nghiên cứu xây dựng mô hình gis quản lý môi trường – dự báo ô nhiễm không khí phù hợp với qui mô quận huyện thành phố hồ chí minh

Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM Viện Khí tượng – Thủy văn – Hải văn – Môi trường E×D BÁO CÁO TỔNG HỢP Đề tài: NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIS QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG – DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔN

Trang 1

Sở Khoa học và Công nghệ Tp.HCM Viện Khí tượng – Thủy văn – Hải văn – Môi trường

E×D

BÁO CÁO TỔNG HỢP

Đề tài:

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIS

QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG – DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ PHÙ HỢP VỚI QUI MÔ QUẬN HUYỆN

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

(Bản đã chỉnh sửa)

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Kỳ Phùng

Tp HCM, tháng 04 năm 2007

Trang 2

Nghiên cứu xây dựng mô hình GIS quản lý môi trường – dự báo ô nhiễm không khí phù hợp với qui mô quận huyện Tp.HCM

DANH SÁCH CÁN BỘ THAM GIA

1 TS Nguyễn Kỳ Phùng _ Khoa Môi trường, ĐH Khoa Học Tự Nhiên

2 ThS Dương Thị Thúy Nga _ Khoa Môi trường, ĐH Khoa Học Tự Nhiên

3 ThS Võ Thanh Hằng _ Chi cục Bảo vệ Môi trường Tp.HCM

4 CN Nguyễn Thị Huỳnh Trâm _ Khoa Môi trường, ĐH Khoa Học Tự Nhiên

5 CN Ngô Nguyên Hồng _ Phòng Tài nguyên Môi trường huyện Bình Chánh

6 CN Phan Thị Mỹ Hạnh _ Khoa Môi trường, ĐH Khoa Học Tự Nhiên

7 CN Phạm Văn Cang _ Khoa Môi trường, ĐH Khoa Học Tự Nhiên

Trang 3

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC HÌNH 4

DANH MỤC BẢNG 6

CHƯƠNG MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN QUẢN LÝ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TP.HỒ CHÍ MINH VÀ KHU CÔNG NGHIỆP 8

1.1 Tổng quan tình hình quản lý ô nhiễm không khí Tp.HCM 8

1.2 Tình hình ô nhiễm không khí khu công nghiệp 13

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ MÔ HÌNH PHÁT TÁN KHÔNG KHÍ 16

2.1 Các phần mềm ứng dụng 16

2.1.1 Mô hình ADMS (Advanced Dispersion Modeling System) (Carruthers và đồng nghiệp 1995, CERC 1998) 16

2.1.2 Mô hình AERMOD (AMS/EPA Regulatory Model) (Cimorelli và đồng nghiệp, 1998) 16

2.1.3 Mô hình ISC3 (Industrial Source Complex Model Version 3) (EPA,1995) 17

2.1.4 Mô hình Episode (Air-QUIS) 17

2.1.5 Mô hình AIR-POLL (Air-Pollution Assessment: Khoa Môi Trường – ĐHKHTN) 18

2.2 So sánh các mô hình 18

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ TOÁN HỌC 20

3.1 Mô hình Eulerian 21

3.2 Mô hình Lagrangian 24

3.3 Mô hình Gauss 24

3.3.1 Phương pháp Gauss 24

3.4 Mô hình Berliand 31

3.4.1 Đối với khí và bụi nhẹ 31

3.4.2 Đối với bụi nặng cỡ hạt đồng chất 32

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG WEB-GIS 34

4.1 Bài toán quản lý dữ liệu không khí và mô phỏng hiện trạng ô nhiễm 34

4.1.1 Bài toán quản lý dữ liệu không khí 34

4.1.2 WEBGIS - Sự lựa chọn tối ưu cho quản lý dữ liệu môi trường khí 35

4.1.3 Xác định các yêu cầu cho WEBGIS 37

4.2 Giới thiệu về WEBGIS 38

4.2.1 Kiến trúc và các bước xử lý trong WEBGIS 39

4.2.2 Các lớp triển khai WebGIS 41

Trang 4

4.3 Mapserver – ứng dụng WEBGIS 42

4.3.1 Giới thiệu về MAPSERVER 42

4.3.2 Các thành phần của Mapserver 43

4.3.3 Quy trình xử lý trong Mapserver 44

4.4 Cơ sở dữ liệu cho WEBGIS 45

4.4.1 Xây dựng các bảng dữ liệu 45

4.4.2 Xây dựng bộ dữ liệu về các nguồn thải công nghiệp 52

4.4.3 Xây dựng dữ liệu đầu vào 54

CHƯƠNG 5: MÔ HÌNH AIRPOLL PHỤC VỤ WEBGIS QUẢN LÝ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 57

5.1 Sự thay đổi của vận tốc gió theo chiều cao 57

5.2 Hệ số rối 59

5.2.1 Phương pháp 1 59

5.2.2 Phương pháp 2 59

5.3 Kích thước rối ngang 61

5.4 Xác định hệ số nhám và chỉ số tầng kết nhiệt 61

5.5 Thiết kế giao diện, dữ liệu đầu vào 63

5.5.1 Tính toán nồng độ ô nhiễm không khí 66

5.6 Một số công cụ hỗ trợ tính toán 72

5.6.1 Tính toán các cấp độ ổn định khí quyển 73

5.6.2 Tính toán các hệ số rối 73

5.6.3 Tính toán vận tốc gió ở độ cao bất kỳ 75

CHƯƠNG 6: QUẢN LÝ DỮ LIỆU KHÔNG KHÍ VỚI WEBGIS 76

6.1 Xây dựng mô hình hoạt động 76

6.1.1 Thao tác GIS (Bản đồ) 76

6.1.2 Thao tác trên web 78

6.1.3 Thao tác quản trị / cập nhật 79

6.2 Thiết kế các màn hình cho WEBGIS 80

6.2.1 Màn hình chính 80

6.2.2 Màn hình trang liên hệ 81

6.2.3 Màn hình trang tin tức 81

6.2.4 Màn hình trang quản trị 82

6.2.5 Màn hình tiện ích 82

6.2.6 Màn hình tìm kiếm 83

6.2.7 Màn hình trang bản đồ 83

6.2.8 Màn hình quản lý dữ liệu không khí 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

Trang 5

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADMS: Advanced Dispersion Modelling System

AERMOD: AMS/EPA Regulatory Model

CSDL: Cơ sở dữ liệu

Cty: Công ty

DANIDA: Cơ quan Hợp tác Phát triển Quốc tế Đan Mạch

DN: Doanh nghiệp

DNTN: Doanh nghiệp tư nhân

ĐTH-ĐBP: Đinh Tiên Hoàng – Điện Biên Phủ

HEPZA: Ban quản lý các khu chế xuất và khu công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh HTX: Hợp tác xã

ISC3: Industrial Source Complex Model Version 3

KCX: Khu chế xuất

KCN: Khu công nghiệp

LD: Liên doanh

LMX: Lê Minh Xuân

NVL-HTP: Nguyễn Văn Linh – Hùynh Tấn Phát

ONKK: Ô nhiễm không khí

TCMT: Tiêu chuẩn môi trường

TNHH: Trách nhiệm hữu hạn

SX: Sản xuất

SXTM: Sản xuất thương mại

UNDP (United Nations Development Programme): Chương trình phát triển

Liên Hợp Quốc

Trang 6

DANH MỤC HÌNH

khí bán tự động từ tháng 01/2004 – 03/2005 10

Hình 1.2 Diễn biến nồng độ NO 2 trung bình qúy các trạm quan trắc không khí bán tự động từ năm 2000 – 2005 10

Hình 1.3 Diễn biến nồng độ CO trung bình tháng các trạm quan trắc không khí bán tự động từ tháng 01/2004 – 03/ 2005 11

Hình 1.4 Diễn biến nồng độ CO trung bình qúy các trạm quan trắc không khí bán tự động từ năm 2000 – 2005 11

Hình 1.5 Diễn biến nồng độ bụi tổng trung bình tháng các trạm quan trắc không khí bán tự động từ tháng 01/2004 – 03/ 2005 12

Hình 1.6 Diễn biến nồng độ bụi tổng trung bình qúy các trạm quan trắc không khí bán tự động từ năm 2000 – 2005 12

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả mô hình tính toán 20

Hình 3.2 (a) Hệ tọa độ trong mô hình Eulerian (b) Hệ tọa độ trong mô hình Lagrangian 21

Hình 3.3 Sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa hai mô hình Eulerian và Lagrangian (Lamb, Longhetto,1980) 23

