Ebook Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường

Các phương pháp được trình bày trong giáo trình này có thể áp dụng để thực hiện khóa luận, đồ án, luận văn, luận án hay các công trình khoa học khác có ứng dụng phương pháp mô hình hóa..

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BÙI TÁ LONG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 3/2012

Trang 2

Tài liệu này được biên soạn để giúp sinh viên, học viên thực hiện tốt nội dung thực hành môn học “Mô hình hóa môi trường”, trong khuôn khổ một học kỳ Song song với giờ học lý thuyết, phần thực hành chiếm vị trí quan trọng giúp sinh viên, học viên giải quyết nhiều nội dung phức tạp của môn học

Tài liệu được chia ra thành ba chủ đề lớn: mô hình sinh thái học với việc giải phương trình và hệ phương trình vi phân thường với công cụ ModelMaker, mô hình ô nhiễm không khí, mô hình ô nhiễm nước mặt với việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng khi phải lưu ý tới yếu tố không gian và thời gian Trong mỗi mục đều có các bài tập mẫu kèm theo lời giải chi tiết, bình luận, danh sách các câu hỏi để người sử dụng có thể kiểm tra lại kiến thức của mình, danh mục các tài liệu tham khảo

Các bài tập được thực hiện trên các phần mềm môi trường Envim, Qual2K, Mike 11 Các phương pháp được trình bày trong giáo trình này có thể áp dụng để thực hiện khóa luận, đồ án, luận văn, luận án hay các công trình khoa học khác có ứng dụng phương pháp mô hình hóa

Bản quyền @ 2011 Bùi Tá Long, phó giáo sư, tiến sĩ khoa học,

Trang 3

LỜI NÓI ĐẦU

Mô hình là một công cụ không thể thiếu của khoa học, cho phép tìm hiểu thực tế một cách nhanh nhất và ít tốn kém nhất Thực tiễn phát triển khoa học cho thấy rằng mô phỏng chính xác hoàn toàn, ngay cả một yếu tố nhỏ không hề là một nhiệm vụ dễ dàng Tuy vậy, mô hình hóa cho phép các nhà khoa học tương tác lặp đi lặp lại với thực tế, liên tục thử nghiệm các giả định được sử dụng để xây dựng mô hình dự báo phù hợp với thực tế

Nghiên cứu mô hình môi trường là một chủ đề phức tạp, bởi lẽ mô hình được xây dựng

từ các quan điểm khắc khe của nhiểu ngành khoa học tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh học đến xã hội học Các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này luôn cố gắng mô tả thực tế một cách xác thực nhất để đưa ra những quyết định giúp cải thiện mối quan hệ giữa con người với môi trường, dựa trên nền tảng dữ liệu được tích hợp và kiến thức đa ngành Hiểu theo nghĩa này mô hình trở thành một kỹ năng và công cụ không thể thiếu

Ngày nay khi mô hình trở thành một công cụ ngày càng được sử dụng để cung cấp luận cứ khoa học hướng vào giải quyết các vấn đề về môi trường và biến đổi khí hậu thì mối quan tâm của các nhà hoạch định chính sách, ra quyết định và công chúng nói chung cũng không ngừng tăng lên Do vậy môn học Mô hình hóa môi trường đã được giảng dạy tại hầu hết các cơ sở có đào tạo về tài nguyên môi trường và biến đổi khí hậu Việc biên soạn giáo trình giảng dạy, do vậy cấp thiết hơn bao giờ hết khi nhiều vấn đề về môi trường cũng như biến đổi khí hậu đã gây tác động tiêu cực tới sự phát triển bền vững của đất nước

Mục tiêu của cuốn “Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường” này là giúp cho sinh viên, học viên, nghiên cứu sinh làm quen với giải các bài tập của môn học mô hình hóa môi trường Sau lần xuất bản cuốn sách giáo trình “Mô hình hóa môi trường” lần đầu tiên vào năm 2008 tác giả nhận thấy cần thiết phải biên soạn tài liệu này bởi việc thực hiện các tính toán số trên các mô hình toán sẽ giúp làm rõ ảnh hưởng các điều kiện khác nhau lên các hệ

Trang 4

ứng dụng mô hình trong dự đoán sự thay đổi của môi trường, hiểu rõ hơn những tiên đề, qui luật trong phần lý thuyết Điểm đặc biệt của tài liệu này là gắn với các phần mềm môi trường Điều này sẽ giúp sinh viên, học viên thực hiện nhiều tính toán thí nghiệm trên mô hình số gắn với kỹ thuật bản đồ điện tử - một công cụ trực quan không thể thiếu hiện nay

