II. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
2.2.1.Các yếu tố ảnh hưởng đến lan truyền chấ tô nhiễm
a. Đặc điểm nguồn thải
+ Dạng nguồn: chủ yếu xem xét đến ảnh hưởng của hình thái nguồn, nguồn điểm, nguồn
đường, nguồn mặt sẽ có sự phát tán chất ô nhiễm khác nhau.
Với các nguồn ô nhiễm dạng ống khói, người ta còn quan tâm đến chiều cao nguồn, đường kính đỉnh của nguồn vì nó liên quan đến vận tốc phụt của ống khói (hay vận tốc khí thải trước khi ra khỏi nguồn.
- Chiều cao nguồn: là chiều cao tính từ mặt đất đến đỉnh của ống khói. Chiều cao của nguồn
ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phát tán của chất ô nhiễm. Chiều cao của nguồn càng lớn thì chất ô nhiễm phát tán càng xa và ngược lại. Tuy nhiên, việc nâng chiều cao của nguồn để pha loãng khí thải cũng có giới hạn do chúng còn phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế, kỹ thuật khi xây dựng
- Đường kính đỉnh của nguồn: là đường kính trong của ống khói. Nếu ống khói có dạng hình
côn thì đó là đường kính trong tại đỉnh của ống khói. Thông số này có liên quan đến vận tốc chuyển động của khí thải trước khi ra khỏi ống khói. Đường kính của nguồn càng nhỏ thì vận tốc khí thải càng lớn và quá trình phát tán càng xa.
- Vận tốc của khí thải: là vận tốc của khí thải trước khi thoát ra khỏi nguồn. Thông thường đó
là vận tốc của khí thải tính theo đường kính đỉnh của nguồn. Vận tốc khí thải càng lớn thì phát tán chất ô nhiễm càng xa và ngược lại.
+ Đặc tính của chất thải: yếu tố này đề cập đến tính chất vật lý, hóa học của chất ô nhiễm.
Các tính chất này cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phát tán của chất ô nhiễm trong khí quyển.Ví dụ với chất khí thì thường phát tán xa hơn các hợp chất lỏng, các chất có trọng lượng lớn thì dễ xảy ra quá trình sa lắng hơn các chất có trọng lượng bé. Hỗn hợp khí thải có nồng độ bụi cao và kích thước hạt lớn thì hạt bụi sau khi ra khỏi ống khói sẽ bị sa lắng rất nhanh, kết quả là chúng rơi gần ống khói hơn là các chất khí.
+ Nồng độ chất thải: Nồng độ chất ô nhiễm càng cao, quá trình phát tán càng nhanh, lượng chất ô nhiễm phát tán ra môi trường xung quanh càng nhiều.
+ Nhiệt độ của khí thải là nhiệt độ của khí thải trong ống khói trước khi thải ra khí quyển.
Nhiệt độ của khí thải càng cao dẫn đến độ chênh lệch nhiệt độ giữa khí thải và không khí bên ngoài càng lớn thúc đẩy quá trình phát tán càng xa hơn.
b. Các yếu tố môi trường
(1) Các yếu tố khí tượng
Các yếu tố khí tượng ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm là gió, nhiệt độ, độ ẩm, mưa, bão, ....Trong đó, hai yếu tố khí tượng quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự phân bố các chất ô nhiễm là gió và nhiệt độ không khí vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ ổn định của khí quyển, độ cao xáo trộn cực đại và hình dạng vệt khói lan truyền.
*) Ảnh hưởng của gió
Gió được hình thành do chuyển động ngang của các khối không khí - đây là yếu tố khí tượng cơ bản nhất có ảnh hưởng tới sự lan truyền chất ô nhiễm. Gió không phải là dòng chảy ổn định, hướng và vận tốc của nó luôn thay đổi.
- Ảnh hưởng của hướng gió: Các chất ô nhiễm phát sinh từ nguồn ra ngoài môi trường sẽ lan
truyền xuôi theo hướng gió. Tuy nhiên, hướng gió không phải cố định, nó thay đổi theo từng vùng với những dạng địa hình khác nhau (hướng gió thường mang tính địa phương). Ở nước ta vào mùa hè thường có hướng gió chủ đạo là Đông Nam ở Bắc Bộ và Tây Nam ở Nam Bộ, và mùa đông
thường có gió mùa Đông Bắc ở cả 2 miền. Các khu vực ven biển thường có gió biển, vùng đồi núi thường có gió núi, gió thung lũng, hay như khu vực Trung bộ của nước ta mùa hè thường có gió Tây Nam khô và nóng .... Nắm bắt được hướng gió chủ đạo có ý nghĩa rất quan trọng trong quy hoạch và xây dựng các khu công nghiệp hay khu dân cư của mỗi vùng.