Hình 3.4 Luồng khói từ nguồn điểm cao trong hệ trục Oxyz 30

Hình 4.1 Mô hình quản lý dữ liệu không khí bằng WebGIS 37

Hình 4.2 Kiến trúc và các bước xử lý trong WebGIS 40

Hình 4.3 Các lớp triển khai trong WebGIS 41

Hình 4.4 Các hành động cần đến xử lý trong Mapserver 44

Hình 4.5 Quá trình xử lý trên Mapserve 44

Hình 4.6 Sơ đồ quan hệ giữa các bảng dữ liệu 51

Hình 5.1 Biểu đồ hệ số ϕ ứng với z o = 0,1 m và z 1 = 10m .58

Hình 5.2 Màn hình chính của phần mềm 63

Hình 5.3 Quản lý dữ liệu về mây 64

Hình 5.4 Quản lý dữ liệu về Gió 65

Hình 5.5 Hoa gió năm 1991 65

Hình 5.6 Tính toán nồng độ không khí do một nguồn gây ra 66

Hình 5.7 Tính toán nồng độ ô nhiễm khí 67

Hình 5.8 Biểu đồ phân bố nồng độ ô nhiễm không khí trên mặt đất dọc theo trục gió 67

Hình 5.9 Biểu đồ phân bố nồng độ ô nhiễm không khí trên mặt cắt trực giao với trục gió 68

Hình 5.10 Tính toán nồng độ ô nhiễm bụi 68

Trang 7

Hình 5.12 Biểu đồ phân bố nồng độ ô nhiễm không khí đi qua chân ống khói khi

lặng gió 69

Hình 5.13 Tính toán nồng độ không khí do nhiều nguồn gây ra 70

Hình 5.14 Tính toán nồng độ không khí do nhiều nguồn gây ra theo phương pháp nồng độ trung bình 70

Hình 5.15 Tính toán nồng độ không khí do nhiều nguồn gây ra theo phương pháp nồng độ tương đối tổng cộng 71

Hình 5.16 Tính toán nồng độ không khí do nhiều nguồn gây ra theo phương pháp nồng độ Gauss 71

Hình 5.17 Tính toán nồng độ không khí do nhiều nguồn gây ra theo phương pháp Gauss 72

Hình 5.18 Hỗ trợ tính toán các tham số khí tượng 72

Hình 5.19 Hỗ trợ tính toán các cấp độ ổn định khí quyển 73

Hình 5.20 Hỗ trợ tính toán các hệ số rối 73

Hình 5.21 Hỗ trợ tính toán hệ số rối k y 74

Hình 5.22 Hỗ trợ tính toán hệ số n và độ gồ ghề của mặt đất 74

Hình 5.23 Hỗ trợ tính toán hệ số k o 74

Hình 5.24 Hỗ trợ tính toán vận tốc gió 75

Hình 5.25 Màn hình tính vận tốc gió 75

Hình 6.1 Mô hình hoạt động của WEBGIS 76

Hình 6.2 Màn hình chính 80

Hình 6.3 Màn hình trang liên hệ 81

Hình 6.4 Màn hình trang tin tức 81

Hình 6.5 Màn hình trang quản trị 82

Hình 6.6 Màn hình trang tiện ích 82

Hình 6.7 Màn hình trang tìm kiếm 83

Hình 6.8 Màn hình trang bản đồ 83

Hình 6.9 Màn hình huyện Bình Chánh khi phóng to 84

Hình 6.10 Màn hình xem chi tiết ống khói 85

Hình 6.11 Màn hình xem chi tiết ống khói 85

Hình 6.12 Màn hình quản lý dữ liệu không khí 86

Hình 6.13 Thêm chỉ tiêu ô nhiễm 87

Hình 6.14 Thêm ống khói mới 87

Hình 6.15 Thêm ống khói mới 88

Hình 6.16 Sửa và xóa dữ liệu 89

Trang 8

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1 Các thông số cần quản lý trong WEBGIS 46 Bảng 4.2 Các doanh nghiệp có hoạt động sản xuất có khả năng gây ONKK 53 Bảng 5.1 Số mũ n trong công thức (5.5) 59

Trang 9

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Vấn đề ô nhiễm không khí đô thị ngày càng được quan tâm Hiện nay trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh đã có một số trạm quan trắc tự động và bán tự động do chi cục Bảo vệ Môi trường Tp.HCM quản lý và đo đạc định kỳ

Việc quản lý ô nhiễm không khí ở các khu công nghiệp, khu chế xuất hiện nay còn bỏ ngõ, chưa được các doanh nghiệp trong khu công nghiệp quan tâm Hầu hết khí thải, bụi thải, mùi hôi chưa được xử lý triệt để Việc đo đạc khí thải từ các ống khói chưa được áp dụng rộng rãi, công tác quản lý, giám sát còn gặp nhiều khó khăn

Xuất phát từ những vấn đề cấp bách nêu trên, thực hiện nhiệm vụ Sở KH –

CN giao cho, Viện KT-TV-HV và MT đã tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu xây dựng mô hình GIS quản lý môi trường – dự báo ô nhiễm không khí phù hợp với qui mô quận huyện thành phố Hồ Chí Minh.”

Mục tiêu của đề tài là tăng cường hiệu quả công tác quản lý môi trường cho các phòng tài nguyên môi trường quận huyện qua việc ứng dụng phần mềm tính toán ô nhiễm không khí chuyên dùng tích hợp GIS

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã thực hiện được các nội dung chính sau:

1 Đánh giá tổng quan việc quản lý ô nhiễm không khí đô thị và ô nhiễm do khí thải công nghiệp gây ra

2 So sánh đánh giá một số mô hình đang được sử dụng trên thế giới cũng như ở Việt Nam

3 Bước đầu xây dựng giải pháp WEBGIS phục vụ quản lý khí thải

4 Xây dựng mô hình toán phục vụ quản lý khí thải công nghiệp (và ứng dụng cho khu công nghiệp ở Bình Chánh)

Trang 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN QUẢN LÝ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TP.HỒ

CHÍ MINH VÀ KHU CÔNG NGHIỆP

1.1 Tổng quan tình hình quản lý ô nhiễm không khí Tp.HCM

Công tác quan trắc hiện trạng chất lượng môi trường - trong đó có môi trường không khí - ở Tp.HCM do Chi cục Bảo vệ Môi trường Tp.HCM thực hiện Mục tiêu cuả công tác này là để (1) đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường; (2) dự báo và cảnh báo chất lượng môi trường; (3) phổ biến kết quả quan trắc chất lượng môi trường; (4) tư vấn và kiến nghị về chiến lược môi trường cho lãnh đạo Tp.HCM Công tác đánh giá chất lượng môi trường định kỳ theo tháng, quý dựa trên cơ sở dữ liệu thu thập từ mạng lưới quan trắc chất lượng môi trường của Tp.HCM Đối với việc quản lý ô nhiễm không khí đô thị thì thành phố đã có các trạm quan trắc ô nhiễm không khí do giao thông, khu dân cư và có thể tóm tắt sơ lược dưới đây:

Các trạm quan trắc chất lượng không khí tự động

Từ tháng 6/2000, được sự tài trợ của UNDP và DANIDA, hệ thống quan trắc chất lượng không khí tự động đưa vào hoạt động 04 trạm, trong đó có 02 trạm quan trắc chất lượng không khí xung quanh (Tân Sơn Hòa – 56 Trương Quốc Dung và Thủ Đức) và 02 trạm quan trắc chất lượng không khí ven đường (Sở KH&CN – 244 Điện Biên Phủ và Trường THPT Hồng Bàng – Quận 5) Đến tháng 11/2002, được sự tài trợ của NORAD, hệ thống quan trắc phát triển thêm 05 trạm gồm 03 trạm đo không khí xung quanh (UBND Quận 2, Công viên Phần mềm Quang Trung, Thảo Cầm Viên) và 02 trạm đo không khí ven đường (Bệnh viện Thống Nhất – Q Tân

Bình, Phòng GD Huyện Bình Chánh – Q Bình Tân) (Xem bản đồ Vị trí các trạm

Quan trắc Chất lượng Không khí)

Tần suất và thông số đo đạc: Đo 24/24 giờ với các thông số PM10, SO2, NOx,

CO, O3

Các trạm quan trắc chất lượng không khí bán tự động

Từ năm 1993, Tp.HCM đã đưa vào hoạt động hệ thống quan trắc chất lượng không khí ảnh hưởng của các hoạt động giao thông gồm 03 trạm vòng xoay Hàng Xanh, ngã tư Đinh Tiên Hoàng – Điện Biên Phủ (ĐTH – ĐBP) và vòng xoay Phú Lâm Đến tháng 1/2005, hệ thống quan trắc mở rộng thêm 03 trạm vòng xoay An Sương, ngã 6 Gò Vấp và ngã tư Nguyễn Văn Linh – Huỳnh Tấn Phát (NVL –

