TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SUTTON TRONG ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ DO GIAO THÔNG Ở ĐẠI LỘ BÌNH DƯƠN[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SUTTON TRONG ĐÁNH GIÁ Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ DO GIAO THƠNG Ở ĐẠI LỘ BÌNH DƯƠNG Mã số: Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Huỳnh Ánh Tuyết Bình Dương, 12/2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SUTTON TRONG ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ DO GIAO THÔNG Ở ĐẠI LỘ BÌNH DƯƠNG Mã số: Xác nhận đơn vị chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài TS Nguyễn Thanh Bình ThS Nguyễn Huỳnh Ánh Tuyết Bình Dương, 12/2015 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ThS Nguyễn Huỳnh Ánh Tuyết ThS Đinh Quang Toàn ThS Nguyễn Thị Khánh Tuyền MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH 10 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết Mục tiêu đề tài: Đối tượng nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu: CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Chất lượng mơi trường khơng khí thị tỉnh Bình Dương 1.1.1 Các nguồn tác nhân gây nhiễm mơi trường khơng khí thị 1.1.2 Chất lượng khơng khí thị Việt Nam giới 1.1.2.1 Tình hình nhiễm khơng khí đô thị giới 1.1.2.2 Ơ nhiễm khơng khí thị Việt Nam 1.1.3.2 Dự báo chất lượng khơng khí đến năm 2020 13 1.2.1 Các đặc trưng nguồn thải giao thông 15 1.2.2 Phương pháp xác định hệ số phát thải 16 1.2.2.1 Phương pháp đo đạc phịng thí nghiệm 16 1.2.2.2 Phương pháp đo đạc trực tiếp đường: 17 1.2.3 Mơ hình ước tính tải lượng phát thải chất ô nhiễm từ phương tiện giao thông 18 1.2.3.1 Tiếp cận Bottom-Up 18 1.2.3.2 Tiếp cận Top-down 19 1.2.3.3 Kết hợp phương pháp Top – Down Bottom - Up 19 1.3 Mơ hình phát tán chất ô nhiễm 19 1.3.1 Mơ hình hóa ô nhiễm không khí theo phương pháp Gauss 20 1.3.1.1 Phương trình tổng quát phát tán chất nhiễm khí 20 1.3.1.2 Cơng thức sở xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss 22 1.3.2 Mơ hình phát tán chất nhiễm từ phương tiện giao thông 24 1.3.2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình Sutton 24 1.3.2.2 Mơ hình Sutton cải tiến áp dụng cho nguồn đường 26 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHÊN CỨU 28 2.1 Nội dung nghiên cứu 28 2.2 Phương pháp nghiên cứu 29 2.2.1 Phương pháp khảo sát, thực địa 29 2.2.2 Phương pháp tính tốn tải lượng chất nhiễm từ nguồn giao thơng đại lộ Bình Dương 32 2.2.3 Phương pháp tính tốn sự lan truyền chất nhiễm từ nguồn giao thơng dọc đại lộ Bình Dương 32 2.2.4 Phương pháp GIS 34 2.2.5 Phương pháp lấy mẫu, phân tích khí CO 34 2.2.6 Phương pháp xử lý số liệu 35 2.2.7 Phương pháp dự báo tải lượng nồng độ chất ô nhiễm đến năm 2020 36 2.2.7.1 Kịch dự báo 36 2.2.7.2 Phương pháp dự báo lượng phương tiện giao thông đến năm 2020 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Lưu lượng phương tiện giao thơng đại lộ Bình Dương 38 3.2 Tải lượng phát thải chất ô nhiễm từ hoạt động giao thông đại lộ Bình Dương 38 3.2.1 Tải lượng phát thải chất ô nhiễm 38 3.2.2 Tải lượng loại phương tiện giao thông thông số 41 3.3 Sự phát tán chất ô nhiễm khơng khí dọc đại lộ Bình Dương 44 3.3.1 Vào mùa khô 44 3.3.1.1 Nồng độ NOx 44 3.3.1.2 Nồng độ CO 47 3.3.1.3 Nồng độPM10 51 3.3.2 Vào mùa mưa 52 3.3.2.1 Nồng độ NOx 52 3.3.2.2 Nồng độ CO 55 3.3.2.3 Nồng độ PM10 58 3.4 Kiểm định mơ hình 59 3.4.1 Chọn thông số để kiểm định 59 3.4.2.Kết kiểm định 60 3.5 Dự báo tải lượng khí thải nồng độ khí thải năm 2020 62 3.5.1 Kịch dự báo 62 3.5.2 Tải lượng chất ô nhiễm từ hoạt động giao thông năm 2020 63 3.5.3 Dự báo nồng độ chất ô nhiễm 65 3.6 Đề xuất giải