Câu hỏi ôn tập thi hết môn học Mô hình hóa môi trường - Bùi Tá Long
Mô hình hóa môi trường
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG
CÂU HỎI ÔN TẬP THI HẾT MÔN HỌC
MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG
Giảng viên: Bùi Tá Long, TSKH
Lý thuyết:
1. Mục đích và các nội dung chính của môn học mô hình hóa môi trường.
2. Hãy lý giải vì sao mô hình được coi như một công cụ kết nối thế giới tự
nhiên và xã hội loài người.
3. Mô hình môi trường là gì. Vai trò và khả năng của mô hình toán môi
trường.
4. Hãy lý giải vì sao cần phải mô hình hóa trong nghiên cứu cũng như quản
lý môi trường.
5. Trình bày cấu trúc cơ bản của mô hình hóa môi trường. Trình bày hạn
chế của phương pháp mô hình hóa môi trường.
6. Cách xây dựng mô hình lý luận, thế nào là mô hình dự báo. Xem trên ví
dụ mô hình Volterra – Lotka.
7. Hãy trình bày mô hình Streeter – Phelps (mô hình BOD/DO đơn giản) và
giải thích rõ các tham số tham gia mô hình.
8. Hãy trình bày một số hệ quả từ mô hình Streeter – Phelps (tính độ thiếu
hụt cực đại, thời gian và khoảng cách đạt được độ thiếu hụt cực đại)
9. Hãy trình bày một số mô hình Streeter – Phelps cải tiến.
10. Hãy trình bày cách tính sự phân bố oxy hòa tan dọc theo sông cho
nhiều nguồn. Xét trường hợp sông chính gặp nhánh phụ.
11. Trình bày các khái niệm truyền tải, khuếch tán, phân tán và định
luật Fick 1 và 2.
TSKH. Bùi Tá Long
1
Mô hình hóa môi trường
12.
Hãy trình bày phương trình tải – phân tán nhằm tính toán sự phân
bố BOD dọc theo kênh sông cho trường hợp một nguồn thải. Xem xét
trường hợp điều kiện dừng.
13.
Trình bày cách đặt vấn đề trong bài toán các hệ pha trộn đầy đủ
(Completely Mixed Systems). Xem xét 2 trường hợp: chất bảo toàn và
không bảo toàn.
14.
15.
16.
Hãy trình bày phương trình phân tán – tải tổng quát lan truyền chất
ô nhiễm trên kênh sông từ một nguồn thải điểm.
Hãy trình bày phương trình tính độ thiếu hụt oxy hòa tan trên kênh
sông do ảnh hưởng từ một nguồn điểm có lưu ý tới cơ chế tải – phân tán.
Hãy trình bày những khái niệm cơ bản gắn với mô hình hóa ô
nhiễm không khí: phát thải, lan truyền, biến đổi hóa học, lắng đọng. Hãy
trình bày một số lý do vì sao phải dùng mô hình phát tán ô nhiễm không
khí.
17.
18.
19.
20.
Cơ sở khoa học để phân loại khí quyển thành 3 loại: không ổn định,
trung tính và ổn định.
Hãy trình bày cơ sở nhận được phương trình tải và phân tán ô
nhiễm không khí.
Trình bày công thức Gauss cơ sở và biến đổi. Hãy giải thích các
tham số tham gia vào công thức
Trình bày công thức tính toán sự phát tán ô nhiễm không khí theo
mô hình Berliand cho bụi nhẹ và khí. Xét trường hợp có gió (vận tốc gió
lớn hơn 0.5 m/s)
21.
Trình bày công thức tính toán sự phát tán ô nhiễm không khí theo
mô hình Berliand cho bụi nhẹ và khí. Xét trường hợp gió lặng (vận tốc gió
nhỏ hơn 0.5 m/s).
TSKH. Bùi Tá Long
2
Mô hình hóa môi trường
Bài tập:
- Tính toán nồng độ BOD, độ thiếu hụt oxy trên kênh sông chịu sự ảnh hưởng
của một nguồn thải (Mô hình Streeter – Phelps).
- Mô hình Gauss biến đổi 1 – 2 chiều (cho một ống khói).
- Mô hình Berliand cho bụi nhẹ, khí trường hợp có gió và lặng gió (cho một
ống khói). Cách tính trung bình ngày.
