Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương: Mô hình hóa ô nhiễm không khí

MÔ HÌNH HÓA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

PGS.TSKH. Bùi Tá Long ,

Khoa Môi trường và Tài nguyên,

Đại học Bách khoa Tp. Hồ Chí Minh

1

4

1

Giám sát ô nhiễm không khí







C C

u

t x y ^yy z ^zz



C

 





K



K











5

6

Lan truyền ô nhiễm không khi trên diện rộng

Toshihiko Takemura

.

Thực tế là tình trạng ô nhiễm không

khí xuyên biên giới phụ thuộc chủ

yếu vào điều kiện thời tiết. Ví dụ,

không khí ô nhiễm thường lan từ

Trung Quốc sang Nhật Bản vào

mùa Xuân.



Ô nhiễm không khi, va đặc biệt trong

việc giảm ô nhiễm không khi đến

một mức chấp nhận được, là một

vấn đê môi trường quan trọng;

.

Ô nhiễm không khí ở châu Á thực

sự là một vấn đề xã hội nghiêm

trọng. Cần phải tính đến những lộ

trình tối ưu nhằm giảm thiểuđến

mức tối đa ô nhiễm không khí và

tình trạng trái đất ấm lên.



Ô nhiễm không khi không giới hạn

trong các vùng có nguồn thải lớn.

Các chất ô nhiễm không khi lắng

đọng trên bê mặt không chỉ của khu

vực có nguồn thải lớn mà còn cả

các khu vực xung quanh.



http://www.ft.com/cms

7

2

Vấn đê cần quan tâm

Vai trò của mô hình toán

Cần xác định chính xác loại nào

cần được giảm va nơi nào cần

giảm.



Các mô hình toán biểu diễn hiện

tượng ô nhiễm không khi là những

công cụ không thê thiếu trong quá

trình nô lực giải quyết các bài toán

được phác họa ở trên.

SẤM CHỚP

Nồng đô va mức lắng đọng chấp

nhận được (hoặc tới hạn) cần được

MƯA

PHÁT THẢI

RỪNG

GIÓ

xác định chính xác va

ô nhiễm

Nhà

TẢI + PHÂN TÁN

N

Ô

N

G



Để giảm tối ưu mức ô nhiễm không

khi đến mức độ chấp nhận được có

thê được giải quyết thành công chỉ

khi sư dụng các mô hình toán học

ô nhiễm không khi đáng tin cậy.

LẮNG ĐỌNG

không khi cần giảm đến các mức đô

này nhưng không nên giảm hơn,

(do chi phí thêm có thê rất đắt, va vì

vậy, có thê gây nên những kho

khăn lớn vê mặt kinh tê).

Thaønh phoá

ñeïp quaù

N

G

H

I

Ệ

P

Cây

xanh

SÔNG

KHU CÔNG

NGHIỆP

Cây

xanh

Cây

xanh

ĐẤT

Công viên

NGUỒN TIẾP

NHẬN

Ô

TÔ

NÔNG

NGHIỆP

NGUỒN

NẮNG

$

Cây

Người

ĐẤT

Xe hàng

Nhà thờ

Nhà

9

10

Vì sao cần phải sử dụng mô hình

Lợi ích dùng mô hình

11

3

Mô hình khí tượng, phát thải và phát tán

Các bước mô hình hoá ô nhiễm không khí

14

Sự phân bố nhiệt độ theo độ cao

2000 m

Khí quyển tiêu chuẩn

= 0,65 K/100 m

Trạng thái khí quyển

Khí quyển đoạn nhiệt

khô

=

= 1 K/100 m

Giữa buổi chiều

300 m

Bình minh + 4 h

Bình minh + 2 h

Lúc sáng sớm

Khí quyển siêu

đoạn nhiệt

>

15 20 ·C

35 ·C

Nhiệt độ

Phân bố nhiệt độ theo chiều cao vào các thời gian khác nhau trong ngày

khi thời tiết nắng ráo, không mây và gió nhẹ

16

15

4

Trạng thái khí quyển

.

Với trạng thái biến thiên nhiệt độ theo chiều cao nào đó mà lực

tác động vật lý của khí quyển làm cho chất ô nhiễm khuếch tán

theo chiều cao không dễ dàng thì gọi là khí quyển ở trạng thái ổn

định, tức là khí quyển ổn định sẽ cản trở sự khuếch tán và pha

loãng của chất ô nhiễm;

CÁC HÌNH DẠNG KHÁC NHAU CỦA

LUỒNG KHÓI

.

