BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC MỎ - ðỊA CHẤT --- --- đỗ ngọc hoàn Nghiên cứu một số mô hình lý thuyết mô phỏng sự phát tán chất gây ô nhiễm môI trường nước và không khí cho cụ
HIỆN TRẠNG HOẠT ðỘNG KHOÁNG SẢN TẠI VÙNG MỎ CẨM PHẢ - QUẢNG NINH
Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước và không khí do cụm mỏ
1.2.1.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí: a) ðiều kiện vi khí hậu: ðiều kiện vi khí hậu tại các khu vực quan trắc thuộc Công ty quí III năm 2011[6] ủược ủưa ra trong bảng 1.3
B ả ng 1.3: ð i ề u ki ệ n vi khí h ậ u khu v ự c m ỏ C ọ c Sáu
Vị trớ quan trắc Nhiệt ủộ
1 Khu vực cầu thải số 1 và số 2 30,4 91,2 1,52
7 Phân xưởng sửa chữa ô tô 30,4 93,5 2,31
Tại thời ủiểm quan trắc mụi trường Cụng ty quớ III năm 2011 trời ẩm, mưa bụi và giú nhẹ ðiều kiện vi khi hậu tại thời ủiểm quan trắc ảnh hưởng nhỏ tới quá trình khai thác và sản xuất Tuy nhiên lại hạn chế bụi phát sinh từ quá trình vận chuyển của các phương tiện cơ giới b) Hàm lượng bụi lơ lửng và cỏc khớ ủộc:
B ả ng 1.4: K ế t qu ả ủ o n ồ ng ủộ b ụ i và cỏc khớ ủộ c h ạ i khu v ự c m ỏ C ọ c Sáu [6]
1 Bến xe công nhân tuyến 2 0,088 0,046 0,006 3,56 0,23
4 Bãi thải khu đông Cao Sơn 0,084 0,047 0,007 3,51 0,21
6 Khu vực cầu thải số 1 và 2 0,066 0,039 0,004 1,55 0,24
12 Phân xưởng sửa chữa ô tô 0,069 0,069 0,006 1,84 0,16
13 Khu vực văn phòng Công ty 0,039 0,034 0,003 1,21 0,19
Qua cỏc kết quả quan trắc ủược tổng hợp trong bảng 1.4, so sỏnh giỏ trị ủo ủược với quy chuẩn cho phộp tương ứng, cỏc ủiểm cần chỳ ý ủối với mụi trường không khí khu vực mỏ Cọc Sáu là:
- Hàm lượng các thông số SO 2 , NO 2 , H 2 S và CO thấp hơn rất nhiều lần so với giá trị cho phép Các kết quả phân tích tại các khu vực khai thác và sản xuất có giá trị cao hơn khu vực nhà ăn, văn phòng và trạm y tế từ 1 ÷ 3 lần
- Tại thời ủiểm quan trắc, do trời mưa, tất cả cỏc vị trớ ủo hàm lượng bụi ủạt quy chuẩn cho phộp
1.2.1.2 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước a) Nước thải:
Mụi trường nước thải khu vực mỏ Cọc Sỏu ủược quan trắc tại 04 vị trớ Chất lượng mụi trường nước thải ủược ủỏnh giỏ theo từng chỉ tiờu ủặc trưng
25 và dựa trên quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 24:2009/BTNMT (cột B)
B ả ng 1.5: K ế t qu ả phân tích các m ẫ u n ướ c th ả i khu v ự c m ỏ C ọ c Sáu [6]
STT Các thông số ðơn vị Moong đông Thắng Lợi
Trạm bơm moong ðộng Tụ Nam
Qua cỏc kết quả phõn tớch ủược tổng hợp trong bảng 1.5, nhận thấy:
- Giá trị pH tại mong đông Thắng Lợi, trạm bơm đông Tụ Nam và cửa lò thoát nước +28 nằm ngoài ngưỡng quy chuẩn cho phép
- Tại moong đông Thắng Lợi và trạm bơm đông Tụ Nam hàm lượng
Fe và Mn vượt quy chuẩn cho phép, và tại cửa lò +28, giá trị hàm lượng Mn phõn tớch ủược vượt quy chuẩn
- Cỏc giỏ trị phõn tớch kim loại nặng trong nước thải ủều thấp hơn rất nhiều lần so với giá trị giới hạn cho phép b) Nước mặt:
Nước mặt ủược quan trắc tại vị trớ suối Khe Rố ủược ủỏnh giỏ theo QCVN 08:2008/BTNMT (Giới hạn B1) Kết quả quan trắc nước mặt Công ty quớ III năm 2011 ủược ủưa ra trong bảng 1.6
B ả ng 1.6: K ế t qu ả phân tích m ẫ u n ướ c m ặ t t ạ i su ố i Khe Rè [6]
STT Các thông số ðơn vị Suối Khe Rè QCVN (B1) 08:
- Cỏc kết quả phõn tớch ủối với cỏc chỉ tiờu nước mặt ủạt quy chuẩn cho phép tương ứng QCVN 08:2008/BTNMT (Giới hạn B1)
- Các chỉ tiêu kim loại nặng trong nước mặt thấp hơn quy chuẩn nhiều lần
1.2.2.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí: a) ðiều kiện vi khớ hậu và hàm lượng cỏc khớ ủộc hại: ðiều kiện vi khí hậu tại các khu vực quan trắc thuộc Công ty quí II năm
