Ebook Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

BÙI TÁ LONG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH THÁNG 3/2012


Tài liệu này được biên soạn để giúp sinh viên, học viên thực hiện tốt nội
dung thực hành môn học “Mô hình hóa môi trường”, trong khuôn khổ một
học kỳ. Song song với giờ học lý thuyết, phần thực hành chiếm vị trí quan
trọng giúp sinh viên, học viên giải quyết nhiều nội dung phức tạp của môn
học.
Tài liệu được chia ra thành ba chủ đề lớn: mô hình sinh thái học với
việc giải phương trình và hệ phương trình vi phân thường với công cụ
ModelMaker, mô hình ô nhiễm không khí, mô hình ô nhiễm nước mặt với
việc giải các phương trình vi phân đạo hàm riêng khi phải lưu ý tới yếu tố
không gian và thời gian. Trong mỗi mục đều có các bài tập mẫu kèm theo
lời giải chi tiết, bình luận, danh sách các câu hỏi để người sử dụng có thể
kiểm tra lại kiến thức của mình, danh mục các tài liệu tham khảo.
Các bài tập được thực hiện trên các phần mềm môi trường Envim,
Qual2K, Mike 11. Các phương pháp được trình bày trong giáo trình này có
thể áp dụng để thực hiện khóa luận, đồ án, luận văn, luận án hay các công
trình khoa học khác có ứng dụng phương pháp mô hình hóa.

Bản quyền @ 2011 Bùi Tá Long, phó giáo sư, tiến sĩ khoa học,

ii

LỜI NÓI ĐẦU

Mô hình là một công cụ không thể thiếu của khoa học, cho phép tìm hiểu thực tế một
cách nhanh nhất và ít tốn kém nhất. Thực tiễn phát triển khoa học cho thấy rằng mô phỏng
chính xác hoàn toàn, ngay cả một yếu tố nhỏ không hề là một nhiệm vụ dễ dàng. Tuy vậy, mô
hình hóa cho phép các nhà khoa học tương tác lặp đi lặp lại với thực tế, liên tục thử nghiệm
các giả định được sử dụng để xây dựng mô hình dự báo phù hợp với thực tế.
Nghiên cứu mô hình môi trường là một chủ đề phức tạp, bởi lẽ mô hình được xây dựng
từ các quan điểm khắc khe của nhiểu ngành khoa học tự nhiên như vật lý, hóa học, sinh học
đến xã hội học. Các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực này luôn cố gắng mô tả thực tế một
cách xác thực nhất để đưa ra những quyết định giúp cải thiện mối quan hệ giữa con người với
môi trường, dựa trên nền tảng dữ liệu được tích hợp và kiến thức đa ngành. Hiểu theo nghĩa
này mô hình trở thành một kỹ năng và công cụ không thể thiếu.
Ngày nay khi mô hình trở thành một công cụ ngày càng được sử dụng để cung cấp
luận cứ khoa học hướng vào giải quyết các vấn đề về môi trường và biến đổi khí hậu thì mối
quan tâm của các nhà hoạch định chính sách, ra quyết định và công chúng nói chung cũng
không ngừng tăng lên. Do vậy môn học Mô hình hóa môi trường đã được giảng dạy tại hầu
hết các cơ sở có đào tạo về tài nguyên môi trường và biến đổi khí hậu. Việc biên soạn giáo
trình giảng dạy, do vậy cấp thiết hơn bao giờ hết khi nhiều vấn đề về môi trường cũng như
biến đổi khí hậu đã gây tác động tiêu cực tới sự phát triển bền vững của đất nước.
Mục tiêu của cuốn “Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường” này là giúp cho sinh
viên, học viên, nghiên cứu sinh làm quen với giải các bài tập của môn học mô hình hóa môi
trường. Sau lần xuất bản cuốn sách giáo trình “Mô hình hóa môi trường” lần đầu tiên vào
năm 2008 tác giả nhận thấy cần thiết phải biên soạn tài liệu này bởi việc thực hiện các tính
toán số trên các mô hình toán sẽ giúp làm rõ ảnh hưởng các điều kiện khác nhau lên các hệ
thống đang được mô hình hóa. Tất cả những điều này cho phép hiểu sâu sắc hơn ý nghĩa của
iii