Giáo sư người Đức Walter R Erdelen, người chịu trách nhiệm cao nhất về khoa học tự nhiên của UNESCO đã từng nói một quyết định môi trường là không toàn vẹn nếu không ứng dụng mô hình để dự báo và chính sự hoạt động không mệt mỏi của những người làm mô hình

đã góp phần thay đổi nhận thức của con người trong những vấn đề sống còn của thế kỷ XXI –

đó là vấn đề biến đổi khí hậu

Lần đầu tiên biên soạn tài liệu này, dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn tài liệu này vẫn không thể tránh khỏi những tồn tại và hạn chế Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp

ý kiến của tất cả bạn đọc gần xa có quan tâm tới ứng dụng phương pháp mô hình hoá trong công tác quản lý và nghiên cứu môi trường

Đà Lạt, Huế, Tp HCM tháng 3 năm 2012 Tác giả

PGS.TSKH Bùi Tá Long

Trang 5

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU III MỤC LỤC V

MỞ ĐẦU 1

Nhiệm vụ thực hành 1

Phương pháp thực hiện 1

1 BÀI THỰC HÀNH 1 TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS 3

1.1 Mục tiêu 3

1.2 Mô tả phương pháp 3

1.3 Các bước giải bài tập 6

1.4 Ứng dụng phần mềm CAP (Gauss) 11

1.5 Bài tập tự giải 22

1.6 Câu hỏi kiểm tra kiến thức 23

Tài liệu tham khảo 24

2 BÀI THỰC HÀNH 2 TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH BERLIAND 25

2.1 Mục tiêu 25

2.2 Mô tả phương pháp giải 25

2.4 Ứng dụng phần mềm CAP (Berliand) 40

3 BÀI THỰC HÀNH 3 TÍNH TOÁN Ô NHIỄM TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN DÀI HẠN 52

3.1 Mục tiêu 52

3.2 Mô tả phương pháp giải 52

3.4 Ứng dụng phần mềm CAP 69

4 BÀI THỰC HÀNH 4 TÍNH TOÁN Ô NHIỄM CHO TRƯỜNG HỢP NHIỀU NGUỒN THẢI 81

4.1 Mục tiêu 81

Trang 6

4.4 Ứng dụng phần mềm ENVIMAP 97

5 BÀI THỰC HÀNH 7 : MÔ HÌNH PHELPS – STREETER 107

5.1 Mục tiêu 107

5.4 Ứng dụng phần mềm STREETER 126

6 BÀI THỰC HÀNH 6 MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG Q2K 136

6.1 Mục tiêu 136

6.4 Ứng dụng phần mềm ENVIMQ2K 164

DANH MỤC HÌNH 172

DANH MỤC BẢNG 175

TÁC GIẢ VIẾT TÀI LIỆU NÀY 177

Trang 8

MỞ ĐẦU

Nhiệm vụ thực hành

Mô hình hóa môi trường dựa trên các tiên đề toán học và các phương pháp toán thể hiện qui luật vật lý, hóa học, sinh học Môn học này đòi hỏi sinh viên, học viên khả năng tự học và nghiên cứu thông qua phân tích các đối tượng được xem xét Vì vậy không có thực hành những bài giảng lý thuyết không thể được coi là đầy đủ Nhiệm vụ của phần thực hành gồm:

1/ Hỗ trợ phát triển thế giới quan khoa học nói chung

2/ Cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các phương pháp toán sự phân bố ô nhiễm, phạm vi, mức độ ảnh hưởng của các nguồn thải trong môi trường khí, nước

3/ Làm rõ vai trò và tầm quan trọng của phương pháp mô hình hóa và dự báo trong các bài toán môi trường

4/Cung cấp cho sinh viên và học viên một khối lượng kiến thức toàn diện về phương pháp mô hình hóa môi trường, giúp họ nghiên cứu các ngành khoa học khác tốt hơn

Sinh viên thực hiện các bài tập thực hành dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên giảng dạy môn học và một số phần mềm máy tính, sẽ làm quen với các phương pháp và công

cụ xây dựng các mô hình toán Việc thực hiện các tính toán số trên các mô hình toán sẽ giúp làm rõ ảnh hưởng các điều kiện khác nhau lên các hệ thống đang được mô hình hóa Tất cả những điều này cho phép hiểu sâu sắc hơn ý nghĩa của ứng dụng mô hình trong dự đoán sự thay đổi của môi trường, hiểu rõ hơn những tiên đề, qui luật trong phần lý thuyết

Phương pháp thực hiện

Phương pháp thực hiện các bài thực hành:

1/ Đọc kỹ phương pháp thực hiện bài thực hành Khi đọc không cần quá tập trung vào các công thức toán học mà chỉ cần làm rõ mục tiêu chính của bài tập, đánh dấu những chỗ khó hay chưa thực sự hiểu