HTP) (Bản đồ Vị trí các trạm Quan trắc Chất lượng Không khí)

Tần suất và thông số đo đạc: Tiến hành thu mẫu 10 ngày trong tháng vào các thời điểm 7h, 10h và 15h Các thông số đo đạc gồm: N02, CO, chì, bụi tổng và tiếng ồn

Trang 11

Bản đồ vị trí các trạm quan trắc chất lượng không khí ở khu vực Tp.HCM

Trang 12

Nồng độ NO 2 trung bình tháng không khí ven đường

Xu hướng (VX Hàng Xanh)

bán tự động từ tháng 01/2004 – 03/2005

Nồng độ NO 2 trung bình quý I không khí ven đường 2000-2005

Trang 13

Nồng độ CO trung bình tháng không khí ven đường

Xu hướng (ĐBP-ĐTH) Xu hướng (VX.Phú Lâm) Xu hướng (VX Hàng Xanh)

Hình 1.3 Diễn biến nồng độ CO trung bình tháng các trạm quan trắc không khí

bán tự động từ tháng 01/2004 – 03/ 2005 Nồng độ CO trung bình qúy I không khí ven đường

Quý 1 - 2000 Quý 1 - 2001 Quý 1 - 2002 Quý 1 - 2003 Quý 1 - 2004 Quý 1-2005 TCVN

Hình 1.4 Diễn biến nồng độ CO trung bình qúy các trạm quan trắc không khí bán

tự động từ năm 2000 – 2005

Trang 14

Nồng độ bụi tổng trung bình tháng không khí ven đường

Xu hướng Phú Lâm Xu hướng Hàng Xanh

Hình 1.5 Diễn biến nồng độ bụi tổng trung bình tháng các trạm quan trắc không

khí bán tự động từ tháng 01/2004 – 03/ 2005

Nồng độ bụi tổng trung bình qúy I không khí ven đường

Quý 1 - 2000 Quý 1 - 2001 Quý 1 - 2002 Quý 1 - 2003

Quý 1 - 2004 Quý 1-2005 TCVN

Hình 1.6 Diễn biến nồng độ bụi tổng trung bình qúy các trạm quan trắc không khí

bán tự động từ năm 2000 – 2005

Trang 15

Chúng ta nhận thấy rằng việc kiểm soát ô nhiễm không khí do giao thông, khu dân cư được quản lý tương đối tốt và đồng bộ, có các trạm đo đạc tự động và bán tự động cho biết chất lượng môi trường không khí tại các trạm đo

1.2 Tình hình ô nhiễm không khí khu công nghiệp

Việc quản lý môi trường ở các khu công nghiệp tại thành phố Hồ Chí Minh do HEPZA quản lý với các chức năng chính như sau:

• Hướng dẫn, thẩm định và cấp giấy Chứng nhận đăng ký đạt tiêu chuẩn mơi

trường (TCMT)

• Kiểm tra giám sát chất lượng mơi trường – Thanh tra mơi trường

• Cơng tác tuyên truyền nâng cao nhận thức bảo vệ mơi trường

• Hợp tác quốc tế về bảo vệ mơi trường

• Cơng tác thu phí bảo vệ mơi trường đối với nước thải

Như vậy, việc quản lý ô nhiễm không khí ở các khu công nghiệp, khu chế xuất là do HEPZA đảm trách Trong thực tế hiện nay, thành phố HCM đã hình thành 3 KCX và 12 KCN thu hút 1092 dự án đầu tư, trong đó có 452 dự án có vốn đầu tư nước ngoài và 640 dự án đầu tư trong nước với tổng vốn đầu tư trong các KCX, KCN thành phố đến nay là 3.195 triệu USD, kim ngạch xuất khẩu đến nay là

7 tỉ USD với sản phẩm xuất đi trên 50 quốc gia và vùng lãnh thổ Với trên 800 nhà máy đã đi vào hoạt động và số lao động hiện nay trên 200.000 người thì những vấn đề môi trường phát sinh từ các KCX, KCN không những sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng môi trường của thành phố mà ảnh hưởng đến cả lưu vực trong đó có vấn đề ô nhiễm không khí

Theo đánh giá của HEPZA tình hình ô nhiễm không khí và quản lý ô nhiễm nó được đánh giá như sau:

• Chất lượng môi trường không khí tại các KCN bị ảnh hưởng chủ yếu do bụi thải (các doanh nghiệp chế biến gỗ, vật liệu xây dựng …), khí thải, mùi hôi (từ các doanh nghiệp như thuộc da, chế biến thức ăn gia súc, chế biến thuỷ hải sản …), đến nay chưa có số liệu về tình hình xử lý cục bộ các đơn vị phát sinh ô nhiễm không khí

• Tình hình xử lý ô nhiễm khí thải chưa được các doanh nghiệp trong KCN quan tâm, hầu hết khí thải, bụi thải, mùi hôi chưa được xử lý triệt để Việc triển khai đo đạc khí thải từ các ống khói để xác định mức độ ô nhiễm hiện nay chưa áp dụng đại trà do công tác đo đạc phức tạp, kéo dài thời gian và nguy hiểm

Trang 16

Từ đó, HEPZA có đề xuất các biện pháp quản lý ONKK:

• Các doanh nghiệp phải thực hiện các hệ thống xử lý cục bộ bụi, khí thải trước khi chính thức đi vào hoạt động

• Sau khi thực hiện xong các công trình xử lý bụi, khí thải thì DN phải thông báo cho Ban quản lý biết để tổ chức nghiệm thu và chuyển Sở Tài nguyên và Môi trường công nhận

• Các DN phải bảo đảm vận hành thường xuyên các hệ thống xử lý bụi, khí thải và chịu trách nhiệm về sự phát thải của đơn vị mình

• HEPZA và các đơn vị chức năng phải thường xuyên kiểm tra để ngăn ngừa tình trạng phát thải không qua xử lý của các doanh nghiệp

Từ đó, HEPZA đề xuất các biện pháp thực hiện là:

• Ban Quản lý phối hợp Sở Tài nguyên và Môi trường, Chi cục Bảo vệ môi trường xây dựng qui trình quan trắc chất lượng khí thải tại nguồn phát thải (tại ống khói), ban hành văn bản qui định đo đạc chất lượng môi trường tại nguồn phát thải

• Tiến hành đo đạc chất lượng khí thải tại từng doanh nghiệp, áp dụng chương trình tính toán phát tán để xác định mức độ ô nhiễm khí thải

• Phối hợp với các đơn vị chức năng xác định khối lượng phát thải các loại khí thải từ các KCN để đưa ra thị trường mua bán quota khí thải

Các biện pháp trên thật sự là cần thiết nhưng trên thực tế vẫn chưa triển khai được rộng rãi và đồng bộ Lấy ví dụ như khu Công nghiệp Lê Minh Xuân, việc kiểm tra chất lượng không khí đơn giản là mỗi quí một lần, Công ty đầu tư xây dựng Bình Chánh (Đơn vị chủ quản KCN) thuê 1 đơn vị môi trường lấy mẫu khí tại một số điểm như: Ở Khu vực trạm xử lý nước thải tập trung, trước cổng Bưu điện

Láng Le, trước cổng công ty Môi trường xanh ba tháng một lần và báo cáo về các

đơn vị quản lý là: Sở Tài nguyên và Môi trường, Phòng quản lý và xây dựng Môi trường – HEPZA, phòng Tài nguyên và môi trường huyện Bình Chánh (Xem phụ lục)

Chúng ta thấy rằng với tần suất kiểm tra như trên (cũng như vị trí đo đạc) là chưa phù hợp Chúng ta biết rằng quá trình khuyếch tán ô nhiễm không khí không những phụ thuộc vào lượng khí phát thải mà còn phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố khí tượng: tốc độ gió và hướng gió, độ ổn định khí quyển, độ gồ ghề, bức xạ, mây, … Đây là các đại lượng động biến đổi thường xuyên, do đó việc quan trắc ba tháng một lần nhằm đánh giá tình hình ô nhiễm môi trường khí khu công nghiệp là chưa hợp lý

Trang 17

Mặt khác vì kinh phí cho việc giám sát môi trường không khí hiện nay là không nhiều nên không thể tiến hành thường xuyên đo đạc Nhằm giải quyết phần

nào bài toán trên nhóm thực hiện đề tài đề xuất thực hiện “Nghiên cứu xây dựng

mô hình GIS quản lý môi trường - dự báo ô nhiễm không khí phù hợp với qui mô quận huyện Tp Hồ Chí Minh” và lấy thí điểm khu công nghiệp Lê Minh