ứng dụng mô hình trong dự đoán sự thay đổi của môi trường, hiểu rõ hơn những tiên đề, qui

luật trong phần lý thuyết. Điểm đặc biệt của tài liệu này là gắn với các phần mềm môi trường.
Điều này sẽ giúp sinh viên, học viên thực hiện nhiều tính toán thí nghiệm trên mô hình số gắn
với kỹ thuật bản đồ điện tử - một công cụ trực quan không thể thiếu hiện nay.
Giáo sư người Đức Walter R. Erdelen, người chịu trách nhiệm cao nhất về khoa học tự
nhiên của UNESCO đã từng nói một quyết định môi trường là không toàn vẹn nếu không ứng
dụng mô hình để dự báo và chính sự hoạt động không mệt mỏi của những người làm mô hình
đã góp phần thay đổi nhận thức của con người trong những vấn đề sống còn của thế kỷ XXI –
đó là vấn đề biến đổi khí hậu.
Lần đầu tiên biên soạn tài liệu này, dù có nhiều cố gắng nhưng chắc chắn tài liệu này
vẫn không thể tránh khỏi những tồn tại và hạn chế. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp
ý kiến của tất cả bạn đọc gần xa có quan tâm tới ứng dụng phương pháp mô hình hoá trong
công tác quản lý và nghiên cứu môi trường.

Đà Lạt, Huế, Tp. HCM tháng 3 năm 2012
Tác giả

PGS.TSKH. Bùi Tá Long

iv


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ........................................................................................................................III
MỤC LỤC ................................................................................................................................ V
MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1
Nhiệm vụ thực hành ................................................................................................................ 1
Phương pháp thực hiện............................................................................................................ 1
1. BÀI THỰC HÀNH 1. TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ
THEO MÔ HÌNH GAUSS ...................................................................................................... 3
1.1. Mục tiêu ........................................................................................................................ 3

1.2. Mô tả phương pháp ....................................................................................................... 3
1.3. Các bước giải bài tập .................................................................................................... 6
1.4. Ứng dụng phần mềm CAP (Gauss) ............................................................................ 11
1.5. Bài tập tự giải.............................................................................................................. 22
1.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức.......................................................................................... 23
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 24
2. BÀI THỰC HÀNH 2. TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ
THEO MÔ HÌNH BERLIAND............................................................................................. 25
2.1. Mục tiêu ...................................................................................................................... 25
2.2. Mô tả phương pháp giải .............................................................................................. 25
2.3. Các bước giải bài tập .................................................................................................. 30
2.4. Ứng dụng phần mềm CAP (Berliand) ........................................................................ 40
2.5. Bài tập tự giải.............................................................................................................. 49
2.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức.......................................................................................... 50
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 50
3. BÀI THỰC HÀNH 3. TÍNH TOÁN Ô NHIỄM TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN
DÀI HẠN ................................................................................................................................. 52
3.1. Mục tiêu ...................................................................................................................... 52
3.2. Mô tả phương pháp giải .............................................................................................. 52
3.3. Các bước giải bài tập .................................................................................................. 57
3.4. Ứng dụng phần mềm CAP.......................................................................................... 69
3.5. Bài tập tự giải.............................................................................................................. 78
3.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức.......................................................................................... 79
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 80
4. BÀI THỰC HÀNH 4. TÍNH TOÁN Ô NHIỄM CHO TRƯỜNG HỢP NHIỀU
NGUỒN THẢI ........................................................................................................................ 81
4.1. Mục tiêu ...................................................................................................................... 81
4.2. Mô tả phương pháp ..................................................................................................... 81
4.3. Các bước giải bài tập .................................................................................................. 91