Trang 9

2/ Thực hiện nhiệm vụ thực hành Cần sử dụng phương pháp đã được hướng dẫn Chú

ý tìm ra sự phụ thuộc giữa những giá trị số được nhập vào phần mềm với kết quả số xuất ra bởi phần mềm

3/ Kết thúc phần thực hành cố gắng trả lời các câu hỏi ở phần cuối mỗi công việc Khi trả lời cố gắng tự trả lời, đừng dựa vào đáp số hay lời giải đã có sẵn trong tài liệu này

Đánh giá kết quả môn học được thực hiện dựa trên ba điểm sau: thứ nhất là điểm thi thực hành, phần này sinh viên thực hiện trên các phần mềm môi trường được học trên lớp trong phần thực hành Thứ hai là kết quả thực hiện bài tiểu luận, trong phần này sinh viên sẽ thực hiện trong các nhóm với nhau (thông thường từ 3 – 5 sinh viên, học viên thành một nhóm) Các nhóm sinh viên, học viên sẽ được giáo viên giao đề tài ứng dụng mô hình môi trường giải quyết những nhiệm vụ thực tiễn cụ thể Phần thi lý thuyết, sinh viên, học viên sẽ

ôn tập theo các câu hỏi liên quan tới môn học và thực hiện bài kiểm tra với thời lượng 90 –

120 phút

Trang 10

1 BÀI THỰC HÀNH 1 TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG

KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS

Các mô hình tính toán sự phát tán ô nhiễm trong môi trường không khí là biểu diễn toán học thể hiện quá trình phát tán tạp chất, các phản ứng hóa học diễn ra, kết hợp với tải lượng, đặc trưng của phát thải từ các nguồn công nghiệp và các dữ liệu khí tượng

Mô hình vệt khói Gauss (đơn giản gọi là mô hình Gauss) là một trong số những mô hình được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay Mô hình Gauss còn có tên gọi là thống kê kinh nghiệm, được xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết toán học Gauss Các nhà toán học có công phát triển mô hình này là Taylor (1915), Sutton (1925 – 1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill (1962 – 1971), Seifeld (1975)

Trang 11

Mô hình vệt khói Gauss là một trong số những mô hình được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay Cơ sở của mô hình này là biểu thức đối với phân bố chuẩn hay còn gọi là phân

bố Gauss các chất ô nhiễm trong khí quyển Phương pháp này đã được Cơ quan bảo vệ môi trường liên bang của Mỹ khuyến cáo cho các tính toán mang tính quy phạm

Các mô hình dạng này thích hợp cả đối với những dự báo ngắn hạn lẫn dài hạn Các dự báo ngắn hạn tính toán và vẽ bản đồ ô nhiễm với một giai đoạn tương ứng với các điều kiện tương đối ổn định Cơ sở của mô hình được trình bày trong [2], [6], [8]

Chuẩn bị các thông số đầu vào: gồm ba nhóm dữ liệu chính nhóm thứ nhất gồm:

chiều cao, đường kính ống khói; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải (m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính (g/s), nhiệt độ của khói thải (ºC); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : nhiệt độ không khí xung quanh (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m (m/s), trạng thái khí quyển, điều kiện nông thôn hay thành thị, áp suất khí quyển tại mặt đất

Công thức tính toán hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang, đứng σy(x), σz (x) - hàm số khoảng cách theo hướng gió, độ ổn định của khí quyển được cho trong các Bảng 1-1, Bảng 1-2

Bảng 1-1 Công thức tính σz (x), σy(x) cho vùng thoáng mở (nông thôn)

Trang 12

C 0,22x(1+0,0004x)-0,5 0,12x

E – F 0,11x(1+0,0004x)-0,5 0,08x(1+0,00015x)-0,5Các hệ số σy và σz ở trên là các giá trị trung bình trong khoảng thời gian 10 phút (do vậy, nồng độ tạp chất tính được là nồng độ trung bình trong 10 phút),với các khoảng thời gian khác, Gifford (1976) đề xuất như sau:

2

;200,

10

m z

U

m z

z U z U

p m

Trong đó tham số p liên hệ với các lớp ổn định Pasquill – Hanna theo bảng dưới đây:

Bảng 1-3 Công thức Smith tính tham số p theo lớp ổn định

Loại tầng kết

Điều kiện thành phố

Điều kiện nông thôn

Trang 13

Bảng 1-4 Phân loại độ bền vững khí quyển theo Pasquill Vận tốc gió tại độ

độ >

600)

Trung bình (Biên

độ

35-600)

Yếu (Biên

độ 15 – 350)

