Bản đồ màu trình bày phạm vi của vùng bị ô nhiễm theo các nồng độ khác nhau sẽ rất có ích, bởi vì nó vừa có thể chỉ chính xác vị trí nguồn gây ô nhiễm, vị trí nơi nguồn ô nhiễm tác động
Trang 1PHẦN MỀM BẢN ĐỒ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÍ
ENVINDUS V.2 ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ GIS ĐỂ LẬP BẢN ĐỒ MÀU BIỂU DIỄN SỰ PHÁT TÁN NGUỒN Ô NHIỄM KHÍ
Nguyễn Ngọc Diệp, Bùi Văn Ga, Trần Văn Nam Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường-Đại học Đà Nẵng
Abstract: Discharged air from polluted sources spreads throughout the environment unevenly
Using GIS maps and supplementing a network area in which each area contains average values of polluted concentration The authors established a program based on MapInfo and MapBasic that uses Delphi model to calculate the scattering of pollution based on Gauss’ method The program manages the database following statistics established by World Health Organization (WHO) based on their study of thousands of polluted sources The authors present results on a color map on which each color represents a polluted area This color map will serve to forecast and estimate levels of pollution surrounding industrial zones
Keywords: GIS, ENVINDUS, MapInfo
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Ô nhiễm môi trường khí có thể gây ra bởi các nguồn (nguồn điểm, nguồn đường, nguồn mặt ) ô nhiễm khác nhau như: từ các ống khói nhà máy sử dụng nhiên liệu hóa thạch, các ống thải khí của các thiết bị hóa học, các máy xay đá ở công trường khai thác đá, bãi rác chất thải rắn, ao hồ hay đầm lầy bị ô nhiễm, các đám khói cháy rừng, Cần biết tác hại của chất gây ô nhiễm đến con nguời khi sinh hoạt, lao động trong phạm vi mà chất gây ô nhiễm tác động đến Bản đồ màu trình bày phạm vi của vùng bị ô nhiễm theo các nồng độ khác nhau sẽ rất có ích, bởi vì nó vừa có thể chỉ chính xác vị trí nguồn gây ô nhiễm, vị trí nơi nguồn ô nhiễm tác động đến, cũng như phạm vi của các khoảng vùng nồng độ khác nhau Ưu điểm của bản đồ số, mầu của ô nhiễm nguồn khí là có độ chính xác cao, tính trực quan cao, tra cứu dễ dàng
Để có cái nhìn vừa trực quan, vừa lượng giá được tác động phát tán của một hay đồng thời nhiều nguồn khí ô nhiễm ra môi trường xung quanh, thì tốt nhất là sử dụng một trong những phương pháp khoa học để xác định quy luật lan tỏa của dòng ô nhiễm phát đi từ nguồn, kết hợp với công nghệ GIS để xác định bằng trực quan và bằng cách định vị bằng chuột ngay trên bản đồ địa lý để biết tọa độ nơi cần xem xét, tên địa phương của nơi đó và tại đó có nồng
độ ô nhiễm là bao nhiêu Đó là ý tưởng của những tác giả của công trình này
2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
Hiện nay có ít nhất 3 mô hình tính toán ô nhiễm môi trường khí:
- Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết toán học Gauss Các nhà toán học sau Gauss như Sutton, Turner, Pasquill, Seilfeld… tiếp tục phát triển mô hình này
- Mô hình thống kê thuỷ động của Berliand (Nga)
- Phương pháp dòng chảy rối Hiện nay phương pháp dòng chảy rối được áp dụng nhiều cho những bài toán về lưu động dòng khí có áp suất phun lớn và ít nhạy cảm với môi trường xung quanh
Trang 2) ( ) (
z
C z y
C y x
C u t
C
z
∂
∂
∂ +
∂
∂
∂
