- Mơ hình số trị: tức là giải phương trình vi phân bằng phương pháp số trị Hướng này chưa đạt được kết quả cụ thể.
PHĨNG XẠ TỪ NMĐHN
Hiện nay, trên thế giới tồn tại nhiều phần mềm phục vụ cơng việc đánh giá phát tán các chất ơ nhiễm trong khí quyển. Các phần mềm này rất tiện lợi trong việc phân tích đánh giá tác động mơi trường cho các dự án phát triển. Một số phần mềm đánh giá phát tán chất phĩng xạ trong khơng khí được nghiên cứu gồm: ADMS 3, AERMOD, CALPUFF, PUFF-PLUME, NAME, ATSTEP, RIMPUFF, ORION-WIN, ACCIDENT và PAL 2.1.
1. ADMS 3
ADMS 3 (Hệ thống Mơ hình Phân tán Khí quyển) là mơ hình phân tán ơ nhiễm khí quyển tiên tiến để tính tốn hàm lượng các chất gây ơ nhiễm trong khí quyển đã phát ra cả liên tục từ các nguồn điểm, đường, khối và diện, hoặc khơng liên tục từ các nguồn điểm.
Được phát triển bởi Ban Tư vấn Nghiên cứu Mơi trường Cambridge (CERC) của Anh Quốc hợp tác với Văn phịng Khí tượng Anh Quốc, Cơng ty cổ phần trách nhiệm hữu hạn (Public Limited Company) Điện Quốc gia (bây giờ là Cơng ty cổ phần trách nhiệm hữu hạn INNOGY Holdings plc) và Trường Đại học Surrey. Phiên bản đầu tiên của ADMS được phát hành vào 1993.
Phiên bản 3 hiện thời được phát hành vào tháng hai năm 1999 và chỉ chạy trong mơi trường Microsoft Windows mặc dù nĩ vẫn cịn cĩ một FORTRAN codebase. Phiên bản 4 được hoạch định để phát hành với các đặc tính bổ sung.
Các đặc tính và khả năng của ADMS 3:
Mơ hình bao gồm các thuật tốn cĩ tính đến: các hiệu ứng rửa trơi do các tịa nhà lân cận trên đường đi của luồng phân tán ơ nhiễm; hiệu ứng do địa hình phức tạp; hiệu ứng do vị trí nằm ven bờ biển; rơi lắng ướt, rơi lắng do lực hấp dẫn và rơi lắng khơ; các thăng giáng ngắn hạn về hàm lượng chất nhiễm bẩn; các phản ứng hĩa học; phân rã phĩng xạ và liều gamma; độ dâng của luồng ơ nhiễm là hàm theo khoảng cách; phun và các phĩng thích cĩ hướng; trung bình theo thời gian từ phạm vi rất ngắn đến hàng năm; và tầm nhìn của luồng mây đậm đặc. Hệ thống cũng bao gồm một bộ tiền xử lý nhập dữ liệu khí tượng.
Mơ hình cĩ khả năng mơ phỏng các luồng thải liên tục thụ động hoặc sinh động cũng như các phĩng thích luồng phụt với khoảng thời gian ngắn. Nĩ mơ tả đặc điểm rối khí quyển bởi hai tham số, độ sâu lớp biên và độ dài Monin-Obukhov, hơn là lớp Pasquill tham số đơn. ADMS 3 cĩ thể mơ hình hĩa đồng thời lên tới 100 nguồn phát xạ.
2. AERMOD
AERMOD - Mơ hình phân tán khí quyển dựa vào cấu trúc rối và các khái niệm tỉ lệ của lớp biên khí quyển, bao gồm việc xử lý nhiều nguồn tại mặt đất, nguồn điểm cao, nguồn mặt và nguồn khối. Nĩ xử lý địa hình bằng phẳng hoặc phức tạp, nơng thơn hoặc thành thị và bao gồm các thuật tốn đối với các hiệu ứng cơng trình và sự xuyên qua các lớp nghịch đảo ở trên cao của luồng thải. Nĩ sử dụng phân tán Gauss cho các điều kiện khí quyển ổn định (độ rối thấp) và sự phân tán khơng Gauss cho các điều kiện khơng ổn định (độ rối cao). Các thuật tốn về sự suy giảm luồng thải do rơi lắng khơ và ướt cũng được bao gồm trong mơ hình. Mơ hình này đã được phát triển trong khoảng 14 năm trước khi được chấp nhận chính thức bởi U.S. EPA.
