Bài viết trình bày cơ sở của mô hình và kết quả ứng dụng mô hình tính toán cho khu vực cụ thể của Việt Nam. Phương pháp đề xuất trong bài báo này là sự tích hợp mô hình phân tán ô nhiễm không khí do EPA đưa ra, mô hình WRF tính toán yếu tố khí tượng.
BÀI BÁO KHOA HỌC MƠ HÌNH HĨA Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ TRONG ĐIỀU KIỆN ĐỊA HÌNH PHỨC TẠP TRƯỜNG HỢP NGUỒN THẢI ĐIỂM Bùi Tá Long1, Nguyễn Châu Mỹ Duyên1 Tóm tắt: Kế hoạch quốc gia quản lý chất lượng khơng khí đề nhiệm vụ xây dựng mơ hình lan truyền nhiễm khơng khí Bên cạnh việc áp dụng mơ hình hay phần mềm nước vào hệ thống quan trắc quốc gia gặp nhiều khó khăn vấn đề quyền Mục tiêu nghiên cứu đề xuất mơ hình cho phép tính tốn lan truyền chất nhiễm khơng khí điều kiện địa hình phức tạp lưu ý tới yếu tố khí tượng Bài báo trình bày sở mơ hình kết ứng dụng mơ hình tính tốn cho khu vực cụ thể Việt Nam Phương pháp đề xuất báo tích hợp mơ hình phân tán nhiễm khơng khí EPA đưa ra, mơ hình WRF tính tốn yếu tố khí tượng Từ khóa: Mơ hình phân tán, nguồn điểm, địa hình, WRF, EnvimAP Ban Biên tập nhận bài: 15/02/2019 Ngày phản biện xong: 08/04/2019 Mở đầu Các nhà nguồn thải lớn thường đặt khu vực có địa hình phức tạp, đồi núi hay ven biển [12] Trong trường hợp này, ngồi yếu tố địa hình, yếu tố khí tượng liên quan tới phát tán ô nhiễm không khí thay đổi đáng kể theo thời gian khơng gian (cả theo phương đứng lẫn phương ngang) Trong nghiên cứu mơ hình hóa chất lượng khơng khí, người ta quan tâm đến phân tán ô nhiễm biên khí quyển, lớp bề mặt trái đất chịu ảnh hưởng sức nóng lên bề mặt, ma sát phân tầng [19] Đây số lý mà năm 1991, Hiệp hội Khí tượng Hoa Kỳ Cơ quan Bảo vệ Mơi trường Hoa Kỳ khởi xướng hợp tác với mục tiêu đưa lớp biên trái đất (Planetary Boundary Layer, PBL) vào mơ hình phân tán nhiễm khơng khí Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng mơ hình phát tán nhiễm để kiểm sốt ô nhiễm không khí năm 60 kỷ trước [14, 18] tăng nhanh vào năm 1988 trở lại đất nước bắt đầu mở cửa Đại học Bách Khoa Tp HCM Email: longbt62@hcmut.edu.vn 34 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 04 - 2019 Ngày đăng bài: 25/04/2019 [16-17] Để ứng dụng rộng rãi, việc xây dựng công cụ tin học tự động hóa tính tốn quan trọng, nghiên cứu nhóm tác giả báo thực [3-6, 8, 10-11] Các nghiên cứu chia thành hai nhóm Nhóm thứ nhất, đưa mơ hình tốn sử dụng [2], [7] thuộc nhóm dạng mơ hình thống kê kinh nghiệm dạng Gauss-Pasquill [2, 7, 13], dạng thống kê thủy động [7-8] Nhóm thứ hai, xây dựng cơng cụ tin học CAP, EnvimAP [4-6] tự động hóa tính tốn lan truyền nhiễm khơng khí, sử dụng cơng nghệ GIS Một cách tiếp cận khác áp dụng tính tốn lan truyền nhiễm khơng khí sử dụng cơng cụ AERMOD [15] Hạn chế lớn nghiên cứu [3-6, 8, 10-11] mơ hình tốn áp dụng cho khu