pháp 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 Kết luận 70 Kiến nghị 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Nồng độ tác nhân ô nhiễm khơng khí số thành phố lớn giới Bảng 1.2 Dự báo tải lượng chất ô nhiễm không khí từ nguồn ô nhiễm năm 2020 13 Bảng 1.3 Số lượng điểm đấu nối đường giao thơng vào đại lộ Bình Dương 14 Bảng 1.4 Hệ số phát thải xe gắn máy theo phương pháp đo đạc phịng thí nghiệm16 Bảng 1.5 Phân cấp độ ổn định khí theo Tunner 27 Bảng 2.1 Đặc điểm tuyến đường lựa chọn để khảo sát 29 Bảng 2.2 Các hệ số phát thải thông số loại phương tiện giao thông 32 Bảng 2.3 Dự báo tốc độ gia tăng nhu cầu vận tải 37 Bảng 3.1.Tải lượng chất ô nhiễm tuyến Đại lộ Bình Dương năm 2014 41 Bảng 3.2 Kết kiểm định mơ hình Sutton thông số CO 60 Bảng 3.3 So sánh kết nghiên cứu với kết quan trắc tỉnh Bình Dương 61 Bảng 3.4 Dự báo tốc độ gia tăng nhu cầu vận tải 62 Bảng 3.5 Ước tính lưu lượng nhóm phương tiện giao thơng qua ĐL Bình Dương năm 2020 62 Bảng 3.6 Dự báo tải lượng chất ô nhiễm đại lộ Bình Dương năm 2020 65 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Diễn biến nồng độ TSP (trung bình 24h) khơng khí xung quanh số tuyến đường đô thị giai đoạn 2008-2012 Hình 1.2 Diễn biến nồng độ NO2 (trung bình 24h) khơng khí xung quanh số tuyến đường thị giai đoạn 2008-2012 Hình 1.3 Diễn biến nồng độ CO trung bình 24h khơng khí xung quanh số tuyến đường đô thị khu dân cư giai đoạn 2008-2012 10 Hình 1.4 Diễn biến nồng độ SO2 trung bình năm khơng khí xung quanh số tuyến đường đô thị khu dân cư giai đoạn 2008-2012 11 Hình 1.5 Diễn biến nồng độ bụi điểm quan trắc giai đoạn 2006 - 2014 12 Hình 1.6 Diễn biến nồng độ SO2 điểm quan trắc giai đoạn 2011 – 2014 12 Hình 1.7 Diễn biến nồng độ NO2 điểm quan trắc giai đoạn 2011 – 2014 13 Hình 2.1 Quy trình khảo sát lưu lượng phương tiện giao thông 29 Hình 2.2 Sơ đồ tuyến đường khảo sát 31 Hình 2.3 Sơ đồ vị trí lấy mẫu khí CO 35 Hình 3.1 Lưu lượng PTGT đại lộ Bình Dương theo tuyến khảo sát 38 Hình 3.2 Tải lượng CO từ phương tiện giao thơng đại lộ Bình Dương 39 Hình 3.3.Tải lượng NOx từ phương tiện giao thơng đại lộ Bình Dương 40 Hình 3.4.Tải lượng bụi PM10 từ phương tiện giao thơng đại lộ Bình Dương 41 Hình 3.5.Tỷ lệ đóng góp của nhóm phương tiện vào phát thải CO 42 Hình 3.6 Tỷ lệ đóng góp của nhóm phương tiện vào phát thải NOx 43 Hình 3.7.Tỷ lệ đóng góp của nhóm phương tiệnvào phát thải PM10 43 Hình 3.8 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô đại lộ Bình Dương (TB ngày) 45 Hình 3.9 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô đại lộ Bình Dương (7h-8h) 45 Hình 3.10 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô đại lộ Bình Dương (17h-18h) 45 Hình 3.11 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô dọc tuyến số (TB ngày) 46 Hình 3.12 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô dọc tuyến số (7h-8h) 46 Hình 3.13 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô dọc tuyến số (17h-18h) 46 Hình 3.14 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô dọc tuyến số (TB ngày) 47 Hình 3.15 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô dọc tuyến (7h-8h) 47 Hình 3.16 Biểu đồ phát tán NOx mùa khô dọc tuyến (17h-18h) 47 tiện giao thông cá nhân nên dự báo lưu lượng phương tiện giao thông qua đại lộ Bình Dương tăng nhanh 1.2 Nguồn thải giao thơng mơ hình ước tính tải lượng chất ô nhiễm từ nguồn giao thông 1.2.1 Các đặc trưng nguồn thải giao thông Nguồn thải giao thông nguồn ô nhiễm thấp, di động; phương tiện giao thông đường bộ, đường sắt di chuyển theo tuyến đường định, nên chúng tạo nguồn thải dạng đường chủ yếu gây ô nhiễm cho khu vực ven đường Bên cạnh đó, khu