Bài viết Tính toán mô phỏng lan truyền carbon monoxit trong không khí quanh trường bắn bằng mô hình khí tượng aermod được thực hiện nhằm mô phỏng quá trình lan truyền CO trong không khí từ hoạt động của trường bắn trên cơ sở ứng dụng hệ mô hình khí tượng TAPM và mô hình chất lượng không khí AERMOD.
Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Tính tốn mơ lan truyền carbon monoxit khơng khí quanh trường bắn mơ hình khí tượng aermod Trần Tuấn Việt1, Trần Ngọc Lam Tuyền1, Nguyễn Thị Ngọc Phượng1, Trần Hải Nam2, Nguyễn Tất Thành1* Viện Nhiệt đới mơi trường; Phịng Khoa học quân Quân khu * Email: thanh.vittep@gmail.com Nhận bài: 29/8/2022; Hoàn thiện: 05/11/2022; Chấp nhận đăng: 28/11/2022; Xuất bản: 20/12/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FEE.2022.237-243 TÓM TẮT Trường bắn nơi huấn luyện, diễn tập bắn đạn thật, hội thi, hội thao, kiểm tra, thử nghiệm vũ khí hủy loại bom đạn hạn sử dụng Bên cạnh việc phát sinh nguồn gây ô nhiễm nước thải, chất thải rắn, hoạt động trường bắn phát thải số chất nhiễm khơng khí, sản phẩm từ q trình cháy nổ carbon monoxit (CO) Nghiên cứu thực nhằm mơ q trình lan truyền CO khơng khí từ hoạt động trường bắn sở ứng dụng hệ mơ hình khí tượng TAPM mơ hình chất lượng khơng khí AERMOD Kết từ mơ hình cho thấy số thời điểm ngắn năm có nồng độ CO trung bình cao 51.193 µg/m3 vùng diện tích 200m x 200m khu vực bắn Kết mô ứng dụng xây dựng kịch nhằm kiểm sốt giảm thiểu nhiễm khơng khí phát sinh từ hoạt động góp phần bảo vệ mơi trường khơng khí xung quanh Từ khóa: Lan truyền CO; Kiểm sốt nhiễm khơng khí; TAMP; AERMOD GIỚI THIỆU Trường bắn nơi diễn tập bắn đạn thật, hội thi, hội thao, kiểm tra, thử nghiệm vũ khí hủy loại bom đạn hạn sử dụng Hệ thống trường bắn quân đội xây dựng hầu hết địa phương nước với mức độ quy mô khác Trong trình hoạt động huấn luyện, diễn tập bắn đạn thật việc phát sinh chất nhiễm mơi trường Để ứng phó tốt cố mơi trường cần dự đốn trước mức độ hướng phát tán chất ô nhiễm Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu dùng mơ hình AERMOD để tập trung đánh giá mức nhiễm hướng phân tán khí carbonmonoxit có nhiều sản phẩm cháy thuốc nổ Theo phương trình cháy nổ tổng hợp, loại khí sản phẩm q trình CO2, CO, H2, N2, O2, H2O Như vậy, có khí CO xem loại khí độc đặc trưng hỗn hợp khí sản phẩm cháy nổ Do khả khuếch tán di chuyển mơi trường khơng khí CO gây nhiều ảnh hưởng đến sức khỏe người bệnh tim mạch, suy giảm oxy cung cấp cho tim [1] Trên giới nước có nhiều nghiên cứu sử dụng mơ hình TAPM để nghiên cứu khí tượng bề mặt theo độ cao Mơ hình gồm thành phần: AERMOD (Mơ hình phân tán AERMIC), AERMAP (Cơng cụ địa hình AERMOD) AERMET (Cơng cụ khí tượng AERMOD) Từ năm 1991, mơ hình AERMOD phát triển Cơ quan Khí tượng Cục Bảo vệ Mơi trường Hoa Kỳ Một nhóm nhà khoa học (gọi tắt AERMIC) hợp tác xây dựng mơ hình AERMOD Mơ hình