Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Bài tập mô hình hóa ô nhiễm không khí

Xác định phạm vi khuếch tán rối

BÀI TẬP MÔ HÌNH HÓA

Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

.Bài tập 1. Hãy xác định các giá trị _yvà

_ztại khoảng cách x = 1000 m phụ thuộc

vào độ ổn định của khí quyển theo các

trường hợp dưới đây:

()X, Y, Z

a/ Điều kiện A, điều kiện nông thôn

PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,

Đại học Bách khoa,

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh

Z

b/ Điều kiện B, điều kiện nông thôn

X

c/ Điều kiện C, điều kiện nông thôn

(X, 0, 0)

X

H

(X, Y, Z)

d/ Điều kiện D, điều kiện nông thôn

h

Y

e/ Điều kiện E, điều kiện nông thôn

f/ Điều kiện F, điều kiện nông thôn

2

Độ ổn định của khí quyển

Sự phụ thuộc vào vận tốc gió

1

… Tiếp

Xác định phạm vi khuếch tán rối

.Bài tập 2. Hãy xác định các giá trị _yvà

_ztại khoảng cách x = 1000 m phụ thuộc

vào độ ổn định của khí quyển theo các

trường hợp dưới đây:

a/ σ_y(1000) = 209; σ_z(1000) = 240;

b/ σ_y(1000) = 152.55; σ_z(1000) = 120

c/ σ_y(1000) = 104.88; σ_z(1000) = 73.

d/ σ_y(1000) = 76; σ_z(1000) = 37.

e/ σ_y(1000) = 57; σ_z(1000) = 23.

f/ σ_y(1000) = 38.14, σ_z(1000) = 12.31.

a/ Điều kiện A, điều kiện thành thị

b/ Điều kiện B, điều kiện thành thị

()X, Y, Z

Z

X

Z

c/ Điều kiện C, điều kiện thành thị

(X, 0, 0)

X

H

(X, Y, Z)

(X, 0, 0)

X

d/ Điều kiện D, điều kiện thành thị

h

H

(X, Y, Z)

Y

h

e/ Điều kiện E, điều kiện thành thị

f/ Điều kiện F, điều kiện thành thị

Y

5

6

… Tiếp theo

Tính toán vận tốc gió theo độ cao

.Bài tập 3. Trạm khí tượng tại

gần khu công nghiệp thực hiện

quan trắc vận tốc gió tại độ cao

10 m. Biết rằng vận tốc gió quan

trắc được bằng 2.5 m/s. Hãy tính

vận tốc gió tại độ cao 40 m theo

các điều kiện ổn định khác nhau

trong điều kiện nông thôn và

thành thị.

a/ σ_y(1000) = 270.45, σ_z(1000) = 169;

b/ σ_y(1000) = 270.45, σ_z(1000) = 169;

c/σ_y(1000) = 185.93, σ_z(1000) = 120;

d/σ_y(1000) = 135.22, σ_z(1000) = 122.79;

e/σ_y(1000) = 92.97, σ_z(1000) = 65.32;

f/ σ_y(1000) = 92.97, σ_z(1000) = 65.32.

()X, Y, Z

Z

X

(X, 0, 0)

H

(X, Y, Z)

h

X

Y

8

7

2

Bài tập mô hình Gauss

Công thức Smith

Bài tập 4. 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 SO₂bằng 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, áp suất khí

quyển = 1013, điều kiện thành phố. Hãy:

Loại tầng

kết

Điều kiện thành

phố

Điều kiện nông

thôn

A

B

C

D

E

F

3.1 (m/s)

3.3 (m/s)

3.5 (m/s)

3.7 (m/s)

3.8 (m/s)

2.75 (m/s)

2.9 (m/s)

3.1(m/s)





^p

z



U

voi Z < 200 m

_10m



U

z 

 

10











U_{200 m}voi Z  200m

1. Tính vệt nâng ống khói.

4.1 (m/s)

5.4 (m/s)

2. Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo

hướng gió tại khoảng cách 1200 m.