TRẢ LỜI
1. Mục đích và các nội dung chính của môn học mô hình hóa môi trường.
Mục đích:
• Mở rộng sự hiểu biết về ứng dụng của phương pháp mô hình hóa trong
nghiên cứu và quản lý môi trường;
• Phát triển phương pháp phân tích hệ thống ứng dụng trong mô hình hóa
môi trường;
• Ứng dụng một số phần mềm tự động hóa tính toán ô nhiễm, QLMT.
Nội dung:
• Các phương pháp định lượng được sử dụng trong mô hình hóa môi
trường;
• Mô hình hóa các thành phần của môi trường;
• Các công cụ toán được sử dụng trong mô hình hóa: phương trình vi phân
thường, đạo hàm riêng, điều kiện ban đầu, điều kiện biên, phương pháp
giải số;
• Mô hình toán lan truyền chất ô nhiễm trong các môi trường không khí
nước đất;
• Soạn thảo mô hình trên một số ví dụ mẫu.
TSKH. Bùi Tá Long
3
Mô hình hóa môi trường
2. Hãy lý giải vì sao mô hình được coi như một công cụ kết nối thế giới tự
nhiên và xã hội loài người.
• Ngày nay hầu hết các ngành khoa học đều sử dụng “mô hình”, (“model”)
• Mô hình không chỉ xuất hiện trong khoa học tự nhiên mà còn trong khoa
học xã hội.
• Với nhiều nhà nghiên cứu mô hình được hiểu là các mô hình số phức tạp
chạy trên máy tính, trong một số ngành khoa học khác mô hình được hiểu
như một dạng mẫu tương tự
• Tuy nhiên có rất nhiều thuật ngữ “mô hình” được sử dụng rất khác nhau.
• Ví dụ: người ta sử dụng các sô liệu thống kê hằng năm để chạy các mô
hình dự báo các sự cố thiên nhiên như động đất, núi lửa, sóng thần…
3. Mô hình môi trường là gì. Vai trò và khả năng của mô hình toán môi
trường.
Định nghĩa và các khái niệm cơ bản:
• Các mô hình môi trường (Environmental Models) được sử dụng để tái tạo
lại các quá trình môi trường xảy ra trong 1 khoảng thời gian nào đó.
Vai trò:
• Cho phép nâng cao hiệu quả của việc nghiên cứu môi trường.
• Cho phép đánh giá thiệt hại của hệ sinh thái dựa trên các tiêu chuẩn xác
lập.
Khả năng:
• Bằng các công cụ mang tính hình thức để giải phương trình và các bất
phương trình hay bằng thuật toán người nghiên cứu có thể dự báo sự
thay đổi hành vi của đối tượng nghiên cứu.
• Xem các đối tượng này thay đổi như thế nào khi các điều kiện này hay
điều kiện khác (được mô tả bởi các tham số của mô hình) thay đổi.
TSKH. Bùi Tá Long
4
Mô hình hóa môi trường
4. Cần phải mô hình hóa trong nghiên cứu cũng như trong quản lí môi
trường vì:
− Xây dựng các phương pháp đáng giá sự bền vững của hệ sinh thái.
− Nghiên cứu các qui luật biến đổi theo thời gian của hệ sinh thái.
− Hòan thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động lên môi
trường các họat động kinh tế - xã hội.
− Trong quản lí mô hình được dùng để dự báo sự thay đổi của môi trường
do tác động của con người.
5. Cấu trúc cơ bản của mô hình hóa môi trường
Các biến
trạng thái
Các hằng
số lí,
Hàm điều khiển,
Mô hình hóa
hóa, sinh
biến ngoại sinh
môi trường
Các phương
Các
trình tóan học
tham số
Hạn chế của phương pháp mô hình hóa môi trường
− Mô hình không khi nào chứa tất cả các đặc điểm của hệ thực.
− Mô hình có thể có sai sót từ việc đơn giản hóa, sự cắt đi nhiều thành phần
của mô hình.
− Mô hình quá phức tạp,chứa đầy đủ các thông số thì sẽ khó khăn trong lúc
giải.
