CHƯƠNG 6 MỘT SỐ MÔ HÌNH MẪU LAN TRUYỀN CHẤT Ô NHIỄM
6.1 Mụ hỡnh lan truyền chất ụ nhiễm khụng khớ từ nguồn ủiểm
6.1.1 Cơ sở lựa chọn mô hình tính toán lan truyền và khuếch tán chất ô nhiễm không khí 107
Các nghiên cứu trong 70 năm qua trong lĩnh vực này cho thấy: ngoài các khó khăn mô phỏng cỏc tham số khớ tượng (sự phõn bố của giú và nhiệt ủộ trong lớp biờn của khớ quyển, sự mụ tả cỏc quỏ trỡnh khuếch tỏn và bức xạ mặt trời), cần phải lưu ý ủến cỏc yếu tố liờn quan tới bản chất của cỏc chất ụ nhiễm: sự núng lờn của cỏc chất ủược thải ra, sự chuyển húa do kết quả của các phản ứng hóa học.
108
Trong trường hợp ủơn giản nhất, cỏc chất ụ nhiễm ủược xột như một chất khớ trơ không nóng với khối lượng riêng bằng khối lượng riêng của không khí. Tuy nhiên, trên thực tế các chất thải của các nhà máy hóa học và các xí nghiệp công nghiệp là khí nóng. Do vậy khi mụ phỏng, người ta thường lưu ý tới sự ảnh hưởng của tớnh nổi nhiệt và cỏc chuyờn gia ủó ủưa ra những hiệu chỉnh trong cụng thức dự bỏo nồng ủộ tạp chất. Việc dự bỏo cỏc hạt lơ lửng bài toán còn phức tạp hơn do cần phải lưu ý tới sự lắng do trọng lực. Về mặt hóa học, nếu lưu ý tới các thành phần hoạt tính, nghĩa là các thành phần là nguyên nhân của khói quang hóa, sẽ dẫn ủến bài toỏn cũn phức tạp hơn nữa, bởi vỡ khi ủú ta cũn phải ủưa vào mụ hỡnh bức xạ mặt trời và ủộ ẩm.
Như vậy, ủể xõy dựng mụ hỡnh dự bỏo chất lượng khụng khớ tại một thời ủiểm bất kỡ cũng như tại một vị trí bất kì của khu công nghiệp cần phải dựa vào sự hiểu biết các qui luật vật lý, khí tượng và hóa học.
Cỏc mụ hỡnh ủược sử dụng ủể dự bỏo sự nhiễm bẩn trong cỏc ủiều kiện của thành phố cũng như cho một phần lónh thổ rộng lớn hơn phải thỏa cỏc ủiều kiện sau:
- Cú kớch thước khụng gian và thời gian tương ứng với sự thay ủổi nồng ủộ trong miền ủang xột vào khoảng thời gian dự bỏo;
- Tỏc vụ từ quan ủiểm thời gian ủũi hỏi ủể thực hiện nú (nghĩa là phải cho kết quả nhanh chóng);
- Cho phép biểu diễn tổng hợp về các quá trình lan truyền, khuếch tán, các phản ứng hóa học và ủặc trưng của chất thải.
Ngày nay trờn thế giới ủó tớch lũy ủược nhiều kinh nghiệm quớ bỏu trong việc xõy dựng các mô hình liên quan tới ô nhiễm không khí. Viện sĩ Moiseev N.N., nhà khoa học hàng ủầu của Liờn xụ cũ về nghiờn cứu mụi trường, khi ủề cập tới cỏc cụng trỡnh xõy dựng mụ hỡnh ủó ủưa ra bức tranh khỏi quỏt về hai phương phỏp tiếp cận:
Hướng nghiờn cứu thứ nhất xõy dựng cỏc mụ hỡnh ở mức ủộ chi tiết cao ủũi hỏi cỏc phương tiện tớnh toỏn mạnh và CSDL ủầy ủủ. Cỏc mụ hỡnh này phục vụ cho cỏc mục tiờu nghiờn cứu và việc ủưa ra phổ biến rộng rói cho việc sử dụng rộng rói ớt ủược khuyến cỏo.