v


4.4. Ứng dụng phần mềm ENVIMAP ............................................................................... 97
4.5. Bài tập tự giải............................................................................................................ 104
4.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức........................................................................................ 105
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 106
5. BÀI THỰC HÀNH 7 : MÔ HÌNH PHELPS – STREETER ..................................... 107
5.1. Mục tiêu .................................................................................................................... 107
5.2. Mô tả phương pháp ................................................................................................... 107
5.3. Các bước giải bài tập ................................................................................................ 118
5.4. Ứng dụng phần mềm STREETER............................................................................ 126
5.5. Bài tập tự giải............................................................................................................ 131
5.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức........................................................................................ 134
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 134
6. BÀI THỰC HÀNH 6. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG Q2K ............. 136
6.1. Mục tiêu .................................................................................................................... 136
6.2. Mô tả phương pháp ................................................................................................... 136
6.3. Các bước giải bài tập ................................................................................................ 153
6.4. Ứng dụng phần mềm ENVIMQ2K .......................................................................... 164
6.5. Bài tập tự giải............................................................................................................ 167
6.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức........................................................................................ 170
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 170
DANH MỤC HÌNH .............................................................................................................. 172
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................................. 175
TÁC GIẢ VIẾT TÀI LIỆU NÀY ....................................................................................... 177

vi

vii


MỞ ĐẦU
Nhiệm vụ thực hành
Mô hình hóa môi trường dựa trên các tiên đề toán học và các phương pháp toán thể
hiện qui luật vật lý, hóa học, sinh học. Môn học này đòi hỏi sinh viên, học viên khả năng tự
học và nghiên cứu thông qua phân tích các đối tượng được xem xét. Vì vậy không có thực
hành những bài giảng lý thuyết không thể được coi là đầy đủ. Nhiệm vụ của phần thực hành
gồm:
1/ Hỗ trợ phát triển thế giới quan khoa học nói chung.
2/ Cung cấp cho sinh viên những kiến thức về các phương pháp toán sự phân bố ô
nhiễm, phạm vi, mức độ ảnh hưởng của các nguồn thải trong môi trường khí, nước.
3/ Làm rõ vai trò và tầm quan trọng của phương pháp mô hình hóa và dự báo trong các
bài toán môi trường.
4/Cung cấp cho sinh viên và học viên một khối lượng kiến thức toàn diện về phương
pháp mô hình hóa môi trường, giúp họ nghiên cứu các ngành khoa học khác tốt hơn.
Sinh viên thực hiện các bài tập thực hành dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên
giảng dạy môn học và một số phần mềm máy tính, sẽ làm quen với các phương pháp và công
cụ xây dựng các mô hình toán. Việc thực hiện các tính toán số trên các mô hình toán sẽ giúp
làm rõ ảnh hưởng các điều kiện khác nhau lên các hệ thống đang được mô hình hóa. Tất cả
những điều này cho phép hiểu sâu sắc hơn ý nghĩa của ứng dụng mô hình trong dự đoán sự
thay đổi của môi trường, hiểu rõ hơn những tiên đề, qui luật trong phần lý thuyết.
Phương pháp thực hiện
Phương pháp thực hiện các bài thực hành:
1/ Đọc kỹ phương pháp thực hiện bài thực hành. Khi đọc không cần quá tập trung vào
các công thức toán học mà chỉ cần làm rõ mục tiêu chính của bài tập, đánh dấu những chỗ
khó hay chưa thực sự hiểu.