6. Cách xây dựng mô hình lý luận, thế nào là mô hình dự báo. Xem trên ví
dụ mô hình Volterra – Lotka.
a) Cách xây dựng mô hình lý luận
- Mô hình lý luận: tìm mối liên hệ giữa các biến dự báo vì có yếu tố thời gian
- Để tìm mối quan hệ giữa các biến người ta xây dựng các biểu đồ gồm
các khối trong đó có biến trạng thái, các mũi tên vào ra thể hiện sự di
chuyển của vật chất
TSKH. Bùi Tá Long
5
Mô hình hóa môi trường
Vd:
+ A và B là 2 biến trạng thái, trong thực tế là nồng độ (mg/l) (trong mô hình
dân số A,B có thế có thứ nguyên là số đơn vị trên 1 đơn vị diện tích)
+các mũi tên (1) –(6) chỉ các quá trình
(1)
(3)
A
(4)
B
(2)
(6)
(5)
Từ nguyên lý bảo toàn khối lượng :
Lương tích luỹ = Đầu vào - đầu ra
dA
= Các quá trình (1)+(3) - các quá trình (2) + (4)
dt
dB
Các quá trình (4) – các quá trình (5) +(6)
=
dt
b) Thế nào là mô hình dự báo
- Phương trình dự báo: thể hiện môi quan hệ của biến trạng thái thay đổi
như thế nào theo thời gian
dSi
, i =
= F
1, N
Phương trình dự báo
i
dt
Fi (0) = Fi* : điều kiện ban đầu
TSKH. Bùi Tá Long
6
Mô hình hóa môi trường
c) Ví dụ mô hình Volterra-Lotka: tính mật độ ( số lượng) cân bằng giữa con
môi và vật ăn thịt thông qua mô hình của Lotka- volterra
- khi quần thể con mồi và vật ăn thịt sống riêng rẽ thì phương trình sinh
trưởng quần thể của chúng như sau:
dN
= r N
1
dt
N- mật độ con mồi
T thời gian
r1 : hệ số sinh trưởng tiềm năng của con mồi khi không có vật ăn thịt
dP
= −r2 P
dt
p :mật độ vật ăn thịt
t : thời gian
r2: hệ số chết tiềm năng của vật ăn thịt khi không có con mồi
dN
= (r − k1P)N
1
dt
dP
= (k2 N − r2 )P
dt
k1 : hệ số thể hiện mức giảm sự phát triển của quẩn thể con mồi do 1 cá thể
vật ăn thịt
k2 : hệ số thể hiện mức tăng sự phát triển của quẩn thể con mồi do 1 đơn vị
(hoặc sinh khối) con mồi.
- Tìm trạng thái ổ định:
r
dN
dN
1
è
è
è
= 0 è PCB =
= 0 è NCB =
= (r − k1P)N
= 0
(r − k1P)N
1
1
dt
dt
k1
r2
k2
dP
dt
dP
dt
è
= (k2 N − r2 )P
= 0
(k2N − r2 )P
7. Hãy trình bày mô hình Streeter – Phelps (mô hình BOD/DO đơn giản) và
giải thích rõ các tham số tham gia mô hình.
Đây là mô hình đầu tiên đề cập đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trên
sông. Vì xem xét mối quan hệ giữa BOD & COD trong 1 hệ thống sông nên mô
hình này còn được gọi là mô hình BOD/DO đơn giản.
TSKH. Bùi Tá Long
7
Mô hình hóa môi trường
* Một số giả thiết làm đơn giản hoá mô hình
1. Nhiệt độ đã biết & không đổi
2. Không có hiện tượng khuyếch tán
3. Không có hiện tượng quang hợp và hô hấp
4. Tất cả BOD được chuyển hoá cùng 1 tốc độ
5. Tốc độ lắng đọng oxy le hằng số theo thời gian
6. Tất cả các hệ số tốc độ khác đều không đổi theo thời gian
7. Chỉ tồn tại 1 nguồn gây ô nhiễm
8. Tải trọng ô nhiễm không đổi
9. Sông không có nhánh
10.
11.
Vận tốc dòng chảy không thay đổi
Mặt cắt ngang sông không đổi
12.
Sự khuyếch tán nồng độ BOD & COD đồng đều trên mặt cắt
sông
13.