Hướng nghiờn cứu thứ hai ủặt mục tiờu khiờm tốn hơn và hướng tới sử dụng rộng rói cho cỏc bài toỏn thụng qua cỏc quyết ủịnh hành chớnh. Bài toỏn thực tiễn ở ủõy là sự cần thiết phải so sỏnh cỏc kịch bản thực thi quyết ủịnh khỏc nhau, do vậy cần phải xõy dựng một phần mềm với khả năng ủối thoại rộng rói, với khả năng ủưa vào cỏc ủỏnh giỏ chuyờn gia, khả năng tính toán một số các hệ số bán thực nghiệm từ các số liệu quan trắc (các phương pháp tính toỏn này ủó ủược kiểm nghiệm tốt từ thực tiễn). Cỏc mụ hỡnh như vậy cú thể tương ủối ủơn giản nhưng ủủ ủể thụng qua quyết ủịnh trong bài toỏn bảo vệ mụi trường. Gần 70 năm qua kể từ khi xuất hiện các công trình nghiên cứu của Bonsanquet - Pearson (1936) và Sutton (1947), ủến này số lượng cụng trỡnh liờn quan tới xõy dựng mụ hỡnh ụ nhiễm khụng khớ lờn tới hàng nghìn, thật khó mà có thể thống kê nổi tất cả các mô hình này trong một công trình nghiên cứu nào. Nói như Krapivin V.F., không phải tất cả các mô hình này hướng tới nghiên cứu ảnh hưởng của ụ nhiễm lờn mụi trường vựng. Trong nhiều cụng trỡnh ủó liờn kết cỏc mụ hỡnh lan truyền ụ nhiễm, cỏc mụ hỡnh nghiờn cứu ảnh hưởng của ụ nhiễm lờn thực vật và thế giới ủộng vật, mụ hỡnh nghiờn cứu ảnh hưởng cỏc hoạt ủộng kinh tế của con người phụ thuộc vào cỏc quỏ trỡnh xó hội và cỏc quyết ủịnh kinh tế ủược thụng qua. Hiện giờ cỏc mụ hỡnh phức hợp như vậy ủược xõy dựng cho từng vựng riờng biệt và hướng tới phục vụ cho cỏc cơ quan quản lý mụi trường tại cỏc khu vực ủú.
Kinh nghiệm của nhiều nghiên cứu trong lĩnh vực mô hình hóa các quá trình lan truyền cỏc chất nhiễm bẩn trong khụng khớ khẳng ủịnh sự cần thiết phải phõn loại cỏc quỏ trình này tương ứng với mối liên hệ giữa các kích thước theo không gian và thời gian. Sự cần thiết phải phõn loại như vậy ủược chứng minh chặc chẽ tại nhiều chương trỡnh quốc tế như
109
“Những thay ủổi toàn cầu”, “Chương trỡnh về húa học khớ quyển toàn cầu”, “Mụ hỡnh cỏc chu trỡnh tuần hoàn sinh ủịa húa”… . Phụ thuộc vào kớch thước thời gian - khụng gian của ủối tượng và cỏc quỏ trỡnh sinh thỏi và ủịa vật lý người ta chia ra làm 4 mức ủộ sau:
- Mức ủộ toàn cầu tiến hành khảo sỏt với kớch thước toàn cầu cú lưu ý ủến cỏc tỏc ủộng tổng hợp của các yếu tố mà người khảo sát quan tâm tới trong một khoảng thời gian từ vài thỏng tới vài chục năm (vớ dụ cỏc mụ hỡnh thay ủổi khớ hậu, mụ hỡnh tớnh toỏn hiệu ứng nhà kính,...).
- Mức ủộ vĩ mụ (mức ủộ hành tinh) - xem xột cỏc ủối tượng và cỏc quỏ trỡnh trong khụng gian có kích thước vài ngàn km, kích thước thời gian - từ một vài tháng tới một năm (mô hình lan truyền vượt tuyến của chất bẩn của các quốc gia hay các hành tinh với nhau, mụ hỡnh này ủó ủược ủưa vào ỏp dụng tại Chõu Âu và Bắc Mỹ,…).
- Mức ủộ trung bỡnh (mức ủộ vựng) - xem xột cỏc quỏ trỡnh trong khụng gian cú kớch thước từ vài trăm m tới vài trăm km và thời gian từ vài giờ tới một vài tháng (các quá trình nhiễm bẩn khí quyển tại các thành phố công nghiệp, các tổ hợp công nghiệp, các tình huống tai biến khi có sự phát tỏa lớn của các chất bẩn vào không khí là thuộc mức ủộ này).