Xuân

Trang 18

CHƯƠNG 2: MỘT SỐ MÔ HÌNH PHÁT TÁN KHÔNG KHÍ

Mô hình không khí, nói một cách tổng quát, là một mô hình dựa trên các phương trình toán lý cùng với các dữ liệu đầu vào được tính toán và cho kết quả các giá trị nồng độ của chất gây ô nhiễm không khí

Quá trình này được tính toán từ các phát thải ô nhiễm cụ thể trong từng điều kiện khí tượng, địa điểm, khoảng thời gian tương ứng Mô hình không khí được dùng để đánh giá chất lượng không khí trong quá khứ, hiện tại, và tương lai, do thông tin về phát thải đã được lưu trữ

Sự đóng góp của các kiểu nguồn đến các tầng không khí xung quanh có thể dễ dàng suy ra từ các tính toán của mô hình Sai số trong kết quả của mô hình có thể khá lớn, do đặc điểm mô hình và do các tham số đầu vào (số liệu phát thải, đặc điểm khí tượng) Kết quả của mô hình có thể tượng trưng cho một độ giới hạn nào đó Trong đa số mô hình, người ta đưa vào giá trị trung bình theo không gian và thời gian

Mô hình phát tán rất đa dạng: từ những vấn đề khuếch tán vi mô trên đường phố đến những mô hình lớn quy mô xuyên lục địa và quy mô toàn cầu giải quyết các vấn đề phát tán dài hạn và đánh giá khí nhà kính Những mô hình được giới thiệu sơ lược dưới đây chỉ tập trung ở mức độ quy mô khu vực và quy mô vừa mà thôi

2.1 Các phần mềm ứng dụng

2.1.1 Mô hình ADMS (Advanced Dispersion Modeling System) (Carruthers và đồng nghiệp 1995, CERC 1998)

Là mô hình được phát triển dựa trên mô hình Gauss được xây dựng bởi CERC (Cambridge Environmental Research Consultant) ở U.K Mô hình có thể mô phỏng chùm khói liên tục và luồng khói phát thải trong thời gian ngắn Mô hình có thể áp dụng để tính nguồn điểm, nguồn đường, nguồn vùng và có một modul có thể áp dụng để tính toán sự phát thải của xe trên đường phố hẹp Mô hình được kiểm tra dựa trên dữ liệu của Kincaid và Indianapolis, dữ liệu này cũng được dùng để kiểm tra cho mô hình AERMOD (Carruthers và đồng nghiệp, 1995 và 1998) Đối với những nguồn ở những nơi có địa hình phức tạp, ADMS dùng thuật toán FLOWSTAR (Carruthers và đồng nghiệp, 1998) được phát triển để mô phỏng luồng gió và rối ở một số thung lũng và núi

2.1.2 Mô hình AERMOD (AMS/EPA Regulatory Model) (Cimorelli và đồng

nghiệp, 1998)

Là mô hình do AERMIC (AMS/EPA Regulatory Model Improvement Committee) phát triển dựa trên sự hỗ trợ kỹ thuật của Cimorelli và đồng nghiệp,

Trang 19

1998 và được kiểm tra dựa trên dữ liệu của Paine và đồng nghiệp (1998) Mô hình này được đề nghị dùng để thay thế ISC3 và được xây dựng dựa trên mô hình ISC3 Mô hình vẫn giữ lại phương pháp tính trên đường thẳng của ISC3 đồng thời thêm vào một thuật toán tính quá trình rối cho lớp biên khí quyển của tầng đối lưu và tần ổn định Mô hình cũng tính toán động lực của luồng khói nâng lên tương tác với đồ cao nghịch đảo ở trên cùng của lớp đối lưu hòa trộn AERMOD cũng đưa ra một thuật toán cải tiến cho việc tính toán độ nâng của luồng khói và lực nổi và tính toán nhiệt độ, độ rối và gió theo phương thẳng đứng Những thuật toán đó cũng tương tự như ADMS AERMOD cũng có thể xác định được địa hình phức tạp ở trên độ cao phát thải của ống khói

2.1.3 Mô hình ISC3 (Industrial Source Complex Model Version 3) (EPA,1995)

Mô hình này được EPA sử dụng trong mô hình quản lý chất lượng không khí được áp dụng cho nguồn phát thải của nhà máy công nghiệp với địa hình đơn giản Mô hình dựa trên mô hình Gauss cơ bản Dữ liệu khí tượng đầu vào của mô hình đơn giản (Ví dụ: tốc độ gió, hướng gió, độ cao tối đa, độ bao phủ của mây, cấp độ ổn định khí quyển Pasquill-Gifford của mỗi giờ) ISC3 dùng chuỗi các điều kiện khí tượng theo giờ để dự đoán nồng độ tại những điểm đo từ một giờ đến một năm ISC3 gồm những thuật toán để tính toán sự phát thải của nguồn đường và nguồn vùng

Điểm thuận lợi chính của ISC3 so với AERMOD và ADMS là sử dụng đơn giản và khả năng dự báo (Ví dụ: cùng kết quả thu được bởi nhiều người sử dụng khác nhau trong nhiều trường hợp khác nhau) Số dữ liệu khí tượng dùng cho mô hình ISC3 rất ít như tốc độ gió, hướng gió, độ ổn định và độ sâu hòa trộn giả định Địa hình và thông số về nguồn thải Điểm không thuận lợi của mô hình là không thể cung cấp cho mô hình các thay đổi cải tiến của cấu trúc lớp biên khí quyển và kết quả của quá trình khuếch tán rối

2.1.4 Mô hình Episode (Air-QUIS)

EPISODE là dạng mô hình phát tán số kiểu Gauss, mô hình này được nghiên cứu bởi Gronskei và cộng sự (1993) EPISODE là một mô hình khối đặc, 3 lớp (theo chiều đứng) giải quyết những phương trình vận chuyển khuếch tán cơ bản Dựa trên những số liệu phát thải đầu vào phụ thuộc thời gian và phân phối theo không gian, gió và độ bất ổn định, mô hình xuất ra các giá trị nồng độ phụ thuộc thời gian tại bất kỳ điểm tiếp nhận nào trong khu vực mô hình hoá

Những nguồn phân phối theo vùng (dân cư, công nghiệp nhỏ, vv…) được xử lý trên một hệ thống lưới khoảng 0.5-1 km Chồng lên trên hệ lưới này, các nguồn giao thông và nguồn điểm được xử lý bằng những mô hình lưới phụ riêng biệt (phát tán xả thải giao thông nguồn đường của Gauss và mô hình quỹ đạo cụm khói cho

Trang 20

nguồn điểm) Phản ứng hóa học xảy ra giữa NO - NO2 - O3 cũng được tính đến trong mô hình

Khu vực gió đầu vào của mô hình có thể đồng chất hoặc không đồng chất đối với mỗi bước thời gian, phụ thuộc vào dữ liệu khí tượng đầu vào sẵn có

2.1.5 Mô hình AIR-POLL (Air-Pollution Assessment: Khoa Môi Trường –

ĐHKHTN)

Trong nước các nhà khoa học cũng đã xây dựng các mô hình tính toán ô nhiễm không khí dựa theo lý thuyết của GAUSS và Berliand Có các nhóm nghiên cứu chính về các mô hình này như nhóm của GS Lê Đình Quang, Phạm Ngọc Hồ ở Hà Nội (dựa trên lý thuyết của Berliand), nhóm của TSKH Bùi Tá Long ở Hồ Chí Minh (dựa trên lý thuyết của Berliand), nhóm của Bộ môn Tin học Môi Trường –Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM (ứng dụng cả 2 mô hình GAUSS và Berliand)

Đây là mô hình được xây dựng dựa trên sự chọn lọc những ưu và hạn chế của các mô hình thông dụng, đồng thời có tính đến các điều kiện thực tế của VN về CSDL, số liệu đầu vào, ứng dụng GIS , …

Mô hình có thể tính toán các cấp độ ổn định khí quyển một cách tự động dựa trên các dữ liệu nhiều năm của vận tốc gió và hướng gió, bức xạ, độ che phủ mây, phục vụ cho mô hình GAUSS hoặc tính toán các tham số rối K1, K0 phục vụ cho mô hình Berliand Mô hình cũng có thể tính toán phân bố nồng độ các chất ô nhiễm của 1 nguồn điểm cao theo 2 phương pháp GAUSS hoặc Berliand, tính toán nồng độ trung bình do nhiều nguồn thải gây ra, đồng thời kết quả có thể thể hiện trên bản đồ số

