Bài tập mô hình và hệ thống thông tin môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH VIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BÙI TÁ LONG THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 9/2010 BÀI TẬP CÓ ĐÁP ÁN Bùi Tá Long Bài tập MHH và THMH 2 Kính mong sự đóng góp ý kiến của tất cả bạn đọc. Những đóng góp quí báu của bạn đọc sẽ giúp các tác giả nâng cao chất lượng tài liệu này. Tài liệu này tập hợp bài tập môn Mô hình hoá và Tin học môi trường được tác giả giảng dạy cho học viên cao học và sinh viên tại Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh cũng như một số trường khác trong các năm 2006 – 2010. Tài liệu này giúp sinh viên, học viên nghiên cứu môn học mô hình hoá môi trường cũng như môn học Tin học môi trường. Đây là môn học bắt buộc cả ở bậc đại học cũng như cao học. Tài liệu này hướng tới đối tượng là sinh viên, học viên cao học đang theo học ngành quản lý hay kỹ thuật môi trường. Tài liệu này cũng hướng tới tất cả những ai quan tâm tới ứng dụng mô hình toán và công nghệ thông tin trong nghiên cứu bảo vệ môi trường. Bản quyền @ 2010 Bùi Tá Long, tiến sĩ khoa học, 3 MỤC LỤC MỤC LỤC....................................................................................................................... 3 DANH SÁCH HÌNH........................................................................................................ 4 DANH SÁCH BẢNG ...................................................................................................... 5 1. MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 7 2. BÀI TẬP TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS........................................................................................................................... 9 2.1. Giới thiệu chung................................................................................................ 9 2.2. Sơ đồ tóm tắt mô hình Gauss........................................................................... 9 2.3. Bài tập mô hình Gauss ................................................................................... 13 2.4. Các câu hỏi thường gặp khi chạy CAP .......................................................... 16 3. BÀI TẬP TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH BERLIAND................................................................................................................... 20 3.1. Giới thiệu chung.............................................................................................. 20 3.2. Sơ đồ tóm tắt mô hình Berliand...................................................................... 20 3.3. Bài tập mô hình Berliand................................................................................. 23 4. BÀI TẬP TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ NHIỀU NGUỒN THẢI BẰNG PHẦN MỀM ENVIMAP ........................................................................... 29 4.1. Giới thiệu chung.............................................................................................. 29 4.2. Sơ đồ tóm tắt phần mềm ENVIMAP............................................................... 31 4.3. Bài tập ứng dụng phần mềm ENVIMAP tính toán ô nhiễm do nhiều nguồn thải 33 5. BÀI TẬP TÍNH TOÁN SỰ LAN TRUYỀN Ô NHIỄM NƯỚC TỪ NHIỀU NGUỒN XẢ THẢI BẰNG MÔ HÌNH STREETER ...................................................................... 60 5.1. Giới thiệu chung.............................................................................................. 60 5.2. Sơ đồ tóm tắt phần mềm STREETER............................................................ 61 5.3. Bài tập ứng dụng phần mềm STREETER tính toán ô nhiễm do nhiều nguồn xả thải ....................................................................................................................... 62 6. BÀI TẬP TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC TỪ NHIỀU NGUỒN XẢ THẢI BẰNG MÔ HÌNH ENVIMQ2K....................................................................... 66 6.1. Giới thiệu chung.............................................................................................. 66 6.2. Sơ đồ tóm tắt phần mềm ENVIMQ2K............................................................. 67 6.3. Bài tập ứng dụng phần mềm ENVIMQ2K....................................................... 68 7. TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 70 Bùi Tá Long Bài tập MHH và THMH 4 DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1. Sơ đồ các bước thực hiện tính toán phát tán ô nhiễm theo mô hình Gauss ..................................................................................................................................... 