- Mức ủộ vi mụ (mức ủộ ủịa phương) - xem xột cỏc quỏ trỡnh trờn một diện tớch từ vài m tới một vài trăm m và thời gian từ vài phỳt ủến một vài chục phỳt (một bài toỏn sinh thỏi tiờu biểu ở ủõy là tớnh cho một số ớt cỏc nguồn thải và xem xột chi tiết phõn bố khụng gian của nồng ủộ tại một ủịa phương nào ủú).
Chớnh vỡ vậy trước khi xõy dựng mụ hỡnh cần phải xỏc ủịnh cỏc bước theo thời gian và khụng gian ủối với quỏ trỡnh và ủối tượng ủang xem xột. Cỏc khoảng thời gian ủược phõn loại như sau :
- cỏc quỏ trỡnh lắng ủọng – tớnh bằng phỳt hoặc giờ;
- sự thoát hơi của thực vật – tính bằng giờ, ngày;
- sự hình thành trái cây – tính bằng ngày, tháng;
- sự thay ủổi trong cỏc quần xó thực vật và ủộng vật – tớnh bằng thỏng, năm;
- sự hỡnh thành ủất – tớnh bằng nhiều năm hay thế kỷ;
- cỏc quỏ trỡnh ủịa mạo – tớnh bằng nhiều thế kỷ, hay thiờn niờn kỷ.
Từ cỏc kết quả nghiờn cứu của cỏc nhà khoa học hàng ủầu trong lĩnh vực mụ hỡnh húa cho phộp ủịnh hướng trong việc lựa chọn mụ hỡnh. ðiều ủầu tiờn trước khi tiến hành xõy dựng mụ hỡnh cần phải phõn loại cỏc khoảng thời gian ủối với cỏc quỏ trỡnh ủang xột. Việc làm này là cần thiết nằm xỏc ủịnh ưu tiờn trong lựa chọn mụ hỡnh và như vậy xỏc ủịnh ủược cấu trỳc phần mềm phục vụ cho tính toán thực tế.
Hiện nay trong bài toán mô hình hóa ô nhiễm không khí tồn tại một số phương pháp phân loại mô hình phân tán chất ô nhiễm khác nhau.
Từ quan ủiểm tổng hợp tất cả cỏc yếu tố khỏc nhau, ủể tớnh toỏn mức ủộ ụ nhiễm khụng khớ người ta chia ra làm bốn giai ủoạn trong sự phỏt triển phương phỏp mụ phỏng nhiễm bẩn khụng khớ cụng nghiệp. Dạng ủơn giản hơn cả của mụ hỡnh là mụ hỡnh “hộp”. Mụ hỡnh này giả thiết sự pha trộn hoàn toàn bờn trong một khối ủơn vị cú diện tớch bằng cả một vựng lớn và chiều cao ủược xỏc ủịnh bởi biờn trờn của sự pha trộn. Chất ủược phỏt ra bởi cỏc nguồn khụng ủổi, phõn bố ủều trờn lónh thổ vựng. ðể tớnh dũng chất bẩn qua tường của khối người ta sử dụng công thức vận tốc trung bình của gió.
Tiếp theo là loại mô hình vệt khói hay còn gọi là các mô hình khuếch tán. Loại mô hỡnh này mụ tả sự phõn tỏn của chất khớ trơ từ một nguồn ủiểm, ủường hay nguồn diện tớch.
Sự phõn tỏn ngang thường ủược ủỏnh giỏ từ cỏc quan sỏt thực nghiệm và là hàm số của thời gian. Sự khuếch tỏn ủứng ủược xỏc ủịnh như là hàm số của ủộ ổn ủịnh của khớ quyển.
110
Giai ủoạn tiếp theo của sự phỏt triển dự bỏo nhiễm bẩn do hoạt ủộng của con người là việc mô phỏng dựa trên việc giải phương trình vi phân bảo toàn khối lượng. Các phương trình này bao gồm cỏc phản ứng húa học, sự thay ủổi theo thời gian của cỏc tham số khớ tượng, mụ tả ủầy ủủ hơn sự phỏt thải từ cỏc nguồn, nghĩa là lưu ý tới sự thay ủổi cỏc chất thải trong không gian và theo thời gian. Lớp các mô hình này bao gồm các phương trình bảo toàn khối lượng của tạp chất ủang xột, ở ủõy cỏc biến liờn quan tới cỏc phương trỡnh chuyển ủộng, truyền nhiệt và trạng thỏi là cỏc tham số ủầu vào của phương trỡnh mụ tả sự lan truyền và khuếch tán của chất ô nhiễm.