2.2 So sánh các mô hình

ADMS và AERMOD có nhiều thành phần tính toán dựa trên cùng một cơ sở

Ví dụ như cả hai đều tính toán vận tốc rối theo phương thẳng đứng của sự khuếch tán trong những điều kiện đối lưu Mặt khác, ISC3 đã sử dụng mô hình Gauss, một mô hình đã được sử dụng rộng rãi trên 30 năm Thuật toán của AERMOD cho kết quả tốt hơn (ví dụ như trong trường hợp xét đến yếu tố địa hình) do đó có thể so sánh tốc độ chạy của mô hình AERMOD với mô hình ADMS Thuật toán downwash trong AERMOD không thay đổi nhiều so với ISC3, ngược lại thuật toán downwash trong ADMS dựa trên kinh nghiệm khi thử nghiệm trong ống tạo gió ADMS là mô hình duy nhất có thể tính toán sự di chuyển và khuếch tán ngay khi phát thải

Bên cạnh đó AERMOD cho phép đưa vào những thông số theo phương thẳng đứng của gió và nhiệt độ Ngược lại ADMS chỉ yêu cầu những thông số được quan sát ở gần mặt đất

Trang 21

ISC3 yêu cầu xác định rõ ràng khu vực được tính là ở nông thôn hay thành thị để có thể xác định sự khuếch tán theo phương ngang và phương đứng (Passquill-Gifford cho nông thôn hay McElroy-Pooler cho thành phố) AERMOD và ADMS có thể thêm vào các điều kiện của bề mặt như hơi ẩm của đất (thông qua tham số Bowen Ratio và Priestle), bề mặt anbedo (thiết lập bán kính của mạng lưới tính toán) độ gồ ghề của mặt đất Độ gồ ghề ảnh hướng đến gió theo phương thẳng đứng và nhiệt độ và tỉ lệ khuếch tán ở lớp bề mặt và một số biến có ảnh hưởng đến sự khuếch tán của những vùng lân cận và những khu công nghiệp khác

ISC3 dùng những dữ liệu khí tượng thông thường để tính toán độ cao của lớp hòa trộn Nếu độ nâng của luồng khói nhỏ hơn độ cao hòa trộn, chùm khói tiếp tục hòa trộn Nếu độ nâng của luồng khói lớn hơn độ cao hòa trộn, chùm khói sẽ không khuếch tán xuống mặt đất ADMS và AERMOD có thuật toán để tính sự thậm nhập từng phần của một luồng khói Số lượng đó tùy thuộc vào lực nổi của luồng khói và cường độ của sự nghịch đảo Những tham số này rất quan trọng đối với lực nổi của chùm khói hay cho từng chùm khói tương tác với nhau ở mức nghịch đảo thấp

Mô hình do Bộ môn tin học môi trường xây dựng (TS Nguyễn Kỳ Phùng, CN Nguyễn Thị Huỳnh Trâm) dựa vào hai mô hình lý thuyết chính của GAUSS và Berliand để xây dựng Vì các số liệu đo đạc khí tượng của chúng ta chỉ đo 4 lần / ngày (trong khi đó trên thế giới đo 5p/lần) cho nên mô hình thiết lập để có thể sử dụng cho các mục đích khác nhau, từ yêu cầu tính giá trị tức thời đến tính trung bình ngày đêm, trung bình mùa,… Phần mềm có thêm các tiện ích tính hệ số rối K0,

K1 cũng như hệ số nhám Z0, các bản đồ hoa gió, bản đồ GIS thể hiện kết quả tính toán, các đồ thị, và nhiều tiện ích khác

Trang 22

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ TOÁN HỌC

Trong chương này chúng tôi đưa ra một số cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc tính toán mô hình của đề tài Dưới đây là sơ đồ mô tả các mối quan hệ giữa yếu tố khí tượng, địa hình, nồng độ và tải lượng thải cũng như mô hình toán học

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả mô hình tính toán

Có nhiều cách để mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm không khí Người ta chia thành hai cách chính như sau:

• Theo mô hình Eulerian

• Theo mô hình Lagrangian

Mỗi phương pháp đều có những thuận lợi và khó khăn riêng trong việc mô

Địa hình Gió

Khí hậu

Không ổn định Bền vững

Nồng độ (bụi lắng)

Phát thải

Q (x,y,z,t)

Gió u,v,w (x,y,z,t)

Bình lưu

Khuếch tán

Các quá trình hóa lý

Thống kê nồng độ

Trong khí quyển Đo đạc hay dự

đoán Ước lượng Thủ tục mô hình

Trang 23

Eulerian gắn liền với một hệ tọa độ cố định Trong khi đó mô hình Lagrangian gắn liền với sự dịch chuyển của không khí

Hình 3.2 (a) Hệ tọa độ trong mô hình Eulerian (b) Hệ tọa độ trong mô hình

Lagrangian

Các học giả ở Longhetto đã nghiên cứu về hai phương pháp này và đưa ra một

sơ đồ về các mối quan hệ giữa hai phương pháp vào năm 1980 (Hình 3.1)

3.1 Mô hình Eulerian

Phương pháp này dựa trên định luật bảo toàn khối lượng của nồng độ một chất ô nhiễm c(x,y,z,t) (Lamb, Longhetto, 1980)

2

t

∂ = − ∇ + ∇ +

∂ (3.1) Trong đó:

V: vectơ gió (u,v,w)

D: hệ số khuếch tán ( ~1.5.10-5m2s-1 đối với khí)

S : thành phần tải lượng gia nhập vào

Chúng ta giả sử rằng vận tốc gió V là tổng của thành phần vận tốc trung bình và thành phần vận tốc dao động

Trang 24

Đồng thời chúng ta cũng giả sử c = <c> + c’ (3.3)

Ký hiệu <> là tập hợp trung bình Thay (3.2) và (3.3) vào phương trình (3.1) ta có

Theo thuyết K ta có <c u' ' > = − ∇ < >K c (3.5)

Trong đó K là một tenxơ khuếch tán rối (3 x 3) được tính toán dựa trên mô hình khí tượng hay đo đạc khí tượng

Với một số giả thuyết như

a) Tenxo K là chéo

b) Phân tử khuếch tán không đáng kể

c) c là nồng độ của các chất ô nhiễm không xảy ra phản ứng

Phương trình (3.4) với những giả thuyết được cho ở (3.5) và một số giả thuyết như trên trở thành phương trình

Trang 25

Hình 3.3 Sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa hai mô hình Eulerian và Lagrangian (Lamb, Longhetto,1980)

Định lượng

p dùng mô hình số rối

Định lượng p dùng các tiên đề Sử dụng lý thuết rối lý thuyết để

tính K

Sử dụng công thức giải tích hay công thức bán thực nghiệm Tính p theo

phương pháp thông thường

Tíùnh p theo phương pháp Markow Mô hình

Trang 26

Trong đó Q là tải lượng phát thải chất ô nhiễm, zs là chiều cao thực tế của nguồn thải, ∆hlà độ nâng của luồng khói, δ là toán tử Kronecker Với điều kiện biên như trên trong điều kiện ổn định, phương trình (3.6) trở thành phương trình

Trong đó <c(r,t)> là nồng độ trung bình tại r ở thời điểm t

S(r’,t’) là nguồn thải P(r,t| r’,t’) là hàm mật độ xác suất mô tả sự dịch chuyển của khối không khí từ r ở t dẫn đến r’ ở t’ Trong đó với bất kỳ r’ và t’>t

( , | ', ') 1

p r t r t dr≤

∫ (3.10) Nếu quan tâm đến các chất hóa học và hiện tượng phân hủy thì giá trị của phương trình (3.10) sẽ kém hơn 1, ngược lại nếu bảo toàn khối lượng thì giá trị ở phương trình (3.10) sẽ là 1 Đối với chất ô nhiễm chính S(r’,t’) > 0 tại điểm r’ khi chất ô nhiễm được thải ra (ví dụ như tại điểm phát thải của ống khói) Đối với chất ô nhiễm thứ 2 S(r’,t’) có thể bằng 0 Thường rất khó tính toán toàn bộ sự phát thải S(r’,t’) từ −∞ ≤ ≤t' t Phương trình (3.9) có thể được viết thành tổng của hai tích phân

Tham số chính cần phải tính ở phương trình trên là hàm mật độ xác suất

p Seinfeld (1775) đã chứng minh hàm mật độ xác xuất p có phân bố Gaussian

3.3 Mô hình Gauss

3.3.1 Phương pháp Gauss

Chúng ta đã biết nồng độ trung bình của một chất được thải ra bởi một nguồn điểm trong điều kiện lý tưởng có phân bố Gauss Khi đó phương trình Gauss là phương trình mô tả sự phân bố nồng độ trung bình của một chất được thải ra từ nguồn điểm cao liên tục

