Bài 9: Các phương pháp quy hoạch môi trường

VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO CAO HỌC Quy hoạch môi trường (Bài 9: Các phương pháp quy hoạch môi trường) Cán bộ giảng dạy : PGS.TS. Phùng Chí Sỹ Các phương pháp quy hoạch môi trường Thoáng keâ vaø xöû lyù soá lieäu Phöông phaùp laäp baûng lieät keâ (Checklist) Phöông phaùp ma traän (Matrix) Phöông phaùp maïng löôùi (Network) Ñaùnh giaù nhanh (Rapid Assessment) Moâ hình hoaù (Environmental Modelling) Phöông phaùp chuyeân gia (Delphi) Phöông phaùp phaân tích lôïi ích chi phí (Cost Benefit Analysis) Phöông phaùp choàng gheùp baûn ñoà (Overmapping) (GIS) Mô hình hoá môi trường (Environmental Modelling) Mô hình hoá môi trường Mô hình : mô phỏng các đối tượng thực tế trên cơ sở một số giả thiết. Có ba loại mô hình: - Mô hình thống kê - Mô hình vật lý - Mô hình toán học Mô hình hoá môi trường (tt) - Mô hình thống kê: Dựa vào chuỗi số liệu quan trắc trong quá khứ để dự báo cho tương lai - Mô hình vật lý : mô hình mô tả đối tượng thực tế bằng cách rút gọn kích thước theo tỷ lệ nhất định - Mô hình toán học: mô tả (mô phỏng) các đối tượng thực tế dưới dạng phương tình toán học kèm theo một số giả thiết. Mô hình hoá môi trường (tt) Các loại mô hình toán học: - Mô hình dự báo dân số - Dự báo sinh tưởng của quần thể sinh vật, động vật - Dự báo chất lượng không khí, chất lượng nước - Dự báo thủy văn - Mô tả quá trình sảy ra trong một thùng phản ứng hóa học, sinh học Mô hình số mũ Mô hình số mũ r : tốc độ tăng dân số, t : thời gian Giả thiết: r không đổi theo thời gian Mô hình số mũ Giả thiết: r : tốc độ tăng dân số không đổi (r = 1.5%/năm) No = 5 triệu (2005) t = 2020 – 2005 = 15 năm Nt = 5 * exp (1.5 * 15) Mô hình số mũ r thay đổi theo từng khoảng thời gian Khi r = f(t) thì r : 2005 ÷ 2010 – 1.5% r : 2010 ÷ 2015 – 1.3% r : 2015 ÷ 2020– 1.2% Mô hình số mũ Mô hình tăng dân số (tt) Mô hình Logarith K -Khả năng chịu tải, r -tốc độ sinh trưởng Mô hình Logarith Mô hình chất lượng không khí Mô hình điểm (point source) Mô hình đường (line source) Mô hình vùng (area source) MÔ HÌNH ĐIỂM MÔ HÌNH ĐIỂM (tt) Q : tải lượng ô nhiễm (g/s) u : tốc độ gió tại đỉnh ống khói (m/s) – đo ở độ cao 10m H : chiều cao hữu hạn cuả ống khói (m) : độ phát tán theo chiều ngang (m) : độ phát tán theo chiều thẳng đứng (m) Chiều cao hữu dụng của ống khói : H = h + h MÔ HÌNH ĐIỂM (tt) Giả thiết: - Phát tán theo định luật Gauss - u # 0 - Không có phản ứng hóa học xảy ra - Phát tán trong không gian rộng và phẳng MÔ HÌNH ĐIỂM (tt) Nồng độ các chất ô nhiễm tại mặt đất : Khi z = 0 * Nồng độ các chất ô nhiễm tại mặt đất theo chiều gió : z=0, y=0 Δh: độ nâng bổng của ống khói (m) Δ h: độ nâng bổng của ống khói (m) được xác định bằng công thức Hollands D: đường kính trong của miệng ống khói (m) u: tốc độ gió tại miệng ống khói (m/s) p: áp suất khí quyển (mb) Ts: nhiệt độ khí thải (oK) Ta: nhiệt độ ống khói (oK) W: tốc độ thải khí (lưu lượng/tiết diện ống khói )m/s Độ bền vững khí