∂
=
∂
∂ +
∂
∂
σ
y
∂
,
x
∂
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
−
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
)
,
(
2
) ( exp 2
) ( exp 2
exp
z
z u
E C
σ σ
σ σ
σ
y z
z y z
u
E
2 2
2 )
0 , (
2 exp 2 exp
−
−
=
σ
1
±
z z
y z
y
u
E
2 exp
−
=
=
=
Có lẽ mô hình thích hợp hơn cả để phản ánh khá đầy đủ hiện tượng lan truyền luồng khí
ra môi trường xung quanh là mô hình Gauss Với nguồn điểm thì mô hình Gauss, trong hệ tọa
độ 3 chiều thì vị trí của nguồn điểm là tọa độ gốc (x=y=z=0) Trục x của vệt khói trùng với hướng gió, vuông góc với hướng gió là trục y và theo chiều thẳng đứng là trục z Trong thực tế vệt khói là không ổn định, nhưng xem nó dao động trong phạm vi vệt khói trung bình Nồng độ chất ô nhiễm phân bố trên các mặt cắt đứng phân bố theo hàm Gauss và đối xứng qua trục vệt khói Chiều cao hiệu quả H của trục vệt khói là bằng chiều cao của miệng ống khói h, cộng với
độ nâng cao trục vệt khói Δh Phương trình khuếch tán Gauss của nguồn điểm phụ thuộc vào các yếu tố: cường độ thải của nguồn, tốc độ gió, chiều cao hiệu quả của ống khói và đặc biệt là điều kiện khí quyển Chính vì sự lan truyền chất ô nhiễm ra môi trường xung quanh rất nhạy cảm với điều kiện khí quyển và mô hình Gauss với sự phát triển của Sutton hay Pasquill phản ảnh được yếu tố đó nên chúng tôi sẽ chọn mô hình này cho sự triển khai nó trên công nghệ GIS
Để giải bài toán Gauss, ta thừa nhận một số giả thiết gần đúng:
- Lượng gây ô nhiễm thải ra từ nguồn là hằng số theo thời gian
- Tốc độ gió là không đổi theo thời gian và chỉ phụ thuộc độ cao vệt khói
- Không có bổ sung hay rút bớt chất ô nhiễm do phản ứng hoá học trong luồng khí
- Địa hình bằng phẳng và không có vật cản
Phương trình vi phân:
C - nồng độ chất ô nhiễm ở tọa độ x, y, z
u - vận tốc trung bình theo trục x, coi là hằng số
- hệ số khuếch tán vào khí quyển theo trục x và trục y Giải phương trình vi phân 1.1 với các giả thiết trên ta được phương trình Gauss để xác định nồng độ ô nhiễm tại tọa độ x, y, z bất kỳ như sau:
Khi xác định nồng chất ô nhiễm gần mặt đất (trong phạm vi hoạt động của con người và
hệ sinh thái) thì lúc này có thể lấy z=0, và phương trình Gauss có dạng đơn giản hơn:
Thường thì khi đánh giá tác động của nguồn ô nhiễm khí đến môi trường xung quanh, các đánh giá tác động môi trường (ĐTM) thường làm rất sơ lược là chỉ tính toán nồng độ chất
ô nhiễm tại một vị trí nào đó trên trục x bằng cách thay z=y=0 và phương trình 1.2 trở thành :
Trang 3σ ,
894 0
.x
a
y =
σ
f x
) 5 1 (
Trong các công thức trên thì :
E- Lưu lượng chất thải phát ra từ miệng ống khói (mg/s)
u- Tốc độ gió trung bình ở chiều cao hiệu quả (m/s)
- hệ số khuếch tán của khí quyển theo phương vuông góc với vec-tơ tốc độ gió (độ sai lệch chuẩn y) và phương thẳng đứng (độ sai lệch chuẩn z)
Các hệ số khuếch tán này chính là sai lệch chuẩn của hàm phân bố Gauss theo phương ngang và phương thẳng đứng (khoảng 68% diện tích xung quanh trị số trung bình nằm trên đường Gauss là trong dải Khi hệ số khuếch tán có giá trị lớn thì đường Gauss “mập” ra Điều quan trọng là hệ số khuếch tán σ phản ánh mức độ ổn định của khí quyển Sự chuyển động của một phần tử không khí có mang chất ô nhiễm phụ thuộc rất nhiều vào quy luật phân bố nhiệt độ của khí quyển theo chiều cao Nếu xảy ra hiện tượng đảo nhiệt thì dòng ô nhiễm khó