Trang 27

Biểu thức Lagrangian cơ bản về nồng độ trung bình như sau:

Trong đó phương sai σ σ σx2 , y2 , z2 là hàm theo thời gian t - t’

Tiếp theo ta xét đến điều kiện miền hữu hạn Với những ứng dụng về không khí, ta xét đến điều kiện biên z = 0 Khi z = 0 người ta chỉ ra được rằng

Q phụ thuộc vào z:

Phương trình 3.13 được viết lại như sau:

b) 0 z H≤ ≤ (không có sự khuếch tán ngang qua z = H)

2/ Theo sự khuếch tán chất và bề mặt

a) Phản chiếu toàn phần

b) Hấp thụ toàn phần

c) Hấp thụ một phần

Sau đây chúng ta sẽ xét điều kiện biên 0 z≤ ≤ ∞

Trang 28

Nghiên cứu xây dựng mô hình GIS quản lý môi trường – dự báo ô nhiễm không khí

phù hợp với qui mô quận huyện Tp.HCM

Phản chiếu toàn phần ở z =0

Chúng ta giả sử rằng nồng độ tại bề mặt z = 0 được tính bằng cách thêm

vào nồng độ được thải ra từ một nguồn giả định là z = -z’ và từ nguồn z = z’

trong vùng z > 0 Khi đó Qz có dạng

Hấp thụ toàn phần ở z = 0

Nếu trái đất là một thiết bị hấp thụ hoàn hảo, nồng độ chất ở vị trí z = 0

là 0 Công thức Qz có thể được tính theo cùng phương pháp nguồn ảo ở –z’,

thêm một thay đổi đó là chúng ta giả sử sự phân bố từ nguồn ảo ở -z’ giống

như nguồn ở z’ Khi đó

Trong trường hợp hấp thụ một phần ở z =0 không thể xét theo cùng

phương pháp nguồn ảo bởi vì một phần chất bị phản chiếu, một phần bị hấp

thụ

Nồng độ trung bình từ một nguồn điểm liên tục có nồng độ q ở độ cao h

trong trường hợp phản chiếu toàn phần như sau

(3.18) và (3.19) chính là phương trình phân bố nồng độ Gauss

Chúng ta đã có được mô hình Gauss cơ bản cho việc tính toán nồng độ

trung bình do nguồn điểm cao gây ra Tuy nhiên chúng ta cần chú ý rằng, điều

kiện để các phương trình trên đúng là lý tưởng, vì thế các phương trình này

không thể áp dụng vào nhiều trường hợp thực tế khác nhau Tuy nhiên, do

Trang 29

phương trình này khá đơn giản nên nó được sử dụng rộng rãi Lý do phương

trình này không thể áp dụng được vào nhiều trường hợp khác nhau là do hệ số

,

y z

σ σ dùng để tính toàn nồng độ được tính toán dựa theo kinh nghiệm trong

những điều kiện xấp xỉ nhau Trong phần này sẽ nói về một vài kết quả trong

việc thiết lập các hệ số khuếch tán

a Sự tương quan giữa σ σy, z dựa trên Thuyết đồng dạng

Pasquill(1971) đưa ra một định nghĩa để tính toán σ σy, z Định nghĩa này

vẫn giữ lại những đặc điểm quan trọng của thuyết thông kê theo Taylor nhưng

vẫn tuân thủ nghiêm ngặt theo phương pháp Eulerian

F Flà hàm phổ dụng của tập các tham số để chỉ ra đặc điểm của lớp

biên khí quyển Dạng chính xác của F F y, z được tính toán từ dữ liệu

,

y z

F F phụ thuộc vào vận tốc ma sát u *,độ dài Monin-Obukhov L, tham số

Coriolis f, độ sâu lớp hòa trộn z i , tỉ lệ vận tốc đối lưu w * , độ ghồ ghề z 0, và độ

cao của chất ô nhiễm được thải

Do đó phương sai σ σ2y, 2zđược xem như hệ số được tính toán theo kinh

nghiệm σ σy, z trong điều kiện ổn định, chuyển động đồng nhất được dựa trên

phân bố Gaussian

Hầu hết những kinh nghiệm để xác định giá trị của σ σy, z đều dựa vào

những dữ liệu đo đạc tại mặt đất Những dữ liệu khi đo đạc cung cấp chính

xác giá trị của σy, trong khi đó σzđược xác định dựa trên sự phân bố theo

chiều thẳng đứng Bên cạnh đó biểu thức Gaussian cho sự phân bố nồng độ

theo chiều đứng không giống như sự phân bố trên mặt đất Do đó việc xác

định σztrở nên khó khăn hơn σy

Irwin(1979) đã đưa ra hai công thức về σvvà Fy như sau

1 3

Trang 30

i

u t

T

Fy

z t

Trong trường hợp không ổn định hay điều kiện đối lưu là trường hợp đặc

biệt để xác định sự phân bố nồng độ Vì dưới điều kiện đối lưu, năng lượng bị

xoáy trong lớp tỉ lệ hòa trộn với z i, tỉ lệ thời gian liên quan đến sự khuếch tán

z i /w * Trong điều kiện này, Irwin (1979) đưa ra công thức σw=w G z z* ( / )i

Trong đó

0.333 0.175 0.207

Tiếp theo để tham số hóa các hệ số khuếch tán đứng, ta cần xác định Fz

Trong điều kiện trung tính và rất ổn định, Draxler (1976) đưa ra một công

thức xác định Fz như sau

1 1 2 0 1 0.8 0

Trang 31

b Sự tương quan của σ σy, z dựa trên cấp độ ổn định Pasquill

Mối tương quan giữa σ σy, z và cấp độ ổn định khí quyển Pasquill được đưa ra bởi Gifford (1961) Tuy nhiên để thuận lợi cho việc tính toán, một số công thức tính toán dựa trên kinh nghiệm được đưa ra như sau: (chỉ áp dụng trong phạm vi 10km)

0.306 0.886 0.072 1.021

0.230 0.855 0.076 0.879

0.219 0.764 0.140 0.727

0.237 0.691 0.217 0.610

0.273 0.594 0.262 0.500 Pasquill

-1.634 1.0350 -0.0096 -1.999 0.8752 0.0136

-2.054 1.0231 -0.0076 -2.341 0.9477 -0.0020

-2.555 1.0423 -0.087 -3.186 1.1737 -0.0316

-2.754 1.0106 -0.0064 -3.783 1.3010 -0.0450

-3.143 1.0148 -0.0070 -4.490 1.4024 -0.0540

c Độ nâng của chùm khói (∆h)

Để chắc chắn khí thải được thải ra khỏi ống khói sẽ đưa lên cao, vượt ra ngoài ống khói Khí thải thường được thải với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ của không khí xung quanh và một động năng ban đầu Do đó luồng khói có xu hướng bốc thẳng đứng lên trên Luồng khói chịu tác dụng của lực nổi do chênh lệch nhiệt độ Cùng với các lực nâng, luồng khói sẽ chịu tác dụng của lực gió nằm ngang Khi nhiệt độ của luồng khói đã cân bằng với nhiệt độ của không khí do quá trình hòa trộn và động năng ban đầu đã bằng không, luồng khói sẽ có phương nằm ngang song song với hướng gió thổi Lúc này đỉnh cao nhất của luồng khói sẽ nằm cách ống khói một khoảng cách nhất định theo chiều gió Chiều cao tính bắt đầu từ miệng ống khói đến đỉnh cao nhất của luồng khói được xem như là độ nâng của luồng khói

Chiều cao hiệu quả của ống khói là H = + ∆h h (3.31)

Trang 32

h là chiều cao thực của ống khói

Hình 3.4 Luồng khói từ nguồn điểm cao trong hệ trục Oxyz

• Một số công thức tính∆h

Công thức trên có thể phân biệt thành 2 thành phần:

Trong công thức trên:

D - đường kính của miệng ống khói, m;

ω- vận tốc ban đầu của luồng khói tại miệng ống khói, m/s

u - vận tốc gió, m/s;

Tkhoi - Nhiệt độ tuyệt đối của khói tại miệng ống khói, K;

Trong đó L – là lưu lượng khí thải (m3/s)

S – Diện tích miệng ra của ống thải (m2)

Trang 33

3.4 Mô hình Berliand

Ở Liên Xô cũ, những công trình nghiên cứu lý thuyết về khuyếch tán

được tiến hành ở Đài Địa lý - Thiên văn Trung ương dựa trên phương trình vi

phân của quá trình khuyếch tán từ nguồn điểm cao được viết dưới dạng:

