Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải ở Cầu Giấy

Luận văn về tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải ở Cầu Giấy

Trang 1

MỞ ĐẦU

Hoạt động sống của nhân loại phát triển rất nhanh, cả về

lượng và chất, trong thời gian cuối và đã đến lúc người ta nghĩ

về cái nôi của mọi sự phát triển của môi trường Ô nhiễm môi

trường là một trong sự phát triển nhanh nhất mà con người đã

tạo ra Quá trình ô nhiễm có thể sơ đồ hóa bằng ba mắt xích:

Nguồn – Truyền tải – đối tượng, trong đó mắt xích thứ hai vấn

đề chất thải trở thành vấn đề môi trường Cơ hoc môi trường

hiện nay là sự nghiên cứu sự truyền thải, phát tán các chất gây ô

nhiễm trong không khí, nước có xét đến đặc tính của nguồn tải,

các quá trình vật lý, hóa học, sinh học kèm theo… Áp dụng

việc mô hình hóa quá trình truyền tải, phát tán các chất gây ô

nhiễm trong môi trường không khí vào đồ án độc lực học môi

trường không khí bài toán: Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm

từ nguồn thải do giao thông đoạn đường : Cầu Giấy – Cầu Vượt

Đại học Quốc Gia Hà Nội Hiện nay có ít nhất 3 mô hình tính

toán ô nhiễm môi trường không khí :

1- Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết gauss

2- Mô hình thống kê thủy động của Berliand

3- Mô hình khuyếch tán rối

Có lẽ mô hình thích hợp để phản ánh đầy đủ hiện tượng lan

truyền các chất ô nhiễm từ một nguồn thải ra môi trường xung

quanh là mô hình gauss Tác động ô nhiễm từ một nguồn phát

thải được biểu diễn bằng sự phân bố nồng độ các chất trong

không gian 3 chiều (x,y,z) Trong thực tế trục của nguồn phát là

Trang 2

không ổn định, nhưng ta có thể xem nó dao động quanh một vị trí một đường trủc trung bình Nồng độ ô nhiễm phân bố trên các mặt cắt đứng theo hàm Gauss và đối xứng trục nguồn phát thải Phương trình khuyếnc tán Gauss phụ thuộc vào cường độ thải các nguồn, tác động gió, chiều cao và đặc biệt là điều kiện khí quyển Chính vì sự lan truyền chất ô nhiễm ra môi trường xung quanh rất nhạy cảm với điều kiện khí quyển và mô hình Gauss với sự phát triển của Sutton hay Pasquill phản ánh được yếu tố đó nên ta sẽ chọn mô hình này để trình tính toán tác động môi trường

Trong phạm vi đồ án này là việc xác định nồng độ khí gây ô nhiễm (chỉ xét khí CO2) Số liệu nguồn thải ở đây được lấy từ file Hà Nội.ASC Công việc tính toán và xây dựng mô hình cũng dựa trên phần mền ISCT3 và phần mềm SUFFUR6 Đặc trưng xây dựng phần mềm ISCT3 đó là sử dụng mô hình Gauss Áp dụng điều kiện gauss vào xây dựng tính toán ô nhiễm môi trường là một phương pháp hiệu quả vì ta nhận thấy các điều kiện của bài toàn phù hợp với điều kiện áp dụng mô hình gauss

Ở đây chúng ta dùng phương pháp chia lưới trên vùng bản

đồ khảo sát Độ phân giải tuỳ thuộc vào yêu cầu độ chính xác cần cho kết luận Ta dùng độ rộng của ô lưới là 10 m, và lấy giá trị nồng độ trung bình trên ô lưới đó Mảng chia lưới có chiều rộng khoảng 10 km Để có được bản đồ mầu thể hiện các vùng

có nồng độ khác nhau, phần mểm viết cho GIS Căn cứ vào tình hình thời tiết như vận tốc gió, độ mây, độ bức xạ để chọn cấp

độ ổn định khí quyển Trên cơ sở đó, ta tính toán sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất theo mô hình Gauss bằng một giao diện viết bằng Delphi chạy trong môi trường MapInfo

Trang 3

ĐỒ ÁN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO BA CHƯƠNG

Chương I : Mô hình tính toán ô nhiễm theo mô hình gauss

+ Các tính Chương II : Áp dụng tính toán cho nguồn thải

+ Nguồn thải do giao thông + Xây dựng bài toán

+ Vị trí nguồn thải + Chất thải

+ Hệ tọa độ tính toán + Số liệu khí tượng + Xây dựng tham số đầu vào ISCT3

+ Theo tháng + Theo mùa + Thay đổi thong số nguồn

Chương III : Kết quả tính toán, nhận xét so sánh kết quả

Trang 4

Chương I

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN Ô NHIỄM THEO MÔ

HÌNH GAUSS I.1.1 Phân bố gauss

Mô hình gauss mặc dầu có những hạn chế, mô hình Gauss vẫn rất phổ biến do tính đơn giản của nó, trong khi kết quả đưa

ra là chấp nhận được Mô hình này đựoc sử dụng như cơ sở của việc điều hành sử dụng mô hình hóa chất lượng môi trường không khí ở Úc và một số nứớc khác Và hàm phân bố chuẩn Gauss là nguồn gốc căn bản cho tính áp dụng của nó