bị loãng dần nhờ chuyển động lên cao dần của phần tử không khí mang chất ô nhiễm do vậy điều kiện có lợi khó xãy ra vì phần tử không khí mang chất ô nhiễm chuyển động xuống phía mặt đất Trạng thái của gió, tốc độ gió cũng ảnh hưởng đến độ xáo trộn và độ ổn định của khí quyển Sự bức xạ của bề mặt trái đất, độ mây ban đêm, cường độ nắng chiếu vào ban ngày đều có ảnh hưởng đến độ ổn định khí quyển Khi độ ổn định của khí quyển là tốt thì luồng khi
ô nhiễm khó bốc lên cao để tản mát vào tầng trên cao của khí quyển, đồng thời những phần tử
ô nhiễm khó di chuyển đi xa theo trục x Người ta phân độ ổn định khí quyển thành 6 cấp từ
A đến F Cấp A là rất không ổn định Ở cấp F thì khí quyển rất ổn định Turner đã đưa ra một bảng phân cấp ổn định theo các điều kiện nêu trên Martin đã lượng hoá ảnh hưởng của độ ổn định đến các hệ số khuếch tán thành một bảng tra.các hệ số a, b,c,d,f để áp dụng công thức tính các hệ số khuếch tán :
và
3 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ BẢN ĐỒ MÀU Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ
ENVIDUS V.2
3.1 Sự cần thiết
Sử dụng bản đồ số để tận dụng ưu điểm quan trọng của GIS (Hệ thống thông tin Địa lý) bởi tính chính xác, trực quan, dễ quản lý và khai thác thông tin đồ họa và thông tin dữ liệu
thuộc tính
Kết hợp với ứng dụng có khả năng giao diện tốt và tính toán mạnh hơn là Delphi để tính
tóan ô nhiễm nguồn khí theo phương pháp Gauss
Chia vùng khảo sát trong bản đồ thành các ô lưới Trọng tâm của từng ô lưới sẽ được cập
nhật tự động các giá trị nồng độ ô nhiễm được tính toán từ nguồn gây ô nhiễm lan tỏa đến
Sử dụng phương pháp tạo bản đồ màu chuyên đề để thể hiện phạm vi các trường nồng
độ khác nhau trên bản đồ Bằng cách này sẽ giúp cho người sử dụng có sự đánh giá trực quan
của mức độ tác hại của nguồn gây ô nhiễm đến môi trường chung quanh
Tất cả các nội dung trên đều được tiến hành tự động nhờ lập trình bằng Delphi và MapBasic
Trang 4Nếu chọn phương án dùng máy đo nồng độ để xác định nồng độ trên từng ô lưới thì không khả thi vì các lý do:
- Số trường hợp cần đo quá lớn: Trên mỗi ô lưới, cứ mỗi hướng gió và vận tốc gió phải
tổ hợp với mỗi tải lượng và nhiệt độ, vận tốc ở miệng ống khói, độ ổn định khí hậu mà độ ổn định khí hậu lại phụ thuộc độ mây, ngày hay đêm, độ bức xạ mặt trời Do vậy số lần đo phải bằng tích của số ô lưới nhân với 5 cho một tình huống và số tình huống chắc chắn không ít hơn 5 (số ô lưới theo thiết kế hiện tại là 140x140 với bước lưới là 25 m, tức là 19600 ô)
- Không có khả năng dự báo được tải lượng của các nguồn ô nhiễm trong tương lai
- Để tránh sai số, dự kiến sẽ làm như sau: - Xác định đúng tải lượng của một nguồn ô nhiễm đang phát thải và vị trí của nó trên bản đồ - Chạy phần mềm này để tìm ô nhiễm tại một số vị trí trên bản đồ (theo kinh độ và vĩ độ) - Dùng máy đo nồng độ kiểm tra lại -So sánh
và tính toán hệ số hiệu chỉnh và đưa hệ số hiệu chỉnh này vào phần mềm
3.2 Lập bản đồ màu vùng các nồng độ ô nhiễm khác nhau
