lý thuyết tính toán sự khếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển

GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân


3
Luận văn tốt nghiệp
C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


2
2
:
:


L
L
Y

Y
Ù
Ù


T
T
H
H
U
U
Y
Y
E
E
Á
Á
T
T


T
T
Í
Í
N
N
H
H

T
T
O
O
A
A
Ù
Ù
N
N


*
*
*
*
*
*




2.1 Các yếu tố khí tượng liên quan đến sự khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển:
2.1.1 Đặc điểm của khí quyển:
Khí quyển là vỏ khí bao bọc xung quanh Trái Đất nhờ trọng lực. Mật độ tối đa của
khí quyển ngay sát bên trên bề mặt đất, giảm dần theo độ cao.
Khí quyển được chia thành 5 tầng: tầng đối lưu (Troposhpere), tầng bình lưu
(Stratosphere), tầng giữa (Mesosphere), tầng nhiệt quyển (Thermosphere).
Mặc dù bề dày của lớp khí quyển khá lớn, nhưng chỉ có tần đối lưu là có ảnh hưởng

đến thời tiết. Tần đối lưu tương đối không ổn đònh vì tại đây thường xuyên xuất hiện
các dòng không khí chuyển động theo phương đứng, gây nên hiện tượng ngưng tụ hơi
nước và tạo thành mây, mưa. Vận tốc chuyển động của không khí theo chiều đứng so
với chiều ngang không lớn, chỉ đạt khoảng 0,7 m/s.

2.1.2 Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao của không khí:
Gradient nhiệt độ không khí thay đổi theo chiều cao và theo các tầng khí quyển.


Hình 2.1. Gradient nhiệt độ

Khi một khối không khí chuyển động lên vò trí cao hơn trong khí quyển theo phương
thẳng đứng, nó sẽ chòu tác dụng của áp suất giảm dần, do đó nó sẽ dãn nở và giảm
nhiệt độ và ngược lại. Thường thì quá trình này diễn ra đủ nhanh nên chúng ta có thể
giả thiết rằng không có sự truyền hay trao đổi nhiệt xảy ra giữa khối khí với khí quyển
xung quanh nó. Quá trình này gọi là quá trình đoạn nhiệt (adiabatic).




GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân


4
Luận văn tốt nghiệp
2.1.3 Trạng thái bền vững của khí quyển:
Mức độ bền vững hay ổn đònh (degree of stability) của khí quyển phải được xác
đònh trước khi ước lượng khả năng khuếch tán chất ô nhiễm của khí quyển. Khí quyển
ổn đònh (stable) là khí quyển không cho phép xáo trộn hay chuyển động theo phương
thẳng đứng, lúc này chất ô nhiễm phát thải gần mặt đất có khuynh hướng vẫn giữ lại ở

đây. Sự xáo trộn xảy trong tầng khí quyển dưới thấp chủ yếu phụ thuộc vào gradient
nhiệt độ và xáo trộn cơ học do tác động cắt của gió.
 Khi gradient nhiệt độ môi trường lớn hơn gradient nhiệt độ đoạn nhiệt, khí
quyển được gọi là khí quyển siêu đoạn nhiệt (superadiabatic). Khí quyển trong
trường hợp này gọi là khí quyển không bền vững (unstable).
 Khi gradient nhiệt độ môi trường xấp xó gần bằng gradient nhiệt độ đoạn nhiệt
thì độ bền vững của khí quyển được gọi là trung tính (neutral). Bất kỳ khối khí
nào được mang lên hay mang xuống đều có nhiệt độ bằng nhiệt độ môi trường
tại độ cao mới do đó khối khí không có khuynh hướng chuyển động thẳng đứng
do sự chênh lệch nhiệt độ.
 Khi gradient nhiệt độ môi trường nhỏ hơn gradient nhiệt độ đoạn nhiệt khô, khí
quyển có tính chất bền vững. Có nghóa là bất kỳ khối khí nào thình lình thay đổi
vò trí thẳng đứng sẽ có xu hướng quay về vò trí ban đầu của nó.
 Khi nhiệt độ tăng theo chiều cao và gradient nhiệt độ âm, khí quyển lúc này
nghòch đảo nhiệt (inversion). Đây là điều kiện khí quyển rất bền vững. Hậu quả
của hiện tượng nghòch đảo nhiệt là giảm sự khuếch tán chất ô nhiễm theo
phương thẳng đứng và làm tăng nồng độ chất ô nhiễm cục bộ. Có hai loại
nghòch đảo nhiệt: nghòch đảo nhiệt do sự hạ thấp xuống của lớp khí trong khối
không khí có áp suất cao và nghòch đảo nhiệt do sự bức xạ nhiệt vào buổi tối từ
mặt đất đi vào khí quyển.