1

2/ Thực hiện nhiệm vụ thực hành. Cần sử dụng phương pháp đã được hướng dẫn. Chú
ý tìm ra sự phụ thuộc giữa những giá trị số được nhập vào phần mềm với kết quả số xuất ra
bởi phần mềm.
3/ Kết thúc phần thực hành cố gắng trả lời các câu hỏi ở phần cuối mỗi công việc. Khi
trả lời cố gắng tự trả lời, đừng dựa vào đáp số hay lời giải đã có sẵn trong tài liệu này.
Đánh giá kết quả môn học được thực hiện dựa trên ba điểm sau: thứ nhất là điểm thi
thực hành, phần này sinh viên thực hiện trên các phần mềm môi trường được học trên lớp
trong phần thực hành. Thứ hai là kết quả thực hiện bài tiểu luận, trong phần này sinh viên sẽ
thực hiện trong các nhóm với nhau (thông thường từ 3 – 5 sinh viên, học viên thành một
nhóm). Các nhóm sinh viên, học viên sẽ được giáo viên giao đề tài ứng dụng mô hình môi
trường giải quyết những nhiệm vụ thực tiễn cụ thể. Phần thi lý thuyết, sinh viên, học viên sẽ
ôn tập theo các câu hỏi liên quan tới môn học và thực hiện bài kiểm tra với thời lượng 90 –
120 phút.

2


1.

BÀI THỰC HÀNH 1. TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG
KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS
Các mô hình tính toán sự phát tán ô nhiễm trong môi trường không khí là biểu diễn

toán học thể hiện quá trình phát tán tạp chất, các phản ứng hóa học diễn ra, kết hợp với tải
lượng, đặc trưng của phát thải từ các nguồn công nghiệp và các dữ liệu khí tượng.
Mô hình vệt khói Gauss (đơn giản gọi là mô hình Gauss) là một trong số những mô
hình được sử dụng rộng rãi trên thế giới hiện nay. Mô hình Gauss còn có tên gọi là thống kê
kinh nghiệm, được xây dựng 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).
1.1.

Mục tiêu
Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán sự phát tán ô nhiễm

trong môi trường không khí theo phương pháp Gauss – Pasquill.
1.2. Mô tả phương pháp

Hình 1.1. Chọn gốc tọa độ tại chân ống khói và hệ tọa độ gắn với nguồn thải

3


Mô hình vệt khói Gauss là một trong số những mô hình được sử dụng rộng rãi trên thế
giới hiện nay. Cơ sở của mô hình này là biểu thức đối với phân bố chuẩn hay còn gọi là phân
bố Gauss các chất ô nhiễm trong khí quyển. Phương pháp này đã được Cơ quan bảo vệ môi
trường liên bang của Mỹ khuyến cáo cho các tính toán mang tính quy phạm.
Các mô hình dạng này thích hợp cả đối với những dự báo ngắn hạn lẫn dài hạn. Các dự
báo ngắn hạn tính toán và vẽ bản đồ ô nhiễm với một giai đoạn tương ứng với các điều kiện
tương đối ổn định. Cơ sở của mô hình được trình bày trong [2], [6], [8].
Chuẩn bị các thông số đầu vào: gồm ba nhóm dữ liệu chính. nhóm thứ nhất gồm:
chiều cao, đường kính ống khói; nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải
(m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính (g/s), nhiệt độ của khói thải (ºC); nhóm thứ ba – các
thông số khí tượng : nhiệt độ không khí xung quanh (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m
(m/s), trạng thái khí quyển, điều kiện nông thôn hay thành thị, áp suất khí quyển tại mặt đất.
Công thức tính toán hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang, đứng σy(x), σz (x) - hàm số
khoảng cách theo hướng gió, độ ổn định của khí quyển được cho trong các Bảng 1-1, Bảng
1-2.