Sự phân huỷ sinh học điễn ra trong sông có bậc 1 & không có
sự xuất hiện của các quá trình khác
dD
* Phương trình
= K1L1 − Ka D với D = Cs - Ct
dt
Cs : Nồng độ oxy bão hoà
Ct : Nồng độ oxy vào thời điểm t
Lt : Nồng độ chất hữu cơ, được đo bằng BOD tại thời điểm t
K1 : Hệ số tốc độ phân huỷ chất hữu cơ ( ngày-1 )
Hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình phân hủy chc
Ka : Hệ số tốc độ thấm khí qua mặt thoáng
Hệ số tốc độ hoà tan oxy qua mặt thoáng ( ngày-1)
TSKH. Bùi Tá Long
8
Mô hình hóa môi trường
8. Hãy trình bày một số hệ quả từ mô hình Streeter – Phelps
u Thời gian đạt được độ thiếu hụt oxy cực đại
Ka
K1
D0 (Ka − K
1
1
tc =
Ln
1−
Ka − K1
K aL0
§
§
§
§
D0 : Độ thiếu hụt oxy ban đầu
L0 : Nồng độ chất hữu cơ, được đo bằng BOD
K1 : Hệ số tốc độ phân huỷ chất hữu cơ ( ngày-1 )
Ka : Hệ số tốc độ thấm khí qua mặt thoáng ( ngày-1)
K1
Loε −K t
1
u Độ thiếu hụt cực đại
Dc =
Ka
§
§
§
§
§
Dc : Độ thiếu hụt oxy cực đại ( mg/l )
L0 : Nồng độ chất hữu cơ, được đo bằng BOD tại thời điểm tc
K1 : Hệ số tốc độ phân huỷ chất hữu cơ vào thời điểm tc ( ngày-1 )
Ka : Hệ số tốc độ thấm khí qua mặt thoáng vào thời điểm tc ( ngày-1)
tc : Thời gian đạt độ thiếu hụt oxy cực đại ( ngày )
u Khoảng cách đạt được độ thiếu hụt cực đại
xc = vc * tc
§
§
§
xc : khoảng cách cần tìm ( m )
vc : vận tốc dòng chảy sông ( m/s )
tc : Thời gian đạt độ thiếu hụt oxy cực đại ( s )
dD
= K1.L − Ka D
t
dt
• D = Cs – Ct (độ thiếu hụt oxy)
• Cs = nồng độ oxy bão hòa
• Ct = nồng độ oxy ở thời điểm t
• Lt = nồng độ chất hữu cơ được đo bằng BOD ở thời điểm t
• K1 = hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ hay hằng số tốc độ tiêu thụ
oxy do quá trình phân hủy các chất hữu cơ (ngay-1)
• Ka = hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng (ngày-1)
Mô hình hóa lan truyền chất hữu cơ (bài 3 - slide 31/ p.31)
TSKH. Bùi Tá Long
9
Mô hình hóa môi trường
9. Hãy trình bày một số mô hình Streeter – Phelps cải tiến.
Quá trình hô hấp của lớp bùn đáy
r
∂D
∂t
∂D
∂x
S
d
+ u.
= −ka D −
Độ thiếu hụt D trong dòng chảy ở điều kiện ổn định là:
k .x
S
+ 1− exp −
k .x
o
o
D = D .exp −
r
r
o
u
k .d
u
o
• S – nhu cầu oxy của lớp cặn đáy, mg O2/m2.ngày
• d - chiều sâu của lớp nước
Quá trình oxy hóa các hợp chất chứa Nitơ
• Bổ sung thêm các quá trình tiêu thụ oxy do quá trình oxy hóa các hợp
chất hữu cơ có chứa Nitơ (ammôn hóa nitrit và nitrat hóa). Khi đó nhận
được phương trình
r
∂D
∂t
∂D
∂x
+ u.
= −ka.D − kN .N
• Độ thiếu hụt oxy D trong dòng chảy ở điều kiện ổn định
k .x
kN .No
k .x
k .x
o
N
o
D = D .exp −
+
exp −
− exp −
r
r
r
o
u
ka − kN
u
u
• N - Nồng độ các hợp chất chứa nitơ theo NBOD, (mg/l)
• KN - hằng số tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình nitrat hóa, ngày-1.