2011 [6] ủược ủưa ra trong bảng 1.7
B ả ng 1.7: K ế t qu ả quan tr ắ c ủ i ề u ki ệ n khớ h ậ u khu v ự c m ỏ Cao S ơ n
Stt Vị trí quan trắc
Cường ủộ bức xạ nhiệt (W/m 2 )
1 Bến xe công nhân +150ðCS 93 0,0048 79 5,560 0,069 0,048
2 Bến xe công nhân tuyến 2
7 Phân xưởng Sửa chữa Ô tô 90 0,0056 78 6,870 0,042 0,038
8 Phõn xưởng Sửa Cơ ủiện 89 0,0046 78 7,480 0,045 0,042
11 Khu vực ủường vận chuyển than +100 Vũ Môn 92 0,0041 76 6,430 0,051 0,051
15 Khai trường đông Cao Sơn 89 0,0045 74 7,250 0,048 0,043
16.1 Máy xúc EKT – 4,6 – 5 90 0,0051 72 6,850 0,052 0,043 16.2 Máy xúc 8I/I 90 0,0045 71 7,230 0,048 0,043 16.3 Máy khoan CB-250MH 89 0,0045 72 7,260 0,049 0,051 16.4 Ô tô CAT + KOMATSU 90 0,0058 73 4,710 0,048 0,046
17 Khu vực mặt bằng 4 tầng 89 0,0045 70 7,260 0,047 0,045
18 Khu vực Văn phòng công ty 89 0,0045 70 7,180 0,048 0,036
Nh ậ n xột : Tại 22 ủiểm quan trắc mụi trường khụng khớ ở Cụng ty Cổ phần than Cao Sơn ủều ủạt quy chuẩn cho phộp về mụi trường khụng khớ: QCVN 05:2009/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh; QCVN 06:2009/BTNMT quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về một số chất ủộc hại trong khụng khớ xung quanh
29 b) Hàm lượng bụi lơ lửng :
B ả ng 1.8: K ế t qu ả quan tr ắ c ủộ b ụ i khu v ự c m ỏ Cao S ơ n [6]
Stt ðiểm khảo sát ( SPM)
Bụi hô hấp Hạt/cm 3 % < 5à à à à
2 Bến xe công nhân tuyến 2 CS 0,25÷0,26 KPHT KPHT 18÷19 840÷850 45÷46
3 Máng ga Cao Sơn 0,24÷0,25 KPHT KPHT 23÷24 830÷840 62÷64
4 Khu vực Sàng 1 ðCS 0,27÷0,28 KPHT KPHT 24÷25 870÷880 41÷42
7 Phân xưởng Sửa chữa Ô tô 0,24÷0,25 KPHT KPHT 24÷25 840÷850 41÷42
8 Phân xưởng Sửa Cơ ủiện 0,25ữ0,26 KPHT KPHT 32ữ34 950ữ960 40ữ42
9 ðồi Nam Cao Sơn 0,27÷0,28 KPHT KPHT 35÷36 850÷860 63÷65
Khu vực ủường vận chuyển than +100 Vũ
12 Bãi thải Khe Chàm 3 0,27÷0,29 KPHT KPHT 23÷24 790÷820 42÷45
13 Bãi thải +320 ðCS 0,28÷0,29 KPHT KPHT 34÷36 840÷860 43÷44
14 Bãi thải +430 ðCS 0,37÷ ÷ ÷ ÷0,38 KPHT KPHT 33÷35 1340÷1360 15÷17
16.1 Máy xúc EKT – 4,6 – 5 0,25÷0,26 KPHT KPHT 21÷23 780÷810 65÷67 16.2 Máy xúc 8I/I 0,26÷0,27 KPHT KPHT 22÷24 790÷800 61÷63
17 Khu vực mặt bằng 4 tầng 0,27÷0,29 KPHT KPHT 22÷23 830÷840 47÷49
18 Khu vực Văn phòng công ty 0,28÷0,29 KPHT KPHT 34÷36 840÷860 43÷44
20 B xe công nhân Cọc 3 0,25÷0,27 KPHT KPHT 18÷19 880÷900 64÷66
Nh ậ n xột: tại hầu hết cỏc vị trớ quan trắc ủều cho giỏ trị ủạt TCCP, riêng tại khu vực Sàng 4 TBCS và bãi thải +340 đông Cao Sơn có nồng ựộ bụi lớn hơn TCCP
1.2.2.2 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước
B ả ng 1.9: K ế t qu ả quan tr ắ c môi tr ườ ng n ướ c th ả i và n ướ c m ặ t khu v ự c m ỏ Cao S ơ n [6]
Các thông số ðơn vị
Khu vực suối ủỏ mài
Khu vực trạm Y tế công ty
Khu vực mặt bằng 4 tầng
Nh ậ n xột: Tại hầu hết cỏc vị trớ lấy mẫu ủều cho giỏ trị phõn tớch ủạt tiêu chuẩn cho phép Riêng tại Moong trung tâm Cao Sơn có giá trị pH nằm ngoài giới hạn cho phép, các giá trị TSS và hàm lượng ion Fe cũng vượt quá giới hạn cho phép Tại Moong đông Cao Sơn thì cho các giá trị TSS và hàm lượng kim loại sắt vượt giới hạn cho phép
1.2.3.1 Hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí:
B ả ng 1.10: K ế t qu ả quan tr ắ c ủ i ề u ki ệ n vi khớ h ậ u khu v ự c m ỏ ð ốo Nai [5]
STT Vị trí quan trắc
Các thông số vi khí hậu
Hướng gió Áp suất khí quyển (mmHg)
1 Khu vực phõn xưởng Cơ ủiện 28 70 0ữ2,0 ð-N 757,4
2 Khu vực phân xưởng sửa chữa Ô tô 29 70 0÷1,6 - 754,5
3 Khu vực hố nhận than +30 29 70 0÷1,6 - 760,5
4 KV MB sàng tuyển than nguyên khai +83 30 68 0÷1,8 ð-N 754,5