AERMOD gồm loạt lựa chọn cho việc mô chất lượng khơng khí tác động nguồn thải, xây dựng lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 237 Hóa học – Sinh học – Mơi trường Mơ hình TAPM mơ hình thuộc Tổ chức Nghiên cứu Cơng nghiệp Khoa học Úc – Common Wealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO) Mơ hình dùng để mơ điều kiện khí tượng nồng độ nhiễm khơng khí khơng gian chiều Đây hai chức mơ hình Các điều kiện khí tượng sử dụng theo dạng mơ hình Eulerian với chức tính tốn gió, nhiệt độ, áp suất, tính tốn độ ổn định khí Mơ hình sử dụng nhiều nơi, sử dụng liệu địa hình, loại đất trồng, nhiệt độ mặt nước biển phân tích điều kiện khí tượng quy mơ chung cho nhiều quốc gia, khu vực giới [2, 3] Từ tháng năm 2010, TAPM có sẵn khí tượng cho tồn cầu (ngoại trừ khu vực cực) Vì mơ hình sử dụng cơng cụ hỗ trợ khí tượng cho mơ hình lan truyền chất nhiễm khơng khí, đặc biệt file khí tượng đầu vào cho mơ hình AERMOD Nghiên cứu đặt mục tiêu mơ q trình lan truyền CO từ hoạt động bắn đạn thật TBBB thuộc TB3 Trường bắn súng binh kết hợp thử nghiệm vũ khí nhằm đánh giá tác động đến mơi trường khơng khí xung quanh đưa đề xuất kiểm soát giảm thiểu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Giả thiết tính tốn số liệu đầu vào mơ hình Trường bắn quốc gia khu vực (TB3) TB3 tính tốn cho khu vực huấn luyện, diễn tập TBBB Khu vực đo đạc thực tế thực vòng đợt diễn tập tiểu đồn binh cơng Trường bắn súng binh kết hợp thử nghiệm vũ khí Lượng đạn sử dụng khảo sát giả định sau: + Lượng đạn thực tế cho diễn tập “Bắn đạn thật chiến đấu tiến công khu vực 102 cho cBB1,2,3: 1.701 viên K56, 108 viên K53, 27 viên B41, 36 cối 60 1.500g thuốc nổ TNT + Lượng đạn giả định năm có khoảng đợt diễn tập Tiểu đoàn binh thời gian trường bắn hoạt động cao điểm 10 tháng/12 tháng (300 ngày), ngày có luyện tập bắn đạn thật: Giả định (50 lượt tập x viên AK) +(50 lượt tập x viên K54) Trường bắn súng binh kết hợp thử nghiệm vũ khí (huyện Thạch Thất, Hà Nội) Khu vực Trường bắn súng binh kết hợp thử nghiệm vũ khí sử dụng lượng đạn giả định sau: + Lượng đạn thực tế cho huấn luyện giờ: 1.800 viên K56 + Lượng đạn giả định năm có khoảng đợt huấn luyện, đợt ngày Các loại đạn súng binh K56, K51, K53 sử dụng loại thuốc phóng Nitroxenlulo (NC) chủ yếu Pirocxilin chứa 12,98% Nitơ với khối lượng 1,6 g, 0,25 g, 3,2 g [4] Phương trình số (1) thể phản ứng biến đổi nổ thuốc phóng [5]: C22,4H30,6O35,97N8,96 = 3,86CO2 + 18,54CO + 9,71H2O + 5,32H2 + 4,48N2 (1) Đạn súng chống tăng (B41), đạn cối (cối 60): Bỏ qua tác động thuốc phóng, thuốc cháy, xét tới sản phẩm nổ từ thuốc nổ Đạn B41 chứa 320g thuốc nổ A-IX-1 có 96% Hexogen [4] cối 60 chứa 500 g TNT [4] có phản ứng nổ theo phương trình số (2) (3) sau [6]: C3H6O6N6 1,5 CO2+ 1,5 CO + 1,5 H2O + 1,5 H2 + 3N2 (2) C6H2(NO2)3 1,2CO2 + 2CO + 0,6H2 + 3,8C + 1,6H2O + 1,4N2 + 0,2NH3 (3) Tại khu vực tuyến bắn, lượng phát thải CO tính từ lượng thuốc phóng bị cháy sinh ra; khu vực bia bắn, lượng phát thải CO tính từ lượng thuốc nổ bị cháy sinh Các thơng số chạy mơ hình tính tốn kết trình bày bảng 1: 238 N Đ Hà, …, N T H Phương, “Nghiên cứu đánh giá khả … vật liệu Fe-BDC-PEG.