10 Hình 2.2. Sơ đồ tự động hoá tính toán vệt nâng cột khói ............................................ 10 Hình 2.3. Công thức tính nồng độ theo mô hình Gauss .............................................. 11 Hình 3.1. Hệ tọa độ được lựa chọn để tính toán ......................................................... 21 Hình 3.2. Sơ đồ tự động hoá tính toán phát tán ô nhiễm không khí theo mô hình Berliand ........................................................................................................................ 21 Hình 4.1. Sơ đồ cấu trúc của phần mềm ENVIMAP.................................................... 31 Hình 4.2. Sơ đố cấu trúc CSDL môi trường trong ENVIMAP ...................................... 32 Hình 4.3. Các bước chuẩn bị chạy mô hình mô phỏng trong ENVIMAP..................... 33 Hình 5.1. Sơ đồ tự động hoá tính toán sự lan truyền chất ô nhiễm trên kênh sông theo mô hình Streeter – Phelps ........................................................................................... 61 Hình 5.2. Bước tính đầu tiên........................................................................................ 62 Hình 5.3. Các bước tính tiếp theo................................................................................ 62 Hình 6.1. Các bước tính toán trong phần mềm ENVIMQ2K........................................ 68 5 DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1. Công thức tính sz (x), sy(x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) .................. 11 Bảng 2.2. Công thức tính sz (x), sy(x) cho điều kiện thành phố ................................. 12 Bảng 2.3. Công thức tính tham số p theo lớp ổn định Pasquill – Hanna..................... 12 Bảng 2.4. Phân loại độ bền vững khí quyển theo Pasquill .......................................... 13 Bảng 4.1. Danh mục các cơ sở sản xuất nằm trong Khu công nghiệp Biên Hoà 1..... 34 Bảng 4.2. Các vị trí quan trắc chất lượng không khí trên địa bàn tỉnh Đồng Nai......... 36 Bảng 4.3. Vị trí các điểm giám sát chất lượng không khí ............................................ 38 Bảng 4.4. Các thông số kỹ thuật của các ống khói nằm trong KCN Biên Hoà 1, tỉnh Đồng Nai ...................................................................................................................... 38 Bảng 4.5. Bảng chất lượng quan trắc chất lượng không khí ....................................... 40 Bảng 4.6. Các tham số phát thải cho các nguồn thải ngày 13/6/2007......................... 42 Bảng 4.7. Các tham số phát thải cho các nguồn thải ngày 06/07/2007....................... 43 Bảng 4.8. Các tham số phát thải cho các nguồn thải ngày 24/8/2007......................... 50 Bảng 4.9. Các tham số phát thải cho các nguồn thải ngày 30/9/2007......................... 51 Bảng 6.1. Chất lượng nước tại thượng nguồn ............................................................ 68 Bảng 6.2. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải kênh rạch số 3 (kịch bản 1)................................................................................................................... 68 Bảng 6.3. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải kênh rạch số 3 (kịch bản 2)................................................................................................................... 69 Bảng 6.4. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải kênh rạch số 3 (kịch bản 3)................................................................................................................... 69 Bảng 6.5. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải kênh rạch số 3,4 (kịch bản 4)................................................................................................................... 69 Bùi Tá Long Bài tập MHH và THMH 6 Bảng 6.6. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải kênh rạch số 3,4 (kịch bản 5)................................................................................................................... 70 Bảng 6.7. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải kênh rạch số 3,4 (kịch bản 6)................................................................................................................... 