Lưu ý А – rất không ổn định; В – không ổn định vừa phải; С – không ổn định

yếu; D – điều kiện trung tính; E – điều kiện ổn định yếu; F – điều kiện ổn định vừa phải

Bài tập 1.1 Một nhà máy phát thải có ống khói cao 45 m, đường kính của miệng ống

khói bằng 2 m, lưu lượng khí thải là 12,0 m3/s, tải lượng chất ô nhiễm SO2 bằng 20 g/s, nhiệt

độ của khói thải là 200ºC Nhiệt độ không khí xung quanh là 30 ºC và tốc độ gió ở độ cao 10

m là 3 m/s Cho trạng thái khí quyển là cấp C, điều kiện nông thôn, áp suất không khí tại mặt đất bằng 1013 Mbar Hãy:

a/Tính vệt nâng ống khói

b/Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m với thời gian trung bình bằng 10 phút

Bài tập 1.2 Hãy giải câu b/ bài tập 1.1 với thời gian trung bình bằng 60 phút Hãy so

sánh kết quả chạy mô hình cho hai trường hợp: 10 phút và 60 phút

1.3 Các bước giải bài tập

Các dữ liệu đầu vào: nhóm thứ nhất gồm: chiều cao bằng 45 (m), đường kính ống

khói bằng 2 (m) Nhóm số liệu này lấy từ tái liệu thiết kế nguồn thải; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải bằng 12,0 (m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính bằng

Trang 14

20 (g/s), nhiệt độ của khói thải bằng 200 (ºC) Nhóm số liệu này lấy từ báo cáo đánh giá tác động môi trường; nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : nhiệt độ không khí xung quanh bằng 30 (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m bằng 3 (m/s), trạng thái khí quyển là cấp C, điều kiện nông thôn , áp suất khí quyển tại mặt đất bằng 1013 Mbar Nhóm số liệu này lấy từ trạm khí tượng gần nguồn thải nhất

Trình tự các bước tính toán bài 1.1: 1 Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h

= 45 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3

10

zUzU

p m

Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta

sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói

2 Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói Các bước tính toán gồm: Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là:

Trang 15

−σ

σπ

z 2

z y

Hexpu

M)

x(C

Ta nhận được

2

3 2

Trang 16

Đáp số: Vệt nâng ống khói là: 9,07 (m), nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại

khoảng cách 1200 m là 0,137 (mg/m3)

Trình tự các bước tính toán bài 1.2: 1 Cũng giống bài toán trên, áp dụng công thức

tính vận tốc gió tại độ cao h = 45 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3

10

zUzU

p m

Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta

sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói

2 Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói

Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là:

( )

12

3,82 m/sπ×1×1

H = +∆

Ta nhận được

45 9, 07 54, 07

H = + = (m)

Trang 17

3 Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3

Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 54,07 m là

−σ

σπ

z 2

z y

Hexpu

M)

x(C

Ta nhận được

Trang 18

( )

2

3 2

1.4 Ứng dụng phần mềm CAP (Gauss)

Phần mềm CAP (Computing for Air Pollution) phiên bản đầu tiên được thực hiện năm

1995 CAP có những chức năng khác nhau nhằm mục đích tự động hoá tính toán ô nhiễm không khí theo mô hình Gauss, Berliand, ISC3 Ở đây có các công cụ tính toán phân bố nồng

độ chất ô nhiễm theo chiều gió trong các điều kiện nông thôn và thành thị do một nguồn thải (ống khói) gây ra Phần mềm này dễ sử dụng, có hướng dẫn sử dụng, tính nhanh, kết quả tính toán được thể hiện trên màn hình dưới dạng đồ thị và văn bản, có thể in ấn các kết quả này Phiên bản CAP 3.0 vào tháng 9/2006 Từ năm 2008 trở đi CAP được đặt tên theo năm và được cập nhật thường xuyên

Các chức năng chính của CAP là:

- Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian ngắn hạn theo các số liệu đầu vào

- Tính toán ô nhiễm trung bình theo khoảng thời gian lớn như trung bình ngày, trung bình tháng

- Tự động vẽ các vùng ảnh hưởng khác nhau bằng công cụ đồ họa

- So sánh kết quả tính toán với tiêu chuẩn Việt Nam

- Thực hiện các báo cáo tự động, chuyển file kết quả qua E-mail

Trang 19

Hình 1.2 Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Gauss

1.4.1 Nhập thông tin ống khói

Chọn mục “Ống khói” trong menu “Thông tin”

Xuất hiện cửa sổ ống khói dùng để thêm hay chỉnh sửa các thông số về ống khói bao gồm:

Trang 20

Trong mô hình, mặc định đã có hai ống khói tham khảo Để tạo mới ống khói, ta chọn công cụ trên thanh công cụ, xuất hiện hộp thoại Hình 1.3