5 Khu vực máng rót than tại máng ga Cọc 6 30 68 0÷1,5 - 755,5
6 Khu vực moong vỉa chính 29 72 0÷1,8 - 757,5
7 Khu vực moong Lộ Trí 30 72 0÷1,6 - 758,5
8 Khu vực băng sàng (băng 3) 30 72 0÷1,8 - 755,5
9 Khu vực hạ lưu cống P8 29 68 0÷1,6 - 756,0
10 Bãi thải Mông Giăng mức +395 30 70 0÷1,9 ð-N 756,5
11 Khu vực kho than Cọc 3 30 70 0÷1,8 - 754,5
12 Khu vực kho than băng 6 30 70 0÷1,6 - 755,5
13 Bãi thải Mông Giăng mức +250 30 70 0÷1,9 - 754,8
14 Bãi thải đông Cao Sơn mức +280 30 68 0ọ1,9 - 754,0
II Khu vực phục hồi môi trường bãi thải Nam đèo Nai
1 Bãi thải Nam mức +184 (phía
2 Mức +90 bãi thải Nam (phía đông) 30 70 0ọ1,8 - 756,0
3 Mức +50 bãi thải Nam (phía đông) 28 68 0ọ1,8 - 755,7
4 Mức +80 bãi thải Nam (phía
5 Bãi thải Nam mức +10 (phía đông) 28 70 0ọ1,8 đ-N 758,5
III Khu vực giáp ranh
1 Khu vực suối cầu 5 giáp bãi thải
2 Khu vực ủường dõn sinh giỏp kho
3 Khu vực dân cư giáp kho than băng 6 28 70 0÷1,8 - 757,7
4 Hạ lưu mương An pha 28 72 0÷1,9 - 758,5
5 Khu vực cua số 3 ựường đèo Nai 30 70 0ọ1,9 - 756,5
Tiêu chuẩn Bộ Y tế 3733/2002/Qð-BYT
Nh ậ n xột: ðối chiếu với tiờu chuẩn của Bộ y tế cho thấy ủiều kiện vi khắ hậu khu vực mỏ đèo Nai tại 26 ựiểm quan trắc trong quý III năm 2010 ủều ủạt tiờu chuẩn cho phộp về mụi trường
B ả ng 1.11: K ế t qu ả quan tr ắ c môi tr ườ ng không khí khu v ự c m ỏ ð èo Nai [5]
STT Vị trí quan trắc
Các thông số về khí + Bụi
1 Khu vực phõn xưởng Cơ ủiện 0,40 0,055 0,050 0,40 1,55
2 Khu vực phân xưởng sửa chữa Ô tô 0,40 0,115 0,080 0,70 2,00
3 Khu vực hố nhận than +30 0,56 0,115 0,055 0,75 2,15
4 KV MB sàng tuyển than nguyên khai +83 0,50 0,055 0,060 0,50 2,20
5 Khu vực máng rót than tại máng ga Cọc 6 0,52 0,045 0,050 0,40 2,15
6 Khu vực moong vỉa chính 0,32 0,040 0,025 0,25 1,30
7 Khu vực moong Lộ Trí 0,35 0,030 0,030 0,30 1,25
8 Khu vực băng sàng (băng 3) 0,34 0,050 0,045 0,40 1,80
9 Khu vực hạ lưu cống P8 0,28 0,045 0,050 0,40 2,10
10 Bãi thải Mông Giăng mức +395 0,26 0,042 0,050 0,45 2,25
11 Khu vực kho than Cọc 3 0,30 0,033 0,025 0,32 2,20
12 Khu vực kho than băng 6 0,40 0,055 0,055 0,50 2,25
13 Bãi thải Mông Giăng mức +250 0,28 0,040 0,040 0,35 2,20
14 Bãi thải đông Cao Sơn mức +280 0,28 0,050 0,028 0,20 2,00
II Khu vực phục hồi môi trường bãi thải Nam đèo Nai
1 Bãi thải Nam mức +184 (phía
2 Mức +90 bãi thải Nam (phía đông) 0,45 - - - -
3 Mức +50 bãi thải Nam (phía đông) 0,42 - - - -
4 Mức +80 bãi thải Nam (phía
5 Bãi thải Nam mức +10 (phía đông) 0,30 - - - -
III Khu vực giáp ranh
1 Khu vực suối cầu 5 giáp bãi thải
2 Khu vực ủường dõn sinh giỏp kho
3 Khu vực dân cư giáp kho than băng 6 0,22 - - - -
4 Hạ lưu mương An pha 0,15 - - - -
5 Khu vực cua số 3 ựường đèo Nai
Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng không khí xung quanh
Nh ậ n xột: Kết quả quan trắc ủược tổng hợp trong bảng 1.11, cỏc giỏ trị ủo ủược so với quy chuẩn cho phộp tương ứng, ủối với cỏc khớ ủộc hại cỏc ủiểm quan trắc ủều cho giỏ trị ủo trong giới hạn cho phộp, cũn với giỏ trị bụi thỡ tại 16 trờn 26 ủiểm quan trắc ủều cho giỏ trị vượt ngưỡng giới hạn cho phép
1.2.3.2 Hiện trạng ô nhiễm môi trường nước
B ả ng 1.12: K ế t qu ả quan tr ắ c môi tr ườ ng n ướ c th ả i khu v ự c m ỏ ð èo Nai [5]
STT Các thông số ðơn vị Khu vực PXSC Ôtô
Moong vỉa chính Cống thoát nước +32
Nh ậ n xét: Nhìn vào bảng 1.12 ta thấy tại khu vực Moong Vỉa chính và
Cống thoỏt nước +32 nước thải cú giỏ trị pH thấp, nồng ủộ kim loại sắt, mangan, TSS, COD và BOD 5 ủều vượt giới hạn cho phộp
TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH HÓA MÔ PHỎNG SỰ PHÁT TÁN CHẤT Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC VÀ KHÔNG KHÍ
Khái niệm về mô hình hóa môi trường
Mụ hỡnh mụi trường là một cụng cụ dựng ủể quản lý mụi trường, và nú cũng là những cụng cụ ủược sử dụng rộng rói trong khoa học Một mặt cỏc nhà khoa học thường dựng cỏc mụ hỡnh vật lý ủể thực hiện thớ nghiệm bờn ngoài hay bờn trong phũng thớ nghiệm ủể hạn chế sự xỏo trộn từ tiến trỡnh khụng liờn quan ủến việc nghiờn cứu Bờn cạch ủú cỏc mụ hỡnh toỏn học ủang ủược ỏp dụng rộng rói trong khoa học… Về bản chất, mụ hỡnh mụi trường thỡ không khác so với các mô hình khoa học khác thậm chí còn có phần phức tạp hơn Ứng dụng mụ hỡnh trong mụi trường ủó và ủang trở nờn phổ biến, nếu chúng ta muốn hiểu sự vận hành của một hệ thống phức tạp như hệ sinh thái Thật khụng ủơn giản ủể khảo sỏt nhiều thành phần và tỏc ủộng trong một hệ sinh thái mà không sử dụng mô hình như là công cụ tổng hợp
Quá trình mô hình hóa có thể dựa trên những nguyên lý khác nhau, dựa trên cơ sở xem xét và phân tích các mối liên hệ nhân - quả Mô hình toán học của một ủối tượng bất kỳ là sự mụ tả nú bằng cỏc cụng cụ, phương tiện toỏn học Cỏc phương trỡnh của mụ hỡnh, cỏc ủẳng thức và bất ủẳng thức cựng cỏc dạng giới hạn khác nhau tham gia vào cấu trúc mô hình cho phép mô phỏng hành vi của ủối tượng trong cỏc ủiều kiện khỏc nhau mà khụng phải tiến hành các thí nghiệm thực [15]
Khả năng của mô hình toán là ở chỗ: bằng các công cụ mang tính hình thức ủể giải phương trỡnh và cỏc bất phương trỡnh hay bằng thuật toỏn người
38 nghiờn cứu cú thể dự bỏo sự thay ủổi hành vi của ủối tượng nghiờn cứu, thử xem cỏc ủối tượng này thay ủổi như thế nào khi cỏc ủiều kiện này hay ủiều kiện khỏc (ủược mụ tả bằng cỏc tham số của mụ hỡnh) thay ủổi Quỏ trỡnh này gọi là mô phỏng toán học
Công việc thiết lập mô hình toán học các quá trình môi trường là một bài toỏn rất khú, ngoài ra ủể dự bỏo tốt cần phải thu thập cỏc dữ liệu ủầu vào (các giá trị tham số mô hình dưới dạng các hệ số của phương trình và các bất ủẳng thức tạo nờn mụ hỡnh và cỏc trạng thỏi ban ủầu của cỏc quỏ trỡnh cần mụ phỏng) Chỉ như vậy mụ hỡnh mới “sống” ủược Vỡ vậy, việc tớnh toỏn và ủưa cỏc thụng số ủầu vào là rất quan trọng và cần ủộ chớnh xỏc cao
* Các bước xây dựng mô hình hóa môi trường [15]:
- Bước ủầu tiờn của quỏ trỡnh mụ hỡnh húa là xỏc ủịnh vấn ủề ðõy là cỏch duy nhất ủể xỏc ủịnh giới hạn nghiờn cứu và tập trung nguồn lực vào trọng tõm của vấn ủề thay vỡ phõn tỏn sức lực vào cỏc hoạt ủộng khụng cần thiết Cụng việc này giỳp ta xỏc ủịnh ủược giới hạn về khụng gian thời gian, thu thập dữ liệu phục vụ cho mô hình
- Bước tiếp theo là xây dựng các công thức toán học mô tả các quá trình trong hệ sinh thỏi Cú nhiều quỏ trỡnh ủược mụ tả bằng một phương trỡnh toỏn hoặc hơn, và việc lựa chọn phương trỡnh thớch hợp cho mụ hỡnh ủang xem xột là một vấn ủề rất quan trọng trong quỏ trỡnh mụ hỡnh húa
- Bước kiểm nghiệm cỏc phương trỡnh toỏn học ủó xõy dựng ðể thực thi bước này, chuyên gia xây dựng mô hình cần phải tìm hiểu xem: Mô hình cú ổn ủịnh và hoạt ủộng cú như mong ủợi khụng
- Tiếp theo sau bước kiểm ủịnh là bước phõn tớch ủộ nhạy Thụng qua phõn tớch, người lập mụ hỡnh cú ủược cỏch nhỡn ủỳng ủắn về cỏc thành phần nhạy cảm trong mụ hỡnh Do ủú, phõn tớch ủộ nhạy là sự cố gắng ủo ủạc ủộ
39 nhạy của cỏc thụng số, cỏc hàm ủiều khiển và cả cỏc mụ hỡnh con cho ủến cỏc biến trạng thái cần quan tâm trong mô hình