vực thị có mật độ phương tiện giao thông cao nên tải lượng chất ô nhiễm lớn ảnh hưởng cơng trình nên cản trở sự phát tán Đó nguyên nhân làm người dễ dàng hít phải khí độc hại từ phương tiện giao thơng khí thải từ hoạt động cơng nghiệp (ống khói cao nên khí thải phát tán xa) Đối với giao thông đường bộ, mạng lưới giao thông chia thành đơn vị riêng biệt điểm giao tạo tuyến nhỏ hơn; sự phát thải tổng hợp xác định tổng phát thải tuyến Khả khuếch tán chất ô nhiễm phụ thuộc vào địa hình quy hoạch kiến trúc khu dân cư, đô thị hai bên đường (Trần Ngọc Chấn, 2001; Phạm Ngọc Đăng, 1997) Các mơ hình phân tán thường tạo cơng thức tính nồng độ cuối hướng gió từ nguồn đường dựa việc điều chỉnh từ mơ hình áp dụng cho nguồn điểm Hiện phương tiện giao thông vận tải đường chủ yếu sử dụng động đốt Sự đốt cháy lý tưởng tạo sản phẩm độc hại CO2 nước Nếu trình đốt cháy khơng hồn tồn thiếu oxy nhiên liệu khơng chuyển hóa hồn tồn nên phát sinh chất độc hại như: muội, khói đen, CO, NO, SO2, chì, hợp chất hydrocacbon, andehyt … Sự phát thải chất ô nhiễm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại nhiên liệu sử dụng, loại động cơ, tuổi thọ động cơ, chế độ vận hành bảo dưỡng xe, điều kiện đường sá, mật độ giao thông, tải trọng xe… Trong loại nhiên liệu sử dụng định thành phần chất ô nhiễm Một số đặc trưng khói thải từ xe sử dụng xăng dầu diesel sau (Hồ Minh Dũng, 2011) a Xe chạy xăng: - THC: 900 ppm (quy theo hexan) CO: 3,5% NOx: 1500 ppm Chì: dạng hợp chất oxit, clorua, bromua, sunfat, phosphat … 15 b Xe chạy dầu: - THC: 100 – 600 ppm (quy theo hexan) CO < 1000 ppm NOx : 10 – 1000 ppm Formandehyde: 5-20 ppm SOx, khói đen, bụi 1.2.2 Phương pháp xác định hệ số phát thải Hệ số phát thải thay đổi theo loại động (sử dụng xăng hay dầu, động hay thì), điều kiện vận hành, chế độ bão dưỡng… Hiện có phương pháp để xác định hệ số phát thải chất ô nhiễm hoạt động giao thông (Hồ Minh Dũng, 2011): - Phương pháp đo đạc phịng thí nghiệm: đo trực tiếp khí thải loại phương tiện giao thông sử dụng lực kế (dynamometer) - Phương pháp đo đạc trực tiếp đường: xác định hệ số phát thải loại phương tiện kiện giao thông thực tế 1.2.2.1 Phương pháp đo đạc phịng thí nghiệm - Ngun tắc: Quá trình thực nghiệm thực lực kế theo quy trình thiết kế sẵn Quy trình thí nghiệm Ủy ban kinh tế châu Âu đưa (quy trình chuẩn) bao gồm giai đoạn: chạy không (240 giây), tăng tốc (168 giây), chạy (228 giây) tốc độ (15, 32, 35, 50 km/h) giảm tốc (144 giây) Trong suốt q trình thí nghiệm, khí thải nối trực tiếp với thiết bị thu mẫu, tiến hành lấy mẫu phân tích thơng số theo quy chuẩn Hệ số phát thải xác định dựa nồng độ chất ô nhiễm ống thải, thể tích khí thải, tổng chiều dài đoạn đường vận hành chu trình thí nghiệm - Nghiên cứu Tsai J H (2000) cho thấy sử dụng loại nhiên liệu, hệ số phát thải THC CO từ xe gắn máy cao xe thì; NOx ngược lại (bảng 1.4) Bảng 1.4 Hệ số phát thải xe gắn máy theo phương pháp đo đạc phịng thí nghiệm Hệ số phát thải (g/km) Loại xe gắn máy Xe Mới – có xúc tác 16 CO NOx THC VOCs 2,63 ± 0,035 ± 3,28 ± 2,59 ± 1,96 0,035 2,01 2,43 Hệ số phát thải (g/km) Loại xe gắn máy Xe CO NOx THC VOCs Đang sử dụng – có xúc tác 21,72 ±13,86 0,016 ± 0,006 15,16 ± 12,36 5,17 ± 3,70 Đang sử dụng – khơng có xúc 39,92 ± 0,015 ± 20,04 ± 7,89 ± tác 27,18 0,003 10,29 6,37 Mới – khơng có xúc tác 5,66 ± 0,46 ± 1,50 ± 0,15 ± 0,76 0,040 1,49 0,065 36,10 ± 13,58 0,25 ± 0,13 3,20 ± 0,56 2,22 ± 0,81 Đang sử dụng – có xúc tác (Nguồn: Hồ Minh Dũng, 2011) Một số nghiên cứu xác định hệ số phát thải bụi từ phương tiện giao thông cho thấy hệ số phát thải bụi hạt phương tiện giao thông sử dụng dầu diesel cao so với phương tiện sử dụng xăng - Nhận