Ở đây dùng phương pháp chia lưới trên vùng bản đồ khảo sát Độ phân giải tuỳ thuộc vào yêu cầu độ chính xác cần cho kết luận Chúng tôi dùng độ rộng của ô lưới là 20 m, và lấy giá trị nồng độ trung bình trên ô lưới đó Mảng các ô lưới có chiều rộng khoảng 15 km Có thể khảo sát bất kỳ vùng nào trên lãnh thổ Việt Nam Để có được bản đồ màu thể hiện các vùng
có nồng độ khác nhau, phần mềm viết cho GIS được thiết kế như sau:
(1) Tra cứu các số liệu thống kê về cường độ các nguồn phát ô nhiễm của tổ chức WHO bằng ADO của Delphi vào CSDL chứa trong ACCES Modul này được gọi từ môi trường MapInfo (gồm khoảng 1100 cơ sở có khả năng phát ra các nguồn ô nhiễm khác nhau) (Hình 1)
(2) Căn cứ vào tình hình thời tiết như vận tốc gió, độ mây, độ bức xạ để chọn cấp độ ổn định khí quyển Đồng thời chọn năng suất của nguồn mang chất khí ô nhiễm để tính toán sự phát tán ô nhiễm theo các công thức (1.3), (1.4), (1.5) Một giao diện viết bằng Delphi chạy trong môi trường MapInfo đảm nhiệm việc này (Hình 2)
(3) Nhóm các phạm vi nồng độ chất ô nhiễm trên các ô lưới thành các vùng có màu khác nhau Nếu có nhiều nguồn đồng thời phát ô nhiễm thì cộng giá trị nồng độ có trên tứng ô lưới Công việc ở mục 2 và 3 được tiến hành tự động nhờ đã lập trình MapBasic cho MapInfo
(4) Có các thực đơn ở dạng nút lệnh hoặc mục chọn cho phép biết được diện tích vùng lảnh thổ bị ảnh hưởng bởi một vùng có màu nào đó (đại diện cho một phạm vi giá trị nồng độ chất ô nhiễm rơi xuống mặt đất) Cũng có thể biết được số hộ dân bị ảnh hưởng Có thể bằng một cú nhấp chuột vào một ô lưới để biết giá trị nống độ chất ô nhiễm tại đó và được thông báo nó đang ở vị trí địa lý nào (kinh độ, vĩ độ, xã, huyện) (5) Tất cả các giá trị nồng độ ô nhiễm trên các ô lưới đều được ghi vào bảng thuộc tính
để có thể khai thác thêm về sau
3.3 Những khả năng của ENVINDUS V.2
Làm việc trong môi trường GIS
Biết rõ ràng vị trí tọa độ cần xem xét (theo kinh độ và vĩ độ)
Trang 5 Trong menu, bạn có thể cho chạy chương trình Delphi tính dòng ô nhiễm theo phương pháp Gauss từ các số liệu đưa vào (phụ thuộc độ mây, ngày hay đêm bức xạ mặt trời, vận tốc gió, vận tốc phun, nhiệt độ khí thải, tải lượng của nguồn ô nhiễm, đường kính ống khói, chiều cao ống khói)
Có bảng tra cứu CSDL gồm
hơn 1000 loại phát thải ô
nhiễm khác nhau theo số
liệu của tổ chức WHO
Trong thanh toolbar
“GRILLE”, bạn có thể
chuyển nhanh chóng về
vùng bản đồ để tạo mảng
các ô lưới (nút “VÀO
TABLE GRILLE”)
Trong hai thanh toolbar,
bạn có thể dùng con trỏ
chuột chỉ vào vùng cần tạo
lưới bằng cách vẽ một điểm
vào vùng đó và chọn nút
lệnh “CHON MOT DIEM MA BAN VUA VE ĐIEM ĐÓ” Sau đó bạn nhấp vào nút
“VE GRILLE” để tạo lưới Phần mềm đủ mềm dẽo để bạn có thể tạo mảng các ô lưới tại bất kỳ nơi nào mà bạn muốn khảo sát
Để vẽ luồng ô nhiễm, trước hết bạn chọn HUONG GIO trong menu, sau đó bạn nhấp vào nút lẽnh “CHON O LUOI DAT COT ONG KHOI” và chỉ vào ô lưới mà bạn muốn Tiếp sau bạn nhấp vào nút “VE LUONG KHI” và chỉ lại vào ô lưới đó, cuối cùng bạn nhấp vào nút “CAP NHAT C(x,Y)” Thực ra phần mềm này không yêu cầu
vẽ luồng khí nên tác giả không cho nó hiện lên màn hình, mà điều quan trọng ở đây là các ô lưới phải nhận được giá trị nồng độ từ nguồn ô nhiễm lan tỏa đến
Để vẽ bản đồ mầu các vùng có phạm vi nồng độ khác nhau, chúng tôi chọn các trường nồng
độ đến mức thấp nhất là 1e-6 Do vậy bản đồ có 6 mầu khác nhau cho mỗi luồng khói