- Bước hiệu chỉnh mụ hỡnh, thực hiện việc hiệu chỉnh ủối với cỏc thụng số quan trọng nhất sau khi chỳng ủược lựa chọn, nhiều nhất là 8 hoặc 10 thụng số Quỏ trỡnh hiệu chỉnh ủược thực hiờn bằng phương phỏp thử nghiệm và phỏt hiện lỗi ủể cú thể làm quen với phản ứng của mụ hỡnh cho cỏc thụng số Sau ủú tiến hành hiệu chỉnh lần hai sử dụng cho cỏc thụng số quan trọng nhất Sau bước này mô hình có thể bước tới bước tiếp theo là xác nhận
- Bước xỏc nhận mụ hỡnh ủõy là một bước tối quan trọng, là bước xỏc nhận cuối cựng ủể xem mụ hỡnh cú hoạt ủộng hiệu quả khụng
* Cỏc nguyờn lý cơ bản ủược ỏp dụng trong xõy dựng mụ hỡnh mụi trường [15]:
Người làm mô hình luôn quan tâm tới các thành phần tham gia vào mô hỡnh Cỏc phương trỡnh và cỏc tham số liờn quan phải phản ỏnh ủỳng cỏc thành phần của mụ hỡnh (tất nhiờn khụng thể ủũi hỏi sự tuyệt ủối mà chỉ cú thể núi là xấp xỉ ủỳng thực tế càng tốt) Người làm mụ hỡnh cũng cần phải cú nghiờn cứu ủụi chỳt về cỏc phương trỡnh mụ tả cỏc thành phần trong mụ hỡnh Một số nguyờn lý cú thể ứng dụng trong xõy dựng mụ hỡnh sẽ ủược trỡnh bày ở dưới ủõy:
Nguyờn lý bảo toàn thường ủược sử dụng trong quỏ trỡnh mụ hỡnh húa Các mô hình hóa, sinh học phải tuân thủ nguyên lý bảo tồn khối lượng cũng như nguyờn lý bảo toàn năng lượng và ủộng lượng Chỳng ta sẽ ỏp dụng trong nghiên cứu sinh thái hai nguyên lý sau:
- Các hệ sinh thái bảo toàn vật chất;
- Các hệ sinh thái bảo toàn năng lượng
Nguyờn lý bảo toàn vật chất cú thể ủược thể hiện bằng cụng thức toỏn học như sau: ðầu vào – ðầu ra (2.1) Trong ủú: m là tổng khối lượng của hệ Thực tế ứng dụng này khẳng ủịnh ủũi hỏi hệ sinh thỏi phải xỏc ủịnh cú chỉ ra biờn của hệ
Thay m = V.c, trong ủú c là nồng ủộ ta nhận ủược cụng thức: ðầu vào – ðầu ra (2.2) Trong ủú: V- là thể tớch của hệ
Nếu sử dụng nguyên lý bảo toàn khối lượng cho các thành phần hóa học, cú thể biến ủổi phương trỡnh trờn như sau:
= ðầu vào – ðầu ra + Bổ sung – Biến ủổi (2.3) Theo thời gian sẽ cú sự bổ sung và quỏ trỡnh biến ủổi dẫn tới sự hao hụt chất ban ủầu
Nguyờn lý bảo toàn khối lượng ủược sử dụng rộng rói trong một lớp mụ hỡnh mụi trường gọi là cỏc mụ hỡnh sinh ủịa húa Phương trỡnh ủược xõy dựng cho các thành phần thích hợp
* Một số mụ hỡnh ủó ủược ứng dụng trong nước và quốc tế:
Năm 1997, Viện quốc tế về phân tích hệ thống ứng dụng (IIASA, Laxenbuarg, Áo) ủó cụng bố danh mục cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu trong 25 năm (1955-1997) gồm hơn 50000 công trình liên quan tới lý thuyết hệ thống và mụ hỡnh húa mụi trường Ngày nay với rất nhiều mụ hỡnh phổ biến ủược sử dụng trong lĩnh vực mô hình hóa môi trường như:
+ ðối với mô hình hóa môi trường không khí:
Mô hình lan truyền chất gây ô nhiễm môi trường không khí
Trong công tác kiểm soát và quản lý chất lượng môi trường không khí thỡ việc ủỏnh giỏ và dự bỏo ụ nhiễm mụi trường theo phương phỏp ủịnh lượng là hết sức quan trọng, nú sẽ giỳp cho cỏc nhà quản lý, cỏc nhà hoạch ủịnh
45 chớnh sỏch, cỏc nhà cụng nghệ ủưa ra cỏc quyết ủịnh ủỳng ủắn trong việc giải quyết vấn ủề mụi trường
Phần này trỡnh bày phương phỏp mụ hỡnh húa toỏn học ủể nghiờn cứu quá trình lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường không khí bằng việc sử dụng các mô hình khuếch tán rối chất ô nhiễm của các tác giả nước ngoài với cỏc hệ số ủược xử lý trong ủiều kiện khớ hậu của Việt Nam
2.2.1 Các h ướ ng mô hình hóa [3] ðể ủỏnh giỏ hiện trạng và dự bỏo ụ nhiễm mụi trường khụng khớ tại một vựng nào ủú, trờn Thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay thường sử dụng hai phương pháp sau:
Khảo sỏt ủo ủạc tại nhiều ủiểm trờn hiện trường của một vựng và bằng phương phỏp thống kờ ủể phõn tớch, ủỏnh giỏ chất lượng khụng khớ vựng ủú
