Bài tập thực hành Mô hình hóa môi trường (Phần 2)

81 4. BÀI THỰC HÀNH 4. TÍNH TOÁN Ô NHIỄM CHO TRƯỜNG HỢP NHIỀU NGUỒN THẢI Tính toán phân bố ô nhiễm trong bài thực hành 5 áp dụng cho phạm vi thời gian dài hạn được thực hiện cho một nguồn thải. Bên cạnh đó, khi tính toán hay dự báo mức ô nhiễm cho một vùng nào đó cần phải tính được sự phân bố nồng độ tức thời hay dài hạn cho nhiều nguồn thải. Về phương pháp tính cho nhiều nguồn được trình bày trong tài liệu [2]. 4.1. Mục tiêu Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán sự phân bố ô nhiễm trong môi trường không khí trên một vùng cho nhiều nguồn thải cả trường hợp tức thời lẫn trung bình trong một phạm vi thời gian dài. 4.2. Mô tả phương pháp Quy tắc chung tính toán nồng độ tức thời hay trung bình cho nhiều nguồn thải được trình bày trong [1]-[4]. Cũng giống như bài thực hành 3, để tính toán nồng độ trung bình cho thời gian ngắn, như trung bình ngày đêm hay lâu hơn cần đơn giản hóa vấn đề bằng cách giả thiết rằng trong từng mùa nhất định, hè hoặc đông, cấp ổn định của khí quyển có thể thay đổi xung quanh một cấp trung bình nào đó và ta chỉ tính toán đối với cấp ổn định trung bình ấy. Ngoài ra, các cấp vận tốc gió có thể được thay thế bằng trị số vận tốc gió trung bình uTB(a) trên một hướng a nào đó cùng với tần suất xuất hiện của gió P(a) còn có tần suất lặng gió Plặng. Phương pháp tính toán tần suất này được trình bày trong bài thực hành 3. Lưu ý rằng thực tế đo đạc tại nhiều trạm quan trắc khí tượng tại các tỉnh thành Việt Nam cho thấy tại nhiều tỉnh thành thời gian lặng gió có những tháng chiếm trên 50% khoảng thời gian quan trắc. Bên cạnh đó phương pháp Gauss – Pasquill không cho phép tính toán trường hợp lặng gió do vậy để tính toán nồng độ trung bình nên dựa vào phương pháp Berliand ứng với cả hai trường hợp: có gió và lặng gió. Các mô hình tính toán thực tế đã được thực hiện trong /[1]/. Trong mục này xem xét ứng dụng mô hình Berliand cho trường hợp nhiều nguồn thải với thời gian tính tức thời hay trung bình. 82 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 L (m3/s) hoặc vận tốc luồng khí phụt ra W0(m/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính M (g/s), nhiệt độ của khói thải Tr (ºC); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng đo được tại trạm khí tượng gần nhất với khu vực được lựa chọn cho tính toán, nếu tính tức thời cần: vận tốc gió ở độ cao 10 m (m/s), nhiệt độ của khí quyển tại mặt đất Tk (0C), hệ số lưu ý tới sự biến đổi tốc độ gió theo độ cao n, nhiệt độ của khí quyển tại mức 850 HPa Tk 850 (0C), thời điểm của kịch bản (t0), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 2 m T k,2 (0C), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 0,5 m T k,0.5 (0C), hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang k0 (m), hệ số khuếch tán rối đứng tại độ cao 1 m so với mặt đất k1 (m2/s) tại thời điểm cần tính. Nếu tính trung bình cần chuỗi số liệu đo đạc theo thời gian các tham số kể trên. Ngoài ra gia tốc trọng trường được chọn g = 9,81 m/s2. Với bụi nặng cần thêm khối lượng riêng của hạt bụi rp (g/cm3) và bán kính của hạt bụi rp(mm). 