Ngược lại với profile biến thiên nhiệt độ theo chiều cao nào đó mà

sự hòa trộn không khí theo chiều cao được dễ dàng thì sẽ làm

cho chất ô nhiễm không khí khuếch tán (pha loãng) trong khí

quyển dễ dàng thì gọi là khí quyển ở trạng thái không ổn định.

Ở giữa hai trạng thái trên là trung tính.

17

18

Hình dạng khác nhau của luồng khói

 Looping – luồng khói uốn lượn;

 Coning – luồng khói hình côn;

 Fanning – Luồng khói hình quạt;

 Lofting – luồng khói khuếch tán mạnh ở biên trên

 Fumigation – luồng khói “xông khói”;

 Trapping – luồng khói mắc kẹt;

19

20

5

Uốn lượn (looping)

Hình côn (coning)

 

 



Khi quyển không ổn định mạnh (khi phân bô nhiệt đô theo

chiều cao siêu đoạn nhiệt);

Hình thành trong điều kiện trung tính hoặc gần trung tính khi trời

có mây che phu làm cho mặt trời vào ban ngày bị che phu hay bức

xa hồng ngoại tư mặt đất vào ban đêm bị giảm;

Thường xảy ra vào ban ngày khi mặt trời đốt nóng mặt đất với

cường đô bức xa lớn;

Góc mơ khoảng 20.

Luồng khói uốn lượn – khi quyển không ổn định mạnh

21

22

Hình quạt (fanning)

Vồng lên (lofting)

Sự biến thiên

nhiệt độ của môi

trường (β)

Sự biến thiên nhiệt độ

của khối khí (

Nhiệt độ

ổn định

Hình quạt

 ,   0

  

  0  

Xảy ra trong điều kiện khi quyển ổn định với phân bô

nhiệt theo chiều cao nghịch nhiệt;

Phía dưới sát mặt đất trong phạm vi ống khói có nghịch nhiệt,

còn phía trên khuếch tán mạnh (siêu đoạn nhiệt);

Rối theo chiều đứng bị triệt tiêu, chỉ có phát triển theo

chiều ngang;

Chất ô nhiễm sẽ tích tụ ở gần mép trên của lớp nghịch nhiệt;

Chất ô nhiễm khuếch tán thuận lợi ở phía trên;

 Thường xảy ra khi mặt trời xuống.

Luồng khói hình quạt- lớp nghịch nhiệt tư bê mặt đất đến

đô cao trên ống khói.

23

24

6

Lớp nghịch nhiệt

Xông khói (fumigation)

  0  

  

Ngược lại với trên:lớp nghịch nhiệt ở bên trên lớp siêu

đoạn nhiệt;

Luồng khói khuếch tán mạnh ở phía dưới;

Thường xảy ra vào buổi sáng sớm;

Luồng khói khuếch tán mạnh ở biên dưới.

25

26

… Tiếp theo

… Tiếp theo: nghịch nhiệt

27

28

7

Mắc bẫy (trapping)

Key words: tư khóa cần nhơ

 Adiabatic (đoạn nhiệt): chỉ tính chất của môi trường

không khí khi sư trao đổi nhiệt với môi trường không đu

lớn đê diễn ra sư cân bằng nhiệt nên có thê bỏ qua;

 Gradian nhiệt đô đoạn nhiệt: đô hạ hoặc tăng nhiệt đô

của một khối khi khi lên cao hoặc xuống thấp;

 Đô ổn định của khi quyển: không ổn định, trung tính, ổn

định;

Nghịch nghiệt bên dưới và bên trên ống khói

Luồng khói bị hạn chê cả ở biên trên lẫn biên dưới

Chất ô nhiễm rất kho khuếch tán lên trên lẫn xuống dưới.

