1
2
MỞ ĐẦU
Tình trạng ô nhiễm không khí do hoạt động của con người mà chủ yếu là do
sản xuất công nghiệp gây ra luôn là vấn đề được quan tâm và đã trở thành đối tượng
nghiên cứu của nhiều nhà khoa học. Theo WHO, sản xuất công nghiệp của thế giới
đã thải vào không khí 25% khí NO
2
, 40-50% khí SO
2
đồng thời gây ô nhiễm cho
người lao động cũng như dân cư tiếp giáp xung quanh.
Đối với TT Huế, kết quả phân tích số liệu về chất lượng môi trường không
khí trong 3 năm 2005-2007 tại các điểm ở khu công nghiệp Chân Mây, Phú Bài và
Tứ Hạ cũng như các số liệu khảo sát của Viện Tài nguyên, môi trường và Công
nghệ sinh học – Đại học Huế rải rác từ năm 2002 đến nay cho thấy: Môi trường
không khí ở thành phố Huế, các khu công nghiệp và vùng phụ cận trong thời kỳ
2002-2007 đã bắt đầu ô nhiểm, đặc biệt là bị ô nhiểm nặng bởi bụi lắng và bụi lơ
lửng, thậm chí còn cao hơn Đà Nẵng. Trung bình hàng năm có trên 75 tấn bụi lắng
rơi trên 1 km
2
tại thành phố Huế, trong khi đó bụi lơ lửng cao gấp 2-3 lần tiêu chuẩn
cho phép. Tác động của ô nhiểm không khí thể hiện rõ ràng nhất tại khu vực xung
quanh nguồn gây ô nhiểm như ở nhà máy xi măng thuộc công ty hữu hạn xi măng
Luks Việt Nam (gọi tắt là nhà máy xi măng Luks), bụi ảnh hưởng đến sức khỏe, nhà
cửa, cây ăn quả, hoa màu... Các số liệu quan trắc cho thấy tại khu vực dân cư nồng
công tác nghiên cứu, quản lý môi trường trong các vùng nhiệt đới chúng ta cần cân
nhắc khả năng áp dụng thực tế với các yếu tố thích hợp về địa lý.
Ở Việt Nam, đặc biệt là các thành phố lớn ở hai đầu đất nước, đã có rất nhiều
mô hình đang được nghiên cứu, thử nghiệm và áp dụng phục vụ các mục đích tính
toán, dự báo những yếu tố khí tượng, thời tiết cũng như các thành phần môi trường
không khí []. Thế nhưng, đối với TT Huế, cho đến thời điểm này, việc nghiên cứu
ứng dụng phương pháp mô hình hóa để giải quyết các bài toán về môi trường không
khí vẫn còn đang là vấn đề khá mới mẻ, các mô hình thích ứng với điều kiện khí
tượng cho TT Huế vẫn chưa được xây dựng một cách khoa học, phù hợp với điều
kiện khí hậu của khu vực. Vì vậy, việc tiến hành nghiên cứu và kiểm định để chọn
lựa ra mô hình thích hợp nhất nhằm áp dụng một cách có căn cứ khoa học dựa trên
số liệu khí tượng địa phương là cần thiết và có ích cho công tác quản lý môi trường
tại thành phố Huế nói chung và toàn tỉnh TT Huế nói riêng.
4
Xuất phát từ tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học đó, chúng tôi đã chọn đề tài
“ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS) VÀ MÔ HÌNH TOÁN
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TẠI NHÀ MÁY XI MĂNG THUỘC
CÔNG TY HỮU HẠN XI MĂNG LUKS (VIỆT NAM)” với mục đích nhằm:
- Ứng dụng một số mô hình phát tán ô nhiễm không khí (cụ thể là mô hình
Berliand và mô hình ISC3) để đánh giá, dự báo chất lượng không khí tại khu vực
nhà máy xi măng Luks; trên cơ sở đó sẽ lựa chọn mô hình phù hợp cho đối tượng
nghiên cứu.
- Kết hợp cơ sở dữ liệu môi trường, GIS và mô hình toán để tạo ra sản phẩm
nhằm phục vụ cho công tác quản lý chất lượng môi trường không khí tại khu vực
xung quanh nhà máy Luks.
