Ứng dụng phương pháp gis và mô hình hóa vào đánh giá tác động môi trường cụ thể ứng dụng cho dự án nhà máy sản xuất ắc quy tại khu công nghiệp nhơn trạch 2, xã hiệp phước, huyện nhơn trạch, tỉnh đồng nai

Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động môi trường MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Hiện nay, công nghệ thông tin phần thiếu cho phát triển kinh tế - xã hội, ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác Môi trường ngành không ngoại lệ, việc ứng dụng công nghệ thông tin vào lĩnh vực môi trường ngày mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt việc ứng dụng phần mềm GIS mơ hình hóa mơi trường công tác quản lý dự báo ô nhiễm Việc ứng dụng mơ hình hóa để đánh giá, dự báo môi trường cho phép dự báo diễn biến xảy mơi trường thời điểm khác điều kiện khác Từ cho phép lựa chọn phương án phù hợp để cải thiện môi trường đưa môi trường vào trạng thái tối ưu Để có mơ hình có độ xác tính phù hợp, địi hỏi tích hợp thơng tin lớn Cho đến hệ thống thơng tin địa lý (GIS) hệ thống hỗ trợ tốt cho việc xây dựng mơ hình khả tích hợp liệu biểu diễn liệu khơng gian Ngồi GIS cịn có khả dự báo cố môi trường, xác định phân vùng nhiễm… Vì mà việc ứng dụng phương pháp mơ hình hóa phương pháp Gis vào dự báo, đánh giá quản lý môi trường chắn mang lại tính xác hơn, linh hoạt sinh động Tuy nhiên, nước ta việc sử dụng hai phương pháp đánh giá tác động mơi trường cịn hạn chế Do đó, chúng tơi chọn đề tài “Ứng dụng phương pháp GIS Mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động môi trường” ứng dụng cụ thể vào việc đánh giá tác động ô nhiễm việc phát thải chì từ dự án đầu tư Nhà máy sản xuất ắc quy dùng cho sản phẩm điện tử công suất 46.430 sản phẩm/năm Khu công nghiệp Nhơn Trạch 2, xã Hiệp Phước, huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai Mục tiêu, ý nghĩa đề tài Mục tiêu Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường để đánh giá tác động nhiễm việc phát thải chì từ dự án “Nhà máy sản xuất ắc quy dùng cho sản phẩm Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa môi trường vào đánh giá tác động môi trường điện tử công suất 46.430 sản phẩm/ năm khu công nghiệp Nhơn Trạch 2, xã Hiệp Phước, huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai” Ý nghĩa Đề tài góp phần thúc đẩy ứng dụng GIS mơ hình hóa mơi trường đánh giá tác động môi trường Giúp cho nhà quản lý mơi trường có cơng cụ hiệu việc dự báo đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu thập thông thông tin Phương pháp đánh giá chuyên mơn Phương pháp mơ hình hóa mơi trường Phương pháp GIS Phương pháp đánh giá nhanh Nội dung nghiên cứu đề tài Nghiên cứu nội dung phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường Thu thập điều tra thông tin dự án xây dựng nhà máy sản xuất ắc quy Đánh giá chất lượng môi trường xung quanh khu vực xây dựng nhà máy Áp dụng mơ hình Gauss vận tốc gió trung bình mơ hình Berliand vận tốc gió nguy hiểm vào việc đánh giá ảnh hưởng lượng chì phát sinh từ trình sản xuất tới môi trường xung quanh dự án Từ kết mơ hình, xây dựng đồ GIS nhằm phân vùng ô nhiễm Đề biện pháp giảm thiểu ô nhiễm chì tới mơi trường xung quanh Kết đạt Chúng tơi sử dụng mơ hình Gauss để tính tốn nồng độ chì theo bán kính phát tán vận tốc gió trung bình mơ hình Berliand để tính tốn nồng độ chì theo bán kính phát tán vận tốc gió nguy hiểm Từ kết chạy mơ hình sử dụng phần mềm Arcview để phân vùng ảnh hưởng từ chì đến mơi trường xung quanh Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa môi trường vào đánh giá tác động môi trường CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Đánh giá tác động môi trường.[2] Đánh giá tác động môi trường (ĐTM) công cụ pháp lý kỹ thuật quan trọng để xem xét, dự báo tác động môi trường, xã hội dự án, hoạt động phát triển cung cấp luận khoa học cho quyền, quan quản lý chuyên ngành doanh nghiệp cân nhắc trình định đầu tư phê duyệt dự án Các yêu cầu ĐTM luật hóa, qui định lần Luật Bảo vệ môi trường nước ta năm 1993 bổ sung chi tiết Luật Bảo vệ môi trường năm 2005 Các phương pháp thực ĐTM nay: - Phương pháp đánh giá chuyên môn - Phương pháp danh mục kiểm tra - Phương pháp ma trận - Phương pháp GIS & phân tích khơng gian - Phương pháp chuỗi nguyên nhân mạng lưới tác động - Phương pháp mơ hình hóa Mơi trường - Phương pháp phân tích đa tiêu chí - Phương pháp đánh giá nhanh 1.2 Mơ hình hóa mơi trường [1], [3], [4], [5], [8], [9], [10] Mơ hình hóa mơi trường với mơ tiến trình dẫn truyền chuyển hóa vật chất môi trường, nghiên cứu phát triển ứng dụng nhiều nước giới, nhiều quan lĩnh vực khác Một mơ hình có độ xác cao có vai trị hỗ trợ nhiều cho tiến trình định công tác quản lý môi trường Các loại mơ hình tập trung xây dựng đạt kết định lĩnh vực gồm: mơ hình phát tán nhiễm khơng khí, mơ hình lan truyền nhiễm nước mặt mơ hình lan truyền nhiễm nước ngầm Hiện nay, giới mơ hình phát tán nhiễm khơng khí xây dựng ứng dụng phổ biến cho dạng nguồn điểm (mô cho ống khói loại thấp loại cao) nguồn thải đường ( mơ q trình phát tán phương tiện chạy đường giao thơng) Cịn nguồn thải ô Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động mơi trường nhiễm khơng khí dạng vùng (hay nguồn thải mặt) phổ biến tính chất khơng điển hình nguồn thải Ở Việt Nam có nghiên cứu mơ hình phát tán nhiễm khơng khí tốn liên quan cơng trình nhóm tác giả thuộc phịng Tin học mơi trường, Viện