29

30

MÔ HÌNH GAUSS - PASQUILL

31

8

Quá trình lan truyền chất ô nhiễm

Đối tượng thật

34

Các bước mô hình hóa ô nhiễm không khí

Chọn hệ tọa độ

 Chọn hệ tọa độ

 Xây dựng mô hình ý niệm

 Xác định biến và tham số

 Xây dựng phương trình, thiết lập bài toán

 Tin học hóa thành phần mềm

 Hiệu chỉnh, kiểm định

 Ứng dụng vào thực tế

35

9

Xây dựng mô hình ý niệm

Xác định biến và tham số

37

Vệt khói tức thời và trung bình

Xây dựng phương trình,

thiết lập bài toán

40

10

Mô hình ý niệm Gauss

Dạng vệt khói

41

42

Sự thay đổi theo hướng z do khuếch tán rối

Sự thay đổi theo hướng x

C u A _yz^μg/m^m/s^m²

3



 A_xy^K_z^C ^m²^m^1^μgm^3^m²^s^1

^



z

Cu A_yz

Cu A_yzdx









x

 A_xy^K_z^C 

A

^{K C} z



xy

z

z







^



_Cu_V





Cu A_yzdx  



z



z















x

A

^{K C} z 

^{K C} ^V



xy

z

z z





43

44

11

Định luật bảo toàn khối lượng

Sự thay đổi theo hướng y do khuếch tán rối



y

 A_xz^K_y^C ^m²^m^1^μgm^3^m²^s^1

















z











Cu V 

K C V +

K C V t

_x



_z _

 





y







z





y y

 A_xz^^K_y^C ^A_xz^K_y^C^y











y



y

 C t +







 

  













y



A_xz

K C  y 

K C

V

 





y



y







C

t







y y







V  

Cu V 

K C V 

K C V

_x 

_{z z} _

 _



y



z

y y

 





45

46

Một số giả thiết

Phương trình tải và khuếch tán

 Nghiệm không phụ thuộc vào thời gian (các tham số phát thải là

không đổi)

 Vận tốc gió không đổi.

 Hệ số khuếch tán không phụ thuộc vào tọa độ không gian.

 Sự khuếch tán theo hướng x là nhỏ so với vận tốc lan truyền.













C

t

C

x y



C

y



z

C

z













u



K



K

z

y

47

48

12

Mô hình Gauss cơ sở (Basic Gaussian

formula) cho nguồn thải cao

Giải bài toán biên

u

x

K_y0.5_y²,K_z0.5_z²

























C

x y



C

y



z

C

z

U



K



K

,C x, y, z





y

z

x

UC(,x ,y )z

C x, y, z

 M y  z  H

  



x0

C x, y, z _z 0



 _{y }





C

z

K_z

 0

z0

2





M

y²

2²_y





z  H

2²_z

_{exp }  _

















²

C x, y, z 

exp

y²





z  H

_  __U

















C x, y, z  C x^1exp 

2u_y_z









0





K_y

K_z

4x









49

50

Mô hình Gauss cơ sở cho nguồn thải mặt đất

Gauss biến đổi (Gaussian plume formula)

u

x

K_y0.5_y²,K_z0.5_z²

x

2

²























M

y²

2²_y





z  H

2²_z

z  H

2²_z

_e_xp _

_  _

y²

z²











M







C(,x ,y )zexp

exp 















C x, y, z 

exp 















2u_y_z

2

2_y2²_z







2u_y_z













Phản xạ hoàn toàn tại mặt phẳng z = 0

M

y²

z²

2²_z











exp 





2²_y











2u_y_z

2













²









M

y²

2²_y





z  H

z  H

2²_z



 _

_  _











C(,x ,y )zexp

exp 

exp

2²_z















2u_y_z











_y, _z- được gọi là các hệ số phạm vi khuếch tán theo phương

ngang va phương đứng, có thứ nguyên là độ dài (do K_y, K_z– có

thứ nguyên là m²/s)

Hấp thụ hoàn toàn tại mặt phẳng z = 0

51

52

13

Tính nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất

Gauss tức thời (Gaussian puff formula)

M

y²

2 _y²

H ²

2_z²













2

Q

_exp^x^ut _y²_exp^z^H _exp^z^H _















²







C(x, y) 

exp 

















C(x,y,z,t)







3/2

2_x²

2_y²

2_z²





u _y_z





² _x_y_z











Nồng đô trên mặt đất dọc theo trục gio (trục x)

Phản xạ hoàn toàn tại mặt phẳng z = 0

H²

2_z²





M

2

_exp^x^ut _y²_exp^z^H _exp^z^H _











²



Q





C(x) 

exp 





















C(x,y,z,t)





3/2

2_x²

2_y²

2_z²

u _y_z





² _x_y_z













Hấp thụ hoàn toàn tại mặt phẳng z = 0

53

54

Ý nghĩa các hệ số phạm vi khuếch tán

Hệ số phạm vi khuếch tán ngang và đứng

1/2

2K x





_y, _z- phụ thuộc vào

khoảng cách x, độ ổn định của

khí quyển và vận tốc gió.

y

2K x







z





_y

 



z

u





u





()X, Y, Z

Z

X

(X, 0, 0)