2 2

C - Nồng độ chất ô nhiễm

u - Vận tốc gió

ω - Vận tốc theo phương thẳng đứng của chất ô nhiễm

kz và ky - lần lượt là hệ thống trao đổi theo phương đứng và phương

ngang

α - Hệ số xác định sự thay đổi nồng độ chất ô nhiễm do phân huỷ

hoá học hoặc do gội sạch bởi mưa, sương

Các giả thiết ban đầu được thừa nhận là: nguồn điểm được đặt ở độ cao z

= H (khi x = 0); có sự phản xạ hoàn toàn chất ô nhiễm từ mặt đất ; nồng độ

chất ô nhiễm tiến dần đến triệt tiêu ở khoảng cách tương đối xa so với nguồn

3.4.1 Đối với khí và bụi nhẹ

Với các giả thiết như trên, Berlaind đã chứng minh và đưa ra các kết quả

sau:

Nồng độ ô nhiễm trên mặt đất của khí và bụi nhẹ:

1 2 0

1 (1 ) 4 ( , , 0)

1 02(1 )

+

=

Trong các công thức trên:

u1 – là vận tốc gió ở độ cao z = 1m, m/s

n = 0.15 ÷ 0.2

Trang 34

k1= 0.1 ÷ 0.2 m/s

k0= 0.5 ÷ 1 m

• Công thức tính vận tốc ở độ cao z:

10 10

uz - Vận tốc gió ở độ cao z

u10 - Vận tốc gió ở độ cao 10m

3.4.2 Đối với bụi nặng cỡ hạt đồng chất

Nồng độ bụi trên mặt đất:

1 2 0 1

r v

n k

λ= + (3.40) Nồng độ bụi cực đại trên mặt đất:

1 max 1.5(1 )

λλ

+ +

1 (1 ) (1.5 )

n M

u H x

+

=

Trong đó Γ +(1 λ) là hàm số Gamma của (1+λ)

Để kể đến ảnh hưởng của khuyếch tán rối trong trường hợp trời không

gió, Berlaind và Kurebin đã đưa ra phương trình sau đây trong hệ toạ độ trụ:

- Sự phân bố nồng độ ô nhiễm trên mặt nằm ngang và có tính đối

xứng qua tâm nguồn cho nên R 0 C 0

Trang 35

(1 ) / 2 (1 ) / 2 2 (1 ) / 2 (1 ) / 2 2 1

1 2

4 (1 )

k a

Trang 36

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG WEB-GIS

4.1 Bài toán quản lý dữ liệu không khí và mô phỏng hiện trạng ô nhiễm

4.1.1 Bài toán quản lý dữ liệu không khí

Hiện nay, tình hình ô nhiễm không khí đang diễn biến ngày càng phức tạp Vì sự pháp triển bền vững chung của nhân loại, con người ngày càng quan tâm nghiên cứu về ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm không khí nói riêng, việc quan trắc, ghi nhận hiện trạng ô nhiễm cần được tiến hành một cách thường xuyên liên tục Nhằm kịp thời ghi nhận những biến đổi theo chiều hường xấu đi của môi trường và có những chính sách điều chỉnh, quản lý, xử lý kịp thời

Tuy nhiên, các số liệu quan trắc phải được sử dụng như thế nào cho hợp lý là một câu hỏi lớn, ngoài việc lưu trữ các số liệu đó theo nhiều năm để có cái nhìn tổng quát về sự biến đổi môi trường, các số liệu đó được số hóa và đưa vào các chương trình tính toán ô nhiễm Các chương trình này được phát triển ngày càng nhiều, được viết bằng nhiều ngôn ngữ bởi nhiều cá nhân hay tổ chức khác nhau với nhiều dạng mô hình toán Các chương trình này đang góp phần tích cực vào công tác quản lý môi trường, đưa ra một cái nhìn tổng quát về hiện trạng ô nhiễm, nhiều chương trình tính có tích hợp và phỏng trên GIS nên cung cấp cho người dùng cách nhìn trược quan hơn

Tuy nhiên quá trình từ việc đo đạc các thông số ô nhiễm từ hiện trường

Ỉ gửi về trung tâm Ỉ số hóa và đưa vào mô hình toán theo cách truyền thống từ trước đến nay vẫn tồn tại gặp nhiều trở ngại và không khoa học Cụ thể như sau:

• Phát sinh nhiều bước trung gian, những bước trung gian này có thể dẫn đến các sai số chủ quan, làm sai lệch các số liệu quan trắc Ví dụ: Nhân viên quan trắc sau khi đo đạc từ hiện trường về Ỉ số hóa lần 1 Ỉ in ra văn bản Ỉ Fax về trung tâm Ỉ trung tâm tiếp nhận Ỉ số hóa lần 2 Ỉ Đưa vào chương trình tính Với những bước trung gian như vậy, sai số chủ quan phát sinh do phải do số hóa nhiều lần là không trách khỏi Ngoài ra có nhiều cách truyền dẫn số liệu khác đều gặp tình trang tương tự

• Tốn kém thời gian, với nhiều bước trung gian như nhìn thấy ở ví dụ trên, để trung tâm có thể tiếp nhận được số liệu và đưa vào chương trình tính phải tốn kém nhiều thời gian Tính tức thời của các số liệu không được bảo đảm, không mô phỏng và phản ánh một cách kịp thời hiện trang ô nhiễm

Trang 37

• Tốn kém tiền bạc và công sức, với cách làm truyền thống như trên đòi hỏi phải tốn thêm nhân lực đi kèm mới bảo đảm được tính thông suốt của công việc, ngoài nhân viên ở trạm, cần có nhân viên tiếp nhận và xử lý số liệu ở trung tâm, trung tâm càng lớn thì cần nhiều nhân viên hơn

• Dữ liệu và kết quả tính toán chỉ mang tính cục bộ, nếu có chia sẻ chỉ dừng lại ở mức độ trung tâm Việc một người dân thường có được những thông tin về hiện trạng ô nhiễm là điều rất khó khăn Ngượi lại, nếu thông tin đó có tính công cộng hơn, ít nhất là cho người dân thấy được hiện trạng ô nhiễm môi trường nơi họ đang sống, trên cơ sở đó có biện pháp đề phòng, giảm thiểu ô nhiễm kịp thời

• Trên thế giới còn có một cách thức quan trắc rất hiện đại, đó chính là lắp đặt các trạm quan trắc tự động, ở thành phố HCM chỉ có 1 số trạm được lắp đặt

Với những rào cản trên đòi hỏi việc cải tạo qui trình truyền tải số liệu quan trắc và tạo ra một chương trình tính toán mới linh động hơn là một yêu cầu cần phải làm đối với các nhà quản lý môi trường và lập trình viên

4.1.2 WEBGIS - Sự lựa chọn tối ưu cho quản lý dữ liệu môi trường khí

Như trong các chương trên đã giới thiệu, WEBGIS phải bảo đảm tính năng là hiển thị bản đồ, khi người dùng có những hành động giao tiếp với bản đồ từ máy trạm (phóng to, thu nhỏ bản đồ, trồng lớp, tắt lớp, truy vấn …) khi đó máy chủ sẽ tiến hành các bước xử lý và xuất ra bản đồ mới ứng với các hành động đó

Nếu như những gì đã mô tả thì WEBGIS đơn giản chỉ là trang hiển thị bản đồ Tuy nhiên, ứng dụng WEBGIS trong môi trường lại mang lại những liệu quả vô cùng lớn Trong thời đại ngày nay, khi làm công tác môi trường, thuật ngữ GIS được xử dụng nhiều, những phần mềm mô phỏng hiện trạng ô nhiễm, đánh giá tác động, quản lý môi trường … Yêu cầu kết hợp GIS như một yêu cầu bắt buộc, vì cách thể hiện kết quả tính toán thông qua bản đồ sẽ cho ra một cái nhìn trực quan hơn về hiện trạng ô nhiễm Chính yếu tố đó sẽ góp phần làm cho công tác quản lý và qui hoạch môi trường được thuận tiện và nhanh chóng hơn Khi xây dựng WEB , chúng tôi dự kiến không dừng lại ở việc thể hiện GIS lên WEB mà kết hợp WEBGIS để xây dựng nên website quản lý dữ liệu không khí Kết quả sau cùng là tạo ra một công cụ mới để quản lý dữ liệu không khí linh động hơn và khắc phục những rào cản mà nếu tiến hành theo cách truyền thống gặp phải - như đã trình bày trong mục trên

Do vậy, câu hỏi đặt ra là WEBGIS quản lý dữ liệu không khí đã làm được gì để khắc phục rào cản trên?