Hàm phân bố chuẩn hay phân bố Gauss là nghiệm của phương trình khuyếch tán Fick kết hợp với biểu thức khuyếch tán bình phương trung bình của hạt ta có :

σ = σ (3) Trong đó f là hàm số khuyếch tán chung được đưa ra, trên cơ

sơ của hầu hết các công thức thực tế vê khuyết tán luồng thải

Trang 5

Mô hình khuyếch tán gauss được ứng dụng chỉ trong giới hạn thời gian khuyếch tán đủ lớn và đối với điều kiện đồng nhất dừng phù hợp với phương trình Fick đơn giản

Giả thiết vật chất thải ra tức thời từ một nguồn thải điểm khuyếch tán trong không gian 3 chiều Xét quá trình đẳng hướng :

c x y z t

σ πσ

Trong đó:

r = x ut− +y +z (5)

c nồng độ (g m/ 3)

2

σ là độ lệch của phân bố đối với trường hợp không đẳng hướng:

Trang 6

Hình 1.1.Hệ tọa độ biểu diễn phân phối Gauss theo chiều ngang

và đứng

Trường hợp ống khói phát thải liên tục có thể xấp xỉ bằng cách coi luồng thải liên tục như là tổ hợp của các chùm thải có nghĩa là luồng thải xem như sự cộng vô hạn các chùm thải trung bình chồng lên nhau , và dịch chuyển dọc trục x với vận tốc u Mỗi chùm thải trên thực tế là tổ hơp trung bình theo nhiều chùm thải khuyếch tán trong thời gian t và đạt tới điểm (x,0,0) Về mặt toán học điều này tương đương với việc lấy tích phân biểu thức (6) từ 0 đến ∞ Tuy nhiên,việc tính tích phân này trên thực tế cũng không đơn giản vì σ phụ thuộc vào t

và x (vi x ut= )

Trang 7

Tuy nhiên,thực tế khuyếch tán dọc trục x là không đáng

kể so với truyền tải dọc theo đó với vận tốc gió trung bình u

σ

2

z z K t

Trang 8

(9) thích hợp với nguồn liên tục và với khoảng cách tới nguồn hay khoảng thời gian di chuyển đủ lớn

I.1.2: Những giả thiết của mô hình gauss

- Sự phát thải liên tục hay thời gian phát thải bằng hay lớn hơn thời gian gió thổi từ nguồn tới điểm cần quan tâm Có nghĩa là công thức khuyếch tán luồng thải giả thiết rằng thời gian phát thải và lấy mẫu phải lớn hơn so với thời gian gió thổi

từ nguồn tới điểm tiếp nhận đối tượng

- Vật chất tham gia khuyếch tán là khí ổn định (không phản ứng,ngưng tụ …)hay bụi lơ lửng (đường kính nhỏ hơn

20μm) tồn tại lơ lửng lâu dài trong không khí

- Vật chất tạo nên luồng thải không bị loại bỏ khỏi luồng thải và phản xạ tại mặt đất là hoàn toàn

- Các phần tử tạo nên luồng thải giả thiết có phân bố gauss theo cả chiều đứng và chiều ngang vuông góc với gió

- Xấp xỉ gauss giả thiết điều kiện dừng trong suốt thời gian

mô hình áp dụng, thường là 1 giờ

- Vận tốc gió u là hằng số.Tuy nhiên,gần mặt đất vận tốc gió tăng theo chiều cao.Vì lý do đó khi độ trượt gió trung bình hoặc mạnh theo chiều cao

điều này sẽ dẫn đến sai số.Ngoài ra , khi vận tốc gió thay đổi ,

sẽ không có hướng gió trung bình, hay khi vận tốc gió tiến tới 0 , mẫu số trong các biểu thức tiến tới 0, mô hình không áp dụng được

- Hướng gió không đổi theo chiều cao Tuy nhiên,hướng gió trên thực tế thay đổi theo chiều cao (xoắn Ekman ) đặc biệt trong điều kiện không ổn định Sự thay đổi này gây lên 2 hiệu ứng chính: tăng tốc độ lan truyền và sự lệch khỏi đường thẳng

