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 biên soạn để giúp sinh viên, học viên thực tốt nội dung thực hành môn học “Mô hình hóa môi trường”, khuôn khổ học kỳ Song song với học lý thuyết, phần thực hành chiếm vị trí quan trọng giúp sinh viên, học viên giải nhiều nội dung phức tạp môn học Tài liệu chia thành ba chủ đề lớn: mô hình sinh thái học với việc giải phương trình 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 phương trình vi phân đạo hàm riêng phải lưu ý tới yếu tố không gian thời gian Trong mục có tập mẫu kèm theo lời giải chi tiết, bình luận, danh sách câu hỏi để người sử dụng kiểm tra lại kiến thức mình, danh mục tài liệu tham khảo Các tập thực phần mềm môi trường Envim, Qual2K, Mike 11 Các phương pháp trình bày giáo trình áp dụng để thực khóa luận, đồ án, luận văn, luận án hay 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 công cụ thiếu khoa học, cho phép tìm hiểu thực tế cách nhanh tốn Thực tiễn phát triển khoa học cho thấy mô xác hoàn toàn, yếu tố nhỏ không nhiệm vụ dễ dàng Tuy vậy, mô hình hóa cho phép nhà khoa học tương tác lặp lặp lại với thực tế, liên tục thử nghiệm giả định sử dụng để xây dựng mô hình dự báo phù hợp với thực tế Nghiên cứu mô hình môi trường chủ đề phức tạp, lẽ mô hình xây dựng từ quan điểm khắc khe nhiểu ngành khoa học tự nhiên vật lý, hóa học, sinh học đến xã hội học Các chuyên gia hàng đầu lĩnh vực cố gắng mô tả thực tế cách xác thực để đưa định giúp cải thiện mối quan hệ người với môi trường, dựa tảng liệu tích hợp kiến thức đa ngành Hiểu theo nghĩa mô hình trở thành kỹ công cụ thiếu Ngày mô hình trở thành công cụ ngày sử dụng để cung cấp luận khoa học hướng vào giải vấn đề môi trường biến đổi khí hậu mối quan tâm nhà hoạch định sách, định công chúng nói chung không ngừng tăng lên Do môn học Mô hình hóa môi trường giảng dạy hầu hết sở có đào tạo tài nguyên môi trường biến đổi khí hậu Việc biên soạn giáo trình giảng dạy, cấp thiết hết nhiều vấn đề môi trường biến đổi khí hậu gây tác động tiêu cực tới phát triển bền vững đất nước Mục tiêu “Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường” giúp cho sinh viên, học viên, nghiên cứu sinh làm quen với giải tập môn học mô hình hóa môi trường Sau lần xuất sách giáo trình “Mô hình hóa môi trường” lần vào năm 2008 tác giả nhận thấy cần thiết phải biên soạn tài liệu việc thực tính toán số mô hình toán giúp làm rõ ảnh hưởng điều kiện khác lên hệ thống mô hình hóa Tất điều cho phép hiểu sâu sắc ý nghĩa iii ứng dụng mô hình dự đoán thay đổi môi trường, hiểu rõ tiên đề, qui luật phần lý thuyết Điểm đặc biệt tài liệu gắn với phần mềm môi trường Điều giúp sinh viên, học viên thực nhiều tính toán thí nghiệm mô hình số gắn với kỹ thuật đồ điện tử - công cụ trực quan thiếu Giáo sư người Đức Walter R Erdelen, người chịu trách nhiệm cao khoa học tự nhiên UNESCO nói định môi trường không toàn vẹn không ứng dụng mô hình để dự báo hoạt động không mệt mỏi người làm mô hình góp phần thay đổi nhận thức người vấn đề sống kỷ XXI – vấn đề biến đổi khí hậu Lần biên soạn tài liệu này, dù có nhiều cố gắng chắn tài liệu tránh khỏi tồn hạn chế Tác giả mong nhận đóng góp ý kiến tất bạn đọc gần xa có quan tâm tới ứng dụng phương pháp mô hình hoá công tác quản lý nghiên cứu