X

H

(X, Y, Z)

h

Y

55

56

14

Công thức tính _y(x), _z(x) cho vùng nông thôn

Công thức tính _y(x), _z(x) cho vùng thành thị

Loại ổn định

_y(x)

_z(x)

Độ ổn định

A - B

_y(x)

_z(x)

A

B

C

D

E

F

0.22x(1+0.0001x)^-0.5

0.16x(1+0.0001x)^-0.5

0.11x(1+0.0001x)^-0.5

0.08x(1+0.0001x)^-0.5

0.06x(1+0.0001x)^-0.5

0.04x(1+0.0001x)^-0.5

0.20x

0.12x

0.32x(1+0.0004x)^-0.5

0.24x(1+0.0001x)^0..5

0.22x(1+0.0004x)^-0.5

0.16x(1+0.0004x)^-0.5

0.11x(1+0.0004x)^-0.5

0.12x

0.08x(1+0.0002x)^-0.5

0.06x(1+0.0015x)^-0.5

0.03x(1+0.0003x)^-1

0.16x(1+0.0003x)^-1

C

D

0.14x(1+0.0003x)^-0.5

0.08x(1+0.00015x)^-0.5

E - F

57

58

Phân loại độ bền vững khi quyển theo Pasquill

Mức ôn đinh cua khi quyên

. A -rất không bền vững

. B - không bền vững loại trung bình

. C - không bền vững loại yếu

. D - trung hòa

Vận tốc gió tại độ cao 10 m

Điều kiện thời tiết ban ngày

Bức xạ mặt trời ban ngày

Điều kiện thời tiết ban đêm

Độ che phủ ban đêm (hệ số mây)

Mạnh

(biên

độ >

60⁰)

Trung

bình

(Biên

độ 35- 35⁰)

60⁰)

Yếu

(Biên

độ 15 –

Lớn hơn 50%

Nhỏ hơn 50%

. E - bền vững yếu

< 2

2 – 3

3 – 5

5 – 6

> 6

А

A – B

B

A – B

B

E

F

. F - bền vững loại trung bình

C

D

B – C

C– D

C – D

D

E

D

C

Lưu ý. А – rất không ổn định; В – không ổn định vừa phải; С – không ổn định yếu; D – điều kiện trung tính; E –

điều kiện ổn định yếu; F – điều kiện ổn định vừa phải.

59

60

15

Công thức Davidson

^{1 / 4}





u

 T

T_khoi













 h  D

1 

, m









1/ 4

1/4



u

Một sô công thức tính toán độ

nâng vệt khói









u

T

T

khoi







h  D

, m



v

h  D

.

,m







t





D – đường kính ống khói;

- vận tốc ban đầu của luồng khói tại miệng khói, m/s;

u – vận tốc gió, m/s;

T_khoi– nhiệt độ của khói tại miệng ống khói, ⁰K.

ΔT – chênh lệch nhiệt độ giữa khói và không khí xung quanh, ⁰K.

61

62

Công thức Holland

Hạn chế của mô hình Gauss





T

_khoi-T

ωDa

u

 Chỉ ứng dụng trong trường hợp bề mặt tương đối phẳng;

 Rất khó lưu ý tới yếu tố cản;





^xung_quanh

Δh =

1.5+2.68.10^-3P.D



T_Khoi



 Các điều kiện khí tượng là không đổi trên một diện rộng;

 Chỉ ứng dụng tốt đối với khí có mật độ gần với không khí;

 Vận tốc gió trung bình u > 1 m/s.

.D – đường kính;

.P – áp suất khí quyển, milibar (1 atm = 1013 mbar);

.T_khoi, T _{xung quanh}– nhiệt độ của khí và không khí xung

quanh, K

. a – là hệ số hiệu chỉnh

.Cấp A , B và C – nhận với hệ số 1.1 – 1.2;

.Cấp D, E, F – nhân hệ số 0.8 – 0.9

63

64

16

Công thức _y(x), _z(x) cho vùng nông thôn

Step by step trong mô hình Gauss

y²

H²

2_z²













Loại ổn định

_y(x)

_z(x)





M





C(x, y) 

C(x) 

exp 

2 _y²





u _y_z



A

B

C

D

E

F

0.22x(1+0.0001x)^-0.5

0.16x(1+0.0001x)^-0.5

0.11x(1+0.0001x)^-0.5

0.08x(1+0.0001x)^-0.5

0.06x(1+0.0001x)^-0.5

0.04x(1+0.0001x)^-0.5

0.20x

0.12x

H ²

2 _z²





M

u  u_H

H  h  h





exp 





0.08x(1+0.0002x)^-0.5

0.06x(1+0.0015x)^-0.5

0.03x(1+0.0003x)^-1

0.016x(1+0.0003x)^-1

u _y _z



M – Lượng thải (công suất nguồn thải) (mg/s);