Hiện tại, bạn có vẽ trên bản đồ từ 1 đến 6 nguồn ô nhiễm Và với mỗi nguồn ô nhiễm
có thể có các thông số ban đầu chiều cao, đường kính miệng ống khói,vận tốc phun, nhiệt độ khí phun khác nhau
Bạn có thể biết giá trị tổng của các nguồn ô nhiễm lên các ô từ bản đồ mầu chung Bạn cũng có thể nhận được giá tri ô nhiễm tổng và giá trị ô nhiễm của từng nguồn tạo nên
ô nhiễm tổng bằng cách chọn ô mà bạn cần xem xét và sau đó nhấp vào nút “LAY THONG TIN NONG DO” (hình kính đeo mắt)
Bạn cũng có thể biết vị trí (kinh độ và vĩ độ) tại ô lứơi nào đó và tên xã, tên huyện chứa
ô lưới đó bằng càch nhấp vào nút “LAY TEN XA” rồi nhấp chỉ vào ô cần xem xét Sau đây là các ví dụ minh họa: Chạy chương trình Delphi trong Mapinfo
Trong giao diện này, bạn có thể:
Nhập giá trị cho Tkhí thải, Tmôi trường, đường kính ống khói, lưu lượng khí phun ra
từ ống khói
Trang 6 Nhập giá trị cho tải lượng, chiều cao ống khói
Từ các dữ liệu trên, chương trình Mapbasic sẽ tính tóan vận tốc phụt của dòng khí để tính độ nâng cao của dòng khói
Từ các dữ kiện về độ mây, bức xạ mặt trời bạn hãy chọn cấp ổn định khí quyển theo vận tốc trung bình
4 MỘT SỐ THỦ THUẬT VÀ ĐOẠN CHƯƠNG TRÌNH PHẦN MỀM ENVINDUS 2 4.1 Đếm số nhà dân bị ảnh hưởng bởi một vùng giá trị nồng độ
Nếu biểu diễn nhà dân bằng đối tượng region và mỗi ô lưới cũng là đối tượng region thì
có khả năng đếm sai (số lượng nhiều hơn thực tế) do lỗi lôgic diện tích mỗi nhà dân chiếm nhiều ô lưới do cách đếm lấn lượt theo bước chạy của các ô lưới Giải pháp ở đây là thay các region nhà dân bằng các symbol (đối tượng điểm) ở vị trí trong tâm của các region này, với chấp nhận sai số do bỏ qua những nhà dân có một bộ phận rơi vào vùng ảnh hưởng
4.2 Cập nhật các giá trị nồng độ lên các ô lưới
Tại các vị trí tọa độ trọng tâm x,y (kinh độ, vĩ độ) của các ô lưới, tiến hành tính toán theo Gauss nồng độ theo phương x (trục dọc dòng khí, phương y (trục ngang vuông góc với trục x và đi qua x)) Giá trị được cập nhật ngay vào bảng thuộc tính của lưới để sẽ xử lý tiếp cho các bước cộng nồng độ (trường hợp đồng thời phát thải nhiều nguồn khí) và dùng lệnh tô màu tự động
4.3 Triển khai các mục menu cùng với các thanh nút lệnh và nút điều khiển
Phần mềm đòi hỏi song song với việc sử dụng menu bar còn phải sử dụng nút lệnh chọn
ô lưới để thao tác trong các trường hợp chỉ vào đối tượng để select hay để thu nhận thông tin
từ đối tượng (trong trường hợp cần lấy tọa độ vị trí hay giá trị của một mục tin nào đó của đối tượng)
4.4 Mảng các ô lưới có thể đặt tại mọi vị trí trên bản đồ Việt Nam
Sử dụng nút select đối tượng để lấy thông tin vị trí tại đó, và lấy vị trí này làm vị trí trái dưới để tạo mảng các region là các ô lưới
Trang 7Kiểm tra khi nồng độ lớn hơn 0.01 thì có
bao nhiêu nhà dân bị ảnh hưởng, diện
tích là bao nhiêu
Khi hướng gió tây-bắc Vị trí tại xã Hòa Sơn
Một luồng khói
Khảo sát nồng độ tại một vị trí : Biết được
kinh độ, vĩ độ, xã, huyện, nồng độ tại đó Hiện lên cửa sổ Browser ketqua : biết
được bảng chứa các thông tin về nồng
độ Có thể in ra để khảo sát kỹ thêm
Lấy thông tin vị trí, nồng độ tại đó của 2 luồng khói tại một vị trí : Biết được nồng
độ tổng, nồng độ của luồng khói 1, luồng khói 2 Biết được vị trí (kinh tuyến, vĩ tuyến, xã, huyện của vị trí khảo sát