Năm 1961, Pasquill giới thiệu giới thiệu phương pháp lập bảng để ước tính độ bền
vững khí quyển và từ đó nó được cải tiến và được chấp thuận sử dụng trong nhiều mô
hình tính toán khuếch tán chất ô nhiễm không khí. Phương pháp này sau đó được công
bố vào năm 1970 bởi Tuner trong sách Workbook of Atmospheric Extimates (WADE).
Theo đó, độ bền vững khí quyển được chia ra thành 6 mức độ từ A đến F, trong đó A
là cấp độ không bền vững nhất và F là cấp độ bền vững nhất. [2] [3]

Vận tốc gió tại
độ cao 10m (m/s)

Bức xạ mặt trời ban ngày Độ mây che phủ ban đêm
Mạnh Vừa Nhẹ
50% 3/8
2
A A – B B - -
2 – 3 A – B B C E F
3 – 5 B B – C C D E
5 – 6 C C – D D D D
6
C D D D D
Bảng 2.1. Phân loại độ bền vững khí quyển





GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân


5
Luận văn tốt nghiệp
2.1.4 Vận tốc gió:
Gió chuyển động song song với mặt đất làm lan tỏa các chất ô nhiễm trên mặt đất
và các lớp biên trên. Đây là yếu tố cơ bản nhất gây nên sự phân bố chất ô nhiễm trong
môi trường không khí.
Tại gần mặt đất, không khí chuyển động chậm lại do ảnh hưởng của ma sát bởi các
bề mặt gồ ghề của các vật gây ra. Do đó, trạng thái tự nhiên của đòa hình, mật độ cây
cối, vò trí và kích thước hồ, sông, đồi và các công trình xây dựng sẽ ảnh hưởng đến gió
và hình thành các gradient vận tốc gió khác nhau theo phương thẳng đứng.
Lớp không khí trong lớp biên hành tinh ảnh hưởng bởi ma sát kéo dài trong khoảng

vài trăm mét đến vài kilomet trên bề mặt trái đất. Trong điều kiện khí quyển không
bền vững thì chiều cao của lớp biên hành tinh sẽ lớn hơn trong điều kiện khí quyển
bền vững. Vì vậy, với điều kiện khí quyển không bền vững chất ô nhiễm sẽ khuếch
tán theo phương thẳng đứng lớn hơn. Điều này dẫn đến nồng độ chất ô nhiễm giảm đi
trong vùng phía sau ống khói về phía hướng gió thổi. Tuy nhiên, sự biến đổi của xáo
trộn rối trong khí quyển không bền vững có thể tạo ra nồng độ tức thời lớn hơn trường
hợp khí quyển bền vững.
Do vận tốc gió biến đổi rõ rệt trong lớp biên hành tinh nên bất kỳ giá trò nào của
vận tốc gió phải được ghi rõ độ cao tương ứng.

Hình 2.2. nh hưởng của đòa hình đến vận tốc gió

Theo tài liệu [1] [3], vận tốc gió tại độ cao ống khói được xác đònh theo công thức:

Với: : vận tốc gió tại độ cao miệng ống khói ( )
: vận tốc gió tại độ cao tham khảo ( )
p : hệ số mũ
Theo kết quả của nhiều nghiên cứu thì p có giá trò trong khoảng 0,07 đến 0,60.
Trong trường hợp gradient nhiệt độ của môi trường xấp xó giá trò gradient đoạn nhiệt
và đòa hình có ít vật trên bề mặt đất thì giá trò p xấp xó bằng 0,15.