70 7 1. MỞ ĐẦU Bài toán bảo vệ môi trường trong giai đoạn hiện nay không tách rời khỏi bài toán xây dựng các mô hình toán đánh giá, dự báo ô nhiễm (mà người ta gọi chung là mô hình môi trường). Mô hình hoá môi trường ngày nay là một lĩnh vực có phương pháp và kỹ thuật riêng của nó. Khoa học môi trường trong giai đoạn hiện nay đã sử dụng rất nhiều các phương tiện, kỹ thuật toán học: lý thuyết động lực, phương trình đạo hàm riêng, phép tính sai phân, phần tử hữu hạn, phương trình tích phân và vi tích phân. Các phương pháp toán đã xâm nhập rất sâu vào các lĩnh vực khác nhau của sinh thái học và khoa học môi trường như phân tích mối quan hệ giữa các loài trong các hệ sinh thái, quá trình di cư, đánh giá ảnh hưởng của các quá trình hoạt động kinh tế - xã hội khác nhau lên môi trường, nghiên cứu các bài toán quản lý tối ưu các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Mô hình hóa môi trường là một trong những phương pháp nhận thức cơ bản của con người đối với thiên nhiên. Mô hình hóa là một dạng phản ảnh thực tế hay tiếp nhận tính chất này hay tính chất kia của đối tượng thực với sự trợ giúp của các phương tiện như vẽ, bản đồ, tập hợp các phương trình, thuật toán, các phần mềm. Khả năng của mô hình hoá thể hiện ở chỗ mô hình theo một nghĩa nào đó tái hiện lại một số khía cạnh của đối tượng thực mà người nghiên cứu quan tâm. Trong những năm gần đây do sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, đặc biệt là của lĩnh vực giao diện đồ hoạ, một lĩnh vực khoa học mới được phát triển rất mạnh – đó là mô phỏng bằng công cụ máy tính- phương pháp giải bài toán phân tích hay tổng hợp hệ trên cơ sở ứng dụng các phần mềm máy tính. Ở đây ta hiểu phần mềm máy tính là một bộ chương trình mô phỏng quá trình diễn ra cụ thể nào đó của môi trường dưới tác động của các yếu tố khác nhau. Các phần mềm này giúp nhận được các kết quả định lượng và định tính của một mô hình toán cụ thể. Tài liệu này trình này thể hiện một số kết quả nghiên cứu của tác giả và nhóm nghiên cứu do tác giả làm chủ nhiệm trong thời gian qua. Các bài tập và phần mềm được ứng dụng trong môn Mô hình hoá môi trường cũng như môn học Hệ thống thông tin môi trường (còn được gọi là Tin học môi trường) được nhóm tác giả nghiên Bùi Tá Long Bài tập MHH và THMH 8 cứu và xây dựng thông qua nhiều đề tài nghiên cứu khoa học các cấp cũng như thông qua công tác giảng dạy cho sinh viên và học viên cao học tại Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh cũng như một số trường khác trong nhiều năm trời. Các bài tập được đánh số theo từng chủ đề: phần mềm CAP với mô hình toán Gauss, phần mềm CAP với mô hình toán Berliand, phần mềm ENVIMAP quản lý và mô phỏng ô nhiễm không khí cho nhiều nguồn thải công nghiệp, phần mềm STREETER 1.0 tính toán lan truyền oxy hoà tan và BOD cho nhiều nguồn thải, phần mềm ENVIMQ2K tính toán lan truyền ô nhiễm cho kênh sông. Sau lần đầu tiên biên soạn tài liệu này vào năm 2007. Trong phiên bản mới này, tác giả đã có một số điều chỉnh cho phù hợp với thực tiễn. 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 quản lý và kỹ thuật môi trường nói riêng cũng như trong nghiên cứu môi trường nói chung. Góp ý xin gửi về địa chỉ longbuita@yahoo.com hoặc theo địa chỉ trên trang Web: www.hcmier.edu.vn/capweb. Tp. Hồ Chí Minh 09/2010 Tác giả: PGS.TSKH. Bùi Tá Long. 9 2. BÀI TẬP TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS 2.1. Giới thiệu chung Phần mềm CAP gồm nhiều phiên bản khác nhau. Phiên bản đầu tiên ra đời vào năm 1995. Phiên bản 3.0 vào tháng 9/2006. Từ năm 2008 trở đi CAP được đặt tên theo năm và sẽ được tác giả cập nhật thường xuyên. Để giải quyết các bài toán trong mục này, sinh viên, học viên cần có chương trình CAP 2010 mô hình Gauss cùng tài liệu hướng dẫn sử dụng phần mềm này. Bên cạnh đó sinh viên, học viên cần nắm được cơ sở lý luận của mô hình Gauss theo bài giảng về mô hình hoá. Các chức năng chính của CAP là: - Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất theo 2 nhóm kịch bản khác nhau là khí tượng và khí thải. - Tính toán ô nhiễm trung bình theo ngày. - Vẽ các vùng ảnh hưởng khác nhau. - 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. 