Hình 1.3 Hộp thoại tạo ống khói Nhập tên ống khói muốn tạo và xác định chiều cao đường kính cho ống khói Cần thiết click vào nút để lưu lại kết quả

Lưu ý: Trong cửa sổ thông tin ống khói, ta có thể tạo nhiều ống khói và lưu ở đây

1.4.2 Xây dựng kịch bản

Chọn kịch bản Gauss để mô phỏng Cần thực hiện các bước sau

Vào menu “Kịch bản” và chọn “Kịch bản Gauss”

Trang 22

Theo đề bài, đặt tên kịch bản là “Bai tap 1”, chọn chất ô nhiễm là “SO2” Chọn nhóm thông tin về “Vận tốc – Tần suất gió” như Hình 1.6

Hình 1.6 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc - Tần suất gió”

Chọn nút điều khiển để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về:

Hình 1.7 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc – Tần suất gió”

- Hướng gió: mặc định chọn hướng Tây

Trang 23

- Vận tốc (m/s) ở độ cao 10m là 3m/s

- Tần suất hướng gió (%): có một hướng gió tần suất là 100%

- Độ ổn định: trạng thái khí quyển cấp C

- Nhiệt độ không khí (0C): nhiệt độ không khí xung quanh là 30oC

Sau mỗi thao tác nhập thông tin cho kịch bản, ta chọn công cụ để lưu thông tin

Hình 1.8 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Thông số kịch bản”

Chọn nhóm thông tin “Thông số kịch bản” Các thông số này bao gồm:

− Áp suất (Mbar): mặc định là 1013

− Vùng: theo bài 1.1 chọn Nông thôn

− Điều kiện biên và vệt nâng ống khói: để mặc định

− Thời gian tính: nhập giá trị 60 phút

Cuối cùng, chọn nhóm thông tin “Số liệu phát thải trong kịch bản” như Hình 1.9

Trang 24

Hình 1.9 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản”

Chọn nút điều khiển để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về:

− Ống khói: chọn OK3 là ống khói ta tạo ra trong phần Thông tin ống khói

− Lưu lượng: theo bài 1.1 là 12 m3/s

− Tải lượng: theo bài 1.1 là 20 g/s

− Nhiệt độ khói thải: bài 1.1 là 200oC

Sau khi hoàn tất việc nhập thông tin cho kịch bản, chọn công cụ để lưu thông tin

và chọn công cụ để thoát khỏi hộp thoại

1.4.3 Chạy kịch bản

Để chạy mô hình trong CAP 2010, ta vào tab “Bản đồ” và thực hiện theo một trong hai cách sau:

Trang 25

Click chuột vào menu mô hình trên cửa sổ làm việc

chọn “ Chạy mô hình”

Click vào biểu tượng trên thanh công cụ

Xuất hiện hộp thoại chạy mô hình như trong Hình 1.10

Hình 1.10 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 1 Trong hộp thoại bước 1, ta thiết lập các thông tin sau:

Trang 26

- Chiều dài, chiều rộng lưới

Trang 27

Thông số đã nhập Hiển thị tất cả các thông số đã nhập ở bước 1 và

bước 2 Thông thường ta để các thông số này mặc định

Hình 1.12 Thông báo mô hình đang được thực hiện

Hình 1.13 Kết quả chạy mô hình dạng đường đồng mức

1.4.4 Xử lý kết quả mô phỏng

hình à Thông số mô hình, sẽ xuất hiện hộp thoại như Hình 1.14

Hộp thoại này thể hiện thông tin chung về mô hình và các giá trị trung gian ảnh hưởng đến mô hình Các giá trị trung gian này thay đổi theo điểm có tọa độ x, y, z so với ống khói

do người sử dụng nhập vào

Trang 28

Hình 1.14 Hộp thoại Các giá trị trung gian

Ghi nhận giá tri ∆h=9.07 tại dòng thứ tư, ta được giá trị vệt nâng ống khói Kết quả này cũng đã được tính toán trong mục 1.3

Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m

Trang 29

Để xác định nồng độ ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200m, ta nhập các thông số như trên theo các mục:

− X(m): 1200 m

− Y(m): 0 m

Sau đó chọn “Chấp nhận” và đọc giá trị tại dòng thứ mười

Vậy nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m so với ống khói

là 0,0956 mg/m3 Đáp số này đã được chỉ ra trong phần hướng dẫn giải bài 1.1 trong mục 1.3

1.5 Bài tập tự giải

Bài tập 1.3 Ống khói của một lò nung gạch cao 40 m, đường kính của miệng ống

khói bằng 2.2 m Biết rằng ống khói này năm giữa cánh đồng (điều kiện nông thôn) Ngày tính là 28.3.2007 Theo dự báo vào ngày này, lưu lượng khí thải là 10.02 m3/s, tải lượng chất

