Tài liệu Báo cáo " PHẦN 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 " pot

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 424 PHẦN 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 củ a 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. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 425 )()( z C zy C yx C u t C zy ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ σσ )1.1( y∂ ,x∂ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +− + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −− − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 2 2 2 2 2 ),,( 2 )( exp 2 )( exp 2 exp 2 yyy y zyx zHzHy zu E C σσσ σσπ )2.1( yz zy zyx yH u E C 2 2 2 2 )0,,( 2 .exp. 2 .exp. 2 σσ σσπ −− = = )3.1( σ 1 ± z zy zyx H u E C 2 2 )0,( 2 .exp. 2 σ σσπ − = == 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 phạ m 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 t ố 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 : HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 426 zy σ σ , 894.0 .xa y = σ fxc d z += . σ )4.1( )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 s ố 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 kiệ n 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 c ủa 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 đ ã 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. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 427 Nếu 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 phả i 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 m ềm. 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 đượ c 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 quyể n. 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 chuộ t 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)  Giao diện dễ dàng với người sử dụng bằng một menu và hai thanh toolbar HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 428  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 nguồ n 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 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 429  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 b ỏ 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. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 430 Kiểm 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 . DỤNG GIS TOÀN QUỐC 20 11 424 PHẦN 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. )()( z C zy C yx C u t C zy ∂ ∂ ∂ ∂ + ∂ ∂ ∂ ∂ = ∂ ∂ + ∂ ∂ σσ )1.1( y∂ ,x∂ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +− + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −− − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 2 2 2 2 2 2 ),,( 2 )( exp 2 )( exp 2 exp 2 yyy y zyx zHzHy zu E C σσσ σσπ )2. 1( yz zy zyx yH u E C 2 2 2 2 )0,,( 2 .exp. 2 .exp. 2 σσ σσπ −− = = )3.1( σ 1 ± z zy zyx H u E C 2 2 )0,( 2 .exp. 2 σ σσπ − = == Có