Bảng 1-1. Công thức tính σz (x), σy(x) cho vùng thoáng mở (nông thôn)

Mức độ ổn
định

σy(x)

σz(x)

A

0,22x(1+0,0001x)-0.5

0,20x

B

0,16x(1+0,001x)-0.5

0,12x

C

0,11x(1+0,0001x)-0.5

0,08x(1+0,0002x)-0.5

D

0,08x(1+0,0001x)-0.5

0,06x(1+0,00015x)-0.5

E

0,06x(1+0,0001x)-0.5

0,03x(1+0,0003x)-1

F

0,04x(1+0,0001x)-0.5

0,016x(1+0,0003x)-1

Bảng 1-2. Công thức tính σz (x), σy(x) cho điều kiện thành phố
Mức độ ổn
σy(x)
σz(x)
định
A–B

0,32x(1+0,0004x)-0,5

4

0,24x(1+0,001x)0,5


C

0,22x(1+0,0004x)-0,5

0,12x

D

0,16x(1+0,0004x)-0,5

0,14x(1+0,0003x)-0,5

E–F

0,11x(1+0,0004x)-0,5

0,08x(1+0,00015x)-0,5

Các hệ số σy và σz ở trên là các giá trị trung bình trong khoảng thời gian 10 phút (do
vậy, nồng độ tạp chất tính được là nồng độ trung bình trong 10 phút),với các khoảng thời gian
khác, Gifford (1976) đề xuất như sau:
 T phut 
σ y ( T ) = σ y (10 phut ) . 

 10 
σz ( T ) = σ z (10 phut )

0.2

Như đã biết vận tốc gió thay đổi theo độ cao và người ta thường đo vận tốc gió tại độ
cao 10 m, nhưng lại cần vận tốc gió tại miệng ống khói và tại độ cao hữu dụng. Có nghĩa là

cần phải tính toán theo một công thức nào đó. Dưới đây là một trong số những công thức
được Cơ quan bảo vệ môi trường Mỹ khuyến cáo:
p

 z 
U 10 m   , z < 200 m;
U (z ) = 
 10 
U 2 p , z ≥ 200 m.
 10 m

Trong đó tham số p liên hệ với các lớp ổn định Pasquill – Hanna theo bảng dưới đây:
Bảng 1-3. Công thức Smith tính tham số p theo lớp ổn định
Loại tầng
Điều kiện thành
Điều kiện nông
kết
phố
thôn
p

P

A

0,15

0,07

B

0,15

0,07

C

0,20

0,10

D

0,25

0,15

E

0,30

0,35

F

0,30

0,55

5

Bảng 1-4. Phân loại độ bền vững khí quyển theo Pasquill
Vận tốc gió tại độ Điều kiện thời tiết ban
Điều kiện thời tiết ban đêm
cao 10 m
ngày
Bức xạ mặt trời ban
Độ che phủ ban đêm (hệ số mây)
ngày
Mạnh Trung Yếu
Lớn hơn 50%
Nhỏ hơn 50%
(biên bình
(Biên
độ >
(Biên độ 15
0
60 )
độ 35- – 350)
600)
<2
А
A–B
B
E
F
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
C–D
D
D
D
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.
Bài tập 1.1. Một nhà máy phát thải có ống khói cao 45 m, đường kính của miệng ống
khói bằng 2 m, lưu lượng khí thải là 12,0 m3/s, tải lượng chất ô nhiễm SO2 bằng 20 g/s, nhiệt
độ của khói thải là 200ºC. Nhiệt độ không khí xung quanh là 30 ºC và tốc độ gió ở độ cao 10
m là 3 m/s. Cho trạng thái khí quyển là cấp C, điều kiện nông thôn, áp suất không khí tại mặt
đất bằng 1013 Mbar. Hãy:
a/Tính vệt nâng ống khói.

b/Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m
với thời gian trung bình bằng 10 phút.
Bài tập 1.2. Hãy giải câu b/ bài tập 1.1 với thời gian trung bình bằng 60 phút. Hãy so
sánh kết quả chạy mô hình cho hai trường hợp: 10 phút và 60 phút.
1.3. Các bước giải bài tập
Các dữ liệu đầu vào:. nhóm thứ nhất gồm: chiều cao bằng 45 (m), đường kính ống
khói bằng 2 (m). Nhóm số liệu này lấy từ tái liệu thiết kế nguồn thải; nhóm thứ hai - các
thông số phát thải: lưu lượng khí thải bằng 12,0 (m3/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính bằng