9

10

Ápdụngcôngthức tínhvệt nângcột khói

Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h = 45 m

z



^p



T

_khoiT





Da

u

xung_quanh

3

^U^z  U

, z  200 m



1.52.68.10 P.D



_{10 m}

h



10





T_Khoi





Ta nhận được:

Ta nhậnđược

0.2

45

10







^U^45m 3.0

 ^4.05^{m /s}







3.8221.2

473303

473







3

h 

1.52.68.10 10132

7.81







Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là:

12

4.05

 

 ^3.82^m/s

Độcaohữudụngđược tínhtheocôngthức

.1.1

H  hh

Ta nhậnđược

H457.8152.81

11

12

3

Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 52.81 m là

Áp dụng công thức

Ta nhận được

0.2

52.81

10









M

H²

2²_z

^U^52.81m 3.0

 ^4.18^{m /s}









C(x) 

exp 









u_H_y_z



Áp dụng công thức tính hệ số phân tán theo phương ngang và phương đứng

-0.5

σ_yy = 0.22x 1+ 0.0004x

_x=1200= 217

 





20.1000

3.14154.18217144

52.81²

2144²







3



C(1200) 

exp 

^0.04^{mg / m}^.

σ_z

x

 

= 0.12

_x=1200=144









Đáp số: Vệt nâng ống khói là: 7.81 (m), nồng độ chất ô nhiễm dọc theo

hướng gió tại khoảng cách 1200 m là 0.04 (mg/m³).

13

14

Vẽ phạm vi ảnh hưởng bằng CAP

. Bài tập 5. 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 SO₂bằng 20 g/s, nhiệt

độ của khói thải là 200ºC. Nhiệt độ không khí xung quanh là

30ºC và tốc độ gió ở độ cao 10 m là 3 m/s, điều kiện nông

thôn. Hãy vẽ đường đồng mức 0.1, 0.01, 0.001 mg/m³ứng

với các độ ổn định khí quyển A – F.

Độ ổn định loại A

Độ ổn định loại B

15

16

4

Độ ổn định loại E

Độ ổn định loại F

17

18

Bài tập mô hình Berliand

Phần mềm CAP

. Bài tập 1. 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 T_s= 230ºC. 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. Biết rằng 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. 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.

19

20

5

. Bài tập 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 T_s= 230ºC. Hệ số khuếch

tán rối ngang k₀=12 m²/s, 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.

Bài số 3. Nhà máy Acó 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 W = 10 m/s, tải lượng COlà M= 90 g/s,

0

2

nhiệt độ của khói thải là T = 230ºC. Hệ số khuếch tán rối ngang k₀=12 m /s, hệ số

khuếch tán rối đứng k₁=0.03 m /s, hệ số lưu ý tới sự thay đổi vận tốc gió theo phương

s

2

đứng n = 0.14. Yếu tố khí tượng được cho theo bảng dưới đây:

STT Thời gian trong ngày Vận tốc gió

Hướng

gió

Tây

Nhiệt độ không khí

xung quanh

1

2

3

4

1

7

13

19

2 m/s

Lặng gió

2 m/s

25⁰

30⁰

25⁰

C

Tây

Lặng gió

DùngphươngphápmôhìnhBerliandhãytínhnồngđộchất ônhiễmCOtrung

bìnhtheongàydọctheohướngtây tạikhoảngcáchx=500msovớiốngkhói.

21

22

Nồng độ trung bình ngày

.Các số liệu khí tượng được cho vào 4 thời điểm trong ngày:

1g, 7g, 13g, 19g.

Tính toán nồng độ trung bình;

Tính toán trường nồng độ do ảnh

hưởng của nhiều nguồn thải

Kịch bản tính toán

Khí tượng (thay đổi ngày 4

lần):

- Vận tốc gió

4

- Hướng gió

¹₄

- Nhiệt độ

C_(x,y,0),i



C_{,i,(x,y,0)}

1

Nguồn thải (trung bình ngày)

- Nhiệt độ khí thoát ra

- Vận tốc khí thoát ra

- Tải lượng chất ô nhiễm

24

6

Bài tập ứng dụng

a/ Tính cho điều kiện khí tượng đầu tiên tại thời điểm 1 giờ: v= 2 m/s.

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 T_s= 230ºC. 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. Yếu tố

khí tượng được cho theo bảng dưới đây:

Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được:











1.5 W₀R₀

3.3gR₀T

(T_xq 273.1)V²





1,5101

3,39,811205

²⁵ ^273,12²

H 

2.5





=

2,5

V

¹⁰

2

10





= 60.45 (m)

Từ đó suy ra chiều cao hữu dụng của ống khói là:

H=h + H = 40 + 60.45 = 100.45 (m)

Tính vận tốc gió tại độ cao 1 m như sau:

STT Thời gian trong ngày Vận tốc gió

Hướng

gió

Tây

Nhiệt độ không khí

xung quanh

1

2

3

4

1

7

13

19

2 m/s

Lặng gió

2 m/s

25⁰

30⁰

25⁰

C

Tây

Lặng gió

DùngphươngphápmôhìnhBerliandhãytínhnồngđộchất ônhiễmCOtrung

bìnhtheongàydọctheohướngtây tạikhoảngcáchx=500msovớiốngkhói.