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Thông tin đầu vào chạy mơ hình AERMOD Thời gian Tổng lượng CO thoát tuyến bắn (g) Tổng lượng CO thoát khu bia bắn (g) Khu vực tuyến bắn Dài (m) x Rộng (m) Khu vực bia bắn Dài (m) x Rộng (m) Tọa độ tâm tuyến bắn (WGS 84) Tọa độ tâm bia bắn (WGS 84) Trường bắn quốc gia khu vực (TB3) 137.539,9 33.597,5 năm 10°50'45.6"N 10°50'23.0"N 500x150 800x600 Liên 107°26'37.3"E 107°26'60.0"E tục 1.591,4 6.719,5 Trường bắn súng binh kết hợp thử nghiệm vũ khí 8.965,7 năm 20°58'29.36"N 45x40 Liên 105°31'0.27"E tục 1.494,3 2.2 Thiết lập mơ hình TAMP khí tượng Dữ liệu đầu vào liệu quan trắc khí tượng tồn cầu cho khu vực khác giới, bao gồm: liệu lưới cao độ địa hình tồn cầu, liệu thảm thực vật, loại đất, số diện tích (LAI), nhiệt độ bề mặt nước biển, khí tượng qui mơ tồn cầu, thông tin khu vực cảng mô tọa độ, vị trí, địa hình, nhiệt độ trung bình năm, diện tích mặt đất nước, loại đất, phần trăm thực vật, Các bước thiết lập chạy mơ hình khí tượng TAPM sau: - Bước 1: Cài đặt mơ hình khí tượng TAPM; - Bước 2: Khai báo liệu đầu vào cho mơ hình; - Bước 3: Chạy mơ hình xuất kết 2.3 Thiệt lập tiền xử lý khí tượng AERMET Dữ liệu đầu vào thu thập từ liệu quan trắc khí tượng tồn cầu, bao gồm: hướng gió, vận tốc gió, nhiệt độ khơng khí, độ ẩm, áp suất khí quyển, lượng mưa, độ che phủ mây, xạ mặt trời, độ cao xáo trộn Các bước thiết lập sau: - Bước 1: Khai báo liệu đầu vào cho mơ hình: + Dữ liệu khí tượng bề mặt; + Dữ liệu khí tượng khơng gian - Bước 2: Chạy module; - Bước 3: Xuất kết 2.4 Thiết lập mơ hình lan truyền nhiễm khơng khí AERMOD Các liệu đầu vào cho mơ hình AERMOD chuẩn bị tập tin đọc liệu mơ hình Sau liệu thơng tin cần thiết bao gồm: Vị trí miền tính (tọa độ) khoảng thời gian mơ phỏng; Kích thước miền tính độ phân giải (kích thước lưới); Dữ liệu kết mơ khí tượng; Dữ liệu địa hình khu vực nghiên cứu; Dữ liệu tải lượng phát thải chất ô nhiễm từ nguồn Các bước cụ thể thiết lập AERMOD sau: - Bước Thiết lập lưới khu vực tính tốn mơ phỏng; - Bước 2: Khai báo 02 tệp khí tượng cao khơng bề mặt từ mơ hình TAPM từ tiền xử lý khí tượng AERMET; Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 239 Hóa học – Sinh học – Môi trường - Bước 3: Xử lý địa hình khu vực nghiên cứu; - Bước 4: Chọn thông số mô phỏng; - Bước 5: Chạy mô hình; - Bước 6: Xuất kết 2.5 Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Để thực hiệu chỉnh kiểm định mơ hình AERMOD, nghiên cứu sử dụng kết kết quan trắc chất ô nhiễm khơng khí ngày 16 17/9/2020 đề tài quan trắc trường bắn TB3 tọa độ: 107o26’41,0’’E ; 10o51’01,9’’N, vào thời điểm 6, 7, 8, 9, 10 (Thời gian đo lúc “Bắn đạn thật chiến đấu tiến công khu vực 102 cho cBB1,2,3 lúc khơng có bắn đạn thật) Các cơng thức thống kê sử dụng để đánh giá độ xác mơ hình với Pi giá trị mô Oi giá trị quan trắc: Sai số mô phỏng, %: (2) Giá trị -15%≤S ≤15% kết mơ gần giống với điều kiện thực tế [7] Kết kiểm định mơ hình mơ chất lượng khơng khí AERMOD ngày 16-17/9/2020 (bảng 2) có sai số kết mơ kết quan trắc -3,84% Vì vậy, mơ hình AERMOD mơ tốt lan truyền nhiễm khơng khí từ trường bắn Việt Nam Bảng Nồng độ CO trung bình TBBB thuộc TB3 khu dân cư huyện Xuân Lộc, Đồng Nai Kết Oi Kết theo mơ hình Sai số mơ Vị trí lấy mẫu (mg/m3) Pi (mg/m3) (%) Khu vực vị trí cách tâm bắn 100 m 54.2 53.7 0.92 theo hướng gió Khu vực vị trí cách tâm bắn 200 m 35.9 34.5 3.90 theo hướng gió Khu vực vị trí cách tâm bắn 500 m 4.4 4.2 4.55 theo hướng gió Khu vực vị trí cách tâm bắn 1000 m 4.3 6.98 theo hướng gió Khu vực vị trí cách tâm bắn 2000 m 3.5 3.6 2.86 theo hướng gió Sai số mơ TB 3.84 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trường bắn quốc gia khu vực (TB3) Trong đó, kết đo đạc vị trí 100m 200m cách khu vực diễn tập TBBB theo hướng gió cho thấy thời điểm tần suất bắn cao nồng độ CO (trung bình giờ) dao động khoảng 35.100 – 54.400 µg/m3 Kết phản ánh nồng độ CO thực tế không gian diễn tập “Bắn đạn thật chiến đấu tiến công khu vực 102 cho cBB1,2,3” Các vị trí xa từ 500m – 2.000m theo hướng gió nồng độ CO giảm dần khoảng 2.700 – 4.700 µg/m3 Điều cho thấy, khoảng khơng gian q nhỏ, liệu khí tượng, vi khí hậu áp vào mơ hình AERMOD gặp trở ngại sai số Tuy nhiên khoảng không gian lớn hơn, nghiên cứu từ 500m cách vị trí nguồn thải, mơ hình AERMOD mơ phát thải CO cho kết phù hợp với liệu đo đạc thực tế 240 N Đ Hà, …, N T H Phương, “Nghiên cứu đánh giá khả … vật liệu Fe-BDC-PEG.” Nghiên cứu khoa học công nghệ (a) (b) (c) Hình Giá trị CO trung bình phát thải từ hoạt động diễn tập TB3 mơ hình (a, b) biểu đồ CO trung bình biểu diễn google earth khu vực TBBB thuộc TB3 (c) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 241 Hóa học – Sinh học – Mơi trường Theo mơ (hình 1c), phát thải CO từ khu vực TBBB lan truyền xa đến khu vực đường Quốc lộ 1A cách 4,02 km theo hướng Đông Bắc trường bắn Tuy nhiên, nồng độ CO thấp so với quy chuẩn cho phép nên trường bắn không ảnh hưởng đến chất lượng khơng khí xung quanh Thực tế rằng, khu vực đông dân cư giá trị CO không khí cịn bị ảnh hưởng khí thải từ phương tiện giao thông, hoạt động bắn từ trường bắn khác thuộc TB3 số thời điểm năm (tần suất thấp TBBB) Kết phù hợp với đo đạc CO khơng khí xung quanh vị trí khu dân cư xung quanh trường bắn (huyện Xuân Lộc, Đồng Nai) năm 2020 [8] nhiệm vụ bảo vệ môi trường Viện Nhiệt đới môi trường thực (bảng 3) Bảng Nồng độ CO trung bình TBBB thuộc TB3 khu dân cư huyện Xuân Lộc, Đồng Nai CO khu