xét chung: + Thí nghiệm lực kế phương pháp tiêu chuẩn nhằm xác định hệ số phát thải phương tiện giao thơng + Tuy nhiên thí nghiệm khơng thể phản ánh cách xác yếu tố khách quan điều kiện giao thông thực tế đoạn đường được, sự thay đổi động cơ, bay nhiên liệu, tình trạng bảo dưỡng … + Bên cạnh thí nghiệm lại địi hỏi chi phí cao thời gian dài 1.2.2.2 Phương pháp đo đạc trực tiếp đường: - Nguyên tắc: phương pháp xác định gián tiếp hệ số phát thải, bao gồm cách tiếp cận nghiên cứu đường hầm, dùng mơ hình tính ngược quy mô nhỏ + Đối với phương pháp đường hầm, tải lượng chất ô nhiễm xác định dựa sự chênh lệch nồng đồ lưu lượng khí đầu đầu vào đường hầm + Đối với phương pháp mơ hình tính ngược: dựa mơ hình chất lượng khơng khí (mơ tả mối quan hệ tải lượng nhiễm, điều kiện khí tượng nồng độ chất ô nhiễm môi trường), từ kết đo đạc nồng độ chất ô nhiễm điều kiện khí tượng thực tế để xác định tải lượng chất ô nhiễm - Áp dụng: kỹ thuật áp dụng để xác định hệ số phát thải nhiều thành phố khác giới với mơ hình thường dùng CALINE, OSPM 17 - Phương pháp có ưu điểm giá thành nghiên cứu thấp, xác định hệ số phát thải điều kiện thực tế hoạt động giao thông vùng khác nhay Phương pháp xác định phát thải từ động mà xác định phát thải từ sự bay nhiên liệu Tuy nhiên phương pháp tính phát thải số tốc độ giới hạn phương tiện tham gia giao thông; việc phân loại phương tiện giao thông không chi tiết mà phân theo nhóm gặp phải sai số định 1.2.3 Mơ hình ước tính tải lượng phát thải chất ô nhiễm từ phương tiện giao thông Tải lượng chất nhiễm khơng khí sơ cấp hoạt động giao thông xác định dựa số lượng phương tiện giao thông hệ số phát thải loại phương tiện Hệ số phát thải (emission factor_EF) định nghĩa khối lượng phát thải chất nhiễm khơng khí (mg g) đoạn đường (km) di chuyển loại phương tiện giao thơng Độ xác kết tải lượng nhiễm phụ thuộc vào độ xác hệ số phát thải sử dụng Các tiếp cận để ước tính tải lượng chất nhiễm từ nguồn giao thông Bottpm_Up, Top_Down kết hợp hai phương pháp 1.2.3.1 Tiếp cận Bottom-Up Phương pháp áp dụng để tính phát thải cho nguồn phát thải Phương trình mơ tả cho phương pháp sau: (Hồ Quốc Bằng, 2014) (1.1) Trong đó: - Eip,ie: phát thải chất ô nhiễm (ip) phương tiện giao thông (ie) - x,y: vị trí phương tiện giao thơng - t: thời điểm ngày - ip: chất ô nhiễm (CH4, NOx, NMVOCs, CO …) - ie: loại phương tiện giao thông (xe gắn máy, ô tô, xe buýt …) - eip,ie: hệ số phát thải chất ô nhiễm phương tiện giao thông thuộc loại ie - Aie: số lượng phương tiện giao thông loại ie Cơng thức tính tổng phát thải: (1.2) Như việc tính tốn phát thải tính cho loại phương tiện tổng phát thải vị trí thời điểm ngày 18 Do phương pháp có độ xác mặt khơng gian thời gian Cách tiếp cận thích hợp cho việc áp dụng quy mô nhỏ (quy mô thành phố nhỏ hơn) Phương pháp đòi hỏi lượng liệu đầu vào lớn khó thu thập nước phát triển Phương tiện giao thông chia thành 120 kiểu xe (model) khác theo loại nhiên liệu, theo dung tích bình, theo chuẩn phát thải (pre-EURO 1, EURO 1, EURO 2, EURO 3)… Ở Việt Nam nước phát triển, việc phân chia thành nhiều loại phương tiện xác định hệ số phát thải cho chúng khó khăn Bên cạnh phương pháp địi hỏi nhiều thời gian cho việc tính tốn, xử lý kết 1.2.3.2 Tiếp cận Top-down Nguyên tắc: tổng lượng phát thải ước tính cách sử dụng tất hoạt động có khu vực quan tâm hệ số phát thải trung bình chung cho tất loại phương tiện (Hồ Quốc Bằng, 2014) Phương trình mơ tả: (1.3) Phương pháp có ưu điểm dễ sử dụng cần liệu đầu vào tính tốn phát thải cách nhanh chóng Phương pháp thích hợp cho việc ước tính quy mơ lớn cấp quốc gia Phương pháp có nhược điểm kết có độ tin cậy khơng cao 1.2.3.3 Kết hợp