65

66

Công thức _y(x), _z(x) cho vùng thành thị

Công thức tính vận tốc gió

Loại ổn định

A - B

_y(x)

_z(x)

Loại tầng kết

p

0.32x(1+0.0004x)^-0.5

0.24x(1+0.001x)^{- 0.5}

Thành phố

0.15

Nông thôn

A

0.07

0.10

0.15

0.35

0.55



0.22x(1+0.0004x)^-0.5

0.16x(1+0.0004x)^-0.5

0.11x(1+0.0004x)^-0.5

0.12x



^p

z

C

D



U

, z  200m

B

C

D

E

F

0.15

_10m



U z 

 





10





0.20

U_200m, z  200 m

0.14x(1+0.0003x)^-0.5

0.08x(1+0.0005x)^-0.5



0.25

0.30

E - F

0.30

67

68

17

Tự động hóa tính toán vệt nâng

Tự động hóa tính toán sự phát tán

T

_khoiT





Da

u

^xung_quanh

h

1.52.68.10^3P.D





T_Khoi



69

70

Tính toán theo mô hình Gauss

2

²









M

y²_{exp }^z ^H _{ exp }^z ^H

























C 

exp 

















2u _y _z

2 _y²

2 _z²









MÔ HÌNH BERLIAND

71

72

18

Sự phân loại theo WMO

Tóm tắt

 Mô hình thống kê kinh nghiệm;

 Mô hình thống kê thủy động;

 Mô hình sô trị,

 Các phương trình cơ bản trong mô hình Berliand;

 Bài tập, ứng dụng các phần mềm CAP, ENVIMAP;

73

74

Mô hình thống kê thủy động

Mô hình Gauss

 Còn gọi là ly thuyết nửa thư nguyên (còn gọi là mô hình

K). Mô hình này được Berliand (Nga) hoàn thiện va áp

dụng ở Liên Xô;

 Dưa trên cơ sơ ly thuyêt toán học Gauss.

 Các nha toán học co công phat triên mô hình này là Taylor

(1915), Sutton (1925 – 1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill

(1962 – 1971), Seifeld (1975)

 Ở Việt Nam, một sô nha khoa học đa áp dụng mô hình

này cho một sô công trình, dư án.

 Gân đây đươc các nha khoa học môi trương cua các nươc

như My, Anh, Phap, ... ứng dụng và hoan thiên mô hình tính

theo điêu kiên cua môi nươc.

75

76

19

Mô hình sô trị

Phương trình xuất phát





C

t

C

x

C

y

C

z x



C

x y



C

y



z

C

z





















V_x

V_y

V_z



K



K_y



K

 αC



x

z









 Tưc là giải các hê phương trình vi phân băng phương

phap sô;



C – nồng đô trung bình của chất ô nhiễm (mg/m³);

x,y,z – các thành phần tọa đô theo 3 trục Ox, Oy, Oz;

t – thời gian;

K_x, K_y, K_z– các thành phần của hê sô khuếch tán rối theo 3 trục

Ox, Oy, Oz;

 Viêc triên khai mô hình này tại Việt Nam đoi hỏi thơi

gian vì sô liêu cho mô hình con thiêu và phương tiên

tính toán chưa đu mạnh.



V_x, V_y, V_z– các thành phần của tốc đô trung bình theo ba trục

Ox, Oy, Oz ;

α - hê sô tính đến sư biến đổi chất ô nhiễm thành các chất khác

do quá trình phản ứng hóa học xảy ra trên đường lan truyền.

77

78

Các giả thiết làm đơn giản bài toán

.Trên thực tê thành phần khuếch tán rối theo chiều gio nho hơn

rất nhiều so với thành phần khuếch tán rối theo phương vuông

góc với chiều gio, khi đo:

.Công suất của nguồn điểm phát thải là liên tục va coi là

quá trình ổn định, nghĩa là

C

t

 0



x

C

x

(K_x)0

Nếu hướng trục Ox trùng với hướng gio thi thành phần vận

tốc gio chiếu lên trục Oy sẽ bằng 0





V_x V u

V_y 0

79

80

20

Bài giảng Mô hình hóa môi trường - Chương: Mô hình hóa ô nhiễm không khí - Bùi Tá Long