6


20 (g/s), nhiệt độ của khói thải bằng 200 (ºC). Nhóm số liệu này lấy từ báo cáo đánh giá tác
động môi trường; nhóm thứ ba – các thông số khí tượng : nhiệt độ không khí xung quanh
bằng 30 (ºC), tốc độ gió ở đo được ở độ cao 10 m bằng 3 (m/s), trạng thái khí quyển là cấp C,
điều kiện nông thôn , áp suất khí quyển tại mặt đất bằng 1013 Mbar. Nhóm số liệu này lấy từ
trạm khí tượng gần nguồn thải nhất.
Trình tự các bước tính toán bài 1.1: 1. Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao h
= 45 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3
p

z
U(z ) = U10 m   , z < 200 m
 10 

Ta nhận được:
0,1

 45 
U ( 45 m) = 3,0 ×   = 3, 49 ( m / s )

 10 

Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta
sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói.
2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói. Các bước tính toán gồm:
Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là:
ω=

12
= 3,82 ( m/s )
π× 1× 1

Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland
Δh =


T
-T
ωDa 
1,5+2,68.10-3 P.D khoi xung_quanh 
u 
TKhoi


Ta nhận được

∆h =

3,82 × 2 × 1, 2 
473 − 303 

−3
1,5 + 2, 68.10 × 1013 × 2 ×
 = 9, 07
3, 49
473 


Độ cao hữu dụng được tính theo công thức

7


H = h + ∆h

Ta nhận được
H = 45 + 9, 07 = 54, 07 (m)

3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công
thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3.
Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 54,07 m là
0.1

 54,09 
U ( 54,09 m) = 3,0 × 
 = 3,55 ( m / s )
 10 

4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng σy(x), σz (x) cho
vùng thoáng mở (nông thôn)
Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng

σy(x) = 0,11x(1+0,0001x)-0,5
σz (x) = 0,08x(1+0,0002x)-0,5
Ta nhận được:
σy(1200) = 0,11×1200×(1+0,0001×1200)-0,5= 124,73 (m)
σz (1200) = 0,08×1200×(1+0,0002×1200)-0,5= 86,21 (m)
5. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió
Áp dụng công thức
 H2 
M
exp − 2 
C( x ) =
πu H σ y σ z
 2σ z 

Ta nhận được
C(1200) =

 54,07 2 
20 ×1000
exp  = 0,137 mg/m3
2 
3,1415×3,55×124,73×86, 21
 2×86, 21 

(

8

)

Đáp số: Vệt nâng ống khói là: 9,07 (m), nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại
khoảng cách 1200 m là 0,137 (mg/m3).
Trình tự các bước tính toán bài 1.2: 1. Cũng giống bài toán trên, áp dụng công thức
tính vận tốc gió tại độ cao h = 45 m với các tham số cụ thể từ Bảng 1-3
p

z
U(z ) = U10 m   , z < 200 m
 10 

Ta nhận được:
0,1

 45 
U ( 45 m) = 3,0 ×   = 3, 49 ( m / s )
 10 

Kết quả này giúp ta xác định được vận tốc gió tại miệng ống khói để trên cơ sở này ta
sẽ thực hiện tính toán độ nâng cột khói.
2. Thực hiện tính toán độ cao hữu dụng của ống khói.
Vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói là:
ω=

