bụi,

SO 2 , NO x , CO)

Đánh giá sự chính xác mô hình

Dữ liệu phát thải đầu vào(Theo không gian và thời Điều kiện ban đầu

Thu thập dữ liệu nguồn phát

các KCN

Thu thập dữ lỉệu khí tượng tại

khu vực nghiên cứu (theo giờ)

Dữ liệu khí tượng đầu vào

(Theo không gian và thời

Mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí ISCST3

So sánh kết quả mô hình với giá trị đo đạc thực tế

Dự báo nồng độ CÔNKK trong nhiều

Các bước áp dụng mô hình Breeze ISCST3 bao gồm:

- Bản đồ số hóa các KCN ( KCN Nhơn Trạch nằm trên địa bàn 6 xã của huyện Nhơn Trạch: Hiệp Phước, Phước Thiền, Phú Hội, Phước An, Long Tân, Long Thọ) được thu thập tại Trung tâm địa chính - Sở TNMT Tỉnh Đồng và được tích hợp vào mô hình;

- Thống kê số liệu nguồn thải, tính toán các thông số đầu vào cần thiết cho mô hình;

- Tích hợp bản đồ, cơ sở dữ liệu nguồn thải và dữ liệu khí tượng đã được xử lý vào phần mềm Breeze ISCST3

- Chạy mô hình Breeze ISCST3 trên cơ sở dữ liệu đầu vào, xây dựng các kịch bản khác nhau và hiển thị kết quả bằng bản đồ các đường đồng mức ô nhiễm cũng như kết quả bằng con số

- Dựa trên kết quả và bản đồ đánh giá mức độ ô nhiễm bụi, SO2, NO2, CO trong KCN và khu vực lân cận Xác định vị trí chịu ảnh hưởng ô nhiễm nặng nhất trong từng trường hợp

- Kiểm định mô hình, đánh giá kết quả mô phỏng bằng cách so sánh với kết quả quan trắc thực tế Tìm nguyên nhân dẫn đến sai lệch nếu có

Các bước cơ bản tính toán kết quả mô phỏng của mô hình Breeze ISCST3 được trình bày trong hình 1.3

Hình 1.3: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu mô hình Breeze ISCST3

Các thông số đầu vào

Tính giá trị tại mỗi mắc lưới tính (*)

Lựa chọn giá trị cao nhất (**)

Vẽ các đường đồng mức

(***)

Tổng hợp kết quả (ISC list file)(***)

(*) Dựa vào công thức tính toán nồng độ chất ô nhiễm tại mặt đất dưới hướng gió (công thức cho nguồn điểm) mô hình sẽ tính toán nồng độ tại mỗi mắc lưới của lưới tính

(**) Tùy theo lựa chọn của người sử dụng, mô hình sẽ thống kê từ 1, 2, đến 6 giá trị cao nhất tại mỗi mắc lưới tính trong thời gian chạy mô hình

(***) Các đường đồng mức (contours) sẽ được vẽ dựa trên các số liệu tính toán ở bước 2 về cấp độ, màu sắc sẽ do người sử dụng lựa chọn Căn cứ trên bản đồ nồng

độ có thể đánh giá được phạm vi lan truyền, hướng lan truyền, mức độ ảnh hưởng của chất ô nhiễm lên các vị trí nhạy cảm

(****) ISC list file sẽ bao gồm tất cả các thông tin để chạy mô hình (nguồn thải, điểm nhạy cảm, lưới tính, thông số lựa chọn ), kết quả tại mỗi mắc lưới tính từng giờ của các ngày, bảng tổng hợp nồng độ cực đại tại các mắc lưới, bảng tổng hợp kết quả nồng độ cực đại tại các điểm nhạy cảm và nồng độ cực đại trong suốt thời gian chạy mô hình

1.6.3 Phương pháp ứng dụng kỹ thuật tin học

Bên cạnh hệ thống thông tin địa lý (GIS) đóng vai trò nền tích hợp, giúp tổ chức thông tin không gian sao cho chương trình hiển thị bản đồ, các thuộc tính gắn với bản đồ để áp dụng thành công mô hình Breeze ISCST3, để xử lý số liệu thô thành dạng format sử dụng trực tiếp cho mô hình cần sự hỗ trợ của nhiều kỹ thuật

và phần mềm tin học khác như: WRPLOT View, GIS Trong đó:

- GIS được sử dụng để xây dựng bản đồ ô nhiễm để quản trị cở sở dữ liệu gắn với

vị trí địa lý Việc sử dụng phần mềm Mapinfo để số hóa bản đồ KCN là một trong những bước chuẩn bị cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình Bản đồ số hóa được tích hợp vào mô hình bằng công cụ Geoset Manager với hệ tọa độ khu vực

là UTM Zone 48 Northern Hemisphere – WGS84 Sau đó thông tin về tọa độ nguồn thải cũng như vị trí các điểm nhạy cảm được tích hợp vào mô hình, từ đó trên bản đồ sẽ thể hiện chính xác vị trí của các điểm nghiên cứu

- Wrplot View xử lý file khí tượng thành các bản đồ dạng hoa gió nhằm thống kê các đặc tính của gió (hướng thổi, tốc độ) theo ngày, tháng, mùa

1.6.4 Phương pháp phân tích, đánh giá

- Dựa trên kết quả thu được từ mô hình phân tích, đánh giá hiện trạng các nguồn phát thải tại khu các nhà máy tại các KCN Nhơn Trạch trên cơ sở so sánh với

quy định hiện hành của Nhà nước về chất không khí xung quanh, sau đó xác định phạm vi ảnh hưởng đối với các khu vực xung quanh các KCN trong từng điều kiện khí tượng khác nhau? Hiện nay, phông nền chung về môi trường không khí của KCN và khu vực xung quanh được so sánh theo QCVN 05:2009/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh? Những vùng nào cần đặc biệt quan tâm, những vùng nào có mức độ ảnh hưởng thấp?

- Hiện nay, các khu công nghiệp Nhơn Trạch chưa đạt được tỉ lệ lấp đầy 100% diện tích, dựa trên mục tiêu phát triển công nghiệp của huyện Nhơn Trạch nói riêng và tỉnh Đồng Nai nói chung các KCN Nhơn Trạch sẽ tiếp tục được lấp đầy trong vài năm tới Trên cơ sở những kết quả thu được và hiện trạng chất lượng môi trường của toàn khu, có thể dự báo tình trạng ô nhiễm và khả năng giảm thiểu ô nhiễm bằng cách thực hiện các kịch bản khác nhau

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH

2.1.1 Khái niệm về mô hình

Ngày nay, hầu hết các ngành khoa học đều sử dụng mô hình “model” Với nhiều nhà nghiên cứu mô hình được hiểu là mô hình số phức tạp chạy trên máy tính, trong một số ngành khoa học khác mô hình được hiểu như một dạng mẫu tương tự

Mô hình là một khái niệm cơ bản của khoa học và đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong khoa học môi trường nơi mà các phép thí nghiệm rất khó tiến hành Thuật ngữ

mô hình cũng được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau

Theo “ The Ameracan Heritage Dictionary of the English Language, NewYork

Houghton Mifin 1969”: “ Mô hình là một đối tượng nhỏ, thường được xây dựng

theo tỉ lệ, nó mô tả một vài đối tượng thực tế trong tự nhiên”

Theo Stehr: “Mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính toán trước hậu quả

có thể thực thi trong các dự án kinh tế phát triển xã hội Dự báo này được xây dựng trên những tri thức về đặc trưng của các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, quy luật phát triển xã hội và sự ảnh hưởng lẫn nhau trong mối quan hệ tương hỗ này”

Các bước của quá trình mô hình hóa được trình bày trong hình 2.1

Hình 2.1: Các bước thực hiện quá trình mô hình hóa

Mô hình đóng một vai trò ngày càng quan trọng trong việc giải quyết các vấn

đề hóa học, sinh học, năng lượng và môi trường Tuy nhiên, việc mô phỏng quá trình vẫn còn gặp một số hạn chế như:

- Việc thu thập đầy đủ các dữ kiện, kiến thức về cơ chế của quá trình là rất khó đạt được nên tính chính xác của mô hình phụ thuộc nhiều vào kiến thức cơ

sở của người mô phỏng;

- Đặc tính của công cụ tính toán: có nhiều loại phương trình khác nhau dẫn đến các phương pháp giải quyết vấn đề khác nhau Những phương trình này