phương pháp Top – Down Bottom - Up Để khắc phục nhược điểm hai cách tiếp cận để tính tốn tải lượng phát thải từ phương tiện giao thơng Bottom – Up Top – Down, nhiều nghiên cứu sử dụng kết hợp cách tiếp cận để xây dựng nên mơ hình mới, EMISSEN ví dụ điển hình Trong mơ hình này, phương tiện giao thông chia thành loại: xe gắn máy, xe hơi, xe tải nặng, xe tải nhẹ, xe buýt Đồng thời đường giao thơng nhóm thành loại đường để điều tra lưu lượng xe Như cần khảo sát số tuyến đường thuộc nhóm khơng cần khảo sát tồn đường giao thông Đối với hệ số phát thải, có số nghiên cứu xác định hệ số phát thải loại phương tiện xe gắn máy, xe hơi, xe tải nặng, xe tải nhẹ, xe buýt (Hồ Minh Dũng, 2011; Kristesson, 2004).Đối với số chất chưa xác định hệ số CH4, sử dụng hệ số phát thải của COPERT IV 1.3 Mơ hình phát tán chất nhiễm Trên giới, mơ hình tính tốn nhiễm khơng khí phân loại theo hai hướng sau (Bùi Tá Long, 2014): 19 - Mơ hình thống kê kinh nghiệm dựa sở lý thuyết toán học Gauss Các nhà tốn học có cơng phát triển mơ hình Taylor (1915), Sutton (1925 – 1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill (1962 – 1971), Seifeld (1975) gần nhà khoa học môi trường nước Mỹ, Anh, Pháp, Hunggari, Ấn độ, Nhật Bản, Trung Quốc, ứng dụng hồn thiện mơ hình tính theo điều kiện nước - Mơ hình thống kê thủy động, lý thuyết nửa thứ nguyên (cịn gọi mơ hình K) Mơ hình Berliand (Nga) hồn thiện áp dụng Liên Xơ Mơ hình Sutton phát triển tảng mơ hình Gauss Trong mơ hình Gauss, nồng độ chất ô nhiễm từ nguồn phát thải biểu diễn sự phân bố nồng độ chất không gian chiều (x, y, z).Trong thực tế trục nguồn phát khơng ổn định, ta xem dao động quanh vị trí đường trục trung bình Nồng độ nhiễm phân bố mặt cắt đứng theo hàm Gauss đối xứng trục nguồn phát thải Phương trình khuyếch tán Gauss phụ thuộc vào cường độ thải nguồn, tác động gió, chiều cao đặc biệt điều kiện khí quyển.Mơ hình Sutton phát triển từ mơ hình hình Gauss, phản ánh yếu tố đến sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm từ nguồn giao thông Do đó, đề tài chọn mơ hình Sutton để tính tốn sự lan truyền chất nhiễm đánh giá tác động môi trường phương tiện giao thông đại lộ Bình Dương 1.3.1 Mơ hình hóa nhiễm khơng khí theo phương pháp Gauss 1.3.1.1 Phương trình tổng qt phát tán chất nhiễm khí Mơ hình khuyếch tán chất nhiễm khơng khí mơ hình tốn học thể giá trị nồng độ chất ô nhiễm phân bố không gian thay đổi theo thời gian Trong trường hợp tổng qt, trị số trung bình nồng độ nhiễm khơng khí phân bố theo thời gian khơng gian mơ tả từ phương trình chuyển tải vật chất (hay phương trình truyền nhiệt) biến đổi hoá học đầy đủ sau: (Bùi Tá Long, 2014) C C C C C C C C +u +v +w = kx (1.4) + kz + ky + C − C + wc t x y z x x y y z z z Trong đó: C : Nồng độ chất nhiễm khơng khí x,y,z : Các thành phần toạ độ theo trục Ox, Oy, Oz t : Thời gian Kx, Ky, Kz : thành phần hệ số khuyếch tán rối theo trục Ox, Oy, Oz u, v w : Các thành phần vận tốc gió theo trục Ox, Oy, Oz Wc : Vận tốc lắng đọng chất ô nhiễm 20 : Hệ số tính đến sự liên kết chất ô nhiễm với phần tử khác mơi trường khơng khí : Hệ số tính đến sự biến đổi chất ô nhiễm thành chất khác q trình phản ứng hố học xảy đường lan truyền Tuy nhiên phương trình (1.1) phức tạp hình thức mô sự lan truyền ô nhiễm Trên thực tế để giải phương trình người ta phải tiến hành đơn giản hoá sở thừa nhận số điều kiện gần cách đưa giả thuyết phù hợp với điều kiện cụ thể sau: - Nếu hướng gió trùng với trục Ox thành phần tốc độ gió chiếu lên trục Oy 0, có nghĩa v = - Tốc độ gió thẳng đứng thường nhỏ nhiều so với tốc độ gió nên bỏ qua, có nghĩa w = Trong nhiều trường hợp, xét bụi nhẹ Ws = (trong trường hợp bụi nặng lúc ta