Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải ở Cầu Giấy

Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
1


MỞ ĐẦU


Hoạt động sống của nhân loại phát triển rất nhanh, cả về
lượng và chất, trong thời gian cuối và đã đến lúc người ta nghĩ
về cái nôi của mọi sự phát triển của môi trường. Ô nhiễm môi
trường là một trong sự phát triển nhanh nhất mà con người đã
tạo ra. Quá trình ô nhiễm có thể sơ đồ hóa bằng ba mắt xích:
Nguồn – Truyền tải – đối tượng, trong đó mắt xích thứ hai vấ
n
đề chất thải trở thành vấn đề môi trường. Cơ hoc môi trường
hiện nay là sự nghiên cứu sự truyền thải, phát tán các chất gây ô
nhiễm trong không khí, nước có xét đến đặc tính của nguồn tải,
các quá trình vật lý, hóa học, sinh học kèm theo… Áp dụng
việc mô hình hóa quá trình truyền tải, phát tán các chất gây ô
nhiễm trong môi trường không khí vào đồ án độc lực học môi
trường không khí bài toán: Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm
từ nguồn thải do giao thông đoạn đườ
ng : Cầu Giấy – Cầu Vượt
Đại học Quốc Gia Hà Nội. Hiện nay có ít nhất 3 mô hình tính
toán ô nhiễm môi trường không khí :
1- Mô hình thống kê kinh nghiệm dựa trên cơ sở lý thuyết
gauss
2- Mô hình thống kê thủy động của Berliand
3- Mô hình khuyếch tán rối

Có lẽ mô hình thích hợp để phản ánh đầy đủ hiện tượng lan
truyền các chất ô nhiễm từ một nguồn thải ra môi trường xung
quanh là mô hình gauss. Tác động ô nhiễm từ một nguồn phát
th
ải được biểu diễn bằng sự phân bố nồng độ các chất trong
không gian 3 chiều (x,y,z). Trong thực tế trục của nguồn phát là
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
2
không ổn định, nhưng ta có thể xem nó dao động quanh một vị
trí một đường trủc trung bình. Nồng độ ô nhiễm phân bố trên
các mặt cắt đứng theo hàm Gauss và đối xứng trục nguồn phát
thải. Phương trình khuyếnc tán Gauss phụ thuộc vào cường độ
thải các nguồn, tác động gió, chiều cao và đặc biệt là điều kiện
khí quyển. Chính vì sự lan truyền chất ô nhiễm ra môi trường
xung quanh rất nhạy cảm với
điều kiện khí quyển và mô hình
Gauss với sự phát triển của Sutton hay Pasquill phản ánh được
yếu tố đó nên ta sẽ chọn mô hình này để trình tính toán tác
động môi trường.

Trong phạm vi đồ án này là việc xác định nồng độ khí gây ô
nhiễm (chỉ xét khí CO2). Số liệu nguồn thải ở đây được lấy từ
file Hà Nội.ASC. Công việc tính toán và xây dựng mô hình
cũng dựa trên phần mền ISCT3 và phần mềm SUFFUR6. Đặc
trưng xây dự
ng phần mềm ISCT3 đó là sử dụng mô hình
Gauss. Áp dụng điều kiện gauss vào xây dựng tính toán ô
nhiễm môi trường là một phương pháp hiệu quả vì ta nhận thấy

các điều kiện của bài toàn phù hợp với điều kiện áp dụng mô
hình gauss.
Ở đây chúng ta dùng phương pháp chia lưới trên vùng bản
đồ khảo sát. Độ phân giải tuỳ thuộc vào yêu cầu độ chính xác
cần cho kết luận. Ta dùng độ rộng của ô lướ
i là 10 m, và lấy giá
trị nồng độ trung bình trên ô lưới đó. Mảng chia lưới có chiều
rộng khoảng 10 km. Để có được bản đồ mầu thể hiện các vùng
có nồng độ khác nhau, phần mểm viết cho GIS. Căn cứ vào tình
hình thời tiết như vận tốc gió, độ mây, độ bức xạ để chọn cấp
độ ổn định khí quyển. Trên cơ sở đó, ta tính toán sự phân bố
nồng độ
chất ô nhiễm trên mặt đất theo mô hình Gauss bằng
một giao diện viết bằng Delphi chạy trong môi trường MapInfo.



Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
3


ĐỒ ÁN ĐƯỢC TRÌNH BÀY THEO BA
CHƯƠNG


Chương I : Mô hình tính toán ô nhiễm theo mô hình
gauss
+ Mô hình gausss

+ Các tính

Chương II : Áp dụng tính toán cho nguồn thải

+ Nguồn thải do giao thông
+ Xây dựng bài toán
+ Vị trí nguồn thải
+ Chất thải
+ Hệ tọa độ tính toán
+ Số liệu khí tượng
+ Xây dựng tham số đầu vào ISCT3
+ Theo tháng
+ Theo mùa
+ Thay đổi thong số nguồn


Chương III : Kết quả tính toán, nhận xét so sánh kết quả
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
4



Chương I
MÔ HÌNH TÍNH TOÁN Ô NHIỄM THEO MÔ
HÌNH GAUSS
I.1.1
Phân bố gauss

Mô hình gauss mặc dầu có những hạn chế, mô hình Gauss
vẫn rất phổ biến do tính đơn giản của nó, trong khi kết quả đưa
ra là chấp nhận được. Mô hình này đựoc sử dụng như cơ sở của
việc điều hành sử dụng mô hình hóa chất lượng môi trường
không khí ở Úc và một số nứớc khác. Và hàm phân bố chuẩn
Gauss là nguồn gốc căn bản cho tính áp dụng của nó.
Hàm phân bố chuẩn hay phân b
ố Gauss là nghiệm của
phương trình khuyếch tán Fick. kết hợp với biểu thức khuyếch
tán bình phương trung bình của hạt ta có :
2
2
2
y
yKt
σ
==
(1)
222
yv
t
σ σ
=
(2)
Từ (1) (2) ta có:
f( )
yv
L
t
t

T
σσ
=
(3)
Trong đó f là hàm số khuyếch tán chung được đưa ra, trên cơ
sơ của hầu hết các công thức thực tế vê khuyết tán luồng thải
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
5
Mô hình khuyếch tán gauss được ứng dụng chỉ trong giới
hạn thời gian khuyếch tán đủ lớn và đối với điều kiện đồng nhất
dừng phù hợp với phương trình Fick đơn giản.
Giả thiết vật chất thải ra tức thời từ một nguồn thải điểm
khuyếch tán trong không gian 3 chiều. Xét quá trình đẳng
hướng :

2
3
2
2
(, ,,) exp( )
2
(2 )
Qr
cxyzt
σ
πσ
=−
(4)

Trong đó:
2222
()rxuty z=− ++
(5)

c nồng độ (
3
/g m
)
cường độ nguồn (g)
2
σ
là độ lệch của phân bố
đối với trường hợp không đẳng hướng:
22 2
3
222
2
()
(, ,,) exp
222
(2 )
xyz
Xyz
Qxutyz
cxyzt
σσσ
πσσσ
⎡ ⎤
⎛⎞

−
=−++
⎢ ⎥
⎜⎟
⎜⎟
⎢ ⎥
⎝⎠
⎣ ⎦
(6)
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
6

Hình 1.1.Hệ tọa độ biểu diễn phân phối Gauss theo chiều ngang
và đứng

Trường hợp ống khói phát thải liên tục có thể xấp xỉ bằng
cách coi luồng thải liên tục như là tổ hợp của các chùm thải .có
nghĩa là luồng thải xem như sự cộng vô hạn các chùm thải
trung bình chồng lên nhau , và dịch chuyển dọc trục x với vận
tốc
u
.Mỗi chùm thải trên thực tế là tổ hơp trung bình theo
nhiều chùm thải khuyếch tán trong thời gian t và đạt tới điểm
(x,0,0) . Về mặt toán học điều này tương đương với việc lấy
tích phân biểu thức (6) từ 0 đến
∞
. Tuy nhiên,việc tính tích
phân này trên thực tế cũng không đơn giản vì

σ
phụ thuộc vào t
và x (vi
x ut=
)
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
7

Tuy nhiên,thực tế khuyếch tán dọc trục x là không đáng
kể so với truyền tải dọc theo đó với vận tốc gió trung bình
u

(
2
()
x
K c
c
u
xx
∂∂
∂
>>
∂∂
). Sử dụng giả thiết đơn giản hoá này , tích phân
(6) cho:
22
22

(, ,) exp
22
2
yz
yz
Qyz
cxyz
u
σσ
πσ σ
⎡ ⎤
⎛⎞
=−+
⎢ ⎥
⎜⎟
⎜⎟
⎢ ⎥
⎝⎠
⎣ ⎦
(7)