Phân tích kết quả thu được

Xác định

vấn đề

Mô hình toán học của quá trình

Xây dựng phương trình

Tính toán

bao gồm một vài phương trình phi tuyến và tập hợp các phương trình vi phân riêng phần;

- Mô hình không khi nào chứa tất cả các đặc điểm của hệ thực Nếu các giả thiết đặt ra trong mô hình không đầy đủ thì có thể dẫn đến những thay đổi quan trọng trong kết quả Hoặc mô hình có thể sai sót từ việc đơn giản hóa,

sự cắt đi nhiều thành phần

2.1.2 Mô hình hóa môi trường

2.1.2.1 Khái niệm mô hình môi trường

Mô hình hóa môi trường là một phần của mô hình hóa tự nhiên – xã hội Vấn

đề ô nhiễm môi trường đặt ra đòi hỏi các quốc gia phải giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Xây dựng các phương pháp đánh giá sự bền vững của các hệ sinh thái;

- Nghiên cứu các quy luật biến đổi theo thời gian của chúng;

- Hoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động lên môi trường do các hoạt động kinh tế - xã hội

Để giải quyết các nhiệm vụ trên, cần thiết phải phát triển lý thuyết hệ thống

và mô hình hóa, coi đây là công cụ chính để nghiên cứu môi trường vì những ưu điểm:

- Các thông tin ghi có thể được phân tích;

- Việc phân tích thông tin có thể khám phá các tính chất không thể phát hiện khi khảo sát;

- Phát hiện những thiếu sót trong tri thức và đưa ra các ưu tiên trong nghiên cứu;

- Mô hình có thể tối ưu các phép đo ngoài hiện trường;

- Quá trình lặp, mô hình và phép đo bổ sung cho nhau;

- Kiểm tra các giả thiết khoa học

Theo cục bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (USEPA): “Các mô hình môi trường (Environmental Models) được sử dụng để tái tạo lại các quá trình môi trường xảy ra trong một khoảng thời gian nào đó Ngày nay loài người đã hiểu rõ việc tiến hành

những thí nghiệm trực tiếp với sinh quyển của trái đất là không thể Do vậy xây

dựng mô hình là phương tiện quan trọng để nhận thông tin về tình trạng của sinh quyển khi chịu những tác động của con người

Mô hình hóa môi trường là xây dựng các mô hình toán học nhằm đánh giá

sự xuất hiện, tồn tại và chuyển động của các chất ô nhiễm trong nguồn nước, khí quyển, đất

Mô hình toán học là một mô hình biểu diễn toán học của những mặt chủ

yếu của một nguyên bản theo một nhiệm vụ nào đó, trong một phạm vi giới hạn, với một độ chính xác vừa đủ và trong dạng thích hợp cho sử dụng Cụ thể hơn mô hình toán là các công thức để tính toán các quá trình hóa học, vật lý và sinh học được mô phỏng từ hệ thống thực

2.1.2.2 Các loại mô hình môi trường

Hiện nay, có nhiều loại mô hình toán học được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu lĩnh vực môi trường từ các hệ sinh thái nước, không khí và đất Bao gồm:

- Mô hình toán sinh thái: mô hình nghiên cứu sự biến đổi trạng thái của hệ và dẫn tới các trạng thái bền vững;

- Mô hình chất lượng nước mặt: Mô hình hóa sự thay đổi của BOD và oxy hòa tan trong dòng sông và hồ chứa; sự phú dưỡng hóa; sự phân bố các chất độc hại và kim loại nặng trong nguồn nước mặt;

- Mô hình khuếch tán các chất ô nhiễm trong nước ngầm;

- Mô hình khuếch tán ô nhiễm không khí theo phân bố chuẩn Gaussian;

- Mô hình khuếch tán ô nhiễm không khí theo phương pháp Beriland…

2.2 MÔ HÌNH KHUYẾCH TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Hiện nay, có nhiều mô hình toán học đã được phát triển để phục vụ cho nhu cầu tính toán khuyếch tán ô nhiễm không khí Các mô hình này đã được sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế ống khói thải, lựa chọn vị trí xây dựng nhà máy và đánh giá tác động môi trường nhằm mục đích làm giảm thiểu các ảnh hưởng có hại của các dự án mới, quản lý chất lượng không khí ngắn hạn và kiểm soát sự cố môi trường Các yếu tố được mô hình hóa là vận chuyển chất ô nhiễm của gió, khuếch tán do xáo trộn rối, độ nâng cao vệt khói (plume rise), sự biến đổi hóa học các chất