Hệ thống mơ hình phân tán khí quyển AERMOD là một hệ thống tích hợp bao gồm ba mơđun:
- Mơ hình phân tán ở trạng thái ổn định đã được thiết kế cho phân tán tầm gần (lên đến 50km) do chất nhiễm bẩn khơng khí từ các nguồn cơng nghiệp cố định.
- Bộ tiền xử lý dữ liệu khí tượng (AERMET) đối với dữ liệu khí tượng bề mặt, các phép đo cao khơng, và một cách cĩ chọn lọc, dữ liệu từ các tháp gắn thiết bị đo khí tượng tại chỗ. Sau đĩ tính các tham số khí quyển cần thiết cho mơ hình phân tán, như các đặc trưng rối khí quyển, độ cao pha trộn, vận tốc ma sát, độ dài Monin-Obukov và dịng nhiệt bề mặt.
- Bộ tiền xử lý địa hình (AERMAP) với mục đích chính là cung cấp mối quan hệ giữa các đặc trưng địa hình và tính chất của các luồng ơ nhiễm khơng khí. Nĩ đưa ra dữ liệu tại vị trí và chiều cao cho mỗi điểm thu nhận. Nĩ cũng cung cấp thơng tin để mơ hình phân tán mơ phỏng các hiệu ứng của dịng khơng khí chảy lên các ngọn đồi hoặc chia thành dịng chảy xung quanh các ngọn đồi.
AERMOD cũng bao gồm PRIME (Plume Rise Model Enhancements) mà là một thuật tốn để mơ hình hĩa các hiệu ứng rửa trơi tạo ra bởi luồng ơ nhiễm chảy bên cạnh các cơng trình.
Lịch sử phát triển của AERMOD
AERMOD được phát triển bởi AERMIC (American Meteorological Society (AMS)/United States Environmental Protection Agency (EPA) Regulatory Model Improvement Committee), một nhĩm cơng tác gồm các nhà khoa học từ AMS và EPA. AERMIC đầu tiên được hình thành vào năm 1991. AERMIC đã phát triển AERMOD theo 7 bước:
- Cơng thức mơ hình đầu tiên - Đánh giá phát triển
- Xem xét bình đẳng nội tại và thử nghiệm giai đoạn 2 (beta testing) - Xem lại cơng thức mơ hình
99 - Xem xét bình đẳng bên ngồi
- Đệ trình EPA để xét như là một mơ hình pháp quy.
Vào 21/4/2000, EPA đề nghị để AERMOD được chấp nhận như mơ hình pháp quy được ưu tiên của EPA cho cả địa hình đơn giản lẫn phức tạp.
Vào 09/11/2005, AERMOD được chấp nhận bởi EPA và cơng bố là mơ hình pháp quy được ưu tiên, cĩ hiệu lực từ 09/12/2005.
Tồn bộ quá trình phát triển và tiếp nhận mất 14 năm (từ 1991 đến 2005).
Các đặc trưng và khả năng của AERMOD
Một vài đặc tính và khả năng chính của AERMOD:
- Các kiểu nguồn: Các nguồn điểm, nguồn mặt và nguồn khối - Nguồn phĩng thích: Các nguồn bề mặt, gần bề mặt và nguồn cao - Vị trí nguồn: Thành thị hoặc nơng thơn.