Cuối cựng xấp xỉ ủầy ủủ và hoàn chỉnh hơn cả trong việc mụ phỏng nhiễm bẩn cụng nghiệp là giải cỏc phương trỡnh ủầy ủủ, ba chiều, thay ủổi theo thời gian của lớp biờn khớ quyển có bao hàm cả phương trình bảo toàn khối lượng.
Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) và Chương trình Môi trường của Liên hợp quốc (UNEP) ủó cú cỏch phõn loại theo ba hướng chớnh sau ủõy:
- Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết toán học Gauss. Các nhà toán học có công phát triển mô hình này là Taylor (1915), Sutton (1925 – 1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill (1962 – 1971), Seifeld (1975) và gần ủõy ủược cỏc nhà khoa học mụi trường của cỏc nước như Mỹ, Anh, Phỏp, Hunggari, Ấn ủộ, Nhật Bản, Trung Quốc,... ứng dụng và hoàn thiện mụ hỡnh tớnh theo ủiều kiện của mỗi nước.
- Mụ hỡnh thống kờ thủy ủộng, hoặc lý thuyết nửa thứ nguyờn (cũn gọi là mụ hỡnh K).
Mụ hỡnh này ủược Berliand (Nga) hoàn thiện và ỏp dụng ở Liờn Xụ. Ở Việt Nam, KS Nguyễn Cung cũng ủó ỏp dụng mụ hỡnh này cho một số cụng trỡnh, dự ỏn.
- Mô hình số trị, tức là giải phương trình vi phân bằng phương pháp số.
Ngày nay do vấn ủề mụi trường ủó trở thành vấn ủề toàn cầu cho nờn nhiều chớnh phủ ủó quan tõm ủặc biệt cho cỏc chương trỡnh nghiờn cứu mụi trường trong ủú cú bài toỏn xõy dựng mụ hỡnh phục vụ cho việc thụng qua quyết ủịnh hành chớnh. Hiện nay tại Việt Nam ủó xuất hiện nhiều chương trình nghiên cứu xây dựng các mô hình phục vụ cho bài toán thông qua quyết ủịnh tại cỏc khu cụng nghiệp lớn của ủất nước. Phần dưới ủõy phõn tớch và hệ thống nghiên cứu xây dựng các mô hình ảnh hưởng của ô nhiễm không khí.
Mặc dầu ủi sau và cũn nhiều khú khăn do ủiều kiện kinh tế và chiến tranh, cỏc nhà khoa học Việt Nam ủó sớm tiếp cận phương phỏp mụ hỡnh húa ụ nhiễm khụng khớ phục vụ cho cụng tỏc quản lý và nghiờn cứu. ðề tài cấp nhà nước 42A – 04 – 01 với ủiều kiện thiếu thốn về thiết bị kỹ thuật ủó tiến hành thu thập cỏc dữ liệu cao khụng, cỏc dữ liệu phỏt thải và kiểm tra mô hình Berliand cho một số vùng ở miền Bắc. Các kết quả tính toán theo mô hình ủược so sỏnh với số liệu ủo ủạc và cho kết quả tương ủối tốt, cú thể chấp nhận.
Trong vài năm lại ủõy, xuất hiện nhiều tài liệu nghiờn cứu và giảng dạy cỏc vấn ủề liờn quan tới ô nhiễm không khí và tính toán lan truyền, khuếch tán chất ô nhiễm không khí bằng tiếng Việt. đáng lưu ý là hai cuốn sách của 2 giáo sư Trường đại học xây dựng Hà nội /[3] Ờ [4]/. Trong hai cuốn sỏch này ủó tập hợp ủược nhiều kết quả nghiờn cứu trong và ngoài nước về phương phỏp mụ hỡnh trong nghiờn cứu giải quyết vấn ủề ụ nhiễm khụng khớ.
Trong những năm gần ủõy nhúm nghiờn cứu của tỏc giả giỏo trỡnh này ủó cú một số nghiờn cứu cỏc phương phỏp xử lý thống kờ cỏc số liệu quan trắc tại cỏc trạm khớ tượng ủể xỏc ủịnh cỏc hệ số khuếch tỏn k0 và k1 (là cỏc hệ số cần thiết cho mụ hỡnh Berliand).