2.2. Sơ đồ tóm tắt mô hình Gauss Các mô hình nhiễm bẩn của không khí là biểu diễn toán học các quá trình phân tán tạp chất và 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 được sử dụng để dự báo nồng độ chất bẩn đang xét. Mô hình thống kê kinh nghiệm 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) và gần đây được các nhà khoa học môi trường của các nước như Mỹ, Anh, Pháp, Hunggari, Ấn độ, Nhật Bản, Trung Quốc,... ứng dụng và hoàn thiện mô hình tính theo điều kiện của mỗi nước. Nội dung của mô hình này có thể xem thêm trong bài giảng hay trong [1]. Bùi Tá Long Bài tập MHH và THMH 10 Hình 2.1. Sơ đồ các bước thực hiện tính toán phát tán ô nhiễm theo mô hình Gauss Đường kính ống khói Vệt nâng ống khói Vận tốc gió tại miệng ống khói Tốc độ phụt khí Độ ổn định khí quyển Nhiệt độ khí thoát Nhiệt độ không khí xung quanh _31.5 2.68.10 . Khoi Xung quanh Khoi T TDah P D u T w - -æ öD = +ç ÷ è ø Hình 2.2. Sơ đồ tự động hoá tính toán vệt nâng cột khói 11 Vận tốc gió tại miệng ống khói Vận tốc gió tại độ cao hữu dụng H Vận tốc gió đo được tại độ cao 10 m Vệt nâng ống khói Độ cao hữu dụng H=h+∆h Độ ổn định khí quyển ( ) ( )2 22 2 2 2exp exp exp2 2 2 2y z y z z z H z HM yC up s s s s s ì üé ù é ùæ ö - +ï ï= - - + -ê ú ê úç ÷ í ýç ÷ ê ú ê úï ïè ø ë û ë ûî þ Hình 2.3. Công thức tính nồng độ theo mô hình Gauss Với mục tiêu đơn giản hơn trong tính toán thực tế, Turner đã đưa ra công thức tính toán hệ số phân tán sz (x), sy(x) là hàm số khoảng cách theo hướng gió và độ ổn định của khí quyển /Bảng 2.1, Bảng 2.2/. Các thí nghiệm này được thực hiện trên khu vực đồng cỏ Salisbury và Nebraska, nước Anh. Bảng 2.1. Công thức tính sz (x), sy(x) cho vùng thoáng mở (nông thôn) Loại tầng kết sy(x) sz(x) A 0.22x(1+0.0001x)-0.5 0.20x B 0.16x(1+0.0001x)-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+0.0015x)-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 Bùi Tá Long Bài tập MHH và THMH 12 Bảng 2.2. Công thức tính sz (x), sy(x) cho điều kiện thành phố Loại tầng kết sy(x) sz(x) A – B 0.32x(1+0.0004x)-0.5 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+0.0005x)-0.5 Các hệ số sy và sz 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: ( ) ( ) 0.2 y y T phutσ T = σ 10phut . 10 æ ö ç ÷ è ø 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. 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: ( ) ï î ï í ì ³ <÷ ø ö ç è æ = .200,2 ;200, 10 10 10 mzU mzzU zU p m p m Trong đó tham số p liên hệ với các lớp ổn định Pasquill – Hanna theo bảng dưới đây: Bảng 2.3. Công thức tính tham số p theo lớp ổn định Pasquill – Hanna Loại tầng kết Điều kiện thành phố Điều kiện nông thôn P p A 0.15 0.07 B 0.15 0.07 C 0.20 0.10 D 0.25 0.15 13 E 0.30 0.35 F 0.30 0.55 (Nguồn User's guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models. Volume I - User instructions) Bảng 2.4. Phân loại độ bền vững khí quyển theo Pasquill Điều kiện thời tiết ban ngày Điều kiện thời tiết ban đêm Bức xạ mặt trời ban ngày Độ che phủ ban đêm (hệ số mây) Vận tốc gió tại độ cao 10 m Mạnh (biên độ > 600) Trung bình (Biên độ 35- 600) Yếu (Biên độ 15 – 350) Lớn hơn 50% Nhỏ hơn 50% < 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. (Nguồn User's guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models. Volume I - User instructions) 2.3. Bài tập mô hình Gauss Bài tập 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. Hãy: a/ Tính vệt nâng ống khói. b/ Tính giá trị cực đại của nồng độ chất ô nhiễm SO2 c/ Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại khoảng cách 1200 m. Bùi Tá Long Bài tập MHH và THMH 14 Lưu ý: Lấy trung bình theo thời gian là 60 phút. Đáp số: Câu a/ 9.074115 (m) Câu b/ 0.224 (mg/m3) Câu c/ 0.095692 (mg/m3) Bài tập 2. 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, điều kiện nông thôn. Hãy vẽ đường đồng mức 0.1, 0.01, 0.001 mg/m3 ứng với các độ ổn định khí quyển A – F. Bài tập 3. Ống khói của một lò nung gạch cao 40 m, đường kính của miệng ống khói bằng 2.2 m. Biết rằng ống khói này năm giữa cánh đồng (điều kiện nông thôn). Ngày tính là 28.3.2007. Theo dự báo vào ngày này, lưu lượng khí thải là 10.02 m3/s, tải lượng chất ô nhiễm NO2 bằng 32 g/s, nhiệt độ của khói thải là 200ºC, nhiệt độ không khí xung quanh là 30ºC, áp suất khí quyển bằng 1013 Mbar và tốc độ gió ở độ cao 10 m là 4.5 m/s. Cho trạng thái khí quyển là cấp C. Bằng cách mô hình biến đổi Gauss hãy: a. Tính vệt nâng ống khói. b. Tính toán hệ số khuếch tán sy(x) , sz(x) tại khoảng cách x = 410 m c. Tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống khói 410 m. d. Được biết Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5937, 1995 cho NO2 là 0.4 mg/m3. Hãy so sánh kết quả tính toán ở câu 3 với TCVN 5937. e. Cho vận tốc gió đo được tại 10 m là 3.0 m/s, các thông số khác giữ nguyên như đầu bài. Hãy tính nồng độ chất ô nhiễm dọc theo hướng gió tại điểm cách ống