dân cư quanh TB3 [8] CO vị trí CO cao (µg/m3) 2.000m cách theo kết Thời TBBB theo Cách Cách Cách Cách mơ hình gian hướng gió lúc TBBB TBBB TBBB TBBB TBBB có bắn đạn thật 2.000m 7.000m 13.000m 12.000m (µg/m3) (µg/m3) phía Tây phía Bắc phía Đơng phía Nam 2/2020 4.200 4.600 5.300 4.500 5/2020 3.500 3.200 3.900 3.700 6/2020 3.300 3.100 4.200 3.300 5.558 2.800 8/2020 3.400 3.300 3.900 3.700 10/2020 3.120 3.020 3.440 3.230 11/2020 3.050 3.140 3.320 3.220 Trường bắn súng binh kết hợp thử nghiệm vũ khí a) b) Hình Giá trị CO trung bình (a) trung bình (b) phát thải từ hoạt động huấn luyện Trường bắn súng binh kết hợ thử nghiệm vũ khí Phân bố nồng độ CO trung bình dao động từ 1.760 - 4.762 µg/m3, giá trị lớn đạt 4.762 µg/m3 thấp so với QCVN 05/2013/BTNMT (quy định CO ≤30.000µg/m3) cho khu vực xung quanh trường bắn Phát thải CO cao từ vị trí tuyến bắn, nhiên, xa nồng độ CO giảm Về phía Đơng Nam có khu dân cư Xóm Mới cách Trường bắn khoảng 1km, nồng độ CO dao động từ 1.900 - 2.000 µg/m3, phía Nam Tây Nam có khu dân cư Đồng Xuân (cách Trường bắn khoảng 1,4km) khu dân cư Đồng Chăm (cách Trường bắn khoảng 1km) giá trị nồng độ CO dao động từ 1.800 - 2.000 µg/m3 thấp quy chuẩn cho phép nên không gây ảnh hưởng sức khỏe người dân khu vực 242 N Đ Hà, …, N T H Phương, “Nghiên cứu đánh giá khả … vật liệu Fe-BDC-PEG.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Từ kết hình kết luận nồng độ CO trung bình dao động từ 1.758 - 3.615 µg/m3 thấp so với giới hạn cho phép trung bình QCVN 05/2013/BTNMT cho CO 10.000 µg/m3 Vì vậy, trình huấn luyện bắn đạn thật, nồng độ CO không vượt quy chuẩn, không gây ảnh hưởng đến chất lượng khơng khí xung quanh khu dân cư gần trường bắn KẾT LUẬN Kết cho thấy mơ hình AERMOD kết hợp mơ hình khí tượng TAPM ứng dụng mơ tốt lan truyền ô nhiễm CO từ trường bắn Việt Nam Dữ liệu đo đạc thực tế mô từ mơ hình cho thấy lượng CO sinh hoạt động bắn đạn thật khu vực TBBB thuộc TB3 khu vực Trường bắn súng binh kết hợp thử nghiệm vũ khí mức thấp không làm nồng độ CO khu vực dân cư quanh trường bắn tăng cao vượt giá trị cho phép QCVN 05:2013/BTNMT TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (US.EPA), https://www.epa.gov/co-pollution/basic-informationabout-carbon-monoxide-co-outdoor-air-pollution#Effects (truy cập ngày 28/7/2021) [2] Peter Hurley, Peter Manins, Sunhee Lee, Rhonda Boyle, Yuk Leung Ng, Piyaratne Dewundege, “Year-long, high-resolution, urban airshed modelling: verification of TAPM predictions of smog and particles in Melbourne, Australia”, Atmospheric Environment 37, 1899-1910, (2003) [3] Peter Hurley, Mary Edwards and Ashok Luhar, “Evaluation of TAPM V4 for several meteorological and air pollution datasets”, Air Quality & Climate Change, 43-3, 19-24, (2009) [4] Cục Quân Khí /Tổng cục Kỹ thuật, “Sổ tay Hướng dẫn sử dụng súng pháo, khí tài, đạn dược Trung đồn lữu