CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.2. Tổng quan về các phương pháp đánh giá chất lượng khơng khí
1.2.2. Phương pháp mô hình hóa
Phương pháp mơ hình hóa được sử dụng trong đánh giá ơ nhiễm mơi trường khơng khí thơng qua việc giải bài tốn về q trình lan truyền chất ơ nhiễm trong mơi
trường khơng khí có nguồn gốc phát thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt và các nguồn ô nhiễm khác.
Cơ sở của phương pháp này là dùng mơ hình lan truyền chất ơ nhiễm kết hợp với các tham số về sự khuếch tán rối khí quyển để xây dựng bài tốn về q trình lan truyền chất ơ nhiễm trong môi trường khuếch tán rối [15, 24, 31]. Kết hợp với việc khảo sát, đo đạc thực tế tại một số điểm thử nghiệm để kiểm tra độ chính xác của mơ hình. Mơ hình sau khi kiểm nghiệm được sử dụng để tính tốn phân bố nồng độ chất ô nhiễm cho cả vùng nghiên cứu và các vùng khác có tính tương tự.
Nếu như mơ hình khuếch tán giải bài tốn lan truyền chất ô nhiễm từ nguồn thải để xác định nồng độ chất ơ nhiễm tại nơi tiếp nhận thì mơ hình nơi tiếp nhận lại xuất phát từ kết quả đo, phân tích các yếu tố tại nơi tiếp nhận để nhận dạng các nguồn gây ô nhiễm. Hiện tại, thế giới đang sử dụng 2 mơ hình nơi tiếp nhận là mơ hình CBM và PMF [8].
1.2.2.1. Các hướng mơ hình hóa
Theo tài liệu của Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), Chương trình Mơi trường của Liên hiệp quốc (UNEP), Tổ chức Y tế thế giới (WHO) thì hiện nay thế giới có khoảng hơn 20 mơ hình tính tốn q trình khuếch tán chất ơ nhiễm trong mơi trường khơng khí, được phân thành 3 hướng chính [24, 31]:
- Hướng 1: Mơ hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết của Gauss
(gọi tắt là mơ hình Gauss). Các nhà khoa học đã có cơng phát triển mơ hình này là Taylor (1985), Sutton (1925-1953), Tunner (1961-1964), Pasquill (1962-1971), vv... và tiếp tục được các nhà khoa học khác hoàn thiện;
- Hướng 2: Mơ hình thống kê thuỷ động lực. Mơ hình này sử dụng lý thuyết
khuếch tán rối trong khí quyển có phân tầng kết nhiệt (gọi tắt là mơ hình K). Mơ hình được Berliand hồn thiện nên cịn gọi là mơ hình Berliand;
- Hướng 3: Mơ hình số trị. Xuất phát từ hệ phương trình khuếch tán rối, kết hợp
từ 7 đến 9 phương trình. Ở Việt Nam hướng này mới tiếp cận trong những năm gần đây nên kết quả nghiên cứu còn hạn chế.
Trên cơ sở các hướng nghiên cứu nói trên, các nhà khoa học trên thế giới đã đưa ra hướng bổ sung, cải tiến các mơ hình để phù hợp với điều kiện mơi trường của từng khu vực nghiên cứu cụ thể. Các mơ hình Berliand và Gauss, Sutton (dạng cải tiến của Gauss) hiện nay được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và ở Việt Nam để đánh giá và dự báo các chất ơ nhiễm khơng khí thải ra từ các nguồn thải cơng nghiệp, đơ thị, dân sinh, giao thơng, xây dựng và khai khống.
1.2.2.2. Các dạng mơ hình trong đánh giá ơ nhiễm mơi trường khơng khí a) Mơ hình lan truyền chất ơ nhiễm trong mơi trường khơng khí đối với nguồn
điểm liên tục
Đối với các mơ hình tính tốn lan truyền chất ơ nhiễm cho nguồn điểm trên mặt đất, mơ hình Gauss và Sutton (một dạng cải tiến của Gauss) được sử dụng phổ biến ở các nước phương Tây. Mơ hình Berliand được sử dụng nhiều ở các nước Đơng Âu và Liên xơ (cũ). Cả ba mơ hình trên cũng được sử dụng rất rộng rãi ở Việt Nam. Nồng độ chất ơ nhiễm tính được theo các mơ hình này cho nguồn điểm liên tục (đặc trưng là ống khói của nhà máy) được trình bày chi tiết trong các tài liệu [15, 24, 31]. Ngoài việc áp dụng để đánh giá cho các nguồn điểm có độ cao h (như ống khói của các nhà máy), các mơ hình trên cịn được áp dụng đối với nguồn điểm ở ngay mặt đất (h = 0).
b) Mơ hình lan truyền chất ơ nhiễm trong mơi trường khơng khí đối với nguồn đường
Nguồn đường có thể xem là tập hợp các nguồn phát thải liên tục trên một tuyến đường hữu hạn hoặc vô hạn, chẳng hạn như nguồn ô nhiễm giao thông do các xe chạy trên tuyến đường hay tập hợp các ống khói của khu cơng nghiệp nằm kéo dài trên triền sơng hoặc bờ biển [15].