4.2.1. Công thức tính toán nồng độ do nhiều nguồn thải Công thức tính toán ảnh hưởng của ô nhiễm do nhiều nguồn thải gây ra cho một vùng được thể hiển bởi công thức : ( ) ( ) ( ) 1 1 [ ] n m xy tong lang lang i i i C P C k Ca a a= = = +å å - Cxy(tổng) - nồng độ tổng cộng trung bình do n nguồn thải gây ra tại điểm tính toán; - Clặng(i) -nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán khi lặng gió; - Ca(i) - nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán khi có gió thổi theo hướng a 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); - m là số hướng gió. 4.2.2. Chuẩn bị số liệu cho tính toán 83 Tính toán ô nhiễm cho một vùng gồm nhiều nguồn thải đòi hỏi phải chuẩn bị các nhóm số liệu về nguồn thải và khí tượng. Mẫu số liệu cần thu thập với nguồn thải được xác định trong Bảng 4-1, trong đó cần chỉ ra số lượng nguồn thải tham ra tính toán cùng chiều cao, đường kính, đặc biệt là tọa độ (hệ tọa độ UTM), mẫu số liệu khí tượng cần thu thập được xác định trong Bảng 4-2, trong đó chỉ rõ thời điểm số liệu được ghi nhận cùng nhiệt độ, hướng gió và vận tốc gió. Bảng 4-1. Các dữ liệu về nguồn thải cần cho tính toán STT Tên Chiều cao (m) Đường kính (m) Tọa độ X Tọa độ Y 1 OK01 10 0,4 401258,71 1208907,03 2 OK02 8 0,3 401145,14 1207886,82 3 OK03 18 0,6 402558,70 1208564,86 4 OK04 8 0,3 403012,67 1208345,55 5 OK05 8 0,3 402602,01 1208362,95 Bảng 4-2. Chuỗi số liệu khí tượng đo đạc được theo thời gian Số thứ tự Ngày tháng năm Thời điểm Nhiệt độ không khí (0C) Nhiệt độ 2m (0C) Nhiệt độ 0,5 m (0C) Vận tốc gió (m/s) Hướng gió 1 1/1/2007 1 26,2 26,6 27,2 0 Lặng gió 2 1/1/2007 7 26 26,1 26,4 1 Đông 3 1/1/2007 13 30,1 30,5 31,3 0 Lặng gió 4 1/1/2007 19 27,7 28 28,5 1 Đông 5 2/1/2007 1 26,3 26,6 27,2 1 Tây Nam 6 2/1/2007 7 25,8 26 26,5 0 Lặng gió 7 2/1/2007 13 30,9 31,5 32 1 Tây 8 2/1/2007 19 29,6 30 30,5 2 Tây Bắc 9 3/1/2007 1 27,1 27,5 27,6 0 Lặng gió 10 3/1/2007 7 26,1 26,5 27 2 Đông Bắc 11 3/1/2007 13 31,4 32 32,3 1 Nam 12 3/1/2007 19 27,3 27,6 28,2 2 Tây Nam 13 4/1/2007 1 26,4 26,8 27,2 0 Lặng gió 14 4/1/2007 7 25,8 26,0 26,7 0 Lặng gió 15 4/1/2007 13 31,6 32 32,5 1 Đông 84 16 4/1/2007 19 29,6 30 30,5 1 Đông Thông tin được chỉ ra trong Bảng 4-1, Bảng 4-2 chưa đủ để tính toán mà cần được bổ sung thêm các tham số phát thải thay đổi theo thời gian (Bảng 4-3). Kết quả này được lấy ra từ báo cáo đánh giá tác động môi trường. Bảng 4-3. Các tham số phát thải cho các nguồn thải ngày 3/1/2007 STT Tên Nồng độ NO2 (g/m3) Nhiệt độ khí (0C) Tốc độ khí phụt (m/s) 1 OK01 6,000 150 1,1 2 OK02 9,300 180 0,6 3 OK03 3,984 200 1,2 4 OK04 0,204 150 0,1 5 OK05 9,300 180 0,1 Bảng 4-4. Các vị trí cần tính toán mức độ ảnh hưởng STT Mã điểm Địa chỉ X Y 1 EC1 Quốc lộ 1 402003 1207829 2 EC2 Quốc lộ 2 402430 1207859 Bảng 4-5. Khoảng cách giữa các nguồn thải và điểm cần tính (m) OK1 OK2 OK3 OK4 OK5 EC1 EC2 OK01 0 1027 1344 1842 1449 1310 1572 OK02 1027 0 1568 1923 1533 860 1285 OK03 1344 1568 0 504 207 922 717 OK04 1842 1923 504 0 411 1134 759 OK05 1449 1533 207 411 0 802 532 EC1 1310 860 922 1134 802 0 428 EC2 1572 1285 717 759 532 428 0 Cuối cùng cần chỉ ra những vị trí cần tính toán (Bảng 4-4) và khoảng cách giữa các nguồn thải cũng như giữa các nguồn thải với điểm EC1, EC2 (Bảng 4-5). Bài 4.1. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-1 và được thể hiện Hình 4.1. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-2. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-3. Hãy tính nồng độ NO2 tại các 85 điểm EC1, EC2 vào các thời điểm trong ngày 3/1/2007 cũng như nồng độ trung bình ngày chất NO2. Hình 4.1. Vị trí các nguồn thải và các điểm được chọn để tính toán 86 Hình 4.2. Các vị trí cần tính EC1, EC2 nằm gần đường quốc lộ. Bài 4.2. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-2. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-3. Hãy tính nồng độ các chất ô nhiễm tại các điểm EC1, EC2 vào các thời điểm trong ngày 3/1/2007 cũng như nồng độ trung bình ngày chất NO2. Bảng 4-6. Các dữ liệu về nguồn thải cần cho tính toán STT Tên Chiều cao (m) Đường kính (m) Tọa độ X Tọa độ Y 1 OK01 20 0,6 401258,71 1208907,03 2 OK02 18 0,4 401145,14 1207886,82 3 OK03 18 0,6 402558,70 1208564,86 87 4 OK04 28 0,6 403012,67 1208345,55 5 OK05 28 0,6 402602,01 1208362,95 Bài 4.3. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-2. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-7. Hãy tính nồng độ NO2 tại các điểm EC1, EC2 vào các thời điểm trong ngày 3/1/2007 cũng như nồng độ trung bình ngày chất NO2. Bảng 4-7. Các tham số phát thải cho các nguồn thải ngày 3/1/2007 STT Tên Nồng độ NO2 (g/m3) Nhiệt độ khí (0C) Tốc độ khí phụt (m/s) 1 OK01 60,00 150 1,1 2 OK02 93,00 180 0,6 3 OK03 39,84 200 1,2 4 OK04 2,04 150 0,1 5 OK05 93,00 180 0,1 Bài 4.4. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Giả thiết rằng các nguồn thải này hoạt động liên tục trong suốt tháng. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-7. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-8. Hãy tính nồng độ trung bình chất NO2 tháng 1/2007 tại các điểm EC1, EC2. Bảng 4-8. Chuỗi số liệu khí tượng đo đạc được theo thời gian trong tháng 1/2007 STT Ngày tháng năm Thời gian Nhiệt độ Tốc độ gió Hướng gió 1 1/1/2007 1 26.2 0 Lặng gió 2 1/1/2007 7 26 1 Đông 3 1/1/2007 13 30.1 0 Lặng gió 4 1/1/2007 19 27.7 1 Đông 5 2/1/2007 1 26.3 1 Tây Nam 6 2/1/2007 7 25.8 0 Lặng gió 7 2/1/2007 13 30.9 1 Tây 8 2/1/2007 19 29.6 2 Tây Bắc 9 3/1/2007 1 27.1 0 Lặng gió 10 3/1/2007 7 26.1 2 Đông Bắc 11 3/1/2007 13 31.4 1 Nam 12 3/1/2007 19 27.3 2 Tây Nam 88 13 4/1/2007 1 26.4 0 Lặng gió 14 4/1/2007 7 25.8 0 Lặng gió 15 4/1/2007 13 31.6 1 Đông 16 4/1/2007 19 29.6 1 Đông 17 5/1/2007 1 27.2 0 Lặng gió 18 5/1/2007 7 26.4 0 Lặng gió 19 5/1/2007 13 30 2 Nam 20 5/1/2007 19 28 1 Đông 21 6/1/2007 1 26.5 1 Đông Bắc 22 6/1/2007 7 25.7 1 Đông 23 6/1/2007 13 30.2 1 Tây 24 6/1/2007 19 27.4 1 Đông Bắc 25 7/1/2007 1 25.7 0 Lặng gió 26 7/1/2007 7 24.6 1 Tây Bắc 27 7/1/2007 13 27.9 1 Đông Nam 28 7/1/2007 19 25.2 0 Lặng gió 29 8/1/2007 1 23 0 Lặng gió 30 8/1/2007 7 22.7 0 Lặng gió 31 8/1/2001 13 30.1 1 Tây 32 8/1/2007 19 27.8 1 Bắc 33 9/1/2007 1 25.4 0 Lặng gió 34 9/1/2007 7 23.8 0 Lặng gió 35 9/1/2007 13 31.2 2 Đông Bắc 36 9/1/2007 19 27.8 2 Tây Nam 37 10/1/2007 1 24.7 0 Đông Bắc 38 10/1/2007 7 23.4 0 Lặng gió 39 10/1/2007 13 32.2 1 Bắc 40 10/1/2007 