môi trường Đà Lạt, Huế, Tp HCM tháng năm 2012 Tác giả PGS.TSKH Bùi Tá Long iv MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU III MỤC LỤC V MỞ ĐẦU Nhiệm vụ thực hành Phương pháp thực 1 BÀI THỰC HÀNH TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS 1.1 Mục tiêu 1.2 Mô tả phương pháp 1.3 Các bước giải tập 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 BÀI THỰC HÀNH 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 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 BÀI THỰC HÀNH 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 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 BÀI THỰC HÀNH 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 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 BÀI THỰC HÀNH : MÔ HÌNH PHELPS – STREETER 107 5.1 Mục tiêu 107 5.2 Mô tả phương pháp 107 5.3 Các bước giải 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 BÀI THỰC HÀNH 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 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 tiên đề toán học phương pháp toán thể qui luật vật lý, hóa học, sinh học Môn học đòi hỏi sinh viên, học viên khả tự học nghiên cứu thông qua phân tích đối tượng xem xét Vì thực hành giảng lý thuyết coi đầy đủ Nhiệm vụ phần thực hành gồm: 1/ Hỗ trợ phát triển giới quan khoa học nói chung 2/ Cung cấp cho sinh viên kiến thức phương pháp toán phân bố ô nhiễm, phạm vi, mức độ ảnh hưởng nguồn thải môi trường khí, nước 3/ Làm rõ vai trò tầm quan trọng phương pháp mô hình hóa dự báo toán môi trường 4/Cung cấp cho sinh viên học viên khối lượng kiến thức toàn diện phương pháp mô hình hóa môi trường, giúp họ nghiên cứu ngành khoa học khác tốt Sinh viên thực tập thực hành hướng dẫn trực tiếp giáo viên giảng dạy môn học số phần mềm máy tính, làm quen với phương pháp công cụ xây dựng mô hình toán Việc thực tính toán số mô hình toán giúp làm rõ ảnh hưởng điều kiện khác lên hệ thống mô hình hóa Tất điều cho phép hiểu sâu sắc ý nghĩa ứng dụng mô hình dự đoán thay đổi môi trường, hiểu rõ tiên đề, qui luật phần lý thuyết Phương pháp thực Phương pháp thực thực hành: 1/ Đọc kỹ phương pháp thực thực hành Khi đọc không cần tập trung vào công thức toán học mà cần làm rõ mục tiêu tập, đánh dấu chỗ khó hay chưa thực hiểu 2/ Thực nhiệm vụ thực hành Cần sử dụng phương pháp hướng dẫn Chú ý tìm phụ thuộc giá trị số nhập vào phần mềm với kết số xuất phần mềm 3/ Kết thúc phần thực hành cố gắng trả lời câu hỏi phần cuối công việc Khi trả lời cố gắng tự trả lời, đừng dựa vào đáp số hay lời giải có sẵn tài liệu Đánh giá kết môn học thực dựa ba điểm sau: thứ điểm thi thực hành, phần sinh viên thực phần mềm môi trường học lớp phần thực hành Thứ hai kết thực tiểu luận, phần sinh viên thực nhóm với (thông thường từ – sinh viên, học viên thành nhóm) Các nhóm sinh viên, học viên giáo viên giao đề tài ứng dụng mô hình môi trường giải nhiệm vụ thực tiễn cụ thể Phần thi lý thuyết, sinh viên, học viên ôn tập theo câu hỏi liên quan tới môn học thực kiểm tra với thời lượng 90 – 120 phút BÀI THỰC HÀNH TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH GAUSS Các mô hình tính toán phát tán ô nhiễm môi trường không khí biểu diễn toán học thể trình phát tán tạp chất, phản ứng hóa học diễn ra, kết hợp