Việc ứng dụng GIS và mô hình toán đánh giá ô nhiễm không khí đối với nhà máy
xi măng Luks nói riêng và TT Huế nói chung là rất quan trọng và hết sức cần thiết bởi
nó thể hiện tính cấp thiết trong việc đáp ứng được yêu cầu đánh giá, dự báo ô nhiễm,
quy mô và cường độ cực đại của chất ô nhiễm tại mặt đất; Bên cạnh đó đề tài còn góp
phần hỗ trợ các nhà quản lý môi trường đưa ra các quyết định cuối cùng trong việc lập
tại cũng như dự báo trong tương lai cho nhà máy xi măng Luks.
- Ứng dụng phần mềm ENVIMAP để vẽ bản đồ ô nhiễm theo các kịch bản khác
nhau. (ENVIMAP: ENViromental Information Management and Air Pollution
estimation - Phần mềm quản lý và đánh giá ô nhiễm không khí)
- Tiến hành kiểm chứng mô hình, lựa chọn mô hình tối ưu nhất cho điều kiện khí
tượng ở TT Huế.
- Đề xuất các giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm không khí do hoạt động sản
xuất của nhà máy xi măng Luks.
6
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1. Mô hình phát tán ô nhiễm không khí cho nguồn điểm
Các mô hình nhiễm bẩn của không khí là biểu diễn toán học các quá trình
phát tán tạp chất và các phản ứng hóa học diễn ra, kết hợp với tải lượng phát thải,
đặc trưng của phát thải từ các nguồn công nghiệp và các dữ liệu khí tượng được sử
dụng để dự báo nồng độ chất bẩn đang xét.
Các nghiên cứu trong lĩnh vực này cho thấy để mô phỏng chính xác sự phát
tán ô nhiễm không khí cần phải biết mô phỏng các tham số khí tượng (sự phân bố
của gió và nhiệt độ trong lớp biên của khí quyển, sự mô tả các quá trình khuếch tán
và bức xạ mặt trời), bên cạnh đó phải lưu ý đến các yếu tố liên quan tới bản chất của
các chất ô nhiễm: sự nóng lên của các chất được thải ra, sự chuyển hóa do kết quả
của các phản ứng hóa học.
Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) và Chương trình Môi trường của Liên
hợp quốc (UNEP) đã có cách phân loại theo ba hướng chính sau đây:
- Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết toán học Gauss.
Các nhà toán học có công phát triển mô hình này là Taylor (1915), Sutton (1925 –
1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill (1962 – 1971), Seifeld (1975) và gần đây
được các nhà khoa học môi trường của các nước như Mỹ, Anh, Pháp, Hunggari, Ấn
−×=
2
y
2
zys
y
5,0exp
u.2
QKV
z) y, (x, C
σ
σσπ
Ở đó:
C (x, y, z) – nồng độ chất phát thải tại điểm có tọa độ x, y, z, mg/m
3
;
Q – phát thải của chất, g/s;
K – hệ số chuyển đổi = 1.10
3
;
V – thành phần lưu ý tới sự khuếch tán ô nhiễm theo phương đứng. Thành
phần này có lưu ý tới ảnh hưởng chiều cao ống khói, độ nâng của vệt khói sau khi
thoát ra khỏi nguồn thải, độ cao hòa trộn theo phương thẳng đứng, lắng đọng trọng
trường, lắng đọng khô của những hạt bụi (đường kính hạt lớn hơn 20 µm);
Trong đó: h
s
là chiều cao ống khói (m), h’
s
là chiều cao hiệu chỉnh của ống
khói (m), v
s
là vận tốc khí phụt (m/s), còn d
s
là đường kính bên trong của miệng
ống khói (m).