19 27.8 2 Nam 41 11/1/2007 1 25.6 1 Đông 42 11/1/2007 7 23.6 2 Đông Bắc 43 11/1/2007 13 31.4 2 Tây 44 11/1/2007 19 27.8 2 Đông Nam 45 12/1/2007 1 26.3 1 Đông Bắc 46 12/1/2007 7 25 0 Lặng gió 47 12/1/2007 13 31.4 3 Đông Nam 48 12/1/2007 19 30.1 2 Nam 49 13/01/2007 1 26.8 0 Lặng gió 50 13/01/2007 7 24.4 1 Nam 51 13/01/2007 13 32.9 1 Tây 52 13/01/2007 19 29 2 Đông Nam 53 14/01/2007 1 25.8 1 Đông Bắc 89 54 14/01/2007 7 24.4 0 Lặng gió 55 14/01/2007 13 31.6 0 Lặng gió 56 14/01/2007 19 28.2 1 Nam 57 15/01/2007 1 26.1 1 Đông Bắc 58 15/01/2007 7 24.7 1 Đông Nam 59 15/01/2007 13 31.7 2 Tây Nam 60 15/01/2007 19 28.2 2 Nam 61 16/01/2007 1 27.2 1 Đông Nam 62 16/01/2007 7 25.3 1 Bắc 63 16/01/2007 13 33.6 1 Nam 64 16/01/2007 19 29.6 2 Nam 65 17/01/2007 1 27.4 1 Đông Nam 66 17/01/2007 7 25.6 0 Lặng gió 67 17/01/2007 13 32.4 1 Tây Nam 68 17/01/2007 19 29.6 1 Nam 69 18/01/2007 1 26.6 1 Tây 70 18/01/2007 7 26.2 1 Tây Nam 71 18/01/2007 13 32.2 2 Tây Nam 72 18/01/2007 19 28.8 2 Tây Nam 73 19/01/2007 1 27.1 1 Tây Nam 74 19/01/2007 7 25.4 1 Bắc 75 19/01/2007 13 33.2 1 Tây Nam 76 19/01/2007 19 28.6 3 Tây Nam 77 20/01/2007 1 26 1 Tây 78 20/01/2007 7 25.2 1 Tây Nam 79 20/01/2007 13 32.5 1 Tây Nam 80 20/01/2007 19 28.9 2 Tây Nam 81 21/01/2007 1 26.2 1 Tây Nam 82 21/01/2007 7 24.8 0 Lặng gió 83 21/01/2007 13 33 1 Tây Nam 84 21/01/2007 19 28.6 3 Tây Nam 85 22/01/2007 1 26.3 1 Tây Nam 86 22/01/2007 7 24.8 1 Bắc 87 22/01/2007 13 32.9 1 Tây 88 22/01/2007 19 30.4 1 Nam 89 23/01/2007 1 26.9 0 Lặng gió 90 23/01/2007 7 24.2 1 Đông Nam 91 23/01/2007 13 32.9 1 Bắc 92 23/01/2007 19 28.4 1 Tây 93 24/01/2007 1 26.4 0 Lặng gió 94 24/01/2007 7 24.5 0 Lặng gió 90 95 24/01/2007 13 33.4 2 Đông 96 24/01/2007 19 28.4 2 Tây Nam 97 25/01/2007 1 25.3 1 Đông 98 25/01/2007 7 23.8 0 Lặng gió 99 25/01/2007 13 31 2 Đông Nam 100 25/01/2007 19 27.6 2 Nam 101 26/01/2007 1 25.2 0 Lặng gió 102 26/01/2007 7 22.2 0 Lặng gió 103 26/01/2007 13 30.7 2 Tây Nam 104 26/01/2007 19 27.2 2 Nam 105 27/01/2007 1 24.8 1 Đông Nam 106 27/01/2007 7 22.4 1 Đông Bắc 107 27/01/2007 13 31.3 1 Đông 108 27/01/2007 19 26.8 3 Tây Nam 109 28/01/2007 1 23.8 0 Lặng gió 110 28/01/2007 7 21 0 Lặng gió 111 28/01/2007 13 30.2 1 Tây Nam 112 28/01/2007 19 26.5 1 Tây Nam 113 29/01/2007 1 22.8 1 Đông 114 29/01/2007 7 19.8 0 Lặng gió 115 29/01/2007 13 29.2 1 Tây 116 29/01/2007 19 25.7 1 Tây Nam 117 30/01/2007 1 23 1 Đông Bắc 118 30/01/2007 7 19 1 Bắc 119 30/01/2007 13 29.4 1 Đông Bắc 120 30/01/2007 19 25.3 2 Tây Nam 121 31/01/2007 1 22 1 Tây Bắc 122 31/01/2007 7 19.6 1 Đông Bắc 123 31/01/2007 13 29.5 1 Đông 124 31/01/2007 19 25.9 1 Tây Nam Bài 4.5. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Giả thiết rằng các nguồn thải này hoạt động liên tục trong suốt tháng. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-9. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-8. Hãy tính nồng độ trung bình bụi nặng trong tháng 1/2007. Kết quả xuất ra tại các điểm EC1, EC2. Bảng 4-9. Các tham số phát thải cho các nguồn thải tháng 1/2007 STT Tên Bụi nặng (g/m3) Nhiệt độ khí (0C) Tốc độ khí phụt (m/s) 91 1 OK01 30,00 150 1,1 2 OK02 35,50 180 1,6 3 OK03 19,50 200 1,2 4 OK04 10,20 150 1,1 5 OK05 19,30 180 1,1 4.3. Các bước giải bài tập Chuẩn bị các thông số đầu vào: gồm ba nhóm dữ liệu chính. Nhóm thứ nhất gồm: chiều cao, đường kính các ống khói tham gia tính toán (Bảng 4-1); nhóm thứ hai - các thông số phát thải: lưu lượng khí thải L (m3/s) hoặc vận tốc luồng khí phụt ra W0(m/s), tải lượng chất ô nhiễm cần tính M (g/s), nhiệt độ của khói thải Tr (ºC) của các ống khói tham gia tính toán (Bảng 4-3); nhóm thứ ba – các thông số khí tượng đo được tại trạm khí tượng gần nhất với khu vực được lựa chọn cho tính toán, nếu tính tức thời cần: vận tốc gió ở độ cao 10 m (m/s), nhiệt độ của khí quyển tại mặt đất Tk (0C), hệ số lưu ý tới sự biến đổi tốc độ gió theo độ cao n, nhiệt độ của khí quyển tại mức 850 HPa Tk 850 (0C) (số liệu này có thể không có), thời điểm của kịch bản (t0), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 2 m T k,2 (0C), nhiệt độ khí quyển tại độ cao 0,5 m T k,0.5 (0C) được cho trong Bảng 4-2. Các số liệu này được sử dụng để tính hệ số phạm vi khuếch tán rối ngang k0 (m), hệ số khuếch tán rối đứng tại độ cao 1 m so với mặt đất k1 (m2/s) tại thời điểm cần tính. Nếu tính trung bình cần chuỗi số liệu đo đạc theo thời gian các tham số kể trên. Ngoài ra gia tốc trọng trường được chọn g = 9,81 m/s2. Với bụi nặng cần thêm khối lượng riêng của hạt bụi rp (g/cm3) và bán kính của hạt bụi rp(mm). Trình tự các bước tính toán bài 4.1: 1. Xác định k1, k0 được xác định theo các bước: 2 0.5V V VD = - ; ,0,5 ,2k kT T TD = - ; ( )1 2 0,104 1 1,38 Tk V V é ùD = ×D × +ê ú Dê úë û Dựa trên giá trị k1 vừa mới được tính trong bước trên ta tính 2 1 2 1 0,05 2h z kk z w = , trong đó 1 1 0,05 2 z kh z w = , 57, 29.10zw - -= 1grad , z1 = 1 (m). Sử dụng công thức 92 10 10 n h hV V æ ö= ç ÷ è ø để tính Vh và k0 được xác định như sau: 0 h hk k V= Bảng 4-10. Kết quả tính toán hệ số k1, k0 cho ngày 3/1/2007 Thời điểm V2 (m/s) V0,5 (m/s) DV (m/s) DT (0C) k1 (m2/s) Kh (1/s) H (m) Vh (m/s) k0 (m) 1 0,38 0,30 0,08 0,10 0,19 12,13 64,49 0,69 17,67 7 1,52 1,20 0,32 0,50 0,26 22,81 88,44 2,90 7,87 13 0,76 0,60 0,16 0,30 0,29 28,09 98,15 1,47 19,05 19 1,52 1,20 0,32 0,60 0,30 31,45 103,85 2,98 10,56 Dựa trên chuỗi số liệu được cho trong cột 5, 6 Bảng 4-2 ta tính được các hệ số k1, k0 tại các thời điểm 1, 7, 13, 19. Kết quả này được thể hiện trên Bảng 4-10. 2. Dựa trên Bảng 4-2 có thể thấy rằng trong ngày 3/1/2007 xảy ra bốn loại hướng gió gồm: Lặng gió, Đông Bắc, Nam, Tây Nam. Với vị trí như được thể hiện trên Hình 4.1 trong bài này chỉ cần tính cho hai trường hợp đầu là : lặng gió và đông bắc. Các bước tính toán được thực hiện giống như trong mục 3.3. Kết quả tính toán được thể hiện trong Bảng 4-12 và Bảng 4-12. Bảng 4-11. Kết quả tính toán ảnh hưởng lên điểm EC1 (Bài 6.1) Thời gian OK1 OK2 OK3 OK4 OK5 Tổng hợp Thứ nguyên mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 1g 0,000341 0,000378 0,001041 0,000001 0,000073 0,001833 7g 0 0 0,008135 0 0,000841 0,008976 13g 0 0 0 0 0 0 19g 0 0 0 0 0 0 Trung bình 0,000061 0,000068 0,002135 0 0,000177 0,002442 Bảng 4-12. Kết quả tính toán ảnh hưởng lên điểm EC2 (Bài 6.1) OK1 OK2 OK3 OK4 OK5 Tổng hợp Thứ nguyên mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 1g 0,000238 0,00017 0,001673 0,000002 0,000164 0,002246 7g 0 0 3,00E-06 1,80E-05 4,90E-05 7,00E-05 13g 0 0 0 0 0 93 17g 0 0 0 0 0 Trung bình 0,000043 0,000031 0,000319 0,000004 0,000074 0,000471 Cột cuối cùng là ảnh hưởng tổng hợp từ tất cả các nguồn lên các điểm EC1, EC2 với thời gian tức thời ứng với các mốc 1g, 7g, 13g, 19g. Hàng dưới cùng chính là nồng độ trung bình ngày Nhận xét: Có thể thấy rằng hai thời điểm trong ngày là lúc 1g và 7g có ảnh hưởng tới hai điểm EC1 và EC2 tuy rằng ảnh hưởng này là khá nhỏ do khoảng cách từ các ống khói tới chúng là khá lớn trong khi các ống khói có độ cao hạn chế. Các bước giải bài tập này với ứng dụng của phần mềm tính toán chuyên dụng được thể hiện trên Hình 4.4 - Hình 4.16. Trình tự các bước tính toán bài 4.2: 1. Xác định k1, k0 được xác định theo các bước giống như bài trước. Do trong bài này sử dụng bộ số liệu khí tượng giống bài trước cho nên kết quả tính toán k1, k0 được thể hiện trên Bảng 4-10. 2. Các bước tính toán được thực hiện giống như trong mục 3.3. Kết quả tính toán được thể hiện trong Bảng 4-13 và Bảng 4-14. Bảng 4-13. Kết quả tính toán ảnh hưởng lên điểm EC1 (Bài 6.2) Thời gian OK1 OK2 OK3 OK4 OK5 Tổng hợp Thứ nguyên mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 1g 0,0048 0,004193 0,006968 0,00002 0,001799 0,01778 7g 0 0 0,025344 2E-06 0,004322 0,029667 13g 0 0 0 0 0 0 19g 0 0 0 0 0 0 Trung bình 0,0012 0,001048 0,008078 5E-06 0,00153 0,011862 Bảng 4-14. Kết quả tính toán ảnh hưởng lên điểm EC2 (Bài 6.2) Thời gian OK1 OK2 OK3 OK4 OK5 Tổng hợp Thứ nguyên mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 1g 0,00334 0,001882 0,001455 0,000044 0,00406 0,020781 7g 0 0 1,00E-06 8,10E-05 3,50E-05 0,000117 13g 0 0 0 0 0 0 94 19g 0 0 0 0 0 0 Trung bình 0,000835 0,00047 0,002864 3,1E-05 0,001024 0,005224 Nhận xét: Khi kích thước nguồn thải tăng lên rõ ràng các điểm EC1, EC2 sẽ chịu nhiều ảnh hưởng hơn. Bên cạnh đó có thể thấy rằng ảnh hưởng của từng nguồn lên các điểm EC1, EC2 không như nhau. Vào thời điểm 1g nguồn OK01 ảnh hưởng lên điểm EC1, EC2 nhiều nhật. Vào lúc 7g nguồn OK03 ảnh hưởng tới EC1 nhiều nhất. Trình tự các bước tính toán bài 6.3: Các bước được thực hiện giống như bài trước. Kết quả tính toán được thể hiện trong Bảng 4-15 và Bảng 4-16. Bảng 4-15. Kết quả tính toán ảnh hưởng lên điểm EC1 (Bài 6.3) Thời gian OK1 OK2 OK3 OK4 OK5 Tổng hợp Thứ nguyên mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 1g 0,048002 0,041929 0,069684 0,000198 0,017987 0,177801 7g 0 0 0,253438 1,6E-05 0,043218 0,296672 13g 0 0 0 0 0 0 19g 0 0 0 0 0 0 Trung bình 0,012001 0,041929 0,080781 5,4E-05 0,015301 0,11861825 Bảng 4-16. Kết quả tính toán ảnh hưởng lên điểm EC2 (Bài 6.3) Thời gian OK1 OK2 OK3 OK4 OK5 Tổng hợp Thứ nguyên mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 mg/m3 1g 0,033402 0,01882 0,114546 0,000441 0,040599 0,207808 7g 0 0 1,300E-05 0,000805 0,000348 0,001166 13g 0 0 0 0 0 0 19g 0 0 0 0 0 0 Trung bình 0,008351 0,01882 0,02864 0,000312 0,010237 0,0522435 Nhận xét: Khi tải lượng ô nhiễm tăng lên (xem Bảng 4-3, Bảng 4-7) ảnh hưởng của các nguồn thải lên các điểm EC1, EC2 cũng thay đổi theo chiều hướng tăng lên. Trình tự các bước tính toán bài 4.4: Các bước được thực hiện như sau: 1. Dựa trên Bảng 4-8 tính tần suất các hướng gió xuất hiện trong tháng và vận tốc trung bình theo từng hướng gió. Kết quả được thể hiện trong Bảng 4-17. 