12
= 3,82 ( m/s )
π ×1×1

Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói Holland
Δh =


T
-T
ωDa 
1,5+2,68.10-3 P.D khoi xung_quanh 

u 
TKhoi


Ta nhận được
∆h =

3,82 × 2 × 1, 2 
473 − 303 
−3
1,5 + 2, 68.10 × 1013 × 2 ×
 = 9, 07
3, 49
473 


Độ cao hữu dụng được tính theo công thức
H = h + ∆h

Ta nhận được
H = 45 + 9, 07 = 54, 07 (m)

9

3. Tính toán vận tốc gió tại độ cao hữu dụng. Ở đây một lần nữa ta lại áp dụng công
thức Smith với các tham số từ Bảng 1-3.
Áp dụng công thức tính vận tốc gió tại độ cao H = 54,07 m là
0.1

 54,09 
U ( 54,09 m) = 3,0 × 
 = 3,55 ( m / s )
 10 

4. Tính toán các hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng σy(x), σz (x) cho
vùng thoáng mở (nông thôn)
Áp dụng công thức tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang và rối đứng
σy(x) = 0,11x(1+0,0001x)-0,5
σz (x) = 0,08x(1+0,0002x)-0,5
Với thời gian trung bình là 60 phút, cần áp dụng công thức hiệu chỉnh
 60 
σ y ( 60 ) = σ y (10 phut ) .  
 10 
σ z ( 60 ) = σ z (10 phut )

0.2

Ta nhận được:
0,2

σy(1200)60 p = 0,11×1200×(1+0,0001×1200)

-0,5

 60 
Í 
 10 

= 178,48

(m)

σz (1200)60 p = 0,08×1200×(1+0,0002×1200)-0,5= 86,21 (m)
5. Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ tại mặt đất dọc theo hướng gió
Áp dụng công thức
C( x ) =

 H2 
M
exp − 2 
πu H σ y σ z
 2σ z 

Ta nhận được

10


C(x = 1200, y = 0) =

 54,072 
20 ×1000

exp  = 0,096 mg/m3
2 
3,1415×3,55×178, 48×86, 21
2×86,
21



(

)

Đáp số: Vệt nâng ống khói là: 9,07 (m), nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại
khoảng cách 1200 m là 0,096 (mg/m3).
Như vậy kết quả tính toán bài 1.1 và bài 1.2 cho phép kết luận: nồng độ trung bình giờ
thấp hơn so với nồng độ trung bình trong 10 phút. Bên cạnh đó độ nâng vệt khói không chịu
ảnh hưởng bởi thời gian trung bình.
1.4. Ứng dụng phần mềm CAP (Gauss)
Phần mềm CAP (Computing for Air Pollution) phiên bản đầu tiên được thực hiện năm
1995. CAP có những chức năng khác nhau nhằm mục đích tự động hoá tính toán ô nhiễm
không khí theo mô hình Gauss, Berliand, ISC3. Ở đây có các công cụ tính toán phân bố nồng
độ chất ô nhiễm theo chiều gió trong các điều kiện nông thôn và thành thị do một nguồn thải
(ống khói) gây ra. Phần mềm này dễ sử dụng, có hướng dẫn sử dụng, tính nhanh, kết quả tính
toán được thể hiện trên màn hình dưới dạng đồ thị và văn bản, có thể in ấn các kết quả này.
Phiên bản CAP 3.0 vào tháng 9/2006. Từ năm 2008 trở đi CAP được đặt tên theo năm và
được cập nhật thường xuyên.
Các chức năng chính của CAP là:
-

Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian ngắn hạn theo các số liệu đầu

vào.

-

Tính toán ô nhiễm trung bình theo khoảng thời gian lớn như trung bình ngày, trung
bình tháng.

-

Tự động vẽ các vùng ảnh hưởng khác nhau bằng công cụ đồ họa.

-

So sánh kết quả tính toán với tiêu chuẩn Việt Nam

-

Thực hiện các báo cáo tự động, chuyển file kết quả qua E-mail.

11


Hình 1.2. Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Gauss
1.4.1.