Mơ hình Gauss hay Sutton thường được sử dụng để tính phân bố ơ nhiễm do nguồn đường. Để mô tả bức tranh về ơ nhiễm mơi trường khơng khí đối với nguồn đường, người ta vẽ các đường đẳng trị (đường đồng mức) của các chất ơ nhiễm thơng
qua tính tốn các giá trị C(x, z) ứng với x biến thiên trong khoảng 2 m; z biến thiến trong khoảng 0,5 m; rồi nối các điểm có cùng giá trị nồng độ chất ô nhiễm với nhau sẽ được họ các đường đẳng trị về nồng độ chất gây ơ nhiễm khơng khí đối với nguồn đường. Mơ hình nguồn đường được trình bày chi tiết trong tài liệu [15, 24].
c) Mơ hình lan truyền chất ơ nhiễm mơi trường khơng khí đối với nguồn mặt
Nguồn mặt là tập hợp các nguồn phát thải trên một đơn vị diện tích rộng, chẳng hạn như sự phát thải khí độc từ khu cơng nghiệp, các sơng, ao, hồ, bãi rác,.. [15] Trường hợp nguồn mặt được tạo nên bởi một số khơng lớn nguồn điểm thì có thể sử dụng mơ hình tính tốn đối với từng nguồn riêng rẽ, sau đó tính tổng để xác định nồng độ chất ơ nhiễm khơng khí ở các điểm cần khảo sát, đánh giá. Diện tích bề mặt có thể được chia ra thành các dải nguồn đường song song để sử dụng cơng thức tính đối với nguồn đường rồi cộng lại nhằm xác định nồng độ chất ô nhiễm đối với nguồn mặt.
Ngoài các phương pháp nêu trên, việc đánh giá ơ nhiễm khơng khí từ nguồn mặt (thành phố, đơ thị, vùng mỏ...) cịn có thể sử dụng mơ hình hộp. Coi khối khơng khí trên vùng đơ thị có dạng hình hộp với kích thước chiều dài L (m), chiều rộng d (m), chiều cao H (m) bằng chiều cao lớp xáo trộn của khí quyển, cơng suất phát thải của nguồn mặt bằng Ms (mg/m2/s). Hướng gió thổi vng góc với chiều rộng có tốc độ trung bình là u (m/s) mang theo dịng chất ơ nhiễm có nồng độ Cv (mg/m3), nồng độ chất ô nhiễm bên trong hình hộp là C (mg/m3). Mơ hình hộp được trình bày chi tiết trong tài liệu [15, 24].
1.2.2.3. Một số phần mềm đánh giá ô nhiễm mơi trường khơng khí
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều chương trình và phần mềm được xây dựng trên cơ sở các mơ hình tốn học đang được nghiên cứu, thử nghiệm và áp dụng để đánh giá ơ nhiễm mơi trường khơng khí. Dựa theo một số đặc thù tính tốn, cũng có thể phân chia các phần mềm quản lý CLKK thành 4 nhóm chính:
a) Nhóm các phần mềm tính tốn dựa trên mơ hình Gauss hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi nhất và tỏ ra có ưu thế trong việc tính tốn dự báo nồng độ các chất ơ nhiễm trong những điều kiện thơng thường;
b) Nhóm các phần mềm dựa trên các mơ hình số học như các mơ hình mạng lưới hoặc mơ hình hình hộp được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các chất ô nhiễm tại các đô thị, khu công nghiệp và bị chi phối nhiều bởi các hiệu ứng như hiệu ứng quang hố;
c) Nhóm các phần mềm bao gồm các phần mềm tính tốn được phát triển từ các
mơ hình thống kê thực nghiệm;
d) Nhóm các mơ hình vật lý được nghiên cứu áp dụng ở mức độ tương đối
chuyên sâu và thường gắn với một mục đích cụ thể.
Hiện nay trên thế giới và ở Việt Nam, một số phần mềm được xây dựng trên cơ sở mơ hình vệt khói Gauss đang được sử dụng rộng rãi trong trong đánh giá ơ nhiễm mơi trường khơng khí cho khu cơng nghiệp và đơ thị trên thế giới như mơ hình ISC, AERMOD,...
Phần mềm ISC (Industrial Source Complex Model) được lập trình dựa theo mơ hình vệt khói Gauss. Phần mềm này được đánh giá là tương đối mạnh, có thể áp dụng trong nghiên cứu tính tốn, dự báo nồng độ các chất ơ nhiễm từ các loại nguồn cơng nghiệp điển hình như nguồn điểm, nguồn đường, nguồn diện hoặc nguồn khối cũng như các tổ hợp công nghiệp phức tạp. Các yếu tố khí tượng như lắng đọng, mưa, hiện tượng nâng vệt khói, trường hợp gió quẩn cũng được đưa vào phần mềm như những tuỳ chọn tính tốn. Trong tính tốn q trình lan truyền, phát tán và dự báo nồng độ mặt đất, các yếu tố địa hình cũng được tính đến. Đặc biệt, phần mềm ISC có khả năng tính tốn và dự báo ngắn hạn hoặc dài hạn.
Mơ hình AERMOD (The AMS/EPA Regulatory Model) được phát triển bởi Cơ quan Khí tượng và Cục Bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (EPA) - được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ cho chương trình quản lý của EPA. Mơ hình gồm 3 thành phần: AERMOD (Mơ hình phát tán AERMIC), AERMAP (Cơng cụ địa hình của AERMOD) và
dụng cho các vùng nơng thơn, đơ thị, địa hình bằng phẳng, phức tạp và các loại nguồn thải như nguồn điểm, nguồn đường, nguồn diện, xây dựng các lựa chọn phổ biến cho nhiều ứng dụng. AERMET xử lý các dữ liệu khí tượng bề mặt và trên các tầng khác nhau, cho phép tính các tham số đặc trưng của khí quyển theo mơ hình Monin – Obukhov. Ưu điểm của AERMOD là đã tính đến độ cao xáo trộn và đặc biệt đến yếu tố địa hình phức tạp – khắc phục được những hạn chế của một số mơ hình khác trong đó có ISC.