quyển Chia làm 6 loại: + A,B,C: không bền vững + D: trung hòa + E,F: bền vững Độ bền vững khí quyển (tt) Xác định độ bền vững khí quyển 1. Gradient nhiệt độ theo chiều cao: + Nếu tốc độ giảm nhiệt độ theo chiều cao: 0.98 oC/100m ==> loại D + Nếu tốc độ giảm nhiệt độ theo chiều cao > 0.98 oC/100m==> loại A,B,C + Nếu tốc độ giảm nhiệt độ theo chiều cao loại E,F Độ bền vững khí quyển (tt) 2. Trời ít mây, trong xanh, gió nhẹ : loại A,B,C 3. Trời nhiều mây, gió mạnh : loại E,F 4. Ban ngày : bức xạ mặt trời, tốc độ gió 5. Ban đêm: độ che phủ mây, tốc độ gió Biết độ bền vững khí quyển -> Mô hình phát tán ô nhiễm từ một vùng Tính toán phát tán ô nhiễm không khí từ một vùng được thực hiện dựa trên mô hình phát tán ô nhiễm ISC3 của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (U.S EPA - U.S Environmental Protection Agency, 1985). Mô hình ISCLT (Industrial Sources Complex - Long Term) và Exinter (phiên bản phát hành trong năm 1995 - 1996) do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (EPA) kết hợp với EcoChem Technology xây dựng và đã được cho phép sử dụng với mục đích đánh giá phạm vi, mức độ ảnh hưởng của các nguồn thải công nghiệp, giao thông, sinh hoạt trong diện rộng trên toàn nước Mỹ. Mô hình phát tán ô nhiễm từ một vùng (tt) (1). Nguyên lý mô hình Mô hình phát tán được xây dựng dựa trên quan điểm của Gauss với việc kết hợp với các điều kiện như thời gian bán phân hủy của từng loại hóa chất riêng trong tự nhiên (được tham khảo tại cơ sở dữ liệu AP42 có trong đĩa CD đi kèm - EPA), số liệu địa hình, khí tượng đặc trưng cho từng vùng... Cơ sở toán học của việc mô tả lan truyền chất bẩn trong khí quyển là nghiệm riêng của phương trình vi phân đối với nguồn tức thời : Mô hình phát tán ô nhiễm từ một vùng (tt) C (t,x,y,z) là nồng độ chất ô nhiễm; Kx, Ky, Kz là các hệ số rối theo ba phương x, y, z với Ky=0,5 (y)2 u/x; Kz=0,5 (z)2 u/x y, z là hệ số phát tán ngang và đứng, phụ thuộc vào cấp độ ổn định khí quyển và khoảng cách theo chiều gió. Mô hình phát tán ô nhiễm từ một vùng (tt) (2). Các thông số kỹ thuật chính của phần mềm Loại nguồn ô nhiễm : điểm thải, khu vực, đường giao thông, các bãi vật liệu. Số nguồn ô nhiễm : tối đa 300 nguồn thải (hoạt động liên tục). Phạm vi khảo sát : lưới đo 1.200 điểm. Tính toán được nồng độ trung bình trong 1 giờ, 8 giờ, 24 giờ, mùa, giai đoạn định trước. Phạm vi thời gian khảo sát : 24 giờ/ngày; 365 ngày/năm. Áp dụng cho các điều kiện địa hình: đồng bằng, trung du, núi, thung lũng. Sử dụng các thông số khí tượng đặc trưng cho khu vực tính (gió, tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ không khí, độ ẩm, độ bền vững khí quyển...). Mô hình phát tán ô nhiễm từ một vùng (tt) 1). Thông tin đầu vào : Vị trí các nguồn ô nhiễm theo hệ toạ độ địa lý thực (UTM, Zone 48-49). Thời gian đo (theo ngày, tháng, mùa, giai đoạn trong năm). Các thông số đặc trưng về các dạng nguồn ô nhiễm (độ cao, diện tích, hướng...) Tải lượng ô nhiễm theo từng chất ô nhiễm và đặc