vực địa hình tương đối phẳng, ngồi nghiên cứu này, yếu tố khí tượng chưa lưu ý tới thay đổi nhanh lớp biên khí Do vậy, nghiên cứu này, dựa nghiên cứu [9, 19] đưa cách tính tốn mức độ ảnh hưởng từ nguồn điểm có lưu ý tới địa hình phức tạp yếu tố khí tượng lớp biên khí Phương pháp nghiên cứu 2.1 Mơ hình WRF BÀI BÁO KHOA HỌC Trong nghiên cứu đề xuất sử dụng mô hình Nghiên cứu Dự báo thời tiết - Weather Research and Forecasting (WRF) để triết xuất kết file số liệu khí tượng đặc trưng cho lớp biên khí cho mơ hình phát tán nhiễm WRF kết hợp tác phát triển nhiều trung tâm nghiên cứu dự báo khí tượng Hoa Kỳ, đặc biệt Trung tâm Quốc gia nghiên cứu khí (NCAR), Cục Quản lý Đại dương Khí Quốc gia (NOAA) Trung tâm dự báo môi trường quốc gia (NCEP) (http://www2.mmm.ucar.edu/wrf/users/download/) Các liệu khí tượng sử dụng tính tốn thay đổi theo phương đứng gió, dòng chảy rối nhiệt độ Các bước triết xuất thề Hình Hình Các bước xử lý sinh số liệu khí tượng lớp biên khí 2.2 Tính tốn yếu tố khí tượng Để tính phân tán nhiễm khơng khí, chun gia lĩnh vực đưa vào xem xét khái niệm lớp biên PBL (Planetary Boundary Layer) [9, 19] Đây lớp khơng khí rối nằm phía bề mặt trái đất chịu ảnh hưởng sức nóng lên bề mặt, ma sát phân tầng [19], lớp thường có độ sâu từ vài trăm mét vào ban đêm đến - km vào ban ngày [19] Cũng theo [9, 19] để tính tốn lan truyền chất khí cần phải cung cấp cho mơ hình thơng tin khí tượng lớp biên như chiều cao hòa trộn (zi), độ dài Monin - Obukhov (L), vận tốc ma sát (u*), chiều dài độ nhám bề mặt (zo), thơng lượng °u ° ° ° ®u ° °u ° °¯ nhiệt bề mặt (H) tỷ lệ vận tốc đối lưu (w*) Từ kết mơ hình WRF, xác định độ cao lớp đối lưu lớp hòa trộn học zic zim [19] xác định ổn định lớp biên khí giá trị H, cụ thể không ổn định H > (hay L 0) 2.2.1 Cơng thức tính thay đổi tốc độ gió theo phương đứng Trong nghiên cứu sử dụng cơng thức để tính thay đổi vận tốc gió theo phương đứng [19] Trong hàm < m tính khác tùy vào trường hợp ổn định hay khơng ổn định [19] ª zº u ^7z ` « » , z z0 0ẳ 7z u* ê Đ zã Đ z0 ã Đ ã ôln ă < m ă < m ă ằ , z0 d zd N â z0 âLạ â L ¹¼ u ^ zi ` , z! zi i (1) TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 04 - 2019 35 BÀI BÁO KHOA HỌC Trong L độ dài Monin - Obukhov, u* vận tốc ma sát, zo chiều dài độ nhám bề mặt, N số Karman N = 0.4, zi chiều cao hòa trộn; < m hàm tương tự tính động lượng [19] 2.2.2 Tốc độ thay đổi nhiệt độ theo phương đứng Để tính vệt nâng cột khói, nghiên cứu sử dụng phương pháp tính tốn tốc độ thay đổi trường nhiệt độ theo phương đứng dựa cơng thức tính nhiệt độ cao tham chiếu nhiệt độ (cụ thể zTref) [19] T ^ zT rref ` Tref gz msl cp (2) Trong zmsl = zref + zbase zbase cao trình trạm đo khí tượng, zref vị trí đo nhiệt độ (thường lấy độ cao m) Trong công thức (2), T nhiệt thế; Tref