* Phương pháp mô hình hóa:
Dùng các mô hình toán học mô phỏng và dự báo sự lan truyền các chất ụ nhiễm theo khụng gian và thời gian, sau ủú kết hợp với số liệu ủo ủạc thực nghiệm ủể kiểm chứng ủộ chớnh xỏc của mụ hỡnh Trờn cơ sở ủú xõy dựng cỏc phần mềm tính toán tối ưu và thương mại hóa
Theo tài liệu của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) và chương trình môi trường của Liên hợp quốc (UNEP) thì hiện nay trên thế giới có hơn 20 dạng mô hình tính toán và dự báo ô nhiễm môi trường không khí, nhưng có thể tập hợp thành 3 hướng chớnh sau ủõy:
+ Hướng 1: Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết Gauss với giả thiết rằng sự phõn bố nồng ủộ chất gõy ụ nhiễm tuõn theo quy luật phõn bố chuẩn (gọi là mụ hỡnh Gauss) Cỏc nhà khoa học ủầu tiờn ỏp dụng và cải tiến theo hướng này là Sutton, Tunner, Pasquil…
+ Hướng 2: Mụ hỡnh ủộng lực - rối thống kờ sử dụng lý thuyết khuếch tỏn rối trong ủiều kiện khớ quyển cú tầng kết nhiệt Mụ hỡnh này ủược Berliand xây dựng và áp dụng thành công ở Nga (nên còn gọi là mô hình Berliand, hay mô hình khuếch tán rối K)
+ Hướng 3: Mụ hỡnh số trị dựa trờn việc giải hệ phương trỡnh ủầy ủủ của nhiệt ủộng lực học khớ quyển bằng phương phỏp số Hướng này cũn gặp khú khăn trong lý thuyết ủộng lực học vựng vĩ ủộ thấp, vỡ vậy ứng dụng vào nước ta còn hạn chế
Hai mô hình Berliand và Sutton (dạng cải tiến của Gauss) hiện nay ủược sử dụng rộng rói nhất trờn thế giới và ở Việt Nam ủể ủỏnh giỏ, dự bỏo cỏc chất gõy ụ nhiễm khụng khớ thải ra từ cỏc nguồn thải cụng nghiệp, ủụ thị, giao thông, xây dựng và khai khoáng
2.2.2 S ự phân b ố ch ấ t ô nhi ễ m và ph ươ ng trình vi phân c ơ b ả n [14]
Khi mô tả quá trình khuếch tán chất gây ô nhiễm trong không khí bằng cỏc mụ hỡnh toỏn học thỡ mức ủộ ụ nhiễm khụng khớ thường ủược ủặc trưng bởi trị số trung bỡnh của nồng ủộ chất ụ nhiễm phõn bố theo thời gian và không gian
Dưới tác dụng của gió tự nhiên, các luồng khí phụt lên Chất ô nhiễm dần dần bị khuếch tán rộng tạo thành các vệt khói - bụi Kết quả khảo sát cho thấy các chất khí thải và bụi lơ lửng lan truyền chủ yếu theo các vệt tạo thành những ủỏm mõy khớ - bụi Một số hạt bụi nặng sẽ tỏch khỏi vệt khớ - bụi và rơi
47 xuống mặt ủất gần gồn phỏt tỏn bụi Nếu coi gúc mở của vệt khớ - bụi khụng ủổi theo khoảng cỏch thỡ diện tớch do vệt khớ - bụi gõy ụ nhiễm sẽ tăng theo tỷ lệ với bình phương của khoảng cách
Hỡnh 2.1: S ơ ủồ khu ế ch tỏn lu ồ ng khớ th ả i d ọ c theo chi ề u giú
Vựng khụng khớ sỏt ủất thường bị ụ nhiễm bắt ủầu từ khoảng cỏch tới chân ống khói ước chừng từ 4÷20 lần chiều cao ống khói và vị trí bị ô nhiễm cực ủại cỏch chõn ống khúi khoảng 10ữ40 lần chiều cao ống khúi Trờn mặt cắt ngang của vệt khớ - bụi, nồng ủộ ở trục lớn nhất và càng ra xa nồng ủộ càng giảm dần Khi trời lặng giú, luồng khớ thải sẽ phụt thẳng ủứng lờn và gõy ô nhiễm chủ yếu trong phạm vi không gian khu vực phát thải
Trong trường hợp tổng quỏt, trị số trung bỡnh của nồng ủộ chất ụ nhiễm trong khụng khớ phõn bố theo thời gian và khụng gian ủược mụ tả từ phương trỡnh xuất phỏt của vận chuyển, khuếch tỏn rối và biến ủổi húa học ủầy ủủ như sau:
C – Nồng ủộ trung bỡnh chất ụ nhiễm (mg/m 3 ); x,y,z – Cỏc thành phần tọa ủộ theo trục Ox, Oy, Oz; t – thời gian;
K x , K y , K z – các thành phần của hệ số khuếch tán rối theo 3 trục Ox,
Các mô hình lan truyền chất ô nhiễm nước mặt
2.3.1 Quá trình pha loãng n ướ c sông, h ồ v ớ i n ướ c th ả i [1]
Quỏ trỡnh pha loóng nước sụng, hồ với nước thải ủặc trưng bằng số lần pha loãng n:
Q s - lưu lượng tính toán của nguồn nước;
Q0 - lưu lượng nước thải xả ra nguồn;
- hệ số xỏo trộn, ủặc trưng cho phần nước nguồn tham gia xỏo trộn với nước thải và phụ thuộc vào chế ủộ thủy ủộng học của dũng chảy và của cống xả nước thải;
C 0 , C s và C t - là giỏ trị nồng ủộ chất bẩn trong nước thải, nước nguồn tại ủiểm ban ủầu và thời ủiểm t
Trong sụng, hệ số xỏo trộn ủược xỏc ủịnh bằng biểu thức Frolop và Rodzinler:
L – khoảng cỏch từ miệng xả nước thải ủến ủiểm tớnh toỏn ðối với ủiểm xỏo trộn hoàn toàn * # 1+ thỡ = ∞ α – hệ số xỏc xỏc ủịnh theo cụng thức của Frolop:
Trong ủú: φ – ủộ khỳc khuỷu của dũng chảy, là tỷ số giữa khoảng cỏch tớnh toỏn theo chiều dũng chảy và theo ủường chim bay;
– hệ số phụ thuộc vào cấu tạo và vị trí cống xả nước thải;
E y – hệ số khuếch tán theo phương nằm ngang
Nồng ủộ chất bẩn tại ủiểm xỏo trộn hoàn toàn nước nguồn với nước thải ủược biểu diễn như sau:
W – dung tích nước sông, hồ; t – thời gian dòng chảy;
Q w – lượng nước bổ sung trờn ủoạn dũng chảy nghiờn cứu trong thời gian t;
Q p – lượng nước hao hụt (bay hơi, chảy khỏi thủy vực theo các nhánh sông…) trong thời gian t;
C 0 , C s và C w – cỏc giỏ trị nồng ủộ chất của nguồn thải, của sụng và nồng ủộ chất bẩn bổ sung
Nếu trong ủoạn sụng khụng cú tổn thất nước Q p thỡ nồng ủộ trung bỡnh của vật chất tại ủiểm xỏo trộn hoàn toàn sẽ là:
I p (2.53) ðối với hồ rộng (cú lưu thụng), nồng ủộ chất ụ nhiễm tại thời ủiểm xỏo trộn hoàn toàn có thể biểu thị bằng công thức sau:
Như vậy số lần pha loãng lớn nhất n max sẽ là:
Nghiờn cứu quỏ trỡnh pha loóng trong sụng suối theo sơ ủồ hỡnh 2.3, thấy rằng: tại tiết diện ban ủầu (tại miệng xả) số lần pha loóng bằng 1 (C t =C nth ) sau ủú nồng ủộ chất bẩn sẽ giảm dần theo 3 vựng
Hỡnh 2.3: S ơ ủồ pha loóng n ướ c th ả i trong dũng ch ả y sụng
Tại vựng 1: Pha loóng ban ủầu do dũng chảy rối từ cống xả nước thải tạo nờn và ủược ủặc trưng bằng số lần pha loóng ban ủầu n 1 (n 1 ≥1);
Tại vựng 2: Pha loóng cơ bản do chế ủộ thủy ủộng học dũng chảy sụng hồ tạo nờn và ủặc trưng bằng số lần pha loóng cơ bản n 2
Như vậy, nếu gọi n 1 là số lần pha loóng ban ủầu (xảy ra tại vựng 1 – vựng xỏo trộn ban ủầu do tỏc ủộng của dũng chảy rối) và ký hiệu là nd=n1; n2
– là số lần pha loãng cơ bản (xảy ra trong vùng pha loãng cơ bản dưới tác ủộng của cỏc yếu tố thủy ủộng học dũng chảy) và ký hiệu là n s = n 2 thỡ số lần pha loãng chung n sẽ là:
Tại vùng 3: pha loãng hoàn toàn nước thải với nguồn nước Hệ số tại vùng này sẽ bằng 1 ðối với các chất bẩn bền vững (không bị phân hủy theo thời gian) thỡ nồng ủộ chất bẩn tại vựng thứ 3 này C 3 sẽ là:
I p (2.60) ðối với chất bẩn không bền vững (bị phân hủy theo thời gian) thì nồng ủộ của chỳng bị giảm chủ yếu do sự chuyển húa và phõn hủy
Như vậy, quá trình pha loãng nước thải với nước nguồn gồm hai giai ủoạn pha loóng ban ủầu và pha loóng cơ bản Quỏ trỡnh pha loóng ban ủầu ủặc trưng bằng số lần pha loóng n d và phụ thuộc vào cỏc yếu tố về ủặc ủiểm cấu tạo cống và ủiều kiện xả nước thải như kết cấu miệng xả, hỡnh dạng, kớch thước, số miệng xả, vận tốc và áp lực xả nước thải, lưu lượng nước thải và nồng ủộ chất thải trong ủú… Quỏ trỡnh pha loóng cơ bản chủ yếu phụ thuộc vào chế ủộ thủy ủộng lực học của sụng hồ và cỏc yếu tố khớ tượng thủy văn
69 khỏc như: chế ủộ và vận tốc dũng chảy, ủiều kiện giú, nhiệt ủộ, hỡnh thỏi sụng hồ và ủộ sõu của nú, mức ủộ luõn chuyển nước, ủặc ủiểm nước nguồn…
Quá trình xáo trộn và pha loãng nước thải với nước sông hồ có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ ngồn nước:
- Giảm ủược nồng ủộ chất bẩn tại cỏc ủiểm cục bộ trong sụng hồ;
- Phõn bố ủều tải trọng chất bẩn trong toàn bộ dung tớch nước tăng cường ủược quỏ trỡnh tự làm sạch (phõn bố tải trọng chất bẩn cho vi sinh vật);
- Do giảm ủược tải lượng chất bẩn cục bộ, phự hợp với khả năng tự ủiều chỉnh của hệ sinh thỏi vực nước nờn ủộ ổn ủịnh của hệ ủược ủảm bảo;
- Dựa vào số lần pha loãng nước nguồn với nước thải, chúng ta có thể xỏc ủịnh ủược mức ủộ xử lý nước thải cần thiết và thiết lập ủược cỏc biện pháp bảo vệ sông hồ khác
2.3.2 Quy lu ậ t chung v ề quỏ trỡnh bi ế n ủổ i ch ấ t l ượ ng n ướ c
2.3.2.1 Phương trình cơ bản về quá trình lan truyền và chuyển hóa chất bẩn trong nguồn nước sau khi tiếp nhận nước thải [12]:
Sau khi nước thải nhập dũng chảy, chất ụ nhiễm ủược phỏt tỏn và chuyển hóa nhờ các quá trình vật lý, sinh học xảy ra trong dòng Các quá trình này ủược chia ra như sau:
- Cỏc quỏ trỡnh vận chuyển ủối lưu và khuếch tỏn rối (quỏ trỡnh xỏo trộn, pha loóng nước thải với nước nguồn) làm thay ủổi nồng ủộ chất bẩn;
- Cỏc quỏ trỡnh biến ủổi (phõn hủy và chuyển húa) thành phần và nồng ủộ chất bẩn
70 Ảnh hưởng của cỏc quỏ trỡnh này lờn nồng ủộ của cỏc cấu tử phỏt tỏn rất khỏc nhau nhưng ủều tuõn theo quy luận cõn bằng khối lượng Do ủú quỏ trình phát tán chất ô nhiễm trong dòng chảy có thể mô tả bằng phương trình vi phân cân bằng vật chất có dạng như sau:
C – nồng ủộ chất ụ nhiễm trong dũng chảy;
V x , V y , V z – thành phần vận tốc dòng chảy theo các hướng x, y, z;
Ex, Ey, Ez – các hệ số khuếch tán theo các phương x, y, z;
F – lượng vật chất sinh ra hoặc biến ủổi trong nguồn theo thời gian t
Cỏc ủại lượng V, E, F ủặc trưng cho ảnh hưởng của cỏc quỏ trỡnh xảy ra trong dòng tới sự phân bố chất ô nhiễm như sau:
- Vận tốc dũng chảy V và hệ số khuếch tỏn E ủặc trưng cho quỏ trỡnh vận chuyển vật chất và ảnh hưởng của chúng tới mọi thông số như nhau Trường vận tốc V (V x , V y , V z ) ủặc trưng cho quỏ trỡnh vận chuyển chất nhờ ủối lưu Giả thiết là dũng chảy ổn ủịnh và lượng thải ủủ nhỏ ủể khụng ảnh hưởng tới chế ủộ dũng chảy Như vậy, vận tốc dũng chảy thỡ thay ủổi theo không gian mà không phụ thuộc vào thời gian Hệ số khuếch tán E (E x , E y , E z ) ủặc trưng cho quỏ trỡnh vận chuyển chất nhờ gradient nồng ủộ và chế ủộ rối của dòng chảy, vì vậy nó còn gọi là hệ số khuếch tán rối Các hệ số này không chỉ phụ thuộc vào bản chất của cấu tử khuếch tán và môi trường mà còn phụ thuộc vào chế ủộ thủy ủộng học của dũng chảy Do ủú cỏc hệ số khuếch tỏn rối E thay ủổi theo khụng gian và khụng ủẳng hướng
71 ðại lượng F ủặc trưng cho sự thay ủổi nồng ủộ chất ụ nhiễm theo thời gian mà không phụ thuộc vào các quá trình phát tán vật chất ðại lượng này phụ thuộc vào bản chất của chất ô nhiễm Như vậy, F biểu thị lượng chất sinh ra do hai nguồn chớnh tồn tại trong dũng chảy, ủú là cỏc quỏ trỡnh biến ủổi trong nguồn nước và nguồn thải:
Trong ủú: r i – lượng chất sinh ra do quỏ trỡnh biến ủổi i nhất ủịnh trong một ủơn vị thời gian của một ủơn vị thể tớch nước;
I - lượng chất ủược cung cấp từ nguồn thải trong 1 ủơn vị thời gian tớnh cho một ủơn vị thể tớch nước
Quỏ trỡnh biến ủổi vật chất trong nguồn nước thường ủược biểu diễn dưới dạng phản ứng bậc 1 Vì vậy có thể hiểu:
C – nồng ủộ cấu tử vật chất trong dũng chảy;
K - Hệ số ủặc trưng cho cỏc quỏ trỡnh biến ủổi tuõn theo quy luật của phản ứng bậc một mà cấu tử vật chất tham gia K là hàm số của nhiệt ủộ, cỏc ủặc trưng của dũng chảy, bản chất của cấu tử vật chất; b – thụng số ủặc trưng cho nguồn thải