học ứng dụng… Trong đề tài chúng em sử dụng mơ hình Gauss Berliand để mô phát tán chì nguồn điểm (ống khói) 1.2.1 Mơ hình Gauss tính tốn lan truyền nhiễm khơng khí Mơ hình vệt khói Gauss số mơ hình sử dụng rộng rãi giới Mơ hình áp dụng cho nguồn thải điểm Cơ sở mơ hình biểu thức phân bố chuẩn hay gọi phân bố Gauss chất nhiễm khí Mơ hình Gauss: ux ∂C ∂C ∂ ⎛ ∂C ⎞ ∂ ⎛ ∂C ⎞ (1.1) K K − wz = + ∂x ∂ z ∂ y ⎜⎝ y ∂ y ⎟⎠ ∂ z ⎜⎝ z ∂ z ⎟⎠ Trong : C, u x , u y , u z giá trị trung bình nồng độ vận tốc gió theo phương Ki : hệ số khuếch tán rối tương ứng trục toạ độ x , y, z Thường phương trình khuếch tán chất khí người ta đưa kí hiệu sau trục toạ độ : trục x hướng theo hướng gió, y hướng vng góc với x mặt đất, z trục hướng lên Vận tốc gió trung bình biểu diễn qua u x , u y , u z wz vận tốc rơi chất ô nhiễm theo phương z Các mô hình thích hợp dự báo ngắn hạn lẫn dài hạn Các dự báo ngắn hạn thực với trợ giúp mô hình tính tốn vẽ đồ nhiễm vùng với giai đoạn tương ứng với điều kiện tương đối ổn định Các mơ hình sử dụng cho dự báo dài hạn khoảng thời gian dự báo chia thành khoảng thời gian tựa dừng (gần với điều kiện dừng) điều kiện khí tượng Phương pháp tiếp cận để đánh giá nồng độ trung bình năm cho số lượng lớn nguồn phân tán Để thực dự báo dài hạn cần phải chia gió thành lớp mỏng, vận tốc gió chia thành j lớp, hướng gió chia thành k lớp, tham số liên quan tới Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động môi trường độ ổn định khí gồm e loại, chiều cao lớp nghịch nhiệt – m Ngồi ra, cịn phải lưu ý tới tham số khác nhiệt độ, độ chiếu sáng, độ ẩm Chúng ta xem xét chi tiết mô hình Gauss trường hợp dự báo ngắn hạn Phương trình Gauss suy từ phương trình (1.1) thoả mãn điều kiện sau: - Nghiệm không phụ thuộc vào thời gian (trạng thái dừng, nguồn thải có tham số phát thải không thay đổi theo thời gian) - Vận tốc gió khơng thay đổi toàn lớp khuếch tán - Hệ số khuếch tán không phụ thuộc vào toạ độ - Sự khuếch tán theo hướng x nhỏ so với vận tốc lan truyền trung bình theo hướng này, có nghĩa là: u ∂C ∂ 2C >> K x ∂t ∂x Trong trường hợp phương trình tổng quát theo phương pháp tiếp cận có dạng: u ∂C ∂ 2C ∂ 2C = K y + K z (1.2) ∂t ∂y ∂z Cùng điều kiện biên C ( x, y , z ) x = = Q δ ( y )δ ( z ) (1.3) u C ( x, y, z ) y , z →±∞ = (1.4) Bài toán biên (1.2) – (1.4) cho nghiệm tổng quát sau: C ( x, y , z ) = ⎡ u ⎛ y z ⎞⎤ Q exp + ⎢ − ⎜⎜ ⎟ ⎥ (1.5) 4π ( K y K z )1/ x ⎢⎣ x ⎝ K y K z ⎟⎠ ⎥⎦ Trong (1.5) lưu ý rằng, mối quan hệ hai phương trình tiếp cận Lagrange Euler thể qua mối liên hệ: σ y2 = 2K y x u σ z2 = 2K z x (1.6) u Như lưu ý (1.6), ứng dụng thực tế phụ thuộc σ y2 σ x2 vào x xác định để dàng thông qua phương pháp thực nghiệm Thay