Nhập thông tin ống khói

Chọn mục “Ống khói” trong menu “Thông tin”

Xuất hiện cửa sổ ống khói dùng để thêm hay chỉnh sửa các thông số về ống khói bao

gồm:
-

Tên ống khói

-

Chiều cao ống khói (tính bằng m)

-

Đường kính (tính bằng m)

-

Vị trí đặt ống khói

-

Mô tả chi tiết về ống khói

12


Trong mô hình, mặc định đã có hai ống khói tham khảo. Để tạo mới ống khói, ta chọn
công cụ

trên thanh công cụ, xuất hiện hộp thoại Hình 1.3.

Hình 1.3 Hộp thoại tạo ống khói

Nhập tên ống khói muốn tạo và xác định chiều cao đường kính cho ống khói. Cần thiết
click vào nút

để lưu lại kết quả.

Lưu ý: Trong cửa sổ thông tin ống khói, ta có thể tạo nhiều ống khói và lưu ở đây.
1.4.2. Xây dựng kịch bản
Chọn kịch bản Gauss để mô phỏng. Cần thực hiện các bước sau.

Vào menu “Kịch bản” và chọn “Kịch bản Gauss”

13


Hình 1.4 Cửa sổ kịch bản Gauss
Sử dụng nút

trên menu công cụ hoặc nút điều khiển

, xuất hiện hộp thoại kịch

bản trên Hình 1.5.

Hình 1.5 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang thông tin

14


Theo đề bài, đặt tên kịch bản là “Bai tap 1”, chọn chất ô nhiễm là “SO2”. Chọn nhóm
thông tin về “Vận tốc – Tần suất gió” như Hình 1.6.

Hình 1.6 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc - Tần suất gió”.
Chọn nút điều khiển

để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về:

Hình 1.7 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc – Tần suất gió”
- Hướng gió: mặc định chọn hướng Tây

15


- Vận tốc (m/s) ở độ cao 10m là 3m/s
- Tần suất hướng gió (%): có một hướng gió tần suất là 100%
- Độ ổn định: trạng thái khí quyển cấp C
- Nhiệt độ không khí (0C): nhiệt độ không khí xung quanh là 30oC
Sau mỗi thao tác nhập thông tin cho kịch bản, ta chọn công cụ

để lưu thông tin.

Hình 1.8 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Thông số kịch bản”
Chọn nhóm thông tin “Thông số kịch bản”. Các thông số này bao gồm:
− Áp suất (Mbar): mặc định là 1013.
− Vùng: theo bài 1.1 chọn Nông thôn.
− Điều kiện biên và vệt nâng ống khói: để mặc định.
− Thời gian tính: nhập giá trị 60 phút.
Cuối cùng, chọn nhóm thông tin “Số liệu phát thải trong kịch bản” như Hình 1.9

16

Hình 1.9 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản”
Chọn nút điều khiển

để tạo mới thông tin và nhập các thông tin về:

− Ống khói: chọn OK3 là ống khói ta tạo ra trong phần Thông tin ống khói.
− Lưu lượng: theo bài 1.1 là 12 m3/s
− Tải lượng: theo bài 1.1 là 20 g/s
− Nhiệt độ khói thải: bài 1.1 là 200oC
Sau khi hoàn tất việc nhập thông tin cho kịch bản, chọn công cụ
và chọn công cụ

để lưu thông tin

để thoát khỏi hộp thoại.

1.4.3. Chạy kịch bản
Để chạy mô hình trong CAP 2010, ta vào tab “Bản đồ” và thực hiện theo một trong hai
cách sau:

17


Click chuột vào menu mô hình trên cửa sổ làm việc
chọn “ Chạy mô hình”

Click vào biểu tượng

trên thanh công cụ

Xuất hiện hộp thoại chạy mô hình như trong Hình 1.10.

Hình 1.10 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 1
Trong hộp thoại bước 1, ta thiết lập các thông tin sau:

18