ô nhiễm, sự lắng đọng cũng như ảnh hưởng khí động của địa hình Các dữ liệu nhập vào mô hình bao gồm các số liệu về nguồn thải thay đổi theo không gian và thời gian, các dữ liệu về khí tượng như tốc độ gió, chiều cao xáo trộn, hệ số khuếch

tán,… đặc điểm địa hình của khu vực

2.2.1 Những khái niệm cơ bản trong mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí

Các khái niệm cơ bản liên quan đến mô hình ô nhiễm không khí bao gồm:

- Phát thải (Emission): Trong giai đoạn đầu tiên, các chất ô nhiễm tỏa vào khí

quyển từ các nguồn thải khác nhau Có thể là nguồn mặt (area source): nguồn thải thấp, đám cháy; nguồn thải đường (line source): đường giao thông; nguồn điểm (point source): ống khói

- Quá trình tải (Advection): là sự di chuyển của khói khí quyển theo 1 dòng và đi

từ điểm này đến điểm khác Đối với một tạp chất di chuyển trong khí quyển thì

sự tải là sản phẩm của vận tốc khối thể tích khí Tác nhân gây ra hiện tượng tải

là gió

- Khuếch tán (Diffusion): là sự di chuyển của các chất ô nhiễm không khí trong

khí quyển theo cả chiều ngang và chiều đứng

- Sự phân tán (Dispersion): Sự tương tác giữa khuếch tán rối với gradient vận tốc

do lực dịch chuyển trong khối khí tạo ra sự phân tán Sự di chuyển các tạp chất trong khí quyển trong trường hợp có gió (>1m/s) chủ yếu bởi quá trình tải, nhưng sự di chuyển của tạp chất trong trường hợp lặng gió thường là do sự phân tán

- Biến đổi hóa học (Chemical transformation): Có nhiều phản ứng hóa học xảy ra

trong suốt quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong không khí Kết quả của các phản ứng hóa học này là nhiều chất ô nhiễm thứ cấp (secondary pollutant) được tạo ra Các chất ô nhiễm thải trực tiếp từ các nguồn thải trong không khí được gọi là các chất ô nhiễm cơ bản (primary pollutant)

- Lắng đọng ướt (Wet deposition): là một trong những cơ chế tự làm sạch khí

quyển hiệu quả nhất Tuy nhiên, trong khi khí quyển được làm sạch thì đất có thể

bị axit hóa và điều này có thể gây hại đối với một số khu vực nhạy cảm

- Lắng đọng khô (Dry deposition): Là quá trình diễn ra trong quá trình lan truyền

chất ô nhiễm Cơ chế gây ra quá trình lắng đọng khô là do lực trọng trường, cây cối, quá trình hút hoặc phản ứng của bề mặt trái đất

2.2.2 Phân loại các mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí

Tất cả các mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí có thể chia thành 4 loại dựa trên cấu trúc và cơ sở tiếp cận để giải quyết bài toán phát tán ô nhiễm Chúng bao gồm: Mô hình giải tích (mô hình Gauss), mô hình số, mô hình thống kê và mô

hình vật lý Ba loại mô hình đầu tiên là mô hình toán học tập hợp các thuật toán số

và giải tích để mô tả tính chất vật lý và hóa học của bài toán

- Mô hình giải tích và mô hình số là mô hình tất định (Deterministic model) được thiết lập trên cơ sở các biểu diễn toán học của các dữ liệu đầu vào đã biết trước (nguồn thải, tốc độ phát thải)

- Mô hình giải tích được thiết lập trên cơ sở cách giải phương trình phát tán và đòi hỏi một lượng lớn cơ sở dữ liệu

- Mô hình số được thiết lập trên cơ sở các quá trình trong khí quyển, trong đó kết quả có được từ các nguyên nhân tác động ban đầu, kết quả chạy mô hình sẽ cho

ra một tập các giá trị nồng độ chất ô nhiễm

- Ngược lại với mô hình tiền định, mô hình thống kê được xây dựng căn cứ trên mối quan hệ thống kê và bán thực nghiệm giữa các dữ liệu và số liệu thực nghiệm có sẵn Ví dụ, mô hình thống kê được sử dụng để dự đoán nồng độ chất