Trong đó Q là cường độ của nguồn liên tục, và
y
σ
,
z
σ
là hàm
của x. Nghiệm (7) thu nhận từ bài toán sau:
yz

cc c
uK K
x yyzz
⎛⎞⎛⎞
∂∂ ∂ ∂ ∂
=+
⎜⎟⎜⎟
∂∂ ∂ ∂ ∂
⎝⎠⎝⎠
(8)
0
c
→
khi
,,
x yz
→∞


c →∞
khi
,, 0xyz→


0
z
c
K
z
∂

→
∂
khi
0z →
,và
,0xy>


0
ucdydz Q
∞+∞
−∞
=
∫∫
,
0z >

Trong đó
2
2
y
y
K
t
σ
=
,
2
2
z

z
K
t
σ
=


Khi đó (7) có thể viết ở dạng:
22
(, ,) exp
444
xxx
Q y uzu
cxyz
KKK
π
⎡ ⎤
⎛⎞
=−+
⎢ ⎥
⎜⎟
⎢ ⎥
⎝⎠
⎣ ⎦
(9)
Trong nghiệm (9) nồng độ theo trục x giảm theo
1
x
−
, trong

khi đó số liệu quan trắc cho thấy giảm theo
1.75
x
−
thì phù hợp
hơn. Lý do sai số này là do phương trình khuyếch tán , vì
không phù hợp với sự khuyếch tán khi thời gian nhỏ, ở đó
tx
σ

. Trường hợp K=const chỉ cho phép
tx
σ

. Nghiệm
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
8
(9) thích hợp với nguồn liên tục và với khoảng cách tới nguồn
hay khoảng thời gian di chuyển đủ lớn

I.1.2: Những giả thiết của mô hình gauss

- Sự phát thải liên tục hay thời gian phát thải bằng hay lớn
hơn thời gian gió thổi từ nguồn tới điểm cần quan tâm. Có
nghĩa là công thức khuyếch tán luồng thải giả thiết rằng thời
gian phát thải và lấy mẫu phải lớ
n hơn so với thời gian gió thổi
từ nguồn tới điểm tiếp nhận đối tượng.

- Vật chất tham gia khuyếch tán là khí ổn định (không
phản ứng,ngưng tụ …)hay bụi lơ lửng (đường kính nhỏ hơn
20
m
μ
) tồn tại lơ lửng lâu dài trong không khí.
- Vật chất tạo nên luồng thải không bị loại bỏ khỏi luồng
thải và phản xạ tại mặt đất là hoàn toàn.
- Các phần tử tạo nên luồng thải giả thiết có phân bố gauss
theo cả chiều đứng và chiều ngang vuông góc với gió.
- Xấp xỉ gauss giả thiết điều kiện dừng trong suốt thời gian
mô hình áp dụng, thường là 1 giờ.
- Vậ
n tốc gió
u
là hằng số.Tuy nhiên,gần mặt đất vận tốc
gió tăng theo chiều cao.Vì lý do đó khi độ trượt gió trung bình
hoặc mạnh theo chiều cao

điều này sẽ dẫn đến sai số.Ngoài ra , khi vận tốc gió thay đổi ,
sẽ không có hướng gió trung bình, hay khi vận tốc gió tiến tới 0
, mẫu số trong các biểu thức tiến tới 0, mô hình không áp dụng
được.
- Hướng gió không đổi theo chiều cao. Tuy nhiên,hướng
gió trên thực tế thay đổi theo chiều cao (xoắn Ekman )
đặc biệt
trong điều kiện không ổn định. Sự thay đổi này gây lên 2 hiệu
ứng chính: tăng tốc độ lan truyền và sự lệch khỏi đường thẳng
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội

ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
9
quỹ đạo mặt đất. Ngoài ra hướng gió còn giả thiết không thay
đổi cả trong mặt phẳng xy. Điều này là giả thiết có lý đối với
diện tích tầm trung đồng nhất trong điều kiện dừng. Tuy nhiên
sự có mặt của đồi, thung lũng làm ảnh hưởng mạnh đến hướng
gió bề mặt và có khuynh hướng tạo ra kênh gió.
- Bỏ qua hiệu ứng trượt gió trong khuyếch tán ngang. Điều
này có thể chấ
p nhận được đối với những khoảng cách nhỏ, tuy
nhiên có thể quan trọng khi khoảng cách lớn hơn 10
km
.
- Các tham số tán xạ
y
σ
và
z
σ
giả thiết chỉ là hàm của x
không phụ thuộc vào z.. Tuy nhiên , trên thực tế ở gần mặt đất
khuyếch tán rối tăng khi chiều cao tăng, cho nên mô hình coi
u
,
y
σ
và
z
σ
không phụ thuộc z có thể không mô phỏng được dòng

và các quá trình xảy ra trong vài trăm mét sát mặt đất. Ngoài ra
y
σ
,
z
σ
có thể phụ thuộc cả vào độ nhám bề mặt.
- Thời gian trung bình hoá tất cả các đại lượng
(
u
,
y
σ
,
z
σ
,
c
)được coi như nhau.