trưng chất ô nhiễm. Các thông tin GIS bao gồm bản đồ nền, bản đồ địa hình (đã ở dạng số hóa và 3D). Số liệu khí tuợng (số đo đến từng giờ trong ngày, phải có số liệu đo trong toàn năm và giới hạn trong vòng 2 năm gần nhất). Các thông số về hệ lưới và số lượng điểm đo. Các yêu cầu về truy xuất số liệu như : tìm khu vực có nồng độ ô nhiễm định trước hay khu vực bị ô nhiễm nhất, có tần xuất ô nhiễm cao nhất... Mô hình phát tán ô nhiễm từ một vùng (tt) 2). Thông tin đầu ra Dữ liệu về nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian và vị trí trong lưới đo theo yêu cầu. Mô hình phát tán ô nhiễm từ một vùng (tt) MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ (tt) V : thể tích của hồ P : nước mưa CP : nồng độ nước mưa E : lượng bay hơi, CE nồng độ bay hơi QT1, QT2 : lưu lượng thải, CT1, CT2 : nồng độ chất thải TT, CT : lượng nước thấm và nồng độ thấm QV1, QV2, QV3 : lưu lượng nước đầu vào CV1, CV2, CV3 : nồng độ nước đầu vào QR1, QR2 : lưu lượng nước đầu ra CR1, CR2: nồng độ nước đầu ra MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ (tt) = (QV1 + QV2 + QV3) + (QT1+ QT1) + P - QR1 - QR1 – E - T -> 0: = (QV1(t) + QV2(t) + QV3(t)) + (QT1(t)+ QT1(t)) + P(t) - QR1(t) - QR1(t) – E(t) - T(t) Giả thiết: P = 0 T = 0 E = 0 = (QV1(t) + QV2(t) + QV3(t)) + (QT1(t)+ QT1(t)) - QR1(t) - QR1(t) MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ (tt) Phương trình cân bằng khối lượng: = (QV1 CV1 + QV2 CV2 + QV3 CV3) + (QT1 CT1+ QT1 CT2) + P CP- QR1 CR1 - QR1 CR1 – E CE - T CT ==> = (QV1(t) CV1(t) + QV2(t) CV2(t) + QV3(t) CV3(t)) + (QT1(t) CT1(t) + QT1(t) CT2(t)) + P(t) CP(t) - QR1(t) CR1(t) - QR1(t) CR2(t) – E(t) CE(t) - T(t) CT(t) MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ (tt) Giả thiết: Không có biến đổi chất trong hồ : K1, K2, K3 = 0 CE = 0 CP = 0 CT = 0 Hồ khuấy trộn đều --> CR1 = CR2 = CR Thể tích hồ không đổi MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC HỒ (tt) ta có phương trình sau = (QV1(t) CV1(t) + QV2(t) CV2(t) + QV3(t) CV3(t)) + (QT1(t) CT1(t) + QT1(t) CT2(t)) - CR (QR1(t) - QR1(t)) Nghiệm của phương trình trên như sau : MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG 1. MÔ HÌNH WATER QUALITY 97 Mô hình WQ97 đã được sử dụng để tính toán cho toàn bộ hệ thống sông Sài Gòn, Đồng Nai, Nhà Bè, Thị Vải và mạng sông Duyên Hải. Để đánh giá khả năng tự làm sạch của con sông, mô hình cũng cho ra hằng số tự làm sạch dọc theo sông. MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG (tt) Việc xây dựng một mô hình toán học thường gồm một số bước : - Chọn hệ phương trình toán học mô tả hiện tượng vật lý cần quan tâm. - Thiết lập các điều kiện biên, điều kiện ban đầu cho bài toán cụ thể cần giải quyết. - Chọn các phương pháp số thích hợp để giải bài toán. - Lập trình trên máy tính để thể hiện thuật giải. - Điều chỉnh mô hình dựa trên các số liệu đo đạc để lựa chọn một số tham số cho bài toán. Các phương trình cơ bản và thuật toán giải Khi xét các bài toán chất lượng