với tải lượng, đặc trưng phát thải từ nguồn công nghiệp liệu khí tượng Mô hình vệt khói Gauss (đơn giản gọi mô hình Gauss) số mô hình sử dụng rộng rãi giới Mô hình Gauss có tên gọi thống kê kinh nghiệm, xây dựng dựa sở lý thuyết toán học Gauss Các nhà toán học có công phát triển mô hình Taylor (1915), Sutton (1925 – 1953), Turner (1961 – 1964), Pasquill (1962 – 1971), Seifeld (1975) 1.1 Mục tiêu Mục tiêu thực hành – làm quen với bước tính toán phát tán ô nhiễm môi trường không khí theo phương pháp Gauss – Pasquill 1.2 Mô tả phương pháp Hình 1.1 Chọn gốc tọa độ chân ống khói hệ tọa độ gắn với nguồn thải 3 Tính toán vận tốc gió độ cao hữu dụng Ở lần ta lại áp dụng công thức Smith với tham số từ Bảng 1-3 Áp dụng công thức tính vận tốc gió độ cao H = 49,25 m  49, 25  U ( 49, 25 m ) = 1, ×    10  0,15 = 2,16 ( m / s ) Tính toán hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang 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 rối đứng σy(x) = 0,08x(1+0.0001x)-0,5 σz (x) = 0,06x(1+0.00015x)-0,5 Ta nhận được: σy(1000) = 0,08×1000×(1+0,0001×1000)-0,5= 76,28 (m) σz (1000) = 0,06×1000×(1+0,00015×1000)-0,5= 55,95 (m) Với thời gian trung bình 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 0,2  60  σy(1000)60 p = 76,28Í    10  = 109,15 (m) σz (1000)60 p = 55,95 (m) Áp dụng công thức Gauss biến đổi tính toán nồng độ mặt đất dọc theo hướng gió Áp dụng công thức 66 C( x ) =  H2  M exp −  πu H σ y σ z  2σ z  Ta nhận C(1000) = ( mg/m )  49, 252  32 ×1000 exp  = 0,524  3,1415×2,16×109,15×55,95  2×55,95  E Dựa kết mục A, B, C, D ta tính nồng độ trung bình điểm (x,y) = (1000 m, 0) sau: CTB (1000,0) = 0,457 + 0,0099 + 0, 0078 + 0,524 = 0, 249 mg/m3 ( ) Đáp số: nồng độ chất ô nhiễm NO2 trung bình theo ngày dọc theo hướng tây khoảng cách x = 1000 m so với ống khói 0,249 (mg/m3) Lưu ý: giá trị nồng độ nhỏ giá trị nồng độ tức thời gió thổi theo hướng tây Chuẩn bị thông số đầu vào với mô hình Berliand (bài 3.2): gồm ba nhóm liệu nhóm thứ gồm: chiều cao (40 m), đường kính ống khói (2,0 m); nhóm thứ hai thông số phát thải: vận tốc luồng khí (10 m/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính (90 g/s), nhiệt độ khói thải (230 ºC); nhóm thứ ba (Bảng 3-2) – thông số khí tượng cho theo thời điểm đo ngày lúc 1g, 7g, 13g 19g gồm: vận tốc gió độ cao 10 m (m/s), nhiệt độ khí mặt đất (0C), hệ số lưu ý tới biến đổi tốc độ gió theo độ cao n, hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang k0 (m), hệ số khuếch tán rối đứng độ cao m so với mặt đất k1 (m2/s) Ngoài gia tốc trọng trường chọn g = 9.81 m/s2 Trình tự bước tính toán 3.2 Phần A tính cho thời điểm Áp dụng công thức tính vệt nâng cột khói theo mô hình Berliand ta nhận được: ΔH = 1,5× W0 × R  3,3× g × R × ΔT  1,5 × 10 ×  3,3 × 9,81 × × 205   2,5 +  2,5 +  =   V10 (Txq + 273,1)× V 10  (25 + 273,1) × 2    67 = 60,45 (m) Từ suy chiều cao hữu dụng ống khói là: H=h + ∆ H = 40 + 60,45 = 100,45 (m) Tính vận tốc gió độ cao m sau: 0,14 u1 = 1 2×    10  = 1, 449 (m/s) Áp dụng công thức Berliand (cho điểm bề mặt lót) ta nhận được: C ( x , y ,0 ) =  M u H 1+ n y2  −  exp −  (1 + n ) k x 4k x  2(1 + n )k1 πk x   Từ C(500,0) =  1,449×100,4921,14  -3 ×exp  = 0,0125*10 ̣ (mg/m ) 1,5 (1+0,14) ×0,03×500 (1+0,14) ×0,03× π×12 ×500   90×1000 Phần B tính cho thời điểm Khi lặng gió v10[...]