ô nhiễm trong một vài giờ tới ở một vùng này đó được căn cứ vào các hàm thống kê của các số liệu có sẵn và quan hệ giữa các số liệu này và xu hướng diễn biến nồng độ trong thời gian trước đây

Mô hình Euler (Eulerian model) và mô hình Largrang (Largrangian model) là hai loại thông dụng của mô hình số Tuy nhiên, trong trường hợp trạng thái ổn định, thì sử dụng phương pháp giải tích giải quyết bài toán phát tán được chấp nhận Phương pháp này được biết đến như là mô hình khuếch tán Gauss Phương trình khuếch tán Gauss có thể nhận được từ cả hai mô hình Euler và Largrang và là lời giải đặc biệt của mô hình Euler và Largrang

Hình 2.2: Tổng quan các loại mô hình khuyếch tán ô nhiễm không khí

Sự khác nhau cơ bản của hai loại mô hình Euler và Largrang này được minh họa trong hình 2.3 Trong đó hệ quy chiếu của mô hình Euler được gắn cố định với trái đất, trong khi đó hệ quy chiếu của mô hình Largrang cùng di chuyển theo sự chuyển động của khí quyển

Hình 2.3: Hệ quy chiếu của mô hình Euler và mô hình Largrang

2.2.3 Phương trình cơ bản mô tả sự khuyếch tán ô nhiễm

Khi mô tả quá trình khuếch tán chất ô nhiễm trong không khí bằng mô hình

toán học thì mức độ ô nhiễm không khí thường được đặc trưng bằng trị số nồng độ chất ô nhiễm phân bố trong không gian và biến đổi theo thời gian

Trong trường hợp tổng quát, trị số trung bình của nồng độ ô nhiễm trong

không khí phân bố theo thời gian và không gian được mô tả từ phương trình chuyển tải vật chất ( hay là phương trình truyền nhiệt) và biến đổi hóa học đầy đủ như sau:

Trong đó:

C - Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí

x,y,z - Các thành phần tọa độ theo trục Ox, Oy, Oz

t - Thời gian

k x , k y , k z - Các thành phần của hệ số khuếch tán rối theo các trục Ox, Oy, Oz

u, v, w - Các thành phần vận tốc gió theo Ox, Oy, Oz

Tuy nhiên phương trình (2.1) trở nên rất phức tạp và nó chỉ là một hình thức

mô phỏng sự lan truyền ô nhiễm Trên thực tế để giải phương trình này người ta phải tiến hành đơn giản hóa trên cơ sở thừa nhận 1 số điều kiện gần đúng bằng cách đưa ra các giả thuyết phù hợp với điều kiện cụ thể sau:

- Nếu hướng gió trùng với trục Ox thì thành phần tốc độ gió chiếu lên trục Oy sẽ bằng 0, nghĩa là v = 0

- Tốc độ gió thẳng đứng thường nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ gió nên có thể bỏ qua, có nghĩa là w = 0 Trong nhiều trường hợp, nếu xét bụi nhẹ thì Ws = 0 (trong trường hợp bụi nặng thì lúc đó ta sẽ cho Ws 0)

- Nếu bỏ qua hiện tượng chuyển pha (biến đổi hóa học) của chất ô nhiễm cũng như không xét đến chất ô nhễm được bổ sung trong quá trình khuếch tán thì  =

 = 0

(2.1)

Như vậy các giả thiết và chấp nhận 1 số điều kiện gần đúng thì phương trình ban đầu được viết dưới dạng phương trình (2.2):

Nếu giả sử rằng các hệ số ky, kz là không đổi thì phương trình (2.2) được viết lại là:

Trong trường hợp không tính đến thành phần phi tuyến

x

C u





thì phương trình (2.3) được viết là:

Ta thấy phương trình (2.4) là dạng phương trình truyền nhiệt 2 chiều Tùy theo điều kiện ban đầu và điều kiện biên mà ta có các nghiệm giải tích khác nhau

Để tìm nghiệm giải tích phương trình (2.4) đầu tiên xét bài toán truyền nhiệt 1 chiều có dạng sau:

Với điều kiện ban đầu:

Nghiệm của phương trình (2.8):

Khi đó nghiệm của phương trình vi phân (2.5) có dạng

 là số thực bất kỳ (-  < x < +)

Vì vậy ta chọn dấu dương của phương trình (2.9) và lập ra hàm số

Nếu các đạo hàm của phương trình (2.5) có thể tính được bằng cách vi phân thành phần dưới dấu tích phân của (2.10) thì có nghĩa phương trình (2.10) sẽ thỏa mãn phương trình (2.5) hay phương trình (2.10) sẽ là nghiệm của phương trình (2.5)

Ngoài ra ta còn phải thỏa mãn điều kiện ban đầu t = 0 Khi đó ta có:

Sử dụng công thức tính tích phân Fourier ngược ta được

Thay (2.12) vào (2.10) ta được

Hàm số G(x, ,t) được gọi là nghiệm của phương trình truyền nhiệt

Hàm số này thỏa mãn phương trình truyền nhiệt theo các biến (x,t) và có thể kiểm tra trực tiếp bằng cách lấy đạo hàm:

(2.13)

(2.14)

(2.15)

(2.16)

Đây là nghiệm của bài toán lan truyền ô nhiễm một chiều với nguồn thải Q cùng điều kiên biên xthì C0 (Nồng độ ô nhiễm tại một điểm càng giảm khi điểm càng tiến xa khỏi chân nguồn thải)

Đối với bài toán hai chiều ta có phương trình tương tự:

Đối với bài toán 3 chiều ta có:

Q - Lượng phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời, g hoặc kg

2.2.4 Công thức xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân

phối chuẩn Gauss

2.2.4.1 Công thức cơ sở

Lượng chất ô nhiễm trong luồng khói có thể được xem như tổng hợp của vô

số khối phụt tức thời, những khối phụt đó được gió mang đi và dần dần nở rộng ra, khi ra xa ống khói giống một ổ bánh mì được cắt ra thành nhiều lát mỏng và xếp chồng kề mép lên nhau (hình 2.4)

Hình 2.4 Biểu đồ luồng khói bằng các khối phụt tức thời và liên tục

Lượng chất ô nhiễm trong từng lát mỏng của luồng khói có thể được xem là như nhau, tức là có qua sự trao đổi được chất từ lát này sang lát nọ kề bên nhau trên trục x

(2.17)

(2.18)

Từ cách lập luận đó, bài toán lan truyền chất ô nhiễm ở đây là bài toán hai chiều và do đó ta chọn công thức (2.17) để áp dụng cho trường hợp này

Nếu ta thiết lập sự cân bằng vật chất trong từng “lát” khói có bề dày 1m theo chiều x và các chiều y, z là vô cực khi các “lát “ khói chuyển động cùng với vận tốc

gió u thì thời gian để từng lát đi qua khỏi ống khói là 1m/u và do đó lượng chất ô

nhiễm chứa trong “lát” khói sẽ là Q = M

Sau khi thay (2.20), (2.21), (2.22) vào (2.19) ta được:

Đây là công thức cơ sở của mô hình lan truyền chất ô nhiễm theo luật phân

phối chuẩn Gauss mà người ta quen gọi tắt là “mô hình Gauss” cơ sở

2.2.4.2 Diễn giải công thức mô hình Gauss cơ sở bằng phương pháp

(2.23)

cắt trực giao với trục gió (cũng là trục luồng khói) sẽ bằng M/u ( g/m ), cường độ phát thải M = 4 đơn vị / s

Hình 2.5 Sơ đồ minh hoạ ảnh hưởng của vận tốc gió đến nồng độ chất ô nhiễm

do nguồn phát thải liên tục và hằng số gây ra

Nếu giả thiết chất ô nhiễm không có phản ứng hoá học với không khí xung quanh tức không sản sinh ra cũng như phân hủy đi thì mật độ chất ô nhiễm trên tất

cả các mặt cắt trục giao với trục gió ở mọi khoảng cách x đều như nhau Nhưng nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khói thì giảm dần khi khoảng cách x tăng do có hiện tượng khuếch tán theo phương ngang (trục y) và theo phương đứng (trục z) Chính vì vậy mà luồng khói lan toả rộng ra chung quanh trục luồng Càng ra xa khỏi trục luồng theo phương y và z nồng độ càng giảm nhỏ, tức nồng độ nghịch biến với khoảng cách y và z