đoàn pháo mặt đất”, NXB Quân đội nhân dân, 2009 (Lưu hành nội bộ) [5] Ngô Văn Giao, “Tính chất thuốc phóng nhiên liệu tên lửa”, Học viện Kỹ thuật quân sự, (2005) [6] Phạm Hiển, Phạm Quốc Hùng, Ngơ Thế Kh (dịch), “Thuốc phóng thuốc nổ”, Học Viện Kỹ thuật quân sự, (1987) [7] Ho Quoc Bang, Alain Clappier, Golay Franỗois, Air pollution forecast for Ho Chi Minh City, Vietnam in 2015 and 2020”, Air Quality, Atmosphere & Health, Vol 4, Issue 2, pp 145-158, (2011) [8] Viện Nhiệt đới môi trường, “Quan trắc phân tích mơi trường vùng đất liền lắng đọng a xít khu vực miền Trung”, Nhiệm vụ Bộ Quốc Phòng, (2020) ABSTRACT Carbon monoxide transmission simulation in the ambient at Vietnam National Military Training Center No.3 and infantry shooting range combines weapons testing by aermod model Vietnam National Military Training Center No.3 (TB3) and Infantry shooting range combines weapons testing (Thach That distric, Ha Noi) are places for military training, live-fire drills, competitions, sports festivals, testing of weapons and destruction of expired bombs Besides generating pollution sources such as wastewater, solid waste, the operation of the training center also cause some air pollutants, one of the main products from the combustion process is carbon monoxide (CO) This study was carried out to simulate the CO spread in the air from the live-fire training at TB3 and Infantry shooting range combines weapons testing using the TAPM meteorological model system and the AERMOD air quality model The results from the model show that the highest 1h-average CO concentration in the area around TB3 was 5,558 µg/m3, which was similar the previous monitoring results in this area This set of parameters is applied to calculate the infantry shooting range combined with weapon testing, showing that the highest 1haverage CO concentration value was 4,762 µg/m3 at the firing line position lower than QCVN 05/2013/ BTNMT The research data also proved that CO from live-fire training was not enough to cause air pollution around nearby residential areas Keywords: CO spread; Air pollution control; TB3; Infantry Shooting Range combined with weapons testing; TAMP; AERMOD Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 12 - 2022 243 ... cực) Vì mơ hình sử dụng cơng cụ hỗ trợ khí tượng cho mơ hình lan truyền chất nhiễm khơng khí, đặc biệt file khí tượng đầu vào cho mơ hình AERMOD Nghiên cứu đặt mục tiêu mơ q trình lan truyền CO... kiểm định mô hình mơ chất lượng khơng khí AERMOD ngày 16-17/9/2020 (bảng 2) có sai số kết mơ kết quan trắc -3,84% Vì vậy, mơ hình AERMOD mơ tốt lan truyền ô nhiễm không khí từ trường bắn Việt... CO không vượt quy chuẩn, không gây ảnh hưởng đến chất lượng khơng khí xung quanh khu dân cư gần trường bắn KẾT LUẬN Kết cho thấy mơ hình AERMOD kết hợp mơ hình khí tượng TAPM ứng dụng mơ tốt lan