ô nhiễm NOx bằng 32 g/s, nhiệt độ của khói thải là 200ºC, nhiệt độ không khí xung quanh là 30ºC, áp suất khí quyển bằng 1013 Mbar và tốc độ gió ở độ cao 10 m là 4.5 m/s Cho trạng thái khí quyển là cấp C Bằng cách mô hình biến đổi Gauss hãy:

a Tính vệt nâng ống khói

Trang 30

b Tính toán hệ số khuếch tán σy(x) , σz(x) tại khoảng cách x = 410 m

c Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống khói 410 m

sánh kết quả tính toán ở câu 3 với quy chuẩn này

e Cho vận tốc gió đo được tại 10 m là 3.0 m/s, các thông số khác giữ nguyên như đầu bài Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống khói 410 m

f Cho ống khói nâng lên thành 45 m, các thông số khác giữ nguyên như đầu bài trên Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống khói

410 m và 460 m Hãy so sánh kết quả tính toán với TCVN 5937, 1995

Lưu ý: Lấy trung bình theo thời gian là 60 phút

1.6 Câu hỏi kiểm tra kiến thức

1/ Làm rõ sự khác nhau giữa σу và σz khi độ ổn định khí quyển thay đổi ?

2/ Làm rõ sự phụ thuộc giữa vận tốc gió đo được ở độ cao 10 m với vệt nâng cột khói tại miệng ống khói Xây dựng bảng phụ thuộc giữa vận tốc gió với độ nâng cột khói

3/ Xây dựng bảng phụ thuộc giữa độ cao ống khói với nồng độ cực đại

4/ Xây dựng bảng phụ thuộc giữa vận tốc gió và nồng độ cực đại đạt được

5/ Giải thích lý do vì sao cần thiết phải nâng ống khói lên cao ? Khi nào cần thiết phải nâng ống khói

6/ Thời gian trung bình có ảnh hưởng tới giá trị nồng độ tính toán hay không ?

7/ Vận tốc gió tại độ cao h so với mặt đất là một hàm số phụ thuộc vào các yếu tố sau đây:

1/Điều kiện nông thôn hay thành thị 2/Độ ổn định của khí quyển

Trang 31

2/Nhiệt độ khói thải từ ống khói Hãy chọn các phương án sau đây:

a/ 1, 2, 3 b/ 1,3 c/ 1,2 d/ 2,3

8/ Đường đồng mức là gì ? vì sao cần phải xây dựng đường đồng mức

Tài liệu tham khảo

[1] Bùi Tá Long, 2006 Hệ thống thông tin môi trường Nxb Đại học Quốc gia TP HCM,

334 trang

[2] Bùi Tá Long, 2008 Mô hình hóa môi trường Nxb Đại học Quốc gia TP HCM, 441

trang

[3] Lê Đình Quang, Phạm Ngọc Hồ, 2001 Giáo trình cơ sở lớp biên khí quyển và mô hình

hóa bài toán lan truyền bụi Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại Học Khoa Học Tự

Nhiên, Khoa Môi trường 90 trang

[4] Phạm Ngọc Đăng, 1997 Môi trường không khí Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội

[5] Trần Ngọc Chấn, 2000 Ô nhiễm môi trường không khí và xử lý khí thải Tập 1, Nxb

Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 214 tr

[6] Seifeld J.H., Spyros N.P., 1998 Atmospheric chemistry and physics From Air

pollution to climate change John Wiley and sons, Inc 1326 pp

[7] Noel De Nevers Air pollution control engineering McGraw-Hill, 1995 506 pp

[8] User's guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models Volume I -

User instructions

Trang 32

2 BÀI THỰC HÀNH 2 TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG

KHÍ THEO MÔ HÌNH BERLIAND

Mô hình Berliand có tên gọi khoa học là mô hình thống kê thủy động dựa trên lý thuyết nửa thứ nguyên (còn gọi là mô hình K) là một trong ba nhóm mô hình chính về khí theo sự phân loại của tổ chức khí tượng thế giới Mô hình này được trường phái khoa học do Berliand (Nga) đứng đầu nghiên cứu và áp dụng ở Liên Xô Ở Việt Nam, mô hình này đã được nghiên cứu và triển khai từ những năm 70 của thế kỷ trước

2.1 Mục tiêu

Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán sự phát tán ô nhiễm trong môi trường không khí theo phương pháp Berliand