Các hiệu ứng thành thị được chia tỉ lệ với dân cư. - Các kiểu luồng thải: các luồng nổi, liên tục,
- Lắng đọng của luồng thải: Lắng đọng khơ hoặc ướt của các hạt và / hoặc khí - Xử lý phân tán của luồng khĩi: xử lý mơ hình Gauss theo chiều thẳng đứng và
nằm ngang đối với khí quyển ổn định. Xử lý khơng Gauss theo chiều thẳng đứng đối với khí quyển khơng ổn định
- Các kiểu địa hình: Địa hình đơn giản hoặc phức tạp
- Hiệu ứng cơng trình: Xử lý bởi các thuật tốn rửa trơi PRIME
- Các mức theo độ cao của dữ liệu khí tượng: Chấp nhận dữ liệu khí tượng từ nhiều độ cao
- Các profile dữ liệu khí tượng: Các profile theo chiều thẳng đứng của giĩ, độ rối và nhiệt độ được tạo ra
3. CALPUFF
CALPUFF là mơ hình phát tán phụt Lagrange cĩ thể mơ phỏng những ảnh hưởng của điều kiện khí tượng phức tạp trong quá trình vận chuyển chất ơ nhiễm (Scire, 2000). CALPUFF đã được chấp nhận bởi Cơ quan Bảo vệ Mơi trường Hoa Kỳ (U.S. EPA) như là một mơ hình ưa thích cho các ứng dụng trong cơng tác quản lý từ năm 2003 (Viện nghiên cứu Nước và Khí quyển Quốc gia New Zealand, 2004). Nĩ bao gồm ba phần chính: CALMET, CALPUFF và CALPOST. CALMET là bộ xử lý khí tượng biểu diễn các trường giĩ và nhiệt độ theo từng giờ trong phạm vi mơ hình lưới ba chiều; CALPUFF là bộ xử lý vận chuyển và phát tán để mơ phỏng quá trình phát tán và chuyển đổi các chất ơ nhiễm dọc theo đường phát tán; CALPOST là bộ xử lý sau, dùng để xử lý các tập tin từ CALPUFF đưa ra và xuất ra một bản tĩm tắt các kết quả mơ phỏng (USEPA, 1998).
CALPUFF bao gồm những cơng cụ QA độc lập và mạnh, và các kết quả minh họa bằng đồ thị, kết quả sẵn sàng để báo cáo.
Hệ thống mơ hình CALPUFF cĩ 3 thành phần chính : - CALMET (mơ hình dự báo khí tượng 3 chiều) - CALPUFF (mơ hình vận chuyển và phân tán) - CALPOST (phần xử lý sau)
Hệ thống này là một cơng cụ mơ hình hĩa tồn diện mà bao gồm các bộ xử lý dữ liệu địa vật lý và khí tượng, một mơ hình khí tượng, một mơ hình phân tán dựa trên phụt, và các mođun xử lý sau.
CALPUFF được sử dụng để mơ hình hĩa nhiều kịch bản chất lượng khơng khí, bao gồm:
- Rơi lắng chất nhiễm bẩn độc hại,
- Tác động trong phạm vi gần từ các nguồn điểm, nguồn đường, nguồn mặt và nguồn khối,
- Tác động do cháy rừng, - Đánh giá tầm nhìn,
- Nghiên cứu sự vận chuyển tầm xa.
4. PUFF-PLUME
PUFF-PLUME là mơ hình được dùng để dự đốn việc chất ơ nhiễm phân tán trong khí quyển như thế nào. Nĩ là mơ hình phân tán vận chuyển hĩa chất / nhân phĩng xạ trong khí quyển theo Gauss, bao gồm rơi lắng khơ và ướt, nhập theo thời gian thực các dữ liệu quan trắc khí tượng và dự báo, đánh giá liều do hơ hấp và chiếu xạ bởi tia gamma, và các phân tán kiểu chùm hoặc luồng liên tục. Nĩ được phát triển đầu tiên bởi Phịng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình dương (PNNL) vào những năm 1970.
Đây là mơ hình chủ yếu dùng cho mục đích ứng phĩ trường hợp khẩn cấp đối với các phĩng thích trong khí quyển ở Savannah River Site của Ủy ban Năng lượng Hoa Kỳ. Nĩ là một trong bộ các code cho các phĩng thích khí quyển và được sử dụng chủ yếu cho giai đoạn đầu tiên (first-cut) sinh ra trong các tình huống khẩn cấp.