Tính toán lực nổi và thông lượng động lượng
Tham số thông lượng nổi F
b
(m
4
/s
3
) được xác định theo công thức:
∆
T
4
T
F
s
a
2
s
2
s
m
Với F
b
< 55,
d
v
T
0.0297 =
)
T(
3/2
s
3/1
s
s
c
∆
Và với F
b
≥ 55,
d
Với F
b
≥ 55:
F
119 =
x
5/2
bf
Tính vệt nâng cột khói trong điều kiện không ổn định và trung hòa (A – D) có
lưu ý tới lực nổi
Trong trường hợp khi ΔT vượt quá (ΔT)
c
độ cao hữu dụng được tính như
sau:
Với F
b
< 55:
u
F
21.425 +
h
=
h
s
4/3
b
se
s
sse
′
Tính vệt nâng cột khói trong điều kiện ổn định có lưu ý tới lực nổi
Đối với các trường hợp khí quyển ổn định, tham số ổn định s, được tính từ
phương trình sau đây:
T
z/
g = s
a
∂θ∂
Người ta đã tính xấp xỉ ∂θ/∂z đối với độ ổn định khí quyển E bằng 0.020
°K/m, và đối với độ ổn định khí quyển loại F, ∂θ/∂z được lấy bằng 0.035 °K/m.
Đối với các trường hợp khi nhiệt độ khói lớn hơn hay bằng nhiệt độ không
khí xung quanh, giống như trường hợp không ổn định và trung hòa ta xác định đại
lượng (ΔT)
c
như sau:
s
v
T
0.019582 =
T)(
ss
c
∆
Khi ΔT vượt quá (ΔT)
c
′
s
u
F
1.5 +
h
=
h
s
m
3/1
se
Các tham số khuếch tán được tính toán như sau :
Phương trình được sử dụng để tính σ
y
, σ
z
(m) có dạng:
tan(TH)(x)465.11628 =
y
σ
Ở đó:
ln(x)] d - [c30.01745329 =TH
F 4.1667 0.36191
Ở đó σ
y
được tính bằng m và x được tính bằng km.
Tham số V được tính theo công thức:
( ) ( )
+
+
−+
−
−=
2
2
2
−+
−+
−+
1
2
2
);
- H
3
= z – (2mL + h
e
);
- H
4
= z + (2mL + h
e
);
Trong đó
- m – số lần nội suy (để tính toán chỉ cần 3 lần);
- L – độ cao pha trộn, m.
Độ cao pha trộn được tính theo theo công thức:
L = 320.u
10
Ở đó: u
10
– vận tốc gió tại mặt đất (thường lấy tại độ cao 10 m). Các số hạng
nội suy được tính chỉ cho đối với các lớp ổn định A, B, C và D (theo Pasquill).
Trong số các mô hình phát tán được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam, mô
hình Berliand đang được quan tâm vì nó có khả năng thích nghi tốt cho các điều
kiện khí tượng cụ thể như được chỉ ra trong các nghiên cứu [21] 21, 22.
Để tính toán nồng độ khí và bụi nhẹ tại mặt đất cho một nguồn thải điểm
Berliand đã đưa ra công thức sau đây:
( )
( )
( )
1
– tốc độ gió tại độ cao z
1
= 1 m. /Error!
Reference source not found., 18, 24, Error! Reference source not found./.
Phương pháp tính toán k
1
và k
0
được trình bày trong công trình 24.
12
Các đại lượng nồng độ cực đại C
m
và khoảng cách đạt được x
m
được tính
như sau:
( )
( )
2
1
m
1.51+n
01
1
0.1161+nM
k
C=
ku
uH
chất khí thoát ra khỏi miệng ống và nhiệt độ không khí xung quanh, T
b
và T tính
bằng độ Kelvin = 273 + tº C).
Trong trường hợp chất thải là tạp chất nặng có cỡ hạt đồng nhất, công thức
Berliand tính nồng độ từ một nguồn điểm có độ cao H được xác định bằng công
thức:
( )
( )
( ) ( ) ( )
1
1
121
01
,,0
211
vn
v
vv
MHu
Cxy
nvkxkxπ
+
++
=
+Γ+
( )
v
kn
=
+
Giá trị cực đại của C
m
và khoảng cách từ đó tới nguồn x
m
được tìm cũng
giống như đối với tạp chất nhẹ:
( )
( )
( )
( )
21.5
1
1.51
01
1
0.05511.5
1
+
+
++
=
Γ+
v
m
v
và µm tương ứng.