0.14

1









u_{1 =}2

1.449(m/s)

10





25

26

b/ Tính cho điều kiện khí tượng đầu tiên tại thời điểm 7 giờ (trường hợp lặng gió với

t⁰=25^oC).

Áp dụng công thức Berliand cho trường hợp lặng gió:

ÁpdụngcôngthứcBerliand(chođiểmtại bềmặt lót) tanhậnđược:

M

1

C(x, y,0) 





²

 ² H^1n

(1 n)² k₁

2  (1 n) k₁

M

u H^1n

y²















x² y²

1











^C^{x, y,0}

exp



2

²¹ⁿ^kk₀x^{3 2}

¹ⁿ ^{k x}

4k₀x

1

Khi lặng gió thì v₁₀<1 m/s, lấy v₁₀= 0.5 m/s để tính độ nâng vệt khói

Từđó





1.5101

0.5

339.811 205

(25  273.1) 0.5²





H 

2.5 

 2743.782 (m)

1.14









901000

1.449100.492





C(500,0,0) 

exp

2





1..5

Khi đó độ cao hữu dụng là:

(10.14) 0.03500

²¹^0.140.03 12500



H = 2783.782 (m)

-3

3

=0.0125*10 (mg/m)

Từ đó

901000

2(1 0.14) 0.03

1

C(500,0,0) 



 0.25552 (mg / m³)



²

(2 0.03)² 411^10.14

(1 0.14)² 0.03



500²









27

28

7

d/ Tính cho điều kiện khí tượng đầu tiên tại thời điểm 19h giống như trường hợp 7 h.

c/ Tính cho điều kiện khí tượng đầu tiên tại thời điểm13 h: t^o=30^oC ,v= 2 m/s

C(500,0,0)  0.25552 (mg / m³)

Vậy nồng độ trung bình ngày tại điểm cần tính là :





1,5101

3,39,811200

³⁰ ^273,12²

0.0000126  2 0.2555  0.00001655





H 

2,5

 58.762 (m/s)

C_TB



^{ 0.1278}^{mg / m}³

2





4

Khi đó độ cao hữu dụng H là

H= +h = 98.80m

Từ đó

1.44998.8^1.14





901000





C(500,0,0) 

exp 

2





1..5

(1 0.14) 0.03500

²¹ ^0.140.03 12500



 0.016510^3(mg/m³)

29

30

Tóm tắt

BÀI TẬP TÍNH TRUNG BÌNH VÀ

NHIỀU NGUỒN THẢI

. Tính cho nhiều nguồn thải

. Các bước giải bài tập

. Ứng dụng phần mềm ENVIMAP

. Bài tập

PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,

Viện Môi trường và Tài nguyên,

Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh

8

ENVIMAP: nhiều nguồn thải

Bài tập

(401258,71,1208907,03)

. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động

với các thông số ống khói được cho trong Bảng và được thể

hiện Hình. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng. Số liệu

phát thải được cho trong Bảng. Hãy tính nồng độ NO₂tại các

điểm EC1, EC2 vào các thời điểm trong ngày 3/1/2007 cũng

như nồng độ trung bình ngày chất NO₂.

(402558,70,1208564,86)

(402602,01,1208362,95)

(401145,14,1207886,82)

OK1

OK2

1027

0

OK3

1344

1568

0

OK4

1842

1923

504

0

OK5

1449

1533

207

411

0

EC1

1310

860

922

1134

802

0

EC2

1572

1285

717

759

532

428

0

(402430,1207859)

(402003, 1207829)

OK01

OK02

OK03

OK04

OK05

EC1

0

1027

1344

1842

1449

1310

1572

1568

1923

1533

860

504

207

922

717

411

1134

759

802

532

EC2

1285

428

STT

Tên

Chiều cao (m)

Đường kính (m)

Tọa độ X

Tọa độ Y

1208907,03

1207886,82

1208564,86

1208345,55

1208362,95

1

2

3

4

5

OK01

OK02

OK03

OK04

OK05

10

0,4

0,3

0,6

0,3

401258,71

401145,14

402558,70

403012,67

402602,01

8

18

8

Số liệu khí tượng

Số liệu phát thải, vị trí cần tính

STT

Tên

Nồng độ NO₂(g/m³) Nhiệt độ khí (⁰C)