Trang 9

quỹ đạo mặt đất Ngoài ra hướng gió còn giả thiết không thay đổi cả trong mặt phẳng xy Điều này là giả thiết có lý đối với diện tích tầm trung đồng nhất trong điều kiện dừng Tuy nhiên

sự có mặt của đồi, thung lũng làm ảnh hưởng mạnh đến hướng gió bề mặt và có khuynh hướng tạo ra kênh gió

- Bỏ qua hiệu ứng trượt gió trong khuyếch tán ngang Điều này có thể chấp nhận được đối với những khoảng cách nhỏ, tuy nhiên có thể quan trọng khi khoảng cách lớn hơn 10 km

- Các tham số tán xạ σyvà σz giả thiết chỉ là hàm của x không phụ thuộc vào z Tuy nhiên , trên thực tế ở gần mặt đất khuyếch tán rối tăng khi chiều cao tăng, cho nên mô hình coi u,

y

σ và σz không phụ thuộc z có thể không mô phỏng được dòng

và các quá trình xảy ra trong vài trăm mét sát mặt đất Ngoài ra

a) Theo phương pháp truyền tải – gradient ,: chuyển động của

một chất do rối gây ra sẽ giảm gradient của nồng độ chất đó với tốc độ tỉ lệ thuận với độ lớn của garadient:

K là hệ số nhớt hay hệ số truyền dẫn trong các công thức

tương tự của sự truyền động lượng hay truyền nhiệt phân tử trong dòng chảy tầng F s là dòng rối , có nghĩa là tốc độ truyền rối qua một đơn vị diện tích của một mặt cố định

Trang 10

b) Tính toán truyền tải và phát tán gây ô nhiễm trên cơ sở lý thuyết K :

Các mô hình lý thuyết K được xây dựng trên cơ sở phương trình :

rõ ràng đã cho phép thu nhận được kết quả tốt trong tính toán truyền tải động lượng trong lớp biên khí quyển .

Trang 11

Một không đồng nhất khác cho rằng theo mặt cắt ngang , luồng thải bị ảnh hưởng bởi các xoáy có kích cỡ lớn hơn chính kích

cỡ luồng thải , bởi vậy sự truyền tải trong trường hợp này không thể mô tả bằng quan hệ giữa dòng truyền – gradient Tuy nhiên , đối với khí quyển ổn định các xoáy thường nhỏ do vậy có thể sử dụng công thức quan hệ dòng – gradient

Mô hình K được đánh giá cao vì tính mềm dẻo trong sử dụng ,

nó cho phép K x, K y, K zđựơc xác định như hàm số không chỉ của sự ổn định , mà cả độ nhám , các biến không gian và thời gian Khi đó nghiệm của phương trình không thể tìm được bằng phương pháp giải tích , mà phải dung phương pháp số

Trang 12

Chương II : Áp dụng tính toán cho nguồn thải

II.1 Nguồn thải do giao thông

Kết quả quan trắc tại một số thành phố lớn như: Hà Nội, TP.Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng cho thấy, các khí độc hại gây ô nhiễm phát thải từ các phương tiện giao thông chủ yếu là CO, NOx’, hơi xăng dầu, bụi, chì, benzen và bụi PM2,5 Trong đó, xe máy là nguồn phát thải chính khí CO chiếm 85%,

xe tải phát thải khí lưu huỳnh và Ni tơ chiếm hơn 70%

Trang 13

Theo đánh giá của các chuyên gia, vấn đề nổi cộm về môi trường không khí ở các đô thị Việt Nam hiện nay là ô nhiễm bụi Hầu hết các khu vực trong thành phố đều bị ô nhiễm bụi đặc biệt là các nút giao thông và các công trường xây dựng Mức độ ô nhiễm không khí ở các thành phố thay đổi giữa các giờ trong ngày, giữa các tháng trong năm và giữa các năm tùy thuộc vào các hoạt động giao thông, công nghiệp và một phần

do điều kiện thời tiết khí hậu

Tại Hà Nội, khảo sát tại một số tuyến đường lớn như Giải Phóng, Trần Hưng Đạo, Trần Nhật Duật và Phạm Văn Đồng cho thấy, người đi xe máy chịu tác động ô nhiễm không khí nhiều nhất Nồng độ bụi đối với người đi phương tiện này là:

580 (µg/m3), người đi bộ: 495 (µg/ m3), ôtô con 408 (µg/ m3),

xe buýt: 262 (µg/ m3) Nồng độ CO đối với người đi xe máy là: 18,6 (ppm), đi bộ: 8,5 (ppm); ôtô con 18,5 (ppm), xe buýt 11,5 Tác hại của các chất gây ô nhiễm môi trường nêu trên có ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, đặc biệt là đường hô hấp Báo cáo cho biết, ô nhiễm không khí làm cho sức khỏe con người bị suy giảm, thúc đẩy quá trình lão hóa, chức năng phổi

bị suy giảm các bệnh viêm phổi, ung thư, tim mạch tăng cao và làm giảm tuổi thọ của con người Các đối tượng dễ mắc phải là người già, trẻ em, phụ nữ mang thai, người thường xuyên phải làm việc ngoài trời

Trang 14

II.1 Xác định bài toán

Dựa vào đặc điểm của nguồn thải giao thông trên ta xây dựng bài toán như sau: Đầu vào cho chương trình ISC để tính toán nồng độ ô nhiễm COx( trung bình trong 24 giờ và trung bình trong tháng , trung bình theo mùa ) gây ra bởi các phương tiện xe cộ trên tuyến đường từ cầu giấy đến đại học Quốc Gia

Hà Nội với các giả thiêt và yêu cầu sau :Tuyến đường được chia làm ba đoạn: Đoạn một dài 580 met Đoạn 2 dài 840m và đoạn 3 dài 930 mét Gốc tọa độ ta chọn ở Tháp Rùa O (0,0,0) từ

đó ta xác định các tọa độ x,y tại các điểm đầu mút trên Xác định dựa trên google earth và theo các tham số sau:

9 Toạ độ : (X Y Z)

9 Lưu lượng phát thải : 5.75E-6 (g/s) = 0.00000575 (g/s)

9 Chiều rộng đoạn đường: 25-30 (m)

9 Chiều dài đoạn đường : 2350 (m)

II.2 Vị trí nguồn thải

Để tính toán vị trí nguồn thải ta chọn hồ gươm làm gốc tọa độ Từ đó ta xác định vị trí của điểm cần tính cho đến hồ gươm hinh II.1 Trên hình vẽ đường màu vàng thể hiện khoảng cách từ hồ gươm đến cầu giấy

Trang 15

Hình II.1: Khoảng cách từ hồ Gươm đến cầu giấy

Ta nhận thấy trên đoạn đường cầu Giấy – Cầu vượt đại học Quốc Gia Hà Nội và được chia ra làm ba đoạn nhu hình vẽ:

Trang 16

Hình 2: Đoạn đường cầu giấy – cầu vượt DH Quốc Gia Hà Nội

Sử dụng google eath ta xác định được tọa độ của các đoạn

đường với các tọa độ như sau:

QS HS XINIT YINIT: lưu lượng, chiều cao, X ban đầu

của vùng bắt đầu tính, Y ban đầu

XINIT YINIT

LOCATION area1 AREA -5298.6 286.9 0.0

LOCATION area2 AREA -5489.8 297.3 0.0

LOCATION area3 AREA -5720 674 0.0

LOCATION area4 AREA -6094 713 0.0

LOCATION area5 AREA -6315.2 744 0.0

Trang 17

LOCATION area6 AREA -6508 965.6 0.0

QS HS

SRCPARAM area1 5.75E-6 1.0 25 249.89 3.11

SRCPARAM area2 5.75E-6 1.0 35 337.91 3.11

SRCPARAM area3 5.75E-6 1.0 35 343 3.11

SRCPARAM area4 5.75E-6 1.0 35 265.85 6.72 SCPARAM area5 5.75E-6 1.50 35 214 6.72

SRCPARAM area6 5.75E-6 1.0 35 349.32 6.72

SRCPARAM area7 5.75E-6 1.0 35 314 8.44 SRCPARAM area8 5.75E-6 1.0 35 328.69 8.44

II 2 Số liệu khí tượng và phương pháp chia lưới

Tệp dữ liệu khí tượng có tên Hanoi.ASP Độ cao đo gió

10 mét Số hiệu trạm bề mặt là 48901 Số hiệu trạm trên cao là

13992 Dữ liệu đo cho toàn năm 1997 Thực hiện tính toán cho

khoảng thời gian mùa hè ( 21/3/97-20/9/1997)

Trang 18

Kết quả lấy ra nồng độ cao nhất cho mọi khỏang thời gian trung bình cho mọi điểm tính Tạo các tệp đầu vào vẽ đường đồng mức cho chương trình vẽ Surfer: Tệp KQ05F.DAT cho nồng độ cao nhất trung bình 24 giờ + tệp KQ05A.DAT cho tệp nồng độ trung bình toàn khoảng thời gian tính ( mùa hè )

Có 2 phương pháp chia lưới đó là : Lưới tròn và lưới vuông Chúng ta dùng phương pháp chia lưới vuông Độ rộng của mỗi ô lưới được chia là 10m, lấy giá trị nồng độ trung bình trên các ô lưới

Trang 19