- Ảnh hưởng của vận tốc gió:
Vận tốc gió là tốc độ chuyển động của không khí trong khí quyển do sự chênh lệch áp suất của không khí giữa các vùng với nhau. Tốc độ gió được đo bằng đơn vị m/s, km/h, hải lý/h. (1m/s = 1,9424 hải lý/h = 3,6 km/h)
Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió. Theo thang Bofort do Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) thông qua, vận tốc gió được chia thành 12 cấp. (bảng 1.7)
Đối với quá trình khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển thì lặng gió và gió cấp 1 có khả năng gây nguy hiểm về môi trường cho bản thân các nhà máy, khu công nghiệp ngay tại nơi phát thải chất ô nhiễm. Gió cấp 2, 3 có thể gây ô nhiễm cho khu vực dân cư nằm tiếp giáp với nhà máy hoặc khu công nghiệp nếu không có dải cách ly. Các cấp gió cao hơn có tác dụng khuếch tán nhanh chóng chất ô nhiễm ra phạm vi rộng và xa làm cho nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất giảm đi nhanh.
Bảng 1.7 : Các cấp gió theo thang Bofort Đặc trưng gió Cấp Tốc độ m/s Km/h Lặng gió 0 0 – 0,5 0-1 Gió rất nhẹ 1 0,6 – 1,7 2-6 Gió nhẹ 2 1,8 – 3,3 7-12 Gió yếu 3 3,4 – 5,2 13-18 Gió vừa 4 5,3 – 7,4 19-26 Gió mạnh vừa 5 7,5 – 9,8 27-35 Gió mạnh 6 9,9 – 12,4 36-44 Gió to 7 12,5 -15,2 45-54 Gió rất to 8 15,3 – 18,2 55-65 Bão 9 18,3 – 21,5 66-77 Bão mạnh 10 21,6 – 25,1 78-90 Bão to 11 25,2 – 29,0 91-104
Bão rất to (Tố) 12 >29,0 >104
(Nguồn: Cơ sở khoa học môi trường không khí,)
Tốc độ gió trên thông thường sẽ khác so với tốc độ gió ở khu vực dân cư, và sát mặt đất do có nhà cửa công trình nên hướng gió cũng như tốc độ gió bị biến dạng so với hướng và vận tốc ban đầu. Khi nghiên cứu sâu vào việc tính toán vận tốc gió tại các khu vực sát mặt đất người ta sẽ sử dụng các công thức để tính toán với yếu tố vật cản.
Sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao
Bất kỳ một chất lỏng nào chuyển động trong đường ống mương dẫn cũng đều chịu tác động của lự ma sát do thành ống, thành mương dẫn gây ra đối với dòng chảy. Chuyển động của không khí trên mặt đất cũng chịu tác động tương tự như vậy của mặt dất: độ nhám, độ gồ ghề của mặt đất làm cho vận tốc gió ở sát mặt đát có thể xem như bằng không và càng lên cao vận tốc gió càng lớn dần, lúc đầu tăng nhanh về sau tăng chậm.
Quy luật thay đổi chiều cao của vận tốc gió được thể hiện bằng biểu thức:
Với:
Trong đó: uz vận tốc gió tìm được ở độ cao z , m/s uz1 vận tốc gió đã biết ở độ cao z1
z0 độ cao tính bẳng m mà ở đó vận tốc gió được tính bằng 0
z và z1 lần lượt là độ cáo cần tính vận tốc và độ cao có vận tốc đã biết, m
Ngoài quy luật biến đổi của vận tốc gió theo chiều cao theo hàm số logarit nêu trên, bằng nghiệm Sutton cũng đưa ra quy luật biến đổi của gió theo hàm số mũ như sau:
Trong đó: Khi nhiệt độ giảm mạnh theo chiều cao, tức khí quyển không ổn định a= 0,2 n=0,11
Độ giảm nhiệt độ nhỏ hoặc bằng không (điều kiện khí quyển trung tính) a= 0,25 n = 0,14 Khi có nghịch nhiệt vừa (khí quyển ổn định) a= 0,33 n = 0,2
Khi có nghịch nhiệt mạnh (khí quyển rất ổn định) a = 0,5 n = 0,33
Ngoài ra theo kết quả nghiên cứu của Irwin J.S (1979), vận tốc gió thay đổi theo chiều cao theo quy luật hàm số mũ phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đất z0 và các cấp ổn định của khí quyển theo thang Pasquill – Gifford. Công thức có dạng:
Trong đó: u1, u2 – tốc độ gió ở hai điểm có độ cao khác nhau (điểm 1 cao hơn điểm 2, u2 vận tốc gió ở độ cao 10m – độ cao trụ gió của các trạm quan trắc khí tượng)
z1, z2 – độ cao ở hai điểm 1 và 2; (z2 = 10 m)
n- hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào tính ổn định của khí quyển và địa hình nơi xét.