2.2 Mô tả phương pháp giải

Hình 2.1 Sơ đồ khuếch tán luồng khí thải dọc theo chiều gió

Cơ sở của phương pháp tính được trình bày trong [2] Dưới tác dụng của gió tự nhiên các luồng khí, bụi phụt lên từ miệng ống khói sẽ bị uống cong theo chiều gió thổi Chất ô

nhiễm dần dần bị khuếch tán rộng ra tạo thành vệt khói /Hình 2.1/ Kết quả khảo sát cho thấy

các chất khí thải và bụi lơ lửng lan truyền chủ yếu theo vệt khói trong phạm vi góc cung hẹp chỉ 10º – 20º Một số hạt bụi nặng sẽ tách khỏi vệt khói và rơi xuống mặt đất ở gần ống khói

Trang 33

Berliand đã xây dựng phương pháp tính toán ô nhiễm dựa trên cách tiếp cận thủy động lực học như được trình bày trong [2], [8], [9]

Chuẩn bị các thông số đầu vào: gồm ba nhóm dữ liệu chính nhóm thứ nhất gồm:

chiều cao, đường kính ống khói; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải L

(m3/s) hoặc vận tốc luồng khí phụt ra W 0 (m/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính M (g/s), nhiệt

độ của khói thải T r (ºC); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : Vận tốc gió ở độ cao 10 m

(m/s), nhiệt độ của khí quyển tại mặt đất T k (0C), hệ số lưu ý tới sự biến đổi tốc độ gió theo độ

cao n, nhiệt độ của khí quyển tại mức 850 HPa T k 850 (0C),thời điểm của kịch bản (t0), nhiệt độ

khí quyển tại độ cao 2 m T k,2 (0C), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 0,5 m T k,0.5 (0C), hệ số phạm

vi khuếch tán rối ngang k 0 (m), hệ số khuếch tán rối đứng tại độ cao 1 m so với mặt đất k 1

(m2/s) Ngoài ra gia tốc trọng trường được chọn g = 9,81 m/s2 Với bụi nặng cần thêm khối lượng riêng của hạt bụi ρ p (g/cm3) và bán kính của hạt bụi r p(µm)

Trong một số trường hợp cần phải tính toán hai giá trị k 1 và k 0 trước khi áp dụng mô hình Berliand khi đó các phương pháp dưới đây được áp dụng

Trang 34

Beliand khuyến cáo rằng khí không có số liệu nhiệt độ khí quyển tại độ cao 2 m T k,2

(0C), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 0.5 m T k,0.5 (0C) có thể sử dụng công thức tính

Các bước xác định k0được thực hiện như sau:

1 Xác định các thành phần của véc tơ vận tốc gió

cos 180

Trong đó N là độ dài của chuỗi (bằng 4 lần số ngày của tháng)

3 Tính hàm tự tương quan của u và v

Trang 35

5 Khi đã xấp xỉ đươc 2 hàm trên thì có thể tính được hệ số k 0 như sau:

u u u

K = σ

α , v v

v

K =σα

Giá trị nhỏ hơn trong hai giá trị này làm k0 Nói cách khác k0 = min (Ku, Kv)

Phương pháp trên đòi hỏi phải có số liệu quan trắc khí tượng cho nên trong thực tế Berliand đã đưa ra một phương pháp đánh giá nhanh khác

Dựa trên giá trị k 1 vừa mới được tính trong bước trên ta tính

2 1 2 1

0

ln10 ln

2.2.3 Tính toán vệt nâng cột khói

Việc tính toán độ cao hiệu dụng của ống khói là đối tượng nghiên cứu của nhiều công trình thực nghiệm Công thức được đề tài cấp nhà nước số 42A.04.01 khuyến cáo áp dụng tại Việt nam như sau:

=

10 0 10

0 0

.1,273

3,35,2 5,1

V T

T R g V

R W H

Trang 36

Hef = H + ∆H

trong đó Hef – độ cao hiệu dụng của ống khói (m); tiếp theo đây Hef được ký hiệu bằng

H

Bài tập 2.1 Kết quả quan trắc khí tượng tại khu vực khu công nghiệp Biên hòa 1 đã

cho trong Bảng 4-8 Hãy tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang k0 theo phương pháp được chỉ ra trong mục 2.2.2

Bài tập 2.2 Nhà máy A có ống khói cao 40 m, đường kính trong của miệng ống khói

là 2,0 m, vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC Kích thước khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch tán rối đứng k1 =0,03 m2/s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14 Biết rằng vận tốc gió đo đạc được tại độ cao 10 m bằng 2 m/s và nhiệt độ không khí xung

theo hướng gió tại khoảng cách x = 500 m so với ống khói

Bài tập 2.3 Nhà máy A có ống khói cao 40m, đường kính trong của miệng ống khói là

