Đề cương dự báo ô nhiễm môi trường không khí và nước biển

Đề cương dự báo ô nhiễm môi trường
không khí và nước biển
Câu 1: khái niệm mô hình hóa và phân loại
- mô hhnh hoá là một khoa học về cách mô phỏng, giản lược các
thông số thực tế nhưng vẫn diễn tả được tính chất của từng thành
phần trong mô hhnh. mô hhnh không hoàn toàn là một vật thể hiện
thực nhưng nó giúp cho chúng ta hiểu rơ hơn hệ thống thực tế.
- phn loại:
1. một mô hhnh có thể có các tên gọi khác nhau, tùy theo tác giả,
như là:
mô hhnh vật lư
mô hhnh toán học
mô hhnh số
mô hhnh giải tích
mô hhnh xác định
mô hhnh khái niệm
mô hhnh ngẫu nhiên
mô hhnh tham số
mô hhnh ổn định
mô hhnh bất ổn định
mô hhnh dựa vào các giả định sinh hóa
mô hhnh đánh giá tác động
mô hhnh dự báo
2. một mô hhnh có thể phân loại theo quy mô ứng dụng:
- theo không gian (spatial): ở một vùng nhỏ hay một khu vực lớn.
- theo thời gian (temporal): ngắn hạn hay dài hạn
- theo giá trị mô hhnh (model validity): cho giới hạn độ chính xác
của mô hhnh
- theo giá trị của dữ liệu (data validity): tùy theo mức độ và quy
mô thu thập dữ liệu (ví dụ lấy mẫu theo một điểm đo cục bộ, hay
lấy nhiều mẫu trong một khu vực lớn).

1


Câu 2: vai trò của không khí ? khái niệm ô nhiễm môi trường
không khí
Khi không khí bị ô nhiễm sẽ:
Ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người.
Làm giảm chất lượng nước (bởi những chất ô nhiễm cuối cùng
cũng lắng đọng trên mặt đất và trên các dòng sông, ao hồ…)
Làm cạn kiệt nguồn thủy sản (bởi những chất ô nhiễm lắng đọng
và rơi xuống sông ngòi, ao hồ…làm cho nguồn nước bị ô nhiễm,
từ đó thủy sản bị giảm sút…)
Làm chua đất (ví dụ như mưa axit…)
Làm giảm diện tích rừng (do những cơn mưa axit hoặc những đám
mây phóng xạ sau vụ hạt nhân, những hoạt động núi lửa…)
Làm thay đổi thời tiết, khí hậu (không khí có nhiều bụi làm cho
tầm nhìn bị giảm, bức xạ mặt trời thay đổi, không khí bị ô nhiễm
do những chất ODS sẽ dẫn đến cạn kiệt tầng ozon hoặc thải nhiều
khí CO2 làm tăng nhiệt độ trung bình trái đất)
Không khí bị ô nhiễm có thể phá hủy và ăn mòn các công trình
xây dựng cũng như các vật liệu kiến trúc, đồng thời làm giảm mĩ
quan của các công trình xây dựng (khi các máy móc được đặt đến
gần biển thì sẽ dễ dàng bị hư hỏng hơn, mưa axit sẽ làm hỏng các
công trình xây dựng)
-ô nhiễm môi trường không khí: là tình trạng không khí có chứa 1
hay nhiều chất gây ô nhiễm với nồng độ đủ lớn để gây ra các tác
động bất lợi hay có hại lên con người, động thực vật và các loại
vật liệu . Các chất ô nhiễm gồm cả tự nhiên và nhân tạo do không
khí mang theo những chất này có thể tồn tại trong không khí dưới
dạng khí, các giọt lỏng, nhỏ hay các chất rắn mịn. Quy mô của ô