5. NAME
NAME - Mơ hình sự cố hạt nhân là mơ hình cĩ quy mơ từ cục bộ đến tồn cầu được phát triển bởi Cơ quan Khí tượng Anh Quốc. Nĩ được sử dụng để: dự báo chất lượng khơng khí, phân tán ơ nhiễm khơng khí, và mưa a-xít; theo dõi những phát thải phĩng xạ và những phun trào tro núi lửa; phân tích các phĩng thích chất ơ nhiễm khơng khí do sự cố và tham gia vào ứng phĩ trường hợp khẩn cấp; và phân tích tác
101
động mơi trường dài hạn. Nĩ là một mơ hình tích hợp bao gồm việc mơ hình hĩa phân tán lớp biên.
Mơ hình phân tán ơ nhiễm khí quyển NAME đầu tiên được phát triển bởi Cơ quan Khí tượng Anh Quốc vào năm 1986 sau sự cố hạt nhân ở Chernobyl, do nhu cầu dự đốn sự lan truyền và lắng đọng của các khí hoặc vật liệu phĩng xạ đã thải vào khí quyển.
Từ viết tắt, NAME (Nuclear Accident ModEl (NAME), trước đây đại diện cho mơ hình sự cố hạt nhân.
Văn phịng Khí tượng đã xem xét và nâng cấp mơ hình trong nhiều năm và bây giờ nĩ được sử dụng như là mơ hình phân tán với mục đích tổng quát. Phiên bản hiện thời được biết là mơ hình NAME III (Numerical Atmospheric dispersion Modeling Environment). NAME III hiện thời đang vận hành và cĩ thể thay thế hồn tồn mơ hình NAME nguyên thuỷ từ năm 2006.
Đặc trưng và khả năng của NAME
NAME (trong phiên bản NAME III hiện thời) là mơ hình phân tán ơ nhiễm khơng khí Lagrangian đối với phạm vi từ ngắn tới quy mơ tồn cầu. Nĩ sử dụng dữ liệu khí tượng 3 chiều được cung cấp bởi Mơ hình Dự báo Thời tiết Quốc gia của Cơ quan Khí tượng. Kỹ thuật bước ngẫu nhiên bằng cách sử dụng profile rối thực nghiệm được dùng để đại diện cho sự pha trộn hỗn loạn.
Thực chất, NAME theo dõi các quỹ đạo 3 chiều của các phần luồng thải ơ nhiễm và tính tốn hàm lượng chất ơ nhiễm bằng các phương pháp Monte Carlo – tức là, bởi mơ phỏng trực tiếp hơn là giải các phương trình. NAME sử dụng kỹ thuật phụt khi mơ hình hĩa sự phân tán trên một phạm vi ngắn mà rút ngắn thời gian cần để tính tốn hàm lượng chất nhiễm bẩn tại các điểm thu nhận.
Mơ hình cĩ khả năng tính tốn: độ dâng của các luồng thải nổi; rơi lắng của các thành phần luồng thải ơ nhiễm do mưa (rơi lắng ướt); rơi lắng khơ; hĩa học của luồng thải tập trung vào chất sulphate và nitrate; sự suy giảm của luồng thải theo phân rã của các vật liệu phĩng xạ; các hiệu ứng rửa trơi của các cơng trình.
Mơ hình cũng cĩ thể chạy “lùi” để phát sinh các bản đồ để định vị các nguồn tạo ra luồng thải cĩ thể.
Trong nhiều năm, NAME đã được áp dụng cho các phĩng thích phĩng xạ, các lị sưởi dùng dầu Kuwaiti, các lị sưởi cơng nghiệp chủ yếu và các vụ tràn hĩa chất, và hai vụ phun trào núi lửa ở Iceland.