nước trên kênh sông người ta thường sử dụng mô hình một chiều và thành phần thuỷ lực (trường vận tốc) được xem như đã biết từ đo đạc hoặc nhờ mô hình thuỷ lực qua việc giải hệ phương trình Saint-Venant một chiều sau đây : Các phương trình cơ bản và thuật toán giải  Z  Q W  +  = q  t  x  Q  Q2  Z g / Q  +  () + gA  +  = 0  t  x A  x ARC2 Các phương trình cơ bản và thuật toán giải Trong đó : W - là chiều rộng mặt nước A - diện tích tiết diện ngang Z - mực nước so với một cao độ chuẩn Q - lưu lượng qua mặt cắt ngang g - gia tốc trọng trường C - hệ số cản R - bán kính thuỷ lực q - lưu lượng gia nhập như bơm, xả t - thời gian x - toạ độ dọc sông. Các phương trình cơ bản và thuật toán giải Với BOD có nồng độ B :  øB  ø B  2 B q q  + U  = E  -  B - ( K1 + K3 ) B +  Bq  t  x  x 2 A A Với DO có nồng độ D :  D  D  D q q  + U  = E  -  D + ( Ds - D ) K2 - K1.B +  Dq  t  ø x  x 2 A A Các phương trình cơ bản và thuật toán giải Trong đó : Bq, Dq là nồng độ BOD và DO trong dòng gia nhập. Ds là độ bão hoà oxy. K1 là hằng số biến đổi BOD. K2 là hằng số thấm khí. K3 là hằng số biến đổi BOD do lắng đọng. U là vận tốc trung bình của dòng chảy. E là hệ số tán xạ( dispersion coefficient). Ds là hàm của nhiệt độ và được xác địng bằng công thức thực nghiệm sau đây : Các phương trình cơ bản và thuật toán giải Ds = 475 / ( 33.5 + T ) với T là nhiệt độ của dòng chảy Hệ số thấm khí K2 thường là hàm của vận tốc dòng chảy và độ sâu. Một trong các công thức thực nghiệm cho K2 là công thức của Bennett và Rathbun sau đây : U 0.674 K2 = 2.33  h 1.865 Trong đó : U - vận tốc trung bình của dòng chảy ( m/s). h - là độ sâu trung bình (m). K2 đo bằng đơn vị 1/ngày. Các phương trình cơ bản và thuật toán giải Wrigh and McDonnel đã đề nghị công thức sau cho K1 : K1 = 99,3 Q -0,49 ( 1/ngày ) cả K1 và K2 đều là hàm của nhiệt độ. Q (m3/h) là lưu lượng. Để xét khả năng tự làm sạch của mỗi con sông người ta đưa ra hằng số tự làm sạch f được xác định bằng công thức sau : f = K2/K1. Mặc dù, K2 và K1 phụ thuộc vào nhiệt độ, tỷ số của f hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ. MÔ HÌNH HYDROGIS 2.0 Công cụ Tính toán trong Hydrogis thực hiện các nhiệm vụ: Dự báo biên thủy văn khí tượng thủy văn, mực nước biên Tính toán dự báo các thông số thủy văn và nồng độ chất ô nhiễm trên toàn mạng sông rạch, ô ruộng tại mọi thời điểm. MÔ HÌNH HYDROGIS 2.0 MÔ HÌNH HYDROGIS 2.0 -ζ là cao trình mực nước ô; -Ω là diện tích ô; -V là thể tích ô; -Qij là lưu lượng trao đổi giữa ô i với ô j; -A là diện tích ướt trên biên giữa ô i và ô j; -g là gia tốc trọng trường; -t là thời gian; -qi là tổng lưu lượng trao đổi giữa ô i và các mặt cắt sông rạch liên hệ; -nij là hệ số Manning trên biên giữa ô i và j; -Pi lượng mưa tại chổ; -dij là khoảng cách giữa tâm ô i và j; -Zd là ngưỡng tràn bờ từ ô j sang ô i; -SI , Sj là độ mặn trong ô I và j. -CI , Cj là nông độ chất bẩn trong ô I và j. -Rij là bán kính thủy lực trên biên ô i và j MÔ HÌNH HYDROGIS 2.0 XIN CÁM ƠN!