(1.6)
(1.7)
Khí quyển càng ổn định thì tốc độ gió càng tăng nhanh theo chiều cao, tức là hệ số n càng lớn. Địa hình địa phương cũng có ảnh hưởng đến hệ số n.
Cục bảo vệ môi trường Mỹ EPA đưa ra các giá trị n đối với mặt đất gồ ghề ở bảng 1.8 Đối với mặt đất bằng phẳng hay trên mặt nước thì các giá trị của n cho ở bảng 1.8 cần nhân với hệ số hiệu chỉnh là 0,6. Phân loại tính ổn định của khí quyển theo các cấp trạng thái A,B,C,D,E,F
Bảng 1.8: Hệ số mũ n của biến thiên tốc độ gió theo chiều cao đối với mặt đất gồ ghề Cấp ổn định của khí quyển Diễn giải Hệ số n
A Rất không ổn định 0,15 B Không ổn định điển hình 0,15 C Không ổn định nhẹ 0,2 D Trung tính 0,25 E Ổn định nhẹ 0,4 F Ổn định 0,5
+ Tốc độ gió sẽ tăng lên theo sự chênh lệch áp lực khí quyển. Đã có nhiều công trình nghiên cứu mối quan hệ giữa phân bố nồng độ chất ô nhiễm không khí trong thành phố với tốc độ gió, kết quả cho thấy nồng độ chất ô nhiễm đạt cực đại khi gió có tốc độ nhỏ 0 – 1 m/s.
Mối quan hệ mật thiết giữa cấp độ ổn định của khí quyển và tốc độ gió còn thể hiện trong bảng 1.9
Bảng 1.9: Phân cấp ổn định của khí quyển (theo Turner, 1970) Tốc độ gió
trên mặt đất (m/s) (1)
Ban ngày theo nắng chiếu Ban đêm theo độ mây (5) Mạnh (2) Trung bình (3) Yếu (4) Nhiều mây,
độ mây ≥4/8 Ít mây, độ mây ≤3/8 <2 A A-B B E F 2-3 A-B B C E F 3-5 B B-C C D E 5-6 C C-D D D D >6 D D D D D Ghi chú:
1- tốc độ gió ở độ cao 10 m so với mặt đất
3- nắng mùa hè, khi bầu trời có một số mảng mây và trời trong sáng, mặt trời có góc cao 30 - 60o; 4- đặc trưng là buổi chiều mùa thu hay ngày màu hè có mây, hoặc mùa hè trong sáng, mặt trời có góc cao 15-35o;
5- độ mây được xác định bằng mức mây che phủ bầu trời
A,B,C,D,E,F- các cấp ổn định của khí quyển; cấp A-B hay C-D là trung bình của hai cấp trên.
*) Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Trong khí quyển, người ta xem rằng mọi quá trình dãn nở hoặc nén ép đều xảy ra theo tính chất đoạn nhiệt (adiabatic) bởi vì sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh diễn ra với cường độ không đủ lớn để dẫn tới sự cân bằng nhiệt độ, nói cách khác là sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh có thể bỏ qua.
Khi một khối không khí bổ sung bốc lên cao trong khí quyển theo phương thẳng đứng nó sẽ chịu tác động của một lực áp suất mỗi lúc một giảm nhỏ, nó sẽ giảm nở và nhiệt độ của nó hạ thấp. Ngược lại mỗi khi khối không khí đó hạ dần độ cao thì nó bị nén ép, áp suất tăng và kéo theo nhiệt độ cũng tăng cao.
Có hai hiện tượng thay đổi nhiệt độ không khí theo chiều cao:
Một là, sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao của không khí trong điều kiện dãn nở hoặc nén ép
đoạn nhiệt, áp dụng cho trường hợp một khối không khí dưới tác dụng của một ngoại lực như gió, chim bay hoặc một xáo trộn nào đó làm cho nó đột nhiên bốc lên cao hoặc hạ xuống thấp theo phương thẳng đứng. Tùy thuộc theo trạng thái không khí là khô hay ẩm, hay bão hòa hơi nước mà ta có gradien nhiệt độ đoạn nhiệt khô Γ hoặc đoạn nhiệt bão hòa Γ’. Giá trị Γ = 1oK/ 100m, nghĩa là cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm đi 1oK trong điều kiện không khí khô, và Γ’ thường dao động từ 0,3 – 0,9 K/100m trong điều kiện không khí bão hòa.