6. ATSTEP
ATSTEP là mơ hình phụt Gauss để chẩn đốn và dự đốn sự phân tán khí quyển, rơi lắng, bức xạ gamma và liều do hoạt độ phĩng xạ đã phĩng thích trong trường hợp sự cố ở các nhà máy điện hạt nhân hoặc trong thời gian vận chuyển, và từ các bom bẩn. Nĩ được phát triển bởi Forschungszentrum Karlsruhe, một trong những trung tâm nghiên cứu quốc gia lớn nhất ở Đức, và được thiết kế để chạy trong hệ thống RODOS
(Real-time On-line DecisiOn Support) nhằm quản lý trong trường hợp khẩn cấp hạt nhân. RODOS đang được vận hành ở Cơ quan Bảo vệ Bức xạ Liên bang Đức (BfS), và vận hành thử nghiệm tại nhiều nước Châu Âu khác.
7. RIMPUFF
RIMPUFF là mơ hình khuếch tán phụt quy mơ cục bộ được phát triển bởi Phịng thí nghiệm Quốc gia Riso, Đan Mạch. Nĩ là một mơ hình ứng phĩ trường hợp khẩn cấp để hỗ trợ các cơ quan quản lý trong trường hợp khẩn cấp liên quan đến các phĩng thích chất hĩa học, hạt nhân, sinh vật và phĩng xạ vào khí quyển. RIMPUFF đang được sử dụng ở một vài trung tâm ứng phĩ trường hợp khẩn cấp quốc gia Châu Âu đối với sự sẵn sàng và dự đốn các phĩng thích sự cố hạt nhân (RODOS, EURANOS), các phĩng thích khí hĩa học (ARGOS), và đối với sự lan truyền virut gây bệnh lở mồm long mĩng.
RIMPUFF xây dựng từ các cơng thức tham số hĩa cho sự khuếch tán phụt, rơi lắng khơ và ướt, và liều bức xạ gamma. Phạm vi áp dụng của nĩ bao trùm các khoảng cách lên đến ~1000 km từ điểm phĩng thích.
RIMPUFF tính tốn phân tán khí quyển tức thời cĩ tính đến những biến thiên giĩ cục bộ và mức độ rối cục bộ. Các kích thước phụt đại diện cho sự khuếch tán tương đối tức thời (khơng lấy trung bình) và được tính tốn theo lý thuyết tỉ lệ tương tự. Khuếch tán phụt được tham số hĩa đối với thời gian di chuyển trong phạm vi từ vài giây và lên đến ~1 ngày. Rơi lắng khơ và ướt cũng được tính tốn như là hàm số của cường độ mưa và độ rối.
8. ORION-WIN
Phần mềm máy tính ORION-WIN được viết và phát triển ở Tokai Works, JNC, Japan nhằm phục vụ cho mơ hình đánh giá hàm lượng các chất thải phát ra mơi trường, mật độ rơi lắng các nhân phĩng xạ lên mặt đất, hàm lượng các chất thải xâm nhập vào lương thực thực phẩm và đánh giá liều chiếu trong, liều chiếu ngồi đến dân chúng do thải khí từ cơ sở hạt nhân. Chương trình này rất thích hợp cho các cơ sở cĩ ống thải cao và tiện lợi trong việc phân tích đánh giá an tồn cho các cơ sở hạt nhân và đánh giá liều dân chúng dựa trên lượng chất thải phĩng xạ phĩng thích từ ống thải.
Mơ hình luồng khí thải Gauss được áp dụng rộng rãi để tính tốn sự phân tán của khí và son khí thải vào khí quyển. Mơ hình này cĩ tính đến ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố khí tượng liên quan và sự phân tán vật chất phĩng xạ ra mơi trường khí quyển cĩ thể được mơ tả theo quy luật phân bố Gauss trong cả hai hướng đứng và ngang. Ở đây hàm lượng chất thải cĩ thể được tính tốn theo 3 phương cách khác nhau:
- Hàm lượng tức thời ngay tại một trục hướng giĩ - Hàm lượng trung bình theo một hướng giĩ nào đĩ
- Hàm lượng trung bình theo hướng giĩ cĩ tính đến ảnh hưởng của các hướng giĩ lân cận
103
Các hiệu chỉnh trong quá trình phân tán chất thải.
Các hạt nhân được phĩng thích từ nguồn thải sẽ bị thay đổi trong quá trình phân