Quá trình quang hợp hô hấp
• Phương trình mô tả sự thiếu hụt oxy do sự phân hủy các chất hữu cơ và
do quá trình quang hợp – hô hấp hệ thực vật nước
r
∂D
∂t
∂D
∂x
+ u.
= −ka.D − (R − P)TB
• Sự thiếu hụt oxy trong điều kiện ổn định:
k .x
R − P
k .x
o
a
D = D .exp −
+
1− exp −
r
r
o
u
ka
u
• P - sản phẩm sơ cấp của quá trình quang hợp, mg/l.ngày
• R - Lượng oxy tiêu hao do quá trình hô hấp, mg/l.ngày
TSKH. Bùi Tá Long
10
Mô hình hóa môi trường
Loại mô hình này thường được áp dụng tính toán sự biến động về hàm
lượng oxy hòa tan theo thời gian trong ngày tại các lưu vực dòng chảy giàu
chất dinh dưỡng với sự phát triển mạnh các loại thực vật nước
Quá trình lắng các chất lơ lửng
Trong quá trình lan truyền, một phần các chất hữu cơ dạng lơ lửng và phân tán
sẽ lắng đọng theo các quá trình vật lý, hóa học và sinh học trong dòng chảy
∂L
∂t
∂L r ∂L
∂L
∂x
r
+ u
= k1.L − ka.D
= −kr .L
kr = k1 + ks
+ u
∂t
∂t
• ks - tốc độ lắng đọng các chất hữu cơ dạng lơ lửng và phân tán trong quá
trình lan truyền, ngày-1
• k1- tốc độ tiêu thụ oxy do quá trình phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1
• kr- tốc độ chuyển hóa các chất hữu cơ trong dòng chảy, ngày-1
k .x
r
r
L = L .exp −
o
u
k .x
k1.Lo
k .x
k .x
o
r
o
D = D .exp −
+
exp −
− exp −
r
r
r
o
u
ka − kr
u
u
11. Hãy trình bày khái niệm truyền tải, khuyếch tán, phân tán và định luật
Fick 1, 2
Khái niệm:
ü Truyền tải (advection): Chuyển động dọc theo phương dòng chảy hay
chuyển động tịnh tiến: là sự vận chuyển vật chất dạng hòa tan hay dạng
hạt mịn do sự di chuyển của khối lưu chất với vận tốc bằng vận tốc dòng
chảy.
ü Khuếch tán (diffusion): là quá trình lan truyền không phải truyền tải, do sự
di chuyển chất hòa tan nhằm phản ứng lại sự thay đổi nồng độ. Điều này
có thể diễn ra ở mức độ phân tử do sự chuyển động Brown gây nên do
những chuyển động ngẫu nhiên của phân tử hòa tan, hoặc ở mức độ vĩ
mô do các xoáy rối, và sự dịch chuyển vận tốc.
TSKH. Bùi Tá Long
11
Mô hình hóa môi trường
a) Khuếch tán phân tử: Chuyển động ngẫu nhiên xảy ra dưới tác động
của sự trao đổi vị trí của các phân tử do tính chất nhiệt động học.
b) Khuếch tán rối: Là chuyển động ngẫu nhiên do sự rối.
ü Phân tán (dispersion): Chuyển động ngẫu nhiên gây ra do các đường
dòng chảy khác nhau hay do các vận tốc khác nhau trong trường.
Định luật Fick 1:
• Giả sử rằng chất bảo tồn là lơ lửng và hòa tan trong chất lỏng.
• Tốc độ khuếch tán luồng chất lỏng qua 1 đơn vị diện tích chất lỏng do
khuếch tán phân tử thì tỷ lệ với gradien nồng độ chất trong chất lỏng:
∂C
∂x
N = −Dm
• N là tỷ lệ lan truyền chất qua đơn vị diện tích theo hướng x
∂C
•
= gradien nồng độ ở giai đoạn khuếch tán theo phương x
∂x
• Dm là hệ số khuếch tán phân tử hoặc hằng số tỷ lệ.
• Dm tỷ lệ với nhiệt độ tuyết đối và tỷ lệ nghịch với trọng lượng phân tử
trong giai đoạn khuếch tán và với độ nhớt của giai đoạn phân tán. Dấu
âm chỉ ra rằng dòng chất từ các vùng có nồng độ cao đến các vùng có
nồng độ thấp do quá trình khuếch tán.