13
Trong trường hợp lặng gió, Berliand đã đưa ra công thức sau đây cho chất
khí và bụi nhẹ / 24/:
( )
( )
( )
2
21+n
1
22
2
1
M1
Cx,y,0=
2πk1+n
β H
+x+y
1+nk
,
Nồng độ cực đại được xác định theo công thức
( )
( )
3
1
m
uV
π
=⋅
sin
180
i
ii
d
vV
π
=⋅
2. Tính giá trị trung bình và phương sai của mỗi chuỗi số
u
,
v
, σ
u
, σ
v11
( )
( )( )
1
1
Nk
uuiik
i
u
Rkuuuu
Nk
−
+
=
=−−
−σ
∑
14
()
( )
( )( )
1
1
Nk
vviik
i
v
Rkvvvv
Nk
00
u
t
u
xuu
u
KuRdedt
∞∞
−α
σ
′
=αα=σ=
α
∫∫
,
()
2
00
v
t
v
yvv
v
KvRdedt
∞∞
−α
σ
′
=αα=σ=
Z
V=V
10
Trong đó giá trị n được tính theo bảng 1.2
Bảng 1.2. Các giá trị n được tính theo tháng
Tháng 1 4 7 10 Năm
n 0.19 0.19 0.17 0.23 0.20
Giá trị ∆T được lấy bằng 0.00945.
Không được sử dụng nhiều ở Việt Nam như 2 mô hình ISC3 và Berliand
khoa học nhưng mô hình Berliand kỹ thuật cũng là mô hình được chú ý trong nhiều
bài toán kỹ thuật (nguồn [17]). Các bước chính của mô hình Berliand kỹ thuật
Xác định các hệ số m và n lưu ý tới vệt nâng cột ống khói
15
Các hệ số m, n trong mô hình Berliand kỹ thuật được xác định như sau:
T.H
D.w.
f
∆
=
2
2
0
1000
(m/s
2
.
,
m =
với f>100
Khi f
e
< f < 100 hệ số m được tính với f=f
e
Hệ số n được xác định như sau:
n = 1 với V
M
≥
2
n = 1331325320
2
,V.,V.,
MM
+− với 0,5<V
M
<2 (m/s)
n = 4,4.V
M
với V
M 5,0≤
- Với các nguồn lạnh 1000 ≥⇒≈∆ fT và
50,V
'
M
>
3
1
H
.m.F.M.A
C
M
η
′
= (mg/m
3
) , ở đó m’= 2,86.m Với f<100, V
M
<0,5
m’= 0,9 Với f >100,
'
M
V
<0,5
- Trường hợp còn lại:
3
2
T.L.H
.n.m.F.M.A
C
M
∆
η
= (mg/m
f.,.,d +=
với V
M 5,0≤
( )
3
28,01..95,4 fVd
M
+= với 0,5<V
M
2≤
16
( )
3
28017 f.,Vd
M
+=
với V
M
>2
Đối với nguồn lạnh khi 1000 ≥≈∆ f,T khi đó d được tính như sau:
d = 5,7 với
'
M
V ≤0,5
d = 11,4.V’
M
với 0,5 <
'
M
V
Với các nguồn lạnh 0≈∆T , và 100≥f vận tốc nguy hiểm được tính theo các
công thức:
50,u
M
= với 50,V
'
M
≥
'
MM
Vu = với 0,5<
'
M
V <2
'
MM
V.,u 22=
với
2≥
'
M
VTính toán hệ số hiệu chỉnh r và p
Cho u (m/s) - vận tốc gió khác u
M
. Khi đó C
=
MMM
u
u
.,
u
u
.,
u
u
.,r với 1≤
M
u
u
( )
( ) ( )
22
3
2
+−
=
MM
M
uuuu.
uu.
r với
1>
−=
M
u
u
p với
≤≤
M
u
u
4
1
1
17
680320 ,
u
u
.,p
M
+=
với
1>
M
1
683
+
−
=
MMM
S với 81 ≤<
M
x
x
1202,3558,3
2
1
+
−
=
MM
M
x
=
MM
x
x
x
x
S với 5,1≥F và 8>
M
x
x
Với các nguồn thấp và nguồn mặt đất (H m10≤ )
Với 1<
M
x
x
, S
1
được
thay thế bằng
H
S
1
( ) ( )
11
21250101250 S.H.,H.,S
= S
2
.C xác định như sau:
2
2
x
y
.ut
y
=
với u
5≤
(m/s)
2
2
5
x
y
.t
y
=
với u>5 (m/s)
và
2
2342
1
(15.12,8.17.45,1.)
yyy
y
trong các công trình Error! Reference source not found.Error! Reference source
not found.Error! Reference source not found..