nhiễm môi trường không khí là không có giới hạn

2


Câu 3: phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lan
truyền chất ô nhiễm trong không khí
1.Các yếu tố khí hậu
-ảnh hưởng của gió
+ gió gây ra các dòng chảy rối trong không khí ở lớp sát mặt đất
nhờ có gió chất ô nhiễm được khuyếch tán rộng ra làm cho nồng
độ chất ô nhiễm giảm xuống rất nhiều so với ban đầu
+gió là nhân tố đặc biệt quan trọng trong việc khuyếch tán bụi và
hơi hóa chất nặng hơn không khí
+gió luôn luôn có xu hướng thay đổi chiều thổi tới và tốc độ thổi
do đó việc xem xét hướng gió nhằm phục vụ cho mục đích quy
hoạch vị trí nguồn thải, cố tránh cho nguồn thải chất ô nhiễm đứng
đầu hướng gió chủ đạo các khu dân cư, các công trình quan trọng
-độ ẩm và mưa
+trong điều kiện có độ ẩm lớn các hạt bụi sẽ dính kết vào nhau
thành hạt lớn và rơi nhanh xuống đất các vsv trong không khí phát
triển nhanh chóng bám theo các hạt bụi khuyechs tan rộng xuống
chiều dưới gió
+mưa có tác dụng rửa sạch môi trường không khí nhưng mưa lại
kéo theo hạt bụi và hấp thu một số chất ô nhiễm và rơi xuống đất
và do đó ảnh hưởng đến môi trường đất và nước phía dưới.

3

1.

Câu 4: Các nguồn nào gây ô nhiễm không khí?
Nguồn tự nhiên

2. Các
nguồn nhân tạo
- Do sản xuất công nghiệp: Ở các nhà máy hóa chất sản xuất giày,
luyện kim, nhà máy điện.
- Các hoạt động nông nghiệp: phân bón, thuốc trừ sâu
- Các dịch vụ thương mại: buôn bán
Câu 5: Giải pt lan truyền chất ÔN trong không khí 1 chiều
phương trình ban đầu được viết dưới dạng là:
∂C + u ∂C = ∂  k ∂C ÷+ ∂  k ∂C 

÷
∂t
∂x ∂y  y ∂y ÷ ∂z  z ∂z ÷

Nếu giả sử rằng các hệ số


k y , kz

∂C + u ∂C = k ∂2C + k ∂2C
∂t
∂x y ∂y 2 z ∂z 2
u

∂C

∂x

Trong trường hợp
= 0:
∂C = k ∂ 2C + k ∂ 2C
z
y
∂t
∂y 2
∂z 2

4


đầu tiên xét bài toán truyền nhiệt 1 chiều có dạng sau:
∂u = a2 ∂ 2u
∂t
∂x2 −∞ < x < +∞
,t=0
(5)
u( x, t ) = ϕ ( x)

−∞ < x < +∞
Với điều kiện ban đầu :
ϕ ( x)
: là một hàm liên tục
Đặt u(x, t) = X(x)T(t) vào phương trình truyền nhiệt ta được

XT ' = a 2 X ''T

X '' = T ' = −λ 2 = const
X a 2T

hay
Từ đó suy ra :

(6)

X ''+ λ 2 X = 0

(7)

T '+ a 2λ 2T = 0

Nghiệm của phương trình (7)

X1 = C1eiλ x

(8)

X 2 = C2e−iλ x
T = C3e−a2λ 2t

Nghiệm của phương trình (8)
Khi đó nghiệm của phương trình vi phân (5) có dạng

uλ ( x,t ) = A(λ )e−λ 2a2t ±iλ x

( −∞ < λ < ∞ )

λ

(9)

là số thực bất kỳ
.
Vì vậy ta chọn dấu dương của phương trình (9) và lập ra hàm
số
u( x,t ) =

+∞

∫

−∞

A(λ )e−a2λ 2t +iλ x d λ

(10)
Nếu các đạo hàm của phương trình (5) có thể tính được bằng cách
vi phân thành phần dưới dấu tích phân của (10) thì có nghĩa
phương trình (10) sẽ thoả mãn phương trình (5) hay phương trình
(10) sẽ là nngiệm của phương trình (5).
Ngoài ra ta còn phải thoả mãn điều kiện ban đầu t = 0 . Khi đó ta
có:
5