Định luật Fick 2 :
• Sự thay đổi của theo thời gian của một chất trong quá trình khuếch tán
phân tán phân tử được biểu diễn bằng phương trình
∂c
∂t
∂2C
∂x2
= Dm
• Dạng 3 chiều:
∂C
∂
∂C
∂x ∂y
∂
∂C
∂y ∂z
∂
∂C
∂z
=
Dx
+
Dy
+
Dz
∂t ∂x
TSKH. Bùi Tá Long
12
Mô hình hóa môi trường
12. Hãy trình bày phương trình tải – phân tán nhằm tính toán sự phân bố
BOD dọc theo kênh sông cho trường hợp 1 nguồn thải. Xem xét trường
hợp điều kiện dừng.
QC
Q(C + ∆C)
∂C
∂x
∂C
∂x
∂ ∂C
∂x ∂x
−EA
+ ∆x
− EA
Dòng vào do
truyền tải
Dòng vào do
phân tán
Sự tích lũy
=
+
Phản ứng
(Nguồn tự sinh
hay tự hoại)
Dòng ra do
truyền tải
Dòng ra cho
phân tán
±
Cân bằng khối lượng:
∂C
∂t
∂C
∂C
∂x
∂ ∂C
∂x ∂x
V
= QC + −EA
− Q(C + ∆C) + −EA
+ ∆x
− kCV
∂x
Thể tích
(m3)
V = A∆x
E – hệ số phân tán (m2/s)
k – hệ số tốc độ phản ứng (ngày-1)
TSKH. Bùi Tá Long
13
Mô hình hóa môi trường
∂C
∂t
∂C
∂x
∂ ∂C
V
= −Q
∂C
∆x + EA
∆x − kCV
− kC
∂x ∂x
Q ∂C
∂ ∂C
= −
+ E
∂t
A ∂x
∂x ∂x
Q(C + ∆C)
QC
∂C
− EA
∂x
∂C
∂x
∂ ∂C
∂x ∂x
−EA
+ ∆x
∆x
Trong trường hợp trạng thái dừng
∂C
Q ∂C
A ∂x
∂ ∂C
⇒ −
+ E
− kC = 0
= 0
∂t
∂x ∂x
d2C
dx2
dC
dx
⇒ E
−u
− kC = 0
C(x) = Bexp(gx) + Dexp( jx)
u ± u2 + 4Ek
2E
u
4Ek
u2
g, j =
=
1± m , m = 1+
(
)
2E
Điều kiện biên cho vùng cửa sông:
Vùng thượng nguồn: và
C |x=+∞ = 0
C |x=0 = C0
ux
Ca (x) = C0 exp(gx) = C0 exp
1+ m
(
)
)
2E
Vùng hạ lưu: C |x=+∞ = 0 và C |x=0 = C0
Cb (x) = C0 exp( jx) = C0 exp
ux
1− m
(
2E
TSKH. Bùi Tá Long
14
Mô hình hóa môi trường
Cân bằng tại điểm thải:
dCa
dx
dCb
dx
QC0 − EA
|
+W = QC0 − EA
|
x=0
x=0
dCa
dx
dCb
dx
|
x=0 = gB,
|x=0 = jD
W
W
−EAgB +W = −EjD,B = D = Cn ⇒ C0 =
=
EA g − j
mQ
(
)
Nghiệm cuối cùng:
C = C exp gx , x ≤ 0
)
0
C = C exp jx , x ≥ 0
(
0
W
C =
0
mQ
u ± u2 + 4Ek
2E
u
4Ek
u2
g, j =
=
1± m ,m = 1+
(
)
2E
13. Trình bày cách đặt vấn đề trong bài toán các hệ pha trộn đầy đủ
(Completely Mixed Systems). Xem xét 2 trường hợp chất bảo toàn và
không bảo toàn.