(2.1)



GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân


6
Luận văn tốt nghiệp

Chiều dày lớp biên hành tinh và biểu đồ vận tốc gió là một hàm phụ thuộc vào độ
bền vững của khí quyển và độ ghồ ghề của bề mặt đất. Do đó giá trò p sẽ thay đổi theo
cấp độ bền vững và độ ghồ ghề của bề mặt. Trong mô hình ISC của cục bảo vệ môi
trường Hoa Kỳ (US.EPA) đưa ra bảng xác đònh giá trò p.

Cấp độ bền vững khí quyển Khu vực nông thôn Khu vực đô thò
A 0,07 0,15
B 0,07 0,15
C 0,10 0,20
D 0,15 0,25
E 0,35 0,30
F 0,55 0,30
Bảng 2.2. Giá trò p trong công thức vận tốc gió

Đối với sự khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển thì vận tốc gió nguy hiểm là
lặng gió – cấp 0 (0 – 0,5 m/s) và gió rất nhẹ – cấp 1 (0,6 – 1,7 m/s).
Ở nước ta, hướng gió chủ đạo đặc trưng cho cả 2 miền Nam, Bắc về mùa đông là
gió mùa đông – bắc, về mùa hè là gió mùa đông – nam, và gió mùa đông – nam ở Bắc
Bộ và tây – nam ở Nam Bộ trong cả 2 mùa đông, hè. Phần lớn khu vực đều có vận tốc
nhỏ hơn 1 m/s.
2.2 nh hưởng của yếu tố đòa hình đến sự khuếch tán khí thải:
2.2.1 Yếu tố đòa hình đồi núi, thung lũng:
Trường hợp nguồn phát thải nằm trong phạm vi đòa hình lồi lõm, mấp mô như đồi
núi, thung lũng, sườn dốc… thì đặc trưng chuyển động và chế độ rối của dòng không
khí thay đổi làm cho luồn khói bò biến dạng và do đó phân bố chất ô nhiễm trong luồn
và trên mặt đất bò biến đổi.
 Ở phía đón gió của sườn đồi, nồng độ chất ô nhiễm tăng cao do luồn khói bò va
đập vào sườn đồi hắt lên trên.
 Tại phía khuất gió của sườn đồi hay trong thung lũng, vực sâu nồng độ chất ô
nhiễm càng tăng cao (đến mức có thể nguy hiểm) do luồng khói chuyển động

trong vùng gió quẩn, làm cho chất ô nhiễm bò ứ đọng, không khuếch tán và lan
tỏa ra xa.
Theo Berliand M.E. [2] ảnh hưởng của đòa hình kéo dài theo chiều trực giao với
hướng gió được đánh giá bằng hệ số phụ thuộc vào kích thước của đòa hình, độ cao
và vò trí của ống khói. Tính toán khuếch tán chất ô nhiễm trong trường hợp này như đối
với trường hợp đòa hình bằng phẳng, kết quả nhân với hệ số .
Hệ số hiệu chỉnh được xác đònh theo công thức [2]:

Khoảng cách từ nguồn đến vò trí có nồng độ cực đại trên mặt đất cũng được xác
đònh như trường hợp đòa hình bằng phẳng, kết quả cuối cùng được nhân với hệ số điều
chỉnh d:


(2.2)
(2.3)



GVHD: PGS.TS Trương Tích Thiện SVTH: Võ Kiên Truân


7
Luận văn tốt nghiệp
Với hệ số cực đại tra theo bảng sau [2]:



Đồi núi Thung lũng Sườn dốc

6 – 9 10 – 15 16 – 20 6 – 9 10 – 15 16 – 20 6 – 9 10 – 15 16 – 20

< 0,5
0,6 – 1
>1
1,5
1,4
1,3
1,4
1,3
1,2
1,4
1,2
1,0
2,0
1,6
1,5
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1,8
1,5
1,4
1,5
1,3
1,2
1,2
1,2
1,1

Bảng 2.3. Bảng tra trò số

Với: H – độ cao của nguồn phát thải, mét
độ cao (độ sâu) của đồi núi (thung lũng), mét
một nữa bề rộng của đồi núi (thung lũng), mét

Hệ số được tra theo các dạng đồ thò sau:

Hình 2.3a. Đồ thò xác đònh hệ số ứng với điều kiện đồi núi


Hình 2.3b. Đồ thò xác đònh hệ số ứng với điều kiện vực sâu