ϕ ( x, t ) =

+∞

iλ x d λ

∫−∞ A(λ )e

(11)
Sử dụng công thức tính tích phân Fourier ngược ta được
+∞
1
A(λ ) =
ϕ (ζ )e−iλζ dζ
∫
2π −∞
(12)
thay (12) vào (10) ta được
+∞ +∞



1
−
i
λζ

÷e−a2λ 2t +iλ x d λ
u( x,t ) =
ϕ
(
ζ

)
e
d
ζ
÷
∫  −∞∫
2π −∞
÷




+∞ +∞



2 2
= 1 ∫ ∫  e−a λ t +iλ ( x−ζ )d λ ÷÷ϕ (ζ )dζ
2π −∞ −∞ 


Xét tích phân I

= 1 e
2π

u( x, t ) =
Như vậy

Đặt

+∞

1
∫
−∞ 2 π a 2t

G( x,ζ ,t ) = 1 e
2 π a2t
u( x, t ) =

−a2λ 2t +iλ ( x−ζ )

dλ =

1
2 π a2t

−( x−ζ )2
e 4a2t

−( x−ζ )2
e 4a2t ϕ (ζ )dζ

(13)

−( x−ζ )2
4a2t

+∞

∫−∞ G( x,ζ ,t)ϕ (ζ )dζ

Ta có
(14)
G ( x, ζ , t )
Hàm số
được gọi là nghiệm cơ sở của phương trình truyền
nhiệt.
Hàm số này thoả mãn phương trình truyền nhiệt theo các biến (x,t)
và có thể kiểm tra trực tiếp bằng cách lấy đạo hàm:
ζ e −( x − ζ )2
Gx = − 1 . x −
2 π 2(a2t )3/2
4a 2t

6



2  −( x − ζ )2
(
x
−
ζ
)
1
1
1


e
Gxx =
−
+

2
3/2
2
5/2
2 π  2 (a t )
4a2t
4(a t ) 

2 ( x − ζ )2  −( x − ζ )2
2
a
1
a

e
Gt =
− 2 3/2 +

2
5/2
2 π  2(a t)
4a2t
4(a t ) 


Gt = a 2Gxx

Vậy
Trở lại với phương trình lan truyền ô nhiễm 1 chiều được viết lại
với nguồn thải Q tại x = 0
∂C = k ∂ 2C
x
∂t
∂x2
(15)
Đặt

a2 = kx

C ( x,t ) =

thì nghiệm của phương trình (15) được viết lại là:

Q
e
2 π tkx1/2

− x2
4tkx

(16)
Đây là nghiệm cảu bài toán lan truyền ô nhiễm một chiều với
x→∞
nguồn thải Q. Cùng với điều kiện biên
thì C → 0 (Nồng độ ô

nhiễm tại một điểm càng giảm khi điểm càng tiến xa khỏi chân
nguồn thải )
Câu 6: Xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo phân
phối chuẩn Gauss?
a.Công thức cơ sở
- Giả thiết: Lượng chất ô nhiễm trong 1 luồng khói có thể được
xem như là tổng hợp của vô số những điểm khói tức thời, những
khối khói phụt đó được gió mang đi và dần dần nở rộng ra khí ra
xa ống khói như 1 ổ bánh mì được cắt ra thành nhiều lát mỏng và
xếp chồng kề mép lên nhau.
- Lượng chất ô nhiễm trong luồng khói được xem như nhau tức là
bỏ qua sự trao đổi chất từ lát này sang lát nọ. Khi đó, bài toán lan
truyền chất ô nhiễm sẽ là bài toán 2 chiều.
- Giả thiết là khói có bề dày 1m theo chiều x, các chiều y, z là +
khi lát cắt khói chuyển động cùng với vận tốc gió u.
7


- Giả sử lưu lượng chất ô nhiễm là M. Lượng chất ô nhiễm trong
lát khói là
Q = Mx hoặc Q = M/u với t=1/u (thời gian chất ô nhiễm đi qua
ống khói là 1m trên u)