Xét hồ có dòng chảy vào và dòng chảy ra :
Qin , Cin
Qout, Cout
V , C
Hệ pha trộn hoàn toàn:
dC
dt
V
= Qin×Cin −Qout ×Cout ± rV
TSKH. Bùi Tá Long
15
Mô hình hóa môi trường
Trong đó : Cin : nồng độ chất ô nhiễm trong dòng vào ( mg/m3)
Cout : nồng độ chất ô nhiễm trong hồ và dòng ra ( mg/m3)
Qin : lưu lượng dòng vào (m3/s)
Qout : lưu lượng dòng ra (m3/s)
V : thể tích hồ (m3)
t : thời gian.
r : tốc độ phản ứng (mg/s.m3)
Ta đặt giả thiết để đơn giản hóa vấn đề:
- Nồng độ dòng chảy vào Cin là hằng số
- Thể tích dòng chảy vào và ra trong hồ là hằng số.
Qin = Qout = Q = const
dV
-
Thể tích V = const
⇒
= 0
dt
- r = -k C
dC
dC
dt
⇒
V
= Qin ×Cin −Qout ×Cout ± rV
V
= QCin −QC − kCV
dt
Tìm C:
1. Điều kiện ban đầu: nguồn tức thời (lưu ý tới yếu tố thời gian)
Chất ô nhiễm bảo toàn và nguồn tức thời:
dC
dt
dC
dt
C|t=0 = 0
Q
V
V
= −QC
= −
C
t
⇒
⇒
C= Co exp -
τ
V
với τ =
thời gian tồn lưu chất trong bể
Q
TSKH. Bùi Tá Long
16
Mô hình hóa môi trường
Chất ô nhiễm không bảo toàn và nguồn tức thời:
dC
dt
C | t = 0 = C
Q
k +1
= − C − kCV
C = C
0
exp −
t
V
⇒
τ
0
2. Điều kiện ban đầu: nguồn liên tục ( không lưu ý tới yếu tố thời gian)
dC
dt
1
C
in
+
+t C =
τ
1+ kτ
Xét trường hợp nghiệm dừng:
QCin
C
in
C
ss
=
=
Q + kV 1+ kτ
Xét trường hợp nghiệm không dừng:
k +1
k +1
(
)
(
)
C
in
C = C
0
exp −
t +
1−exp −
t
τ
kτ +1
τ
Khi t→∞ ta nhận được nghiệm ổn định.
3. Xét dãy N hồ có thể tích bằng nhau:
Q
Cn
Q
Cin
Q
C1
Q
C2
V , C1
V , C2
V , C3
Cho hồ thứ nhất:
C
in
dC
1 = QCin −QC
1
− kC
1V
⇒
C1 =
V
1+ kτ
dt
Cho hồ thứ hai:
C
1
C
in
dC
dt
2
C
=
2 = 1+ kτ
⇒
V
= QC
1
− QC
2
− kC V
2
2
1+ kτ
(
)
C
in
⇒
C
n =
n
1+ kτ
(
)
TSKH. Bùi Tá Long
17
Mô hình hóa môi trường
Trường hợp chất bảo toàn:
Cho hồ thứ nhất:
t
dC1
C1 = C1(0) exp −
⇒
= −QC1
V
τ
dt
Cho hồ thứ hai:
t
C1(0)t exp −
dC2 C1 C2
τ
C2 =
⇒
=
−
τ
dt
τ
τ
n−1
C1(0) t
t
Cn =
exp −
(t à ∞ ,
)
Cn ; 0
(n −1)! τ
τ
14. Hãy trình bày phương trình phân tán - tải tổng quát lan truyền chất ô
nhiễm trên kênh sông từ một nguồn thải điểm.
Phương trình phân tán tải với chất bản:
∂S
∂t
∂S
∂x
∂S
∂y
∂S
∂z
∂2S
∂x2
∂2S
∂y2
∂2S
∂z2
+Vx
+Vy
+Vz
− Dx
− Dy
− Dz
+ F(S) = 0
• Hàm số F(S) đặc trưng cho các quá trình hóa học, sinh học và khác, xảy
ra với các chất ô nhiễm trong hệ thống nước.
• Đối với từng chất ô nhiễm cụ thể hàm sô F(S) được xác định tùy thuộc
vào đặc tính của quá trình. Trong phần lớn các trường hợp người ta cho
rằngquá trình này được miêu tả bởi phương trình phản ứng bậc 1 ( sự
oxy hóa các chất hữu cơ, sự chết của vi khuẩn, sự thấm khí và v.v..)