... số, chọn để chạy mô hình Hình 1.12 Thông báo mô hình đang được thực hiện Hình 1.13 Kết quả chạy mô hình dạng đường đồng mức 1.4.4 Xử lý kết quả mô phỏng Để tính vệt nâng cột khói chọn công cụ trên thanh công cụ hoặc chọn Menu Mô hình à Thông số mô hình, sẽ xuất hiện hộp thoại như Hình 1.14 Hộp thoại này thể hiện thông tin chung về mô hình và các giá trị trung gian ảnh hưởng đến mô hình Các giá trị... dispersion models Volume I - User instructions 24 2 BÀI THỰC HÀNH 2 TÍNH TOÁN SỰ PHÁT TÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ THEO MÔ HÌNH BERLIAND Mô hình Berliand có tên gọi khoa học là mô hình thống kê thủy động dựa trên lý thuyết nửa thứ nguyên (còn gọi là mô hình K) là một trong ba nhóm mô hình chính về khí theo sự phân loại của tổ chức khí tượng thế giới Mô hình này được trường phái khoa học do Berliand (Nga) đứng đầu... Quang, Phạm Ngọc Hồ, 2001 Giáo trình cơ sở lớp biên khí quyển và mô hình hóa bài toán lan truyền bụi Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Khoa Môi trường 90 trang [4] Phạm Ngọc Đăng, 1997 Môi trường không khí Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội [5] Trần Ngọc Chấn, 2000 Ô nhiễm môi trường không khí và xử lý khí thải Tập 1, Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội 214 tr [6] Seifeld J.H.,.. .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... 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 ... 1/Điều kiện nông thôn hay thành thị 2/Độ ổn định của khí quyển 23 2/Nhiệt độ khói thải từ ống khói Hãy chọn các phương án sau đây: a/ 1, 2, 3 b/ 1,3 c/ 1,2 d/ 2,3 8/ Đường đồng mức là gì ? vì sao cần phải xây dựng đường đồng mức Tài liệu tham khảo [1] Bùi Tá Long, 2006 Hệ thống thông tin môi trường Nxb Đại học Quốc gia TP HCM, 334 trang [2] Bùi Tá Long, 2008 Mô hình hóa môi trường Nxb Đại học Quốc gia... học do Berliand (Nga) đứng đầu nghiên cứu và áp dụng ở Liên Xô Ở Việt Nam, mô hình này đã được nghiên cứu và triển khai từ những năm 70 của thế kỷ trước 2.1 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 Berliand 2.2 Mô tả phương pháp giải Hình 2.1 Sơ đồ khuếch tán luồng khí thải dọc theo chiều gió Cơ sở của phương... 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 Chọn kịch bản Gauss Chọn tên kịch bản “Bai tap 1” Sau khi nhập các thông số bước 1, ta click vào để nhập tiếp thông số bước 2 Hình 1.11 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 2 Tên lưới Thông số thuộc tính - Tọa độ X,Y lưới... 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... 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 ... tiêu Bài tập thực hành mô hình hóa môi trường giúp cho sinh viên, học viên, nghiên cứu sinh làm quen với giải tập môn học mô hình hóa môi trường Sau lần xuất sách giáo trình Mô hình hóa môi trường ... môi trường khí, nước 3/ Làm rõ vai trò tầm quan trọng phương pháp mô hình hóa dự báo toán môi trường 4/Cung cấp cho sinh viên học viên khối lượng kiến thức toàn diện phương pháp mô hình hóa môi. .. chạy mô hình Hình 1.12 Thông báo mô hình thực Hình 1.13 Kết chạy mô hình dạng đường đồng mức 1.4.4 Xử lý kết mô Để tính vệt nâng cột khói chọn công cụ công cụ chọn Menu Mô hình Thông số mô hình,