95 Bảng 4-17. Bảng tần suất và vận tốc gió trung bình theo các hướng STT Hướng Vận tốc (m/s) Tần suất (P) % 1 Lặng < 1,0 25 2 Bắc 1,0 5,65 3 Đông 1,08 9,68 4 Đông Bắc 1,25 9,68 5 Đông Nam 1,5 8,06 6 Nam 1,54 10,48 7 Tây 1,1 8,06 8 Tây Bắc 1,33 2,42 9 Tây Nam 1,58 20,97 2. Với mỗi hướng gió trong Bảng 4-17 tính nồng độ tại các điểm EC1, EC2 do tổng hợp của 5 nguồn thải OK01, OK02, OK03, OK04, OK05 theo phương pháp được thực hiện trong mục 2 (phần mô hình Berliand). Lưu ý rằng khi tính toán trung bình theo tháng các hệ số k1, k0, n được tính toán theo phương pháp được chỉ ra trong 2.2.2. Cụ thể là k1=0,03 (m2/s), k0=9,81 (m), n=0,19. Kết quả tính toán này được thể hiện trên các cột 5, 6 trong Bảng 4-18. 3. Áp dụng công thức 5 8 ( ) ( ) ( ) 1 1 [ ]xy tong lang lang i i i C P C k Ca a a= = = +å å - Cxy(tổng) - nồng độ tổng cộng trung bình do 5 nguồn thải OK01, OK02, OK03, OK04, OK05 gây ra tại điểm tính toán EC1 hay EC2; - Clặng(i) -nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán EC1 hay EC2 khi lặng gió, trong đó i=OK01, OK02, OK03, OK04, OK05; - Ca(i) - nồng độ tức thời do nguồn thải thứ i gây ra tại điểm tính toán khi có gió thổi theo hướng a 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 cho tháng đó. Trong bài toán này a = (Bắc, Đông, Đông Bắc, Đông Nam, Nam, Tây, Tây Bắc, Tây Nam). 96 - m là số hướng gió. Trong bài toán này m = 8. Kết quả áp dụng công thức này được thể hiện tại các cột 7, 8 Bảng 4-18. Bảng 4-18. Kết quả tính toán theo từng hướng gió và giá trị trung bình theo các hướng STT Hướng Vận tốc (m/s) Tần suất (P) (%) Nồng độ theo hướng gió (mg/m3) Kết quả nồng độ có lưu ý tới tần suất (mg/m3) EC1 EC2 EC1 EC2 1 Lặng < 1,0 25 0,17778 0,207776 0,044445 0,051944 2 Bắc 1,0 5,65 1,77E-05 0,44531 0,000001 0,02516 3 Đông 1,08 9,68 0,000 0,000 0,000 0,000 4 Đông Bắc 1,25 9,68 0,443688 0,006188 0,042949 0,000599 5 Đông Nam 1,5 8,06 0,000 0,000 0,000 0,000 6 Nam 1,54 10,48 0,000 0,000 0,000 0,000 7 Tây 1,1 8,06 0,335608 0,246439 0,02705 0,019863 8 Tây Bắc 1,33 2,42 0,183223 0,404421 0,004434 0,009787 9 Tây Nam 1,58 20,97 0,000 0,000 0,000 0,000 Nồng độ tổng hợp theo tất cả hướng gió và của 5 nguồn thải 0,118879 0,107353 Trình tự các bước tính toán bài 4.5: Các bước được thực hiện như sau: 1. Cũng giống bài trước, dựa trên Bảng 4-8 tính tần suất các hướng gió xuất hiện trong tháng và vận tốc trung bình theo từng hướng gió. Kết quả được thể hiện trong Bảng 4-17. 