giá trị (1.6) vào biểu thức (1.5) ta được: Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động môi trường C ( x, y , z ) = ⎡ ⎛ y2 Q z ⎞⎤ exp ⎢ − ⎜ + ⎟ ⎥ (1.7) 2π uσ yσ z ⎢⎣ ⎜⎝ 2σ y 2σ z ⎟⎠ ⎦⎥ Công thức (1.7) công thức sở mơ hình lan truyền chất theo định luật phân phối chuẩn Gauss bao gồm hai hàm số phân bố Gauss nhân với nhau: f ( y) = ⎧⎪ y ⎪⎫ exp ⎨− ⎬ (2π )0.5 σ y ⎩⎪ 2σ y ⎭⎪ (1.8) Hình 1.1: Sơ đồ mơ hình khuếch tán Gauss Đường cong Gauss có dạng hình dù, thay đổi −∞ tới +∞ với giá trị cực đại đạt y = Hệ số hệ số định chuẩn làm cho diện tích đường cong (2π )0.5 σ y Trong công thức (1.7), nguồn thải giả thiết nằm mặt đất trùng với gốc toạ độ Trong trường hợp nguồn thải nằm cách mặt đất độ cao H (có nghĩa nằm điểm (0,0,H) hình 1.1), cơng thức tính nồng độ là: C ( x, y , z ) = ⎡ ⎛ y ( z − H )2 ⎞ ⎤ ⎛ y2 ⎞ ⎛ ( z − H )2 ⎞ Q Q exp ⎢ − ⎜ + exp exp = − ⎥ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜− ⎟ ⎜ 2σ y2 ⎟ 2π uσ yσ z 2σ z2 ⎟⎠ ⎥⎦ 2π uσ yσ z 2σ z2 ⎠ ⎢⎣ ⎜⎝ 2σ y ⎝ ⎝ ⎠ (1.9) Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động mơi trường Đây cơng thức vệt khói Gauss Trong đó: C: nồng độ chất ô nhiễm , kg/m3 Q: tải lượng chất ô nhiễm, kg/s σ y σ z hệ số khuếch tán theo phương ngang phương thẳng đứng, có thứ nguyên độ dài (do Ky Kz có thứ ngun m2/s) Cơng thức tính σ y σ z Briggs, G.A với khoảng cách x từ 100 đến 10.000m (bảng tính xem ngồi phụ lục) Q 2.πσ yσ z u : nồng độ chất ô nhiễm trục theo chiều gió ⎡ ⎛ y ⎞2 ⎤ exp ⎢− ⎜ ⎟ ⎥ : độ lan truyền bên theo phương ngang, đối xứng qua trục ⎢ ⎜⎝ σ y ⎟⎠ ⎥ ⎦ ⎣ ⎧⎪ ⎡ ⎛ z − H ⎞2 ⎤ ⎡ ⎛ z + H ⎞2 ⎤ ⎫⎪ ⎟⎟ ⎥ + exp ⎢− ⎜⎜ ⎟⎟ ⎥ ⎬ : độ lan truyền bên theo phương đứng, ⎨exp ⎢− ⎜⎜ ⎢⎣ ⎝ σ z ⎠ ⎥⎦ ⎢⎣ ⎝ σ z ⎠ ⎥⎦ ⎪⎭ ⎪⎩ đối xứng qua trục Hình 1.2: Nồng độ chất nhiễm theo mơ hình phát tán Gauss Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động mơi trường Nồng độ trường hợp nguồn làm việc liên tục, mơ hình Gauss biến đổi Bài tốn quan tâm nhiều lý thuyết phát tán ô nhiễm không khí tính tốn nồng độ từ nguồn điểm nằm độ cao H so với mặt đất Đối với nguồn vậy, xuất phát từ toán (1.2) – (1.4) ta nhận nghiệm có dạng: C ( x, y , z ) = ⎧⎪ y ( z − H ) ⎪⎫ M exp ⎨− − ⎬ 2π S yU 2σ z2 ⎭⎪ ⎩⎪ 2σ y (1.10) Hình 1.3: Sơ đồ vệt khói phát thải từ ống khói Xét phương án điều kiện biên: bề mặt nước bề mặt đất, tương tác vệt khói thải với bề mặt đất có tính chất phản xạ (khi chất nhiễm không đọng lại mặt đất) Để thoả mãn điều kiện cần thiết phải đặt nguồn ảo điểm x = 0, y = 0, z = -H Biểu thức tính nồng độ có lưu ý tới phản xạ mặt đất từ nguồn thải điểm liên tục độ cao H có dạng: C ( x, y, 0) = ⎡ ⎛ y ⎞⎤ ⎡ ⎛ ( z − H )2 ⎞ ⎛ ( z + H )2 ⎞ ⎤ M + exp ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢exp ⎜ − exp ⎟ ⎜− ⎟ ⎥ (1.11) 2π uσ yσ z 2σ z2 ⎠ 2σ z2 ⎠ ⎦ ⎢⎣ ⎜⎝ 2σ y ⎟⎠ ⎦⎥ ⎣ ⎝ ⎝ Trong đó: C ( x, y, 0) : nồng độ, hàm số x , y z (kg/m3) M: công suất nguồn thải (kg/s) Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa môi trường vào đánh giá tác động môi trường u: vận tốc gió miệng ống khói (m/s) H: độ cao hữu dụng ống khói (m) Thơng thường người ta quan tâm tới nồng độ mặt đất z = công thức (1.11) trở thành: C ( x, y, 0) = ⎡ ⎛ y ⎞⎤ ⎛ H2 ⎞ M exp ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ exp ⎜ − ⎟ 2π uσ yσ z ⎢⎣ ⎜⎝ 2σ y ⎟⎠ ⎦⎥ ⎝ 2σ z ⎠ (1.12) Trong trường hợp muốn tính nồng độ mặt đất dọc theo hướng gió (trục x), ta cho y = thu được: ⎛ H2 ⎞ M exp ⎜ − ⎟ C ( x, 0, 0) = 2π uσ yσ z ⎝ 2σ z ⎠ (1.13) Ngược lại với trường hợp phản xạ hoàn toàn trường hợp hấp thụ hồn tồn Khi ta có cơng thức: C ( x, y, 0) = ⎡ ⎛ y ⎞⎤ ⎡ ⎛ ( z − H )2 ⎞ ⎛ ( z + H )2 ⎞ ⎤ M − exp ⎢ − ⎜ ⎟ ⎥ ⎢ exp ⎜ − exp ⎟ ⎜− ⎟⎥ 2π uσ yσ z 2σ z2 ⎠ 2σ z2 ⎠ ⎦ ⎢⎣ ⎝⎜ 2σ y ⎠⎟ ⎥⎦ ⎣ ⎝ ⎝ (1.14) Tiến hành biến đổi với hệ số khuếch tán ta thu biểu thức sau: C ( x, 0, 0) = ⎛ H 2u ⎞ M exp ⎜− ⎟ 2π x( K y K z )0.5 ⎝ 4K x x ⎠ (1.15) Cuối ta lấy đạo hàm giải phương trình: dC ( x, 0, 0) =0 dx Từ suy ra: xm = H 2u 4K z Như vậy, nồng độ cực đại đạt xm khoảng cách tỷ lệ với bình phương khoảng cách, vận tốc gió trung bình tỷ lệ nghịch với hệ số khuếch tán rối theo trục z Đại lượng nồng độ cực đại bằng: 2M Cm ( xm , 0, 0) = Kz Ky π eH 2U (1.16) Trang Ứng dụng phương pháp GIS mơ hình hóa mơi trường vào đánh giá tác động mơi trường Độ ổn định khí Độ ổn định khí khuynh hướng khí cản trở hình thành chuyển động theo phương thẳng đứng hay ngăn chặn hình thành chuyển động rối Khuynh hướng ảnh hưởng trực tiếp đến khả khuếch tán chất nhiễm phát thải vào khí Độ ổn định khí chia làm lớp từ A đến F, đó: A : cấp độ không bền vững mạnh (strong unstable) B : cấp độ không bền vững vừa (moderately unstable) C : cấp độ không bền vững nhẹ (slightly unstable) D : cấp độ khí trung tính (neutral) E : cấp độ bền vững nhẹ (slightly stable) F : cấp độ bền vững vừa (moderately stable) Độ bền vững khí xác định theo: Gradient nhiệt độ theo chiều cao Nếu tốc độ giảm nhiệt độ theo chiều cao: 0.98oC/100m → loại D Nếu tốc độ giảm nhiệt độ theo chiều cao > 0.98oC/100m → loại A,B,C Nếu tốc độ giảm nhiệt độ theo chiều cao < 0.98 oC/100m → loại E,F Vận tốc gió độ xạ nhiệt (ban ngày) độ mây che phủ (ban đêm) Bảng 1.1: Phân cấp độ ẩm ổn định khí theo vận tốc gió độ xạ nhiệt (ban ngày) độ mây che phủ (ban đêm) Vận tốc gió độ cao 10m Bức xạ mặt trời ban ngày Độ mây che phủ ban đêm Mây che phủ Trời quang mây hay mỏng ≥ 4/8 độ che phủ ≤ 3/8 B - - B C E F B B–C C D E 5–6 C C–D D D D >6 D D D D D Mạnh Vừa Nhẹ