2,0 m, vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt

độ của khói thải là Ts = 230ºC Kích thước khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch tán rối đứng k1 =0,03 m2/s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14 Biết rằng thời điểm tính gió lặng và nhiệt độ không khí xung quang bằng 25° C Dùng phương pháp mô hình Berliand hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 500 m so với ống khói

2,0 m Vào thời điểm 10 giờ ngày 30/7/2011 người ta muốn đánh giá ảnh hưởng của nguồn thải này lên môi trường xung quang Các thông số phát thải đo được gồm: vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC Nhiệt độ đo đạc tại độ cao 2 m và 0.5 m so với mặt đất tương ứng là 25°C và 25.6°C (do chịu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời) Vận tốc gió đo được tại độ cao 10 m là 2 m/s Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 1000 m so với ống khói

Trang 37

Lưu ý: Khác với bài 5.2, bài 5.3 trong bài 5.4 cần phải xác định hệ số k0 và k1

2,0 m Vào thời điểm 10 giờ ngày 30/7/2011 người ta muốn đánh giá ảnh hưởng của nguồn thải này lên môi trường xung quang Các thông số phát thải đo được gồm: vận tốc khí thải từ ống khói phụt ra là W0 = 10 m/s, tải lượng CO là M = 90 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 230ºC Vận tốc gió đo được tại độ cao 10 m là 2 m/s Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm CO theo hướng gió tại khoảng cách x = 1200 m so với ống khói

Lưu ý: Bài này khác với bài 5.4 là không đo được thông số nhiệt độ tại độ cao 2 m và 0.5 m

Bài tập 2.6 Nhà máy B có ống khói cao 45 m, bán kính trong của miệng ống khói là r

= 1,2 m, lưu lượng khí thải là 56,52 m3/s, tải lượng bụi nặng là M = 102 g/s, nhiệt độ của khói thải là Ts = 228°C, khối lượng riêng của hạt bụi là: 2.3 g/cm3, bán kính của hạt bụi là 20

μm Phạm vi khuếch tán rối ngang k0=12 m, hệ số khuếch tán rối đứng k1 =0,03 m2/s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14 Nhiệt độ không khí xung quanh

là Ta = 300 C Tốc độ gió ở độ cao 10 m là 3,2 m/s Hãy tính nồng độ bụi tại vị trí cách nguồn thải 1000 m theo hướng gió

2.3 Các bước giải bài tập

Các dữ liệu đầu vào: nhóm thứ nhất gồm: chiều cao bằng 40 (m), đường kính ống

khói bằng 2 (m) Nhóm số liệu này lấy từ tái liệu thiết kế nguồn thải Nhóm thứ hai gồm các thông số phát thải– vận tốc khí phụt bằng 10 m/s (đại lượng này bằng lưu lượng khí thải /diện tích miệng ống khói), tải lượng chất ô nhiễm cần tính bằng 90 (g/s), nhiệt độ của khói thải bằng 230 (ºC) Nhóm số liệu này lấy từ báo cáo đánh giá tác động môi trường; nhóm thứ

ba – các thông số khí tượng : kích thước khuếch tán rối ngang bằng 12 m, hệ số khuếch tán rối đứng bằng 0,03 m2/s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng n = 0,14 Các hệ số này được tính toán xử lý theo phương pháp thống kê cho khu vực được lựa chọn tính toán Các thông số khí tượng đo đạc như vận tốc gió đo đạc được tại độ cao 10 m bằng 2 m/s và nhiệt độ không khí xung quang bằng 25°C được lấy từ trạm đo đạc khí tượng gần nhất

Trang 38

Trong trường hợp các hệ số khuếch tán rối đứng (k1) và hệ số kích thước khuếch tán rối ngang (k0) không được cho cần phải biết nhiệt độ không khí tại độ cao 0,5 và 2 (m) Với bụi nặng cần thêm khối lượng riêng của hạt bụi ρ p (g/cm3) và bán kính của hạt bụi r p(µm)

Trình tự các bước tính toán bài 2.1

1 Xác định các thành phần của véc tơ vận tốc gió với i chạy từ 1 tới N, trong đó N bằng số ngày trong tháng cần tính nhân với 4 (số lần quan trắc trong ngày vào các thời điểm 1g, 7g, 13g, 19g

cos 180

Trang 39

Trong các công thức trên N = 124, ui, vi được lấy từ Bảng 2-2

3 Tính hàm tương quan Ruu, Rvv của u và v Cách tính này dùng để xấp xỉ các giá trị u

và v theo hàm mũ ealpha_u và ealpha_v

Trang 40

Mã nguồn trên ngôn ngữ C# như sau:

sumX += (k + 1) * (k + 1);

}

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	1,78 MB