Hai là, sự phân bố nhiệt độ theo chiều cao của không khí trong lớp khí quyển sát mặt đất. Sự
phân bố nhiệt độ này thường diễn ra theo quy luật hàm số bậc nhất.
T2 = T1 – β (z2 – z1);
Hay: dT = - β.dz β = - dT/d z
Trong đó: T1, T2 – nhiệt độ ở độ cao z1 ; z2 ; β – gradien nhiệt độ, K/m
Tùy theo sự phân bố nhiệt độ thực tế theo chiều cao mà β có thể có những giá trị khác nhau và mỗi quan hệ giữa hai giá trị đoạn nhiệt β và Γ sẽ quyết định độ ổn định của khí quyển.
Khi β > Γ : khí quyển không ổn định Khi β = Γ : khí quyển trung tính
Khi β < Γ : khí quyển ổn định (kể cả khi β > 0 hoặc β < 0)
Trong điều kiện không khí bão hòa hơi nước trạng thái ổn định của khí quyển xác định thông qua mối quan hệ giữa β với Γ’
Trong các ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đến quá trình khuếch tán chất ô nhiễm, hiện tượng nghịch nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến ô nhiễm môi trường không khí.
Nghịch nhiệt đóng vai trò rất quan trọng trong khí hậu học ô nhiễm không khí. Khi có nghịch nhiệt, không khí trở nên rất ổn định và cản trở mọi chuyển động thẳng đứng của từng bộ phận khí. Độ ổn định do nghịch nhiệt gây ra còn làm hạn chế sự trao đổi năng lượng gió của lớp không khí sát mặt đất với gió ở các lớp khí quyển trên cao và do đó, cản trở quá trình khuếch tán các chất ô nhiễm theo cả phương đứng lẫn phương ngang.
Nghịch nhiệt được hình thành do nhiều nguyên nhân khác nhau: - làm lạnh lớp không khí từ bên dưới
- làm nóng lớp không khí từ bên trên
- chuyển động dòng không khí lạnh bên dưới lớp không khí ấm - chuyển động của dòng không khí ấm bên trên lớp không khí lạnh
Trong bốn nguyên nhân trên, nghịch nhiệt theo nguyên nhân thứ nhất là nghịch nhiệt bức xạ, dạng nghịch nhiệt này xuất hiện quanh năm vào nửa đêm và sáng sớm, nhưng về mùa đông có thể kéo dài cả ban ngày khi năng lượng mặt trời không đủ sức phá vỡ lớp nghịch nhiệt. Đặc biệt ở những vùng khí hậu lạnh khi mặt đất có lớp tuyết bao phủ, nghịch nhiệt có thể kéo dài từ 5 – 7 ngày bởi vì tuyết phản xạ rất tốt tia nắng mặt trời đồng thời là vật phát xạ mạnh tia hồng ngoại.
Nguyên nhân thứ hai thường xuất hiện ở những vùng áp suất cao khi có lớp mây che phủ bầu trời và hấp thụ năng lượng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống. Trong cùng này có dòng chảy chậm của không khí hướng xuống dưới và gió nhẹ. Khối không khí nặng chìm xuống dưới sẽ tăng nhiệt độ theo quá trình đoạn nhiệt và thường trở thành lớp không khí ấm hơn so với lớp không khí ở phía dưới. Kết quả ta có lớp nghịch nhiệt trên cao, lớp nghịch nhiệt này thường có độ cao từ 400 ÷ 500 m đến 4000 ÷ 5000 m trên mặt đất.
Nguyên nhân thứ ba là trường hợp dòng không khí lạnh từ các vùng núi cao vào ban đêm tràn xuống các thung lũng tạo thành lớp không khí ấm và dẫn tới hiện tượng nghịch nhiệt ở đáy thung lũng. Trường hợp này nếu có ngưng tụ xảy ra thì lớp sương giá sẽ hình thành và làm cho ánh sáng mặt trời vào ban ngày không thể xuyên qua được, lúc đó nghịch nhiệt có thể kéo dài nhiều ngày và chỉ khi có gió mạnh hoặc bão nó mới bị quét sạch ra khỏi thung lũng.
Cuối cùng, nguyên nhân thứ tư thường xảy ra khi có dòng không khí từ phía khuất gió của sườn núi thổi xuống chân núi. Dòng không khí này sẽ được ấm lên theo quá trình nén ép đoạn nhiệt