19
Trong các công trình [20]-[22] đề xuất công cụ tin học được các tác giả đặt
tên là ENVIMAP (ENVironmental Information Management and Air Pollution
estimation) tích hợp GIS, CSDL môi trường và mô hình toán phát tán ô nhiễm
không khí trợ giúp công tác đánh giá giám sát ô nhiễm không khí. Bước đầu,
ENVIMAP đã được một số cơ quan bảo vệ môi trường thuộc các tỉnh thành phía
Nam ứng dụng vào thực tế.
Hình 1-1. Mô hình tích hợp mô hình, GIS trong công nghệ ENVIM
Trên thế giới đã đưa ra nhiều cách tiếp cận tích hợp mô hình, CSDL với GIS
thành một công cụ thống nhất. Từ năm 1995, nhóm nghiên cứu ENVIM (nguồn
web site: www.envim.com.vn ) thuộc Phòng Tin học Môi trường, Viện Môi trường
và Tài nguyên đã đưa ra công nghệ tích hợp GIS, mô hình toán và CSDL môi
trường của nhóm. Các kết quả nghiên cứu này được thể hiện trong [20]. Trên Hình
1-1 thể hiện mô hình tích hợp GIS với mô hình môi trường. Dữ liệu GIS (được làm
20
bằng các phần mềm GIS chuẩn như Mapinfo, Arcview được sử dụng làm nguồn dữ
liệu) được chuyển đổi qua format của ENVIM. Khối mô hình được lưu trữ riêng.
Người dùng thông qua giao diện có thể thay đổi các thông số của mô hình. Mô hình
chạy và gửi kết quả lại, công nghệ ENVIM chuyển kết quả này lên bản đồ.
Trên Hình 1-2 thể hiện mô hình lý luận tổng quan của công nghệ ENVIM.
Dãy phía bên trái gồm có ba khối chính: khối GIS, khối CSDL Môi trường (gọi tắt
là khối Môi trường) và khối Mô hình.
- Khối GIS có chức năng vẽ các lớp bản đồ đồng thời hỗ trợ các thao tác để
làm việc trên bản đồ (phóng to, thu nhỏ, xem toàn màn hình, đo khoảng cách,…).
- Khối Môi trường quản lý toàn bộ các dữ liệu của tất cả đối tượng môi
trường mà hệ thống cần quản lý, từ các đối tượng hành chính (như nhân viên, cơ
báo cáo môi trường có so sánh với các tiêu chuẩn môi trường của Việt Nam. Bên
cạnh đó chương trình cho phép tính toán mô phỏng ảnh hưởng các hoạt động kinh
tế - xã hội lên chất lượng môi trường trong một phạm vi vùng. Các phần mềm
ENVIM được phát triển trong các lĩnh vực khác nhau: nước, không khí, chất thải
rắn. Những cập nhật mới nhất về các phần mềm này được thể hiện trên trang Web:
www.envim.com.vn .
ENVIMAP, CAP
Gauss cho nguồn điểm
1995-2008
Berliand cho nguồn điểm
1999-2008
Berliand kỹ thuật cho
nguồn điểm
2006-2008
Berliand kỹ thuật cho
nguồn đường
2007-2008
ISC3 cho nguồn điểm
2006-2008
ISC3 cho nguồn vùng
2008
Gauss cho nguồn vùng
2008
Berliand kỹ thuật cho
nguồn vùng
2008
Hình 1-3. Các phần mềm tự động hóa tính toán ô nhiễm không khí CAP,
ENVIMAP
23
- Khối hỗ trợ các văn bản pháp qui.
25
Hình 1-5. Sơ đồ cấu trúc CSDL môi trường trong ENVIMAP Hình 1-6. Chức năng tạo ra các đối tượng quản lý trong ENVIMAP
Một trong những chức năng quan trọng nhất của ENVIMAP là khả năng tạo
ra các nguồn thải điểm và sau đó cho phép tương tác trực tiếp trên bản đồ số. Đây là
một đối tượng rất quan trọng cần quản lý trong ENVIMAP..
Copyright: Tài liệu đại học ©