2. Với mỗi hướng gió trong Bảng 4-17 tính nồng độ tại các điểm EC1, EC2 do tổng hợp của 5 nguồn thải OK01, OK02, OK03, OK04, OK05 theo phương pháp được thực hiện trong mục 2 (phần mô hình Berliand). Lưu ý rằng khi tính toán trung bình theo tháng các hệ số k1, k0, n được tính toán theo phương pháp được chỉ ra trong 2.2.2. Cụ thể là k1=0.03 (m2/s), k0=9.81 (m), n=0.19. Kết quả tính toán này được thể hiện trên các cột 5, 6 trong Bảng 4-19, Bảng 4-18. Bảng 4-19. Kết quả tính toán theo từng hướng gió và giá trị trung bình theo các hướng STT Hướng Vận tốc (m/s) Tần suất (P) (%) Nồng độ theo hướng gió (mg/m3) Kết quả nồng độ có lưu ý tới tần suất (mg/m3) 97 EC1 EC2 EC1 EC2 1 Lặng < 1,0 25 0,000704 1,24E-04 0,000176 3,1E-05 2 Bắc 1,0 5,65 0,00 1,64E-02 0,00 0,000925 3 Đông 1,08 9,68 0,00 0,00 0,00 0,00 4 Đông Bắc 1,25 9,68 0,011364 3,33E-03 0,0011 0,000322 5 Đông Nam 1,5 8,06 0,00 0,00 0,00 0,00 6 Nam 1,54 10,48 0,00 0,00 0,00 0,00 7 Tây 1,1 8,06 0,003052 5,83E-04 0,000246 4,7E-05 8 Tây Bắc 1,33 2,42 0,00186 2,15E-03 4,5E-05 5,2E-05 9 Tây Nam 1,58 20,97 0,00 0,00 0,00 0,00 Nồng độ tổng hợp theo tất cả hướng gió và của 5 nguồn thải 0.001567 0.001377 3. Áp dụng công thức tính tổng ta nhận được kết quả trong cột 7, 8 Bảng 4-19. Lưu ý: Kết quả bài 4.4, 4.5 cho thấy trong trường hợp bụi nặng, sự phát tán ô nhiễm xảy ra tại các điểm gần nguồn thải. Tại các điểm EC1, EC2 nồng độ bụi nặng thấp hơn nhiều so với chất khí NO2. 4.4. Ứng dụng phần mềm ENVIMAP Hình 4.3. Các nhóm thông tin cần thiết cho phần mềm ENVIMAP 4.4.1. Dữ liệu ống khói Nhập thông số cho nguồn thải: Vào menu “Thông tin” à “Ống khói” 98 Dùng nút điều khiển trên thanh điều khiển , khi đó sẽ xuất hiện dòng mới trên cửa sổ thông tin ống khói. Nhập các thông số ống khói tương ứng như được chỉ ra trên Hình 4.4. Tiếp theo chọn chức năng Phát thải tại ống khói trong menu Số liệu như được chỉ ra trên Hình 4.5. Hình 4.4. Nhập các thông số liên quan tới nguồn thải 4.4.2. Nhập thông số phát thải Các bước được thể hiện trên các Hình 4.5- Hình 4.8. 99 Hình 4.5. Lựa chọn chức năng nhập thông số phát thải Hình 4.6. Bước chọn ngày tháng năm có số liệu phát thải 100 Hình 4.7. Bước chọn chất ô nhiễm Hình 4.8. Bước nhập các thông số phát thải cho các ống khói 4.4.3. Xây dựng kịch bản Để xây dựng kịch bản ta chọn chức năng trong menu Kịch bản\Kịch bản Berliand. Các bước tiếp theo được thể trên các Hình 4.10- Hình 4.13. Hình 4.9. Chức năng tạo kịch bản 101 Hình 4.10. Nhập thông tin cho kịch bản tính NO2 tại thời điểm 1 giờ Hình 4.11. Nhập dữ liệu khí tượng cho kịch bản Lưu ý rằng trên Hình 4.12 đã nhập các thông số Berliand cho bài tập 7.1. 102 Hình 4.12. Nhập thông số Berliand cho kịch bản Hình 4.13. Nhập số liệu phát thải cho ống khói OK1 4.4.4. Chạy kịch bản Các bước chạy kịch bản và kết quả chạy kịch bản được thể hiện trên các Hình 4.14- Hình 4.16. 103 Hình 4.14. Kích hoạt nút chạy mô hình để thực hiện bước đầu tiên Hình 4.15. Bước hình thành lưới tính 104 Hình 4.16. Kết quả chạy kịch bản 4.5. Bài tập tự giải Bài 4.6. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-1 và được thể hiện Hình 4.1. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-2. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-3. Hãy tính nồng độ NO2 tại điểm EC3 (401322,25; 1207890,52) vào các thời điểm trong ngày 3/1/2007 cũng như nồng độ trung bình ngày chất NO2. Bài 4.7. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-2. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-3. Hãy tính nồng độ các chất ô nhiễm tại các điểm EC3 vào các thời điểm trong ngày 3/1/2007 cũng như nồng