I..2.3 Tính toán ô nhiễm môi trường không khí bằng mô
hình

a) Theo phương pháp truyền tải – gradient ,: chuyển động của
một chất do rối gây ra sẽ giảm gradient của nồng độ chất đó với
tốc độ tỉ lệ thuận với độ lớn của garadient:

ss
SS
FA K

nn
ρ
∂∂
=− =−
∂∂
Hệ số tỉ lệ
s
K
là hệ số nhớt hay hệ số truyền dẫn trong các công thức
tương tự của sự truyền động lượng hay truyền nhiệt phân tử
trong dòng chảy tầng .
s
F
là dòng rối , có nghĩa là tốc độ truyền
rối qua một đơn vị diện tích của một mặt cố định
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
10

vuông góc với dòng và
S
n
∂
∂
là gradient của S (s- khối lượng
trung bình chất quan tâm trong một đơn vị khối lượng không
khí ). Dấu trừ phù hợp với dòng theo chiều giảm gradient
b) Tính toán truyền tải và phát tán gây ô nhiễm trên cơ sở lý
thuyết K :

Các mô hình lý thuyết K được xây dựng trên cơ sở phương
trình :
xyz
dc c c c c c c c
uvw K K K
dt t x y z x x y y z z
⎛⎞
∂∂∂ ∂∂ ∂∂ ∂∂ ∂
⎛⎞ ⎛⎞
=+ + + = + +
⎜⎟ ⎜⎟
⎜⎟
⎝⎠ ⎝⎠
∂∂∂ ∂∂ ∂∂⎝∂⎠∂ ∂
Trong đó giả thiết dòng truyền theo hướng giảm gradient . Tuy
nhiên về mặt lý thuyết có một số không đồng nhất với việc sử
dụng phương trình trên . Trong lớp biên được mô phỏng trong
phòng thí nghiệm độ dài và thời gian đặc trưng của quá trình
chuyển tải phải khá đồng nhất và nhỏ hơn so với độ dài và thời
gian đặc trưng sự thay đổi gradient của trường nồng độ trung
bình của chất
được truyền tải . Trong khi đó từ các tiêu chuẩn
đồng dạng cơ bản của lớp biên phân tầng phiếm định , những
điều đó không phải như vậy . Mặc dầu vậy phương pháp này rất
rõ ràng đã cho phép thu nhận được kết quả tốt trong tính toán
truyền tải động lượng trong lớp biên khí quyển . 
Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
11

Một không đồng nhất khác cho rằng theo mặt cắt ngang , luồng
thải bị ảnh hưởng bởi các xoáy có kích cỡ lớn hơn chính kích
cỡ luồng thải , bởi vậy sự truyền tải trong trường hợp này
không thể mô tả bằng quan hệ giữa dòng truyền – gradient .
Tuy nhiên , đối với khí quyển ổn định các xoáy thường nhỏ do
vậy có thể sử dụng công thức quan hệ dòng – gradient
Mô hình K được đánh giá cao vì tính mềm d
ẻo trong sử dụng ,
nó cho phép
x
K
,
y
K
,
z
K
đựơc xác định như hàm số không chỉ
của sự ổn định , mà cả độ nhám , các biến không gian và thời
gian . Khi đó nghiệm của phương trình không thể tìm được
bằng phương pháp giải tích , mà phải dung phương pháp số .

Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải do giao thông đoạn đường :
Cầu Giấy – Cầu Vượt Đại học Quốc Gia Hà Nội
ĐHQGHN – ĐH CÔNG NGHỆ- KHOA CƠ HỌC KĨ THUẬT - TRẦN TRIỆU PHÚ
12


Chương II : Áp dụng tính toán cho nguồn thải

II.1. Nguồn thải do giao thông

Kết quả quan trắc tại một số thành phố lớn như: Hà Nội,
TP.Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng... cho thấy, các khí độc
hại gây ô nhiễm phát thải từ các phương tiện giao thông chủ
yếu là CO, NOx’, hơi xăng dầu, bụi, chì, benzen và bụi PM2,5.
Trong đó, xe máy là nguồn phát thải chính khí CO chiếm 85%,
xe tải phát thải khí lưu huỳnh và Ni tơ chiếm hơn 70%...