Tốc độ khí phụt

Số

thứ

tự

1

Ngày tháng

năm

Thời

điểm

Nhiệt độ

Nhiệt Nhiệt

Vận tốc

Hướng

gió

(m/s)

1,1

0,6

1,2

0,1

không khí độ 2m độ 0,5

gió

1

2

3

4

5

OK01

OK02

OK03

OK04

OK05

6,000

9,300

3,984

0,204

9,300

150

180

200

150

180

(⁰C)

26,2

26

(⁰C)

26,6

26,1

30,5

28

m (⁰C)

27,2

26,4

31,3

28,5

27,2

26,5

32

(m/s)

0

1/1/2007

2/1/2007

3/1/2007

4/1/2007

1

7

Lặng gió

Đông

2

1

0,1

3

13

19

1

30,1

27,7

26,3

25,8

30,9

29,6

27,1

26,1

31,4

27,3

26,4

25,8

31,6

29,6

0

Lặng gió

Đông

4

1

STT

Mã điểm

Địa chỉ

Quốc lộ 1

Quốc lộ 2

X

Y

5

26,6

26

1

Tây Nam

Lặng gió

Tây

6

7

0

1

2

EC1

EC2

402003

402430

1207829

1207859

7

13

19

1

31,5

30

1

8

30,5

27,6

27

2

Tây Bắc

Lặng gió

Đông Bắc

Nam

9

27,5

26,5

32

0

10

11

12

13

14

15

16

7

2

13

19

1

32,3

28,2

27,2

26,7

32,5

30,5

1

27,6

26,8

26,0

32

2

Tây Nam

Lặng gió

Đông

0

7

0

13

19

1

30

1

Đông

9

Các lớp thông tin đi kèm

1. Xác định k₁, k₀được xác định theo các bước:





T

V

V  V₂V_0.5T  T_{k ,0,5} T_{k ,2}k₁ 0,104V  11,38

;



₂





 





Dựa trên giá trị k₁vừa mới được tính trong bước trên ta tính

k₁²

2z₁²_z

k₁

1

, _z 7, 29.10^5grad , z₁= 1 (m).

k_h 0,05

, trong đó h  0, 05

2z₁_z

Sử dụng công thức

n

h





V_hV

10









10

để tính V_hvà k₀được xác định như sau:

k₀ k_hV_h

Kết quả tính toán hệ số k₁, k₀cho ngày 3/1/07

Nồng độ tại các điểm EC1, EC2

Thời gian

Thứ nguyên

1g

7g

13g

OK1

OK2

OK3

mg/m³

0,001041

0,008135

0

OK4

OK5

mg/m³

0,000073

0,000841

0

Tổng hợp

mg/m³

0,001833

0,008976

0

Thời

điểm

V₂

(m/s)

V_0,5

(m/s)

k₁

K_h

(1/s)

H

(m)

V_h

(m/s)

k₀

(m)

V

T

mg/m³

(⁰C)

(m²/s)

(m/s)

0,000341

0,000378

0,000001

1

7

0,38

1,52

0,76

1,52

0,30

1,20

0,60

1,20

0,08

0,32

0,16

0,32

0,10

0,50

0,30

0,60

0,19

0,26

0,29

0,30

12,13

22,81

28,09

31,45

64,49

88,44

98,15

103,85

0,69

2,90

1,47

2,98

17,67

7,87

0

13

19

19,05

10,56

19g

Trung bình

0

0,000061

0,000068

0,002135

0,000177

0,002442

Trong ngày 3/1/2007 xảy ra bốn loại hướng gió gồm: Lặng gió, Đông Bắc, Nam, Tây Nam.

Với vị trí như được thể hiện trên Hình trong bài này chỉ cần tính cho hai trường hợp đầu là :

lặng gió và đông bắc. Các bước tính toán được thực hiện giống như Bài tập đã chỉ ra. Kết quả

tính toán được thể hiện trong các Bảng dưới.

OK1

OK2

OK3

mg/m³

0,001673

3,00E-06

0

OK4

OK5

Tổng hợp

mg/m³

0,002246

7,00E-05

mg/m³

0,000002

1,80E-05

0

mg/m³

0,000164

4,90E-05

0

Thứ nguyên

1g

0,000238

0,00017

7g

0

13g

0

17g

0

Trung bình

0,000043

0,000031

0,000319

0,000004

0,000074

0,000471

10

Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Bài tập mô hình hóa ô nhiễm không khí - Bùi Tá Long