• Trong điều kiện các hệ thống nước chảy (sông, kênh…) Vz = Vy = 0. Khi
đó phương trình có dạng
∂S
∂t
∂S
∂x
∂2S
∂x2
∂2S
∂y2
∂2S
∂z2
+Vx
− Dx
− Dy
− Dz
= 0
• Trong đó Vx - vận tốc trung bình ở tiết diện ướt của dong chảy.
• Hệ số phân tán được xác định một cách trung bình đối với tiết diện ướt
của dòng chảy
• Dx, Dy, Dz không phụ thuộc vào tọa độ và đại lượng của chúng có thể
được xác định qua các chỉ số thủy lực dòng sông.
TSKH. Bùi Tá Long
18
Mô hình hóa môi trường
15. Hãy trình bày phương trình tính độ thiếu hụt oxy hòa tan trên kênh
sông do ảnh hưởng từ một nguồn điểm có lưu ý tới cơ chế tải – phân tán.
Phương trình độ thiếu hụt oxy
∂D
∂t
∂D
∂y
∂D
∂y
∂D
∂z
∂2 D
∂x2
∂2 D
∂y2
∂2 D
∂z2
+Vx
+Vy
+Vz
− Dx
− Dy
− Dz
+ k1S − k2D +αR = 0
• k1- hệ số vận tốc oxy hóa chất hưu cơ ;
• k2- hệ số vận tốc thấm khí ;
• S - Nồng độ các chất ô nhiễm theo sự tiêu thụ oxy sinh học BOD ;
• α - hằng số oxy trong quá trình quang hợp ;
• R – cân bằng bức xạ.
16. Hãy trình bày những khái niệm cơ bản gắn với mô hình hóa ô nhiễm
không khí: phát thải, lan truyền, biến đổi hóa học, lắng dọng. Hãy trình bày
một số lý do vì sao phải dùng mô hình phát tán ô nhiễm không khí.
Phát thải (Emission):
• Trong giai đoạn đầu tiên này, các chất ô nhiễm tỏa vào khí quyển từ các
nguồn thải khác nhau.
• Phát thải bề mặt (area source): các nguồn thải thấp, đám cháy.
• Nguồn thải đường (line source): đường giao thông.
• Các nguồn diểm (point source): ống khói.
Sự tải (Advection) :
• Chuyển động tải là sự di chuyển của khối khí trong khí quyển theo 1 dòng
và đi từ điểm này đến điểm khác.
• Đối với 1 tạp chất di chuyển trong một khí quyển, sự tải là sản phẩm của
vận tốc khối thể tích khí.
• Tác nhân gây ra hiện tượng tải là gió.
Khuếch tán (diffusion) :
• Các chất ô nhiễm không khí khuyếch tán rộng trong khí quyển (theo cả
chiều ngang lẫn chiều đứng)
Sự phân tán (dispersion) :
TSKH. Bùi Tá Long
19
Mô hình hóa môi trường
• Sự tương tác giữa khuếch tán rối với gradien vận tốc do lực di chuyển
trong khối khí tạo ra sự phân tán.
• Sự di chuyển các tạp chất khí trong khí quyển trong trường hợp có gió
(trên 1m/s) chủ yếu bởi quá trình tải, nhưng sự di chuyển của tạp chất khí
trong trường hợp gió lặng thường là do sự phân tán.
Sự biến đổi hóa học (Chemical tranformation):
• Nhiều phản ứng hóa học khác nhau diễn ra trong suốt quá trình lan
truyền chất ô nhiễm trong khí quyển.
• Kết quả các phản ứng hóa học này là nhiều chất ô nhiễm thứ cấp
(secondary pollutants) được tạo ra (các chất ô nhiễm không khí được thải
trực tiếp từ các nguồn thải trong không khí thường được gọi là các chất ô
nhiễm cơ bản (primary pollutant)
TSKH. Bùi Tá Long
20
Tải về để xem bản đầy đủ
27 trang
30701
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Câu hỏi ôn tập thi hết môn học Mô hình hóa môi trường - Bùi Tá Long", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- cau_hoi_on_tap_thi_het_mon_hoc_mo_hinh_hoa_moi_truong_bui_ta.pdf