Trang 38

• Khi sử dụng trang web cập nhật dữ liệu không khí sẽ góp phần rút ngắn các giai đoạn mà theo cách truyền thống gặp phải Cụ thể là khi quan trắc viên khi đo đạc các thông số ô nhiễm ngoài hiện trường, anh ta sẽ dùng web gửi dữ liệu về trung tâm Và các số liệu đó được đưa trực tiếp

cơ sở dữ liệu của trung tâm mà không phải thông qua một cá nhân nào để tiếp nhận và xử lí số liệu Hệ qủa tất yếu là hạn chế đến mức thấp nhất sai số chủ quan do nhầm lẫn trong quá trình đọc và ghi số liệu

• Cùng với việc rút ngắn các bước trung gian, thời gian truyền tải số liệu cũng được rút ngắn lại Việc gửi số liệu qua web đồng nghĩa với việc số liệu được chuyển tức thời từ quan trắc viên vào cơ sở dữ liệu không khí được lưu trên máy chủ của trung tâm Sự nhanh chóng này làm cho dữ liệu không khí luôn được cập nhật, do vậy sẽ phản ánh một các gần đúng nhất hiện trạng ô nhiễm tại thời điểm quan sát

• Việc dùng web cập nhật dữ liệu sẽ tiết kiện được lượng nhân lực đáng kể, do “e-kip” làm công việc này sẽ gọn nhẹ hơn Số tiền đáng lí phải trả cho nhân lực làm công việc tương tự theo cách cũ thì có thể dùng nó vào việc khác Ví dụ đưa vào quĩ bảo vệ môi trường… Do vậy sẽ tiết kiệm ngân sách quốc gia

• Khi đưa dữ liệu không khí lên internet khắc phục được tính chất cục bộ của vốn có, với yếu tố này, việc chia sẽ dữ liệu không còn khó khăn nữa mà thuật tiện và nhanh chóng hơn Mọi người có thể truy cập vào web và khai khác thông tin hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí

• Việc tích hợp GIS vào web là một bước tiến quan trọng, WEBGIS là một công nghệ mới, chỉ được phát triển trong thời gian gần đây Đã có rất nhiều phần mềm ứng dụng về GIS Tuy nhiên các ứng dụng này chỉ chạy trên máy tính cục bộ nên hạn chế trong việc chia sẽ thông tin, với sự thể hiện được GIS trên web một mặt mang lại cho người xem cái nhìn trực quan hơn về hiện trạng ô nhiễm Mặt khác thông tin GIS có tính công cộng hơn, không bó hẹp như các ứng dụng GIS khác

• Các số liệu dùng webgis cập nhật đã được thống nhất theo một định dạng nhất định, thống nhất về đơn vị, thống nhất cách trình bày và sắp xếp số liệu … sự thống nhất này do ngườøi lập trình web hoạch định trong khi thiết kế CSDL, do vậy mà các số liệu khi gửi về có thể bỏ ngay vào mô hình toán mà không cần phải qui đổi, sắp xếp lại Điều này sẽ tiết kiệm nhiều thời gian hơn

Tuy nhiên một điều không thể phủ nhận đó là việc đưa dữ liệu không khí lên môi trường internet sẽ có những rủi ro nhất định, cụ thể như bị

“Hacker mũ đen tấn công” website là trường hợp thường hay gặp Do đặc thù

Trang 39

các dữ liệu này rất quan trọng, không chỉ có giá trị tức thời mà có giá trị trong nhiều năm, đặc biệt có ý nghĩa đối với công tác dựï báo môi trường Với tính chất quan trọng như vậy website đòi hỏi tính bảo mật cao, việc sao lưu dữ liệu cần được tiến hành thường xuyên, định kỳ nhằm bảo đảm an toàn dữ liệu

Hình 4.1 Mô hình quản lý dữ liệu không khí bằng WebGIS

Trên đây là sơ đồ miêu tả quá trình từ việc quan trắc số liệu cho điến việc làm sau cùng là tính toán trên mô hình và hiển thị kết quả với sự hỗ trợ của WebGIS

4.1.3 Xác định các yêu cầu cho WEBGIS

• Yêu cầu về quản lý dữ liệu không khí, thông qua web, người ta có thể cập

nhật dữ liệu không khí, ngoài ra còn có thể thêm, bớt, sửa chửa, thay đổi các số liệu, nói chung là có quyền quản lý dữ liệu không khí bằng công

cụ web

• Yêu cầu thể hiện GIS, việc thể hiện bản đồ lên trên web không phải là

bản đồ tĩnh, vì khi nói đến WEBGIS, bản đồ đó phải đáp ứng nhữ yêu cầu, là có nhiều lớp bản đồ, có thể bật, tắt lớp các lớp bản đồ, có thể

phóng to, thu nhỏ, di chuyển bản đồ và thực hiện các truy vấn

• Yều cầu nội dung, không dừng lại ở việc thể hiện bản đồ và quản lý dữ

liệu không khí, website cần bảo đảm những tiện ích kèm theo, trong website này sẽ phát triển thêm một số liện ích, cụ thể là module tin tức, liên kết, liên hệ, góp ý, tiện ích, nhắn tin, tự giới thiệu… những module này thống nhất trong webgis và kiêm luôn chức năng là trang chủ(portal)

Trang 40

cho các trung tâm, viện sử dụng nó Do vậy, khi có trọn gói trang web

này, các trung tâm không cần phải thuê người thiết kế trang web riêng

Hiện nay, công nghệ web là một lĩnh vực rất nóng trong lĩnh vực công nghệ thông tin, khi mà Internet vươn ra khắp mọi nơi, ngóc ngách Những trang web ngày nay không còn đơn điệu như những năm trước, khái niệm trang “web động” ra đời tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghệ web, khi truy cập vào một trang web với dữ liệu động, con người có thể thao tác dữ liệu với website, thay đổi nội dung và hình thức website, và những tiện ích cao cấp khác Để hỗ trợ phát triển web động, các công ty phần mềm đã cho xuất xưởng nhiều ngôn ngữ lập trình web như PHP, ASP, ASP.NET, JSP… ứng với từng ngôn ngữ có một hệ quản trị CSDL tương ứng, ví dụ: PHP có MySQL, ASP có SQL server… mỗi ngôn ngữ có thế mạnh riêng

Trong quá trình tìm hiểu và khảo sát chúng tội đã quyết định chọn ngôn ngữ PHP làm ngôn ngữ để phát triển web này

Nhìn một cách tổng thể ta nhận thấy với sự ra đời của ASP.NET mới hơn ASP, với ngôn ngữ này sẽ giúp phát triển web dễ dàng, bảo mật hơn và có nhiều tiện ích, dịch vụ hơn PHP là ngôn ngữ dễ dàng trong lập trình hơn do tính nhỏ gọn, tiện dụng nhưng khả năng tùy biến rất cao Tuy nhiên, nếu xét về tốc độ truy xuất web, PHP tỏ ra nhanh chóng hơn Điều này cũng dễ hiểu khì ASP chạy trên hệ điều hành WINDOWS Do vậy, ngoài việc phải đáp ứng xử lí cho truy xuất web, hệ thống còn phải đảm nhận những xử lý mang tính hệ thống của hệ điều hành, như xử lí đồ họa, chạy các dịch vụ kèm theo PHP sử dụng hệ quản trị CSDL MySQL với tốc độc truy xuất nhanh so với SQL server nặng nè hơn Yêu cầu phần cứng nền Linux chạy ngôn ngữ PHP không cao

4.2 Giới thiệu về WEBGIS

WebGIS là hệ thống thông tin địa lý phân tán trên một mạng các máy tính để tích hợp, trao đổi các thông tin địa lý trên World Wilde Web Trong cách thực hiện nhiệm vụ phân tích GIS, dịch vụ này gần giống như là kiến trúc Client-Server của Web Xử lý thông tin địa lý được chia ra thành các nhiệm vụ ở phía server và phía client Điều này cho phép người dùng có thể truy xuất, thao tác và nhận kết quả từ việc khai thác dữ liệu GIS từ trình duyệt web của họ mà không phải trả tiền cho phần mềm GIS

Một client tiêu biểu là trình duyệt web và server-side bao gồm một Web server có cung cấp một chương trình phần mềm WebGIS Client thường yêu cầu một ảnh bản đồ hay vài xử lý thông tin địa lý qua Web đến server ở xa Server chuyển đổi yêu cầu thành mã nội bộ và gọi những chức năng về GIS

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	4 MB

nghiên cứu xây dựng mô hình gis quản lý môi trường – dự báo ô nhiễm không khí phù hợp với qui mô quận huyện thành phố hồ chí minh

Xác định các yêu cầu cho WEBGIS

Tính tốn nồng độ ơ nhiễm khơng khí