nhiệt độ môi trường xung quanh độ cao tham chiếu, g gia tốc trọng trường, zmsl cao trình chân ống khói, cp nhiệt dung riêng áp suất khơng đổi 2.2.3 Độ khí rối theo phương đứng Trong trường hợp lớp biên khí khơng ổn định, mức độ rối theo phương đứng (σ2wT) tính theo công thức [19]: V wT V wc V w2 m (3) Trong σ2wc độ rối đối lưu, σwm độ rối học tính phụ thuộc vào độ cao nằm phía hay phía lớp biên zi = max(zic , zim ) Trường hợp lớp biên khí ổn định, mức độ rối theo phương đứng (σ2wT) phụ thuộc vào độ rối học tính theo cơng thức: (4) 2.2.4 Độ rối khí theo phương ngang Trong trường hợp lớp biên khí khơng ổn định, độ rối khí theo phương ngang, σ2vT, kết hợp độ rối học σvm, độ rối đối lưu σvc tính theo cơng thức [19]: (5) V V V vvc vm Trong trường hợp ổn định, độ rối khí rối theo phương ngang, σ2vT phụ thuộc 36 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 04 - 2019 vvT vm 2.3 Đánh giá hệ số khuếch tán Nghiên cứu sử dụng cơng thức tính tốn phạm vi khuếch tán rối theo phương ngang phương đứng chuyên gia kiểm định [19] Theo phạm vi khuếch tán tổng (σy,z) theo phương ngang phương đứng kết hợp phạm vi khuếch tán (đại diện σya, σza) môi trường rối xung quanh khuếch tán (σb) từ mức độ rối luồng khí: V y2, z V ya2 , za V b2 (7) Các thành phần cơng thức (7) tính tốn cho trường hợp không ổn định ổn định [19] 2.4 Đánh giá độ nâng vệt khói Trong nghiên cứu độ nâng vệt khói tính cho trường hợp khơng ổn định ổn định Trường trường hợp không ổn định từ nguồn trực tiếp được tính sau: 1/3 Đ 3F x F x2 ã 'hd ă 2m b (8) ăE u E u p p 1 â ¹ 2 Trong Fm = (T/Ts)ws , rs thơng lượng động lượng ống khói, Fb = gws rs2(ΔT/Ts ) thơng lượng ống khói, rs bán kính ống khói và© E11 = 0.6 tham số ràng buộc Ts nhiệt độ luồng khói khỏi miệng ống khói (0K); T nhiệt độ môi trường xung quanh (0K) Với luồng khí gián tiếp: 1/2 V wT V w2 m v vT vào độ rối học xác định theo công thức [19] : (6) V V2 Đ Fb zi ã x (9) , 'hi ă ¨ D u r r ¸¸ u r p y z p â Trong ú ry l kớch thc ngang luồng khói; rz kích thước theo phương đứng luồng khói; up đặt vận tốc gió miệng ống khói, αr số 1,4 Trường hợp khí ổn định BÀI BÁO KHOA HỌC ∆hs F 2.66 2b N u p 1/3 N ' x N ' Fm N 'x sin + − cos u u Fb p p 1/3 Trong N’= 0.7N N u đánh giá ban đầu vị trí miệng ống khói Trong N tần số Brunt-Vaisala g ∂θ N = θ { zi } ∂z 1/2 z > zi (11) Trong T nhiệt (0K) [9, 19] 2.5 Mơ hình phát tán nhiễm có lưu ý tới địa hình CT {xr , yr , zr } Mơ hình tốn có lưu ý tới địa hình cho luồng khí kết hợp hai trường hợp xảy đồng thời: luồng ngang luồng theo địa hình Do đó, nồng độ tổng hợp, điểm tiếp nhận, tổng hợp nồng độ từ trạng thái Trong địa hình phẳng hai trạng thái tương đương [9] Cơng thức tổng qt tính tốn nồng độ chất nhiễm, áp dụng điều kiện ổn định khơng ổn định có dạng f Cc , s {xr , yr , zr } (1 f )Cc , s {xr , yr , zp } Trong CT {xr , yr , zr } tổng nồng độ, Cc,s {xr , yr , zr } nồng độ đóng góp từ luồng khí theo phương ngang (các số C S tương ứng với trường hợp không ổn định ổn định), Cc,s {xr , yr , zp } nồng độ đóng góp từ địa hình, f (10) (12) hàm số trọng số, { xr , yr , zr }là biểu diễn tọa độ điểm tiếp nhận (với zr xác định theo cao trình ống khói), zp = zr − zt chiều cao điểm tiếp nhận so với địa hình zt chiều cao địa hình điểm tiếp nhận [9, 19] Hình Nồng độ tổng tổng có trọng số từ hai trạng thái xảy đồng thời [19] TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 04 - 2019 37 BÀI BÁO KHOA HỌC AERMOD mô năm dạng luồng khí khác tùy thuộc vào độ ổn định khí vị trí bên cao lớp biên: 1) luồng khí trực tiếp, 2) luồng khí gián tiếp, 3) luồng khí thâm nhập, 4) luồng khí đưa vơ cưỡng 5) luồng khí ổn định [9, 19] Theo [19], nồng độ luồng khí trực tiếp tính cơng thức: O j ª § ( z < dj 2m zi ) · § ( z < dj 2m zi ) ã ôexp ă Fy ƯƯ áá ăă ¸¸ 2V z j 2V z j 2S u j m V z j « ăâ â Qf p Qf Cd {xr , yr , z} f º » » ¼ (13) Nồng độ nguồn gián tiếp tính theo công thức [19]: Cr {xr , yr , z} § < 2mz 2 · º O j êô Đă z < rjj 2mzi ãá rjj i ááằằ (14) Fy ƯƯ exp exp e pă Ư Ư 2 ô ằ ă ¨ ¸ 2V zj 2V zj 2S u j m V zj â â ạẳ Qff p f Đối với nguồn từ luồng khói xâm nhập, nồng độ trường hợp [19]: C p {xr , yr , z} ê Đ z h 2mz · § h 2mz · º eff eff ep ief ff epp ief ff exp áằ Fy Ư ôexp ă exp ă 2 ô ă ¨ ¸» 2 V V 2S uV zp m f zp zp â â ạẳ Q(1 f p ) f (15) Nồng độ trường hợp khí khơng ổn định tính theo cơng thức: Cc {xr , yr , z} Cd {xr , yr , z} Cr {xr , yr , z} C p {xr , yr , z} (16) Với trường hợp ổn định, nồng độ trường hợp tính theo cơng thức: { r , yr , z} Cs {x § z h 2m § h 2mz · º f ª mziefeffff · Q eff es es ief ff ¸ exxp ă ááằằ (17) Fy Ư ôexp ¨ 2 ¨ ¸ ¨ ¸» 2V zs 2V zs 2S uV z m f ô ạẳ â â Trong cỏc cụng thc trờn Q (g/s) tải lượng ô nhiễm, fp tham số không thứ nguyên, tỷ trọng khối lượng luồng khí trường hợp khí khơng ổn định, u vận tốc gió hữu dụng, Cc{xr,yr,zr} nồng độ tổng trường hợp khí khơng ổn định (g.m-3); Cd{xr,yr,zr} phần nồng độ đóng góp vào nồng độ tổng từ nguồn trực tiếp trường hợp khí khơng ổn định (g m-3); Cp{xr,yr,zr} phần nồng độ đóng góp vào nồng độ tổng từ nguồn xâm nhập trường hợp khí khơng ổn định (g.m-3); Cr{xr,yr,zr} phần nồng độ đóng góp vào nồng độ tổng từ nguồn gián tiếp trường hợp khí khơng ổn định (g.m-3); Cs{xr,yr,zr} nồng độ tổng trường hợp khí ổn định (g m-3); Fy hàm tổng hàm phạm vi khuếch tán theo phương ngang (m-1); O1,2 trọng số phân 38 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 04 - 2019 bố tầng (j = 1) tầng (j = 2); Vzj - phạm vi khuếch tán tổng với luồng dước (j=1,2 tương ứng), cho nguồn trực tiếp lẫn gián tiếp; Vzp phạm vi phân tán tổng áp dụng cho nguồn xâm nhập (m);