cho Ws 0) - Nếu bỏ qua tượng chuyển pha (biến đổi hoá học) chất ô nhiễm không xét đến chất nhiễm bổ sung q trình khuyếch tán = = Như sau giả thiết chấp nhận số điều kiện gần phương trình ban đầu viết dạng là: C + u C = k C + k C t x y y y z z z (1.5) Nếu giả sử hệ số k y , k z khơng đổi phương trình (2) viết lại là: C + u C = k 2C + k 2C t x y y2 z z Trong trường hợp khơng tính đến thành phần phi tuyến u (1.6) C phương trình (1.3) x viết là: C = k 2C + k 2C z y t y z (1.7) Phương trình (1.4) dạng phương trình truyền nhiệt chiều Tùy theo điều kiện ban đầu điều kiện biên mà ta có nghiệm giải tích khác Các nghiệm phương trình (1.4) sau: ▪ Đối với q trình lan truyền nhiễm chiều, phương trình (1.4) có nghiệm là: 21 − x2 Q C ( x,t ) = e 4tkx 1/2 tkx (1.8) Đây nghiệm toán lan truyền ô nhiễm chiều với nguồn thải Q Cùng với điều kiện biên x → C → (Nồng độ ô nhiễm điểm giảm điểm tiến xa khỏi chân nguồn thải ) ▪ Đối với tốn chiều, ta có nghiệm tương tự: C ( x, y,t ) = ▪ Q e 4( t )(kxk y )1/2 2 − x + y 4t kx k y (1.9) Đối với tốn chiều, ta có nghiệm tương tự: C ( x, y, z,t ) = Q e 8( t )3/2 (kxk y kz )1/2 2 − x + y + z 4t kx k y kz (1.10) Với Q – lương phát thải chất ô nhiễm nguồn điểm tức thời, g kg 1.3.1.2 Công thức sở xác định phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss Lượng chất ô nhiễm luồng khói xem tổng hợp vơ số khói tức thời, gió chuyển tải nở rộng khí xa ống khói giống ổ bánh mì cắt thành nhiều “lát” mỏng xếp kề mép lên (hình 1.8) Lượng chất nhiễm lát mỏng luồng khói xem nhau, tức bỏ qua sự trao đổi chất từ “lát” sang “lát” kề bên trục x Từ cách lập luận đó, tốn lan truyền chất nhiễm xem tốn hai chiều công thức (1.6) chọn để áp dụng cho trường hợp 22 a) c) u d) b) Hình 1.8 Biểu đồ luồng khói khối tức thời liên tục Nếu thiết lập sự cân vật chất “lát” khói có bề dày 1m theo chiều x vá chiều y, z vô cực lát khói chuyển động với vận tốc gió u thời gian để lát qua khỏi ống khói m/u lượng chất nhiễm chứa “lát” khói Q = M x 1/u Ngoài ra, cấn lưu ý toán hai chiều chiều y z thay cho chiều x y cơng thức (1.6) Khi cơng thức (1.6) trở thành : C= M e 4 ut (k y kz )1/2 2 − y + z 4t k y kz (1.11) Đặt: k y = 0.5 y2 u x kz = 0.5 z u x t=x u Trong y z gọi hệ số khuyếch tán theo phương ngang phương đứng, có thứ nguyên độ dài m, ta được: 23 C= M e 2 u y z 2 − y + z 2 y2 2 z2 = M e 2 u y z − y − z2 2 y2 2 z2 e (1.12) Đây công thức sở mơ hình lan truyền chất nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss hay cịn gọi “mơ hình Gauss” sở 1.3.2 Mơ hình phát tán chất nhiễm từ phương tiện giao thông 1.3.2.1 Cơ sở lý thuyết mơ hình Sutton Sutton O.G năm 1932 – 1953 có nhiều nghiên cứu mơ hình phát tán nhiễm khơng khí Mơ hình lan truyền chất nhiễm Sutton ngồi việc áp dụng để đánh giá cho nguồn điểm có độ cao h (như ống khói nhà máy) áp dụng nguồn điểm mặt đất (khơng có độ cao h đặt gốc toạ độ).[7,10] Phương trình mơ tả lan truyền chất nhiễm Sutton xuất phát từ phương trình lan truyền sau: Vx C C C C + Vz = ky + kz x z y y z z (1.13) Và điều kiện sau: - x→ C→ - x, y, x → C → - Thông lượng chất ô nhiễm bề mặt trải kz C → z z →0 - Thông lượng chất ô nhiễm qua mặt phẳng vuông gốc với hướng gió khơng đổi cơng suất nguồn thải M M= + + 0 − u.C( y, z)dydz Khi x>0 (1.14) Xuất phát từ sở lý thuyết thơng kê Gauss, Sutton giải phương trình đơn giản hóa với điều kiện phụ cho kết sau nguồn điểm liên tục khơng có độ cao đặt gốc tọa độ: C ( x, y, z) = 2M e u.C y Cz x2−n −x 24 n −2 y2 + z2 C y C z (1.15) Trong đó: - M - u - C(x, y, z) : công suất nguồn thải (mg/s) : tốc độ gió trung bình mặt đất (m/s) : nồng độ chất ô nhiễm (mg/m3) - Cy, Cz - n : hệ số khuyếch tán rối suy rộng Sutton : liên quan đến số tầng kết nhiệt Nồng độ chất ô nhiễm nguồn điểm khơng có độ cao (như nguồn khoan, xúc bốc, nổ mìn khai thác mỏ, cửa thơng gió từ hầm lị, phân xưởng nhà máy cơng nghiệp) mặt đất tính theo cơng thức sau: C ( x, y, z) = 2M e u.C y Cz x2−n − xn−2 y2 C y (1.16) Đối với nguồn điểm liên tục cao có độ cao hiệu dụng H đặt gốc tọa độ, mơ hình Sutton có dạng: C( x, y, z) = M u.C yCz x2−n − y2 x2−n −( z− H )2 2 −n C z.x eC y e −( z+ H )2 2 −n + e C z x (1.17) Trong đó: u tốc độ gió trung bình độ cao hiệu dụng nguồn Từ công thức (1.14) Sutton lập cơng thức tính nồng độ trung bình cực đại chất ô nhiễm khoảng cách tương ứng: Cmax = 2.M C y e. u.H Cz (1.18) 2−n X max = H C (1.19) Quy luật phân bố nồng độ trung bình chất nhiễm mặt đất nguồn điểm cao, đặt z = từ công thức (1.29) ta thu sau: C ( x, y,0) = 2.M e u.C yCz x2−n 2 − xn−2 y + H C C z y (1.20) Sử dụng công thức liên hệ Cy, Cz với hệ số phát tán Gauss σy, σz Sutton thiết lập: 25 2 y = C y x 2−n ;2 z = Cz x 2−n Khi (1.16) có dạng: C( x, y, z) = M u y z − y2 −( z −H )2 e 2 y e 2 y −( z + H )2 + e 2 z (1.21) Đặt z = cơng thức (1.20) ta có cơng thức xác định nồng độ chất ô nhiễm gần mặt đất nguồn thải có độ cao sau: C ( x, y,0) = 2.M u y z − y2 −( H )2 2 e 2 y e 2 z (1.22) Trong đó: - y , z : hệ số khuếch tán Gauss theo phương y z 1.3.2.2 Mơ hình Sutton cải tiến áp dụng cho nguồn đường Đối với mơ hình phát tán nhiễm giao thông, nguồn thải xem nguồn đường vô hạn độ cao gần mặt đất Xuất phát từ mơ hình Sutton áp dụng cho nguồn điểm liên tục khơng có độ cao đặt gốc tọa độ, mơ hình lan truyền chất nhiễm từ nguồn giao thông xây dựng sau a Nồng độ chất nhiễm trường hợp hướng gió vng góc với nguồn đường Trong trường hợp hướng gió vng góc với đường giao thơng, nồng độ chất nhiễm khoảng cách x theo hướng gió xác định sau: (1.23) Trong đó: - M: cơng suất nguồn đường, lượng thải nguồn đơn vị chiều dài đơn vị thời gian(mg/m/s) Tải FULL (88 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 - u: tốc độ gió trung bình (m/s) Dự phịng: fb.com/KhoTaiLieuAZ - σz: Hệ số phát tán Gauss theo phương z, hàm số khoảng cách x theo hướng gió thổi; xác định công thức Slade (1968) b Nồng độ chất nhiễm vị trí Nồng độ chất nhiễm trung bình vị trí khơng khí nguồn đường phát thải liên tục xác định theo cơng thức mơ hình cải tiến Sutton sau: 26 Trong đó: C: nồng độ chất nhiễm khơng khí (mg/m3) M: Công suất nguồn thải, lượng phát thải chất ô nhiễm nguồn đường tính đơn vị khoảng cách đơn vị thời gian (mg/m/s) z: độ cao điểm cần tính (m) x: Khoảng cách từ tâm đường đến điểm cần tính theo hướng gió, m u: tốc độ gió trung bình (m/s) h: độ cao nguồn đường so với mặt đất xung quanh (m) σz : Hệ số khuyếch tán chất ô nhiễm theo phương z (m); σz hàm số khoảng cách x theo hướng gió thổi; * Z xác định công thức Slade(1968): (Phạm Ngọc Đăng, 1997) - Khí khơng ổn định: - Khí trung tính: - Khí ổn định: Bảng 1.5 Phân cấp độ ổn định khí theo Tunner Ban ngày theo nắng chiếu Ban đêm theo độ mây(5) Tốc độ gió mặt đất, m/s(1) Mạnh(2) Trung bình(3) Yếu(4) Nhiều mây, độ mây > 4/8 Ít mây, độ mây ≤ 3/8 6 D D D D Ghi chú: (1): Tốc độ gió độ cao 10 m so với mặt đất (2): Nắng mùa hè, Mặt trời có góc cao lớn 600 (3): Nắng mùa hè, bầu trời sáng, mây, Mặt trời có độ cao 30-600 (4): Buổi chiều mùa thu hay ngày hè có mây, Mặt trời có độ cao 15-350 (5): độ mây xác định theo độ che phủ bầu trời A: không ổn định, B: không ổn định điển hình, C: khơng ổn định nhẹ, D D: Trung tính, E: ổn định nhẹ, F: ổn địnhA-B, C-D: trung bình hai mức 27 CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHÊN CỨU 2.1 Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Thu thập tài liệu vànghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết mơhình ước tính tải lượng chất ô nhiễm từ hoạt động giao thông q trình phát tán chất nhiễm khơng khí ❖ Tổng quan nhiễm khơng khí thị giới, Việt Nam Bình Dương ❖ Tìm hiểu nghiên cứu mơ hình ước tính tải lượng chất nhiễm từ hoạt động giao thơng ❖ Tìm hiểu mơ hình lan truyền phát tán chất nhiễm khơng khí ❖ Tổng quan lý thuyết mơ hình, xác định thơng số đầu vào cần thiết cho tính tốn sự phát tán chất nhiễm khơng khí mơ hình Sutton + Xác định thơng số khí tượng bao gồm: tốc độ gió hướng gió + Dữ liệu địa hình + Dữ liệu nguồn thải Tải FULL (88 trang): https://bit.ly/3fQM1u2 Dự phòng: fb.com/KhoTaiLieuAZ Nội dung 2: Xác định tải lượng khí thải từ hoạt động giao thơng đại lộ Bình Dương ❖ Xác định số lượng loại phương tiện giao thông lưu thông đại lộ Bình Dương ❖ Tính tốn tải lượng thơng số CO, NO2, PM10 dựa liệu số lượng xe hệ số phát thải phương tiện giao thông ❖ Hệ số phát thải sử dụng nghiên cứu kế thừa từ nghiên cứu Việt Nam giới Nội dung 3: Sử dụng mơ hình Sutton để tính tốn lan truyền chất ô nhiễm từ nguồn thải giao thông khơng khí dọc đại lộ Bình Dương ❖ Tính tốn công suất nguồn đường thông số (CO, NO2, PM10) dựa liệu số lượng phương tiện giao thông quãng đường di chuyển loại phương tiện ❖ Áp dụng mơ hình Sutton để tính tốn nồng độ chất nhiễm từ nguồn giao thơng khơng khí xung quanh dọc đại lộ Bình Dương theo độ cao khoảng cách tính từ tâm đường ❖ Các kịch tính tốn: vào mùa mưa mùa khô năm 2014; 28 ❖ Kiểm định mơ hình: lấy 12 mẫu khí CO vị trí dọc tuyến đại lộ Bình Dương nhằm so sánh với kết mơ hình Sutton Từ đánh giá mức độ xác khả áp dụng mơ hình Sutton vào đánh giá nhiễm giao thông Nội dung 4: Sử dụng phần mềm Surfer để xây dựng đường đẳng trị thể nồng độ chất ô nhiễm từ tầm đường khu vực xung quanh ❖ Sử dụng phương pháp nội suy Kriging Surfer để nội suy giá trị nồng độ chất ô nhiễm không gian theo giá trị nồng độ tính tốn từ mơ hình Sutton ❖ Dựa kết nồng độ chất nhiễm tính toán để xây dựng đường đẳng trị thể nồng độ chúng phần mềm Surfer Nội dung 5: Xây dựng kịch đề xuất biện pháp nhằm giảm thiểu nhiễm khơng khí từ đại lộ Bình Dương ❖ Xây dựng kịch nhằm dự báo tải lượng nồng độ chất ô nhiễm đến năm 2020 ❖ Đề xuất giải pháp giảm thiểu 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp khảo sát, thực địa Việc khảo sát phương tiện giao thơng đại lộ Bình Dương thực theo quy trình sau: Khảo sát sơ tuyến đường Ghi hình PTGT Phân loại PTGT Dữ liệu lưu lượng PTGT Hình 2.1 Quy trình khảo sát lưu lượng phương tiện giao thông 2.2.1.1 Khảo sát sơ để phân tuyến Đại lộ Bình Dương chia thành 6tuyến đường dựa đặc trưng mật độ giao thông, sự kết nối với tuyến đường giao thơng chính,đến khu công nghiệp, đô thị lớn.Sơ đồ tuyến đường đặc điểm tuyến đường khảo sát thể hình 2.2 bảng 2.1 Bảng 2.1 Đặc điểm tuyến đường lựa chọn để khảo sát STT Điểm đầu – điểm cuối Chiều dài Cầu Vĩnh Bình- Ngã tư cầu Ơng Bố km Đặc điểm Là cửa ngõ tỉnh Bình Dương nênlưu lượng PTGT giao thông với khu vực khác (TP Hồ Chí Minh, Đồng Nai) 29 6999403 ... dọc đại lộ Bình Dương cần thiết Từ lý trên, đề tài ? ?Ứng dụng mơ hình Sutton đánh giá nhiễm khơng khí giao thơng đại lộ Bình Dương? ?? thực nhằm tính tốn tải lượng ô nhiễm từ hoạt động giao thông đánh. .. ngun Mơi trường THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: ? ?Ứng dụng mơ hình Sutton đánh giá ô nhiễm không khí giao thông đại lộ Bình Dương? ?? - Mã số: - Chủ nhiệm: ThS Nguyễn Huỳnh... lấy 12 mẫu khí CO vị trí dọc tuyến đại lộ Bình Dương nhằm so sánh với kết mơ hình Sutton Từ đánh giá mức độ xác khả áp dụng mơ hình Sutton vào đánh giá ô nhiễm giao thông Nội dung 4: Sử dụng phần