C=

M
e
1/2
4π ut (k y k z )


















 2
2÷
− 1  y + z ÷÷
4t  k y kz ÷


Đặt :

k y = 0.5σ y 2 u
x
kz = 0.5σ z2 u
x
σy

σz

Trong đó
và
- được gọi là hệ số khuyếch tán theo phương
ngang và phương đứng, có thứ nguyên là độ dài bằng m.
M
C=
e
2π uσ yσ z

















−

y2

+

 
÷
÷
2 ÷÷
z ÷
 

z2

2σ y2 2σ

=

M
e
2π uσ yσ z












2 ÷ 
− y ÷÷ − z2 ÷÷
2σ y2 ÷÷  2σ z2 ÷÷




e

Đây là phương trình cơ sở của mô hình lan truyền chất ô nhiễm
theo luật phân phối chuẩn Gauss. Hay gọi là Gauss cơ sở.
Câu 7: Nêu CT tính cường độ lắng đọng bụi từ các nguồn thải
cao?
Cường độ lắng đọng của bụi trên mặt đất dọc theo trục gió Gb(x)
Gb(x) =
=

Gb( x) =
•

Khối lượng vận chuyển
(Lưu lượng)(Nồng độ)
=
Diện tích
(Diện tích)
(Vận tốc). (Nồng độ) = vrCb(x)

M bvr

2π uσ yσ z

−( H −vur x )2
2
e 2σ z

(38)
Công thức tính vận tốc của bụi:
8


ρb gδ 2
vr =
18µ
ρb

- Khối lượng đơn vị của bụI, kg/m3
δ
- Đường kính hạt bụi, m
µ
- Hệ số tính theo công thức (40), Pa.s
µ
Công thức tính :
Với

•

(39)

3/2



µtoC = µ0o C 387  273 + t ÷
387 + t  273 ÷

với

µ 0o C = 17,17.10

−6

Pa.s

9

(40)


Câu 8: Hãy nêu phương pháp tnhs bán kính khuếch tán các
chất ÔN từ nguồn điểm cao theo phương pháp BERLIAND?
dựa trên phương trình vi phân của quá trình khuyếch tán từ nguồn
điểm cao được viết dưới dạng :

2C  ∂  ∂C 
∂
C
∂
C
∂


÷+ α C
u
+w
=  k y 2 ÷÷+  k z
∂x
∂z  ∂y ÷ ∂z  ∂z ÷
C - Nồng độ chất ô nhiểm
u - Vận tốc gió
ω
- Vận tốc theo phương thẳng đứng của chất ô nhiễm.
kz và ky - lần lượt là hệ thống trao đổI theo phương đứng và
phương ngang
α
- Hệ số xác định sự thay đổi nồng độ chất ô nhiễm do phân huỷ
hoá học hoặc do gội sạch bởi mưa, sương.
Giả thiết ban đầu là:
- nguồn điểm được đặt ở độ cao z = H (khi x = 0);
- có sự phản xạ hoàn toàn chất ô nhiễm từ mặt đất ;
- C= 0. Nồng độ chất ÔN = 0 khi nguồn phát thải tương đối xa.
a. Đối với khí và bụi nhẹ:
Nồng độ ô nhiễm trên mặt đất của khí và bụi nhẹ:
C( x, y,z =0) =

M
e
2(1+ n)k1 π k0 x











2 
u H1+n
− 1
− y 
k1(1+n)2 x 4k0 x 

Nồng độ cực đại trên mặt đất:
+ n)2 M k1
Cmax = 0.116(11.5(1
k0u1
u1H +n)



(42)

(43)
Khoảng cách từ XM từ nguồn đến vị trí có nồng độ max:
u1H 1+n
2
X max =
3 k1(1+ n)2
(44)

Trong các công thức trên :
u1 – là vận tốc gió ở độ cao z = 1m, m/s
10


•

n = 0.15 ÷ 0.2
k1= 0.1 ÷ 0.2 m/s
k0= 0.5 ÷ 1 m
Công thức tính vận tốc ở độ cao z:


Z
÷
 10 

uz = u10 

(45)

Với :
uz - Vận tốc gió ở độ cao z
u10 - Vận tốc gió ở độ cao 10m
b. Khuyếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao trong điều kiện
không gió:
Để kể đến ảnh hưởng của khuyếch tán rối trong trường hợp trời
không gió, Berlaind và Kurebin
1 ∂
∂C ∂ ∂C

( Rkr ) + k z
+ M δ (r )δ ( z − H ) = 0
R ∂r
∂r ∂z ∂z

Với các điều kiện biên sau đây:
kz

R2 + z2 → ∞ : C → 0

Khi z = 0:
và khi
Sự phân bố nồng độ ô nhiễm trên mặt nằm ngang và có

-

-

∂C
=0
∂r

tính đối xứng qua tâm nguồn cho nên
nghiệm có dạng:
C ( R, z ) =

R=0→

a( H 1+n + z1+ n ) + R

M
2π k1(1+ n) 

(1+ n)/2
− z (1+n)/2 )2 + R 
 a( H


a=

∂C
=0
∂r



4k1
(1 + n)2

Trong đó
Nồng độ trên mặt đất:
M
CR =
2π k1(1+ n)(aH 1+n + R)2

3/2


(1+n)/2
+ z (1+n)/2 )2 + R 

 a( H



(52)

Nồng độ cực đại trên mặt đất (tại chân ống khói )
11

(53)

3/2


3
M
(1
+
n
)
Cmax =
32π k13H 2(1+n)

Câu 9: Tính toán nồng độ trung bình của chất ô nhiễm trên
mặt đất do các nguồn thải gây ra?
-Nồng độ TB của chất ô nhiễm trên mặt đất do các nguồn thải gây
ra khi tính toán dự báo mức độ ô nhiễm tại 1 địa điểm nào đó do
các nguồn thải gây ra thì ngoài việc xác định nồng độ chất ÔN
tức thời ta cần phải dự báo đc sự phân bố nồng độ TB trong ngày
đêm, TB trong tháng, TB theo năm trong trường hợp tính toán

nồng độ TB trong 1 thời gian ngắn như TB ngày đêm thì có thể
đơn giản hóa vấn đề bằng cách gải thiết rằng trong từng mùa nhất
định như mùa đông, mùa hè thì độ ổn định của khí quyển không
thay đổi, ngoài các cấp vận tốc gió có thể đc thay thế = trị số
VgióTB.
() theo 1 hướng nào đó. Cùng với tần suất xuất hiện của gió là
theo hướng đó. Ngoài ra còn có tần suất lặng gió nghĩa là tần
suất mà không có gió trong bất kỳ hướng nào
-Hệ số TB ứng với tần suất và tần suất lặng gió.
kα = Pα 1− Plang ÷




*Công thức nồng độ TB theo tần suất gió
-Nồng độ TB ngày đêm của chất ÔN trên mặt đất tại 1 vị trí tính
toán nào đó do 1 nguồn thải i gây ra.
m

Cxy(i) = Plang Clang (i) + ∑ kα Cα (i)
α =1

Nồng độ tổng cộng trung bình tại điểm có toạ độ x, y do nguồn
thải gây ra sẽ là :
n

m

i=1

α =1

Cxy(tong ) = ∑ ( Plang Clang (i) + (1− Plang ) ∑ kα Cα (i) )
Trong các công thức trên:
Cxy(i) - nồng độ trung bình tại vị trí có toạ độ x, y do nguồn thứ i
gây ra
12


Cxy(tong) - nồng độ tổng cộng trung bình do n nguồn thải gây ra tại
điểm tính toán
Clang(i) -Nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại
điểm tính toán khi lặng gió (u = 0)
Cα(i) - Nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại
điểm tính toán khi có gió thổi theo hướng α ứng với vận tốc gió
trung bình trên hướng đó và độ ổn định trung bình của khí quyển
trong suốt khoảng thời gian tính toán trị số trung bình (ngày đêm,
tháng hoặc năm)

13