Khi đó biểu thức phân phối chuẩn Gauss có dạng:

Áp dụng biểu thức (2.25) vào trường hợp cụ thể ở đây thì  có thể là y hoặc z

và hàm  (y) ,  (z) nghịch biến với yvà z , do đó từ biểu thức (3.24 ) ta có thể viết thành:

(2.24)

(2.25)

Trong đó σy và σz là hệ số khuếch tán theo phương ngang y và phương đứng

z và là hàm số của khoảng cách x kể từ nguồn đến mặt cắt xem xét Các hệ số này được xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào khoảng cách x ứng với các điều kiện khí hậu khác nhau Chính vì vậy mà dấu tỷ lệ trong biểu thức (2.24) đã được thay thế bằng dấu = ở đẳng thức (2.26) Biểu thức (2.26) cũng chính là nghiệm của cách giải phương trình vi phân đạo hàm riêng của quá trình khuếch tán

2.2.4.3 Sự biến dạng của mô hình Gauss cơ sở

Điều cần lưu ý trước tiên là trong các công thức (2.22 ), (2.26) và (2.29) các tọa độ y và z đều tính từ đường trục của luồng khói

Xét mô hình vệt khói Gauss cho nguồn thải điểm (ví dụ như ống khói nhà máy, thực sự đây không phải là nguồn thải điểm nhưng một diện tích nhỏ so với không gian rộng lớn có thể xấp xỉ như 1 điểm) Sơ đồ biểu diễn và tên gọi được chỉ

ra trong hình 2.6, ở đó góc tọa độ được đặt tại gốc của ống khói với hướng x là hướng dọc theo chiều gió Nồng độ dọc theo trục luồng khói được biểu diễn bằng phương trình Gauss, và luồng khói di chuyển với vận tốc u theo hướng gió

Hình 2.6 Sơ đồ mô hình vệt khói Gauss

Dòng khí ô nhiễm thoát ra từ ống khói và sau đó di chuyển theo hướng x và lan tỏa theo hướng y và z Các vệt khói như vậy thường bay lên cao so với ống khói bởi chúng thoát ra với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh và với một vận tốc đứng Đối với mô hình này, vệt khói được giả thiết thoát ra từ điểm có tọa

(2.26)

độ (0,0,H) do đó H được gọi là độ cao hữu dụng, độ cao này là tổng độ cao vật lý của ống khói và vệt nâng ống khói

Khi chuyển về hệ trục (x, y, z) mà gốc O trùng với chân ống khói trên mặt đất thì y không thay đổi nhưng z phải được thay thế bằng z-H hoặc H-z, do đó công thức (2.26) sẽ trở thành:

Ngoài ra thùy thuộc theo độ xa x khi luồng khói nở rộng ra và chạm vào mặt đất thì mặt đất cản trở không cho luồng tiếp tục phát triển, ngược lại chiều hướng khuếch tán sẽ bị mặt đất phản xạ ngược trở lên như thể có một nguồn ảo hoàn toàn đối xứng qua mặt đất được xem như tấm gương phản chiếu

Để kể đến ảnh hưởng của mặt đất phản xạ khuếch tán, nồng độ tại các điểm bất kỳ A, B được giả thuyết do hai nguồn giống hệt nhau gây ra, trong đó có một nguồn thực và một nguồn ảo hoàn toàn đối xứng với nhau qua mặt đất Nồng độ tại điểm xem xét (A hoặc B) do nguồn thực gây ra được tính bằng công thức (2.27), còn do nguồn ảo gây ra được tính bằng biểu thức:

Nồng độ tổng cộng được tính từ (2.27), (2.28) sẽ là:

Đây chính là công thức tính toán khuếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao liên tục Phương trình vệt khói Gauss (2.29) chỉ sử dụng cho thời gian lấy mẫu khoảng vài phút Vì vậy công thức sau đây dùng để tính toán cho nguồn điểm trong khoảng thời gian lâu hơn:

Trong đó:

C s - Nồng độ ước lượng cho thời gian lấy mẫu t s

C k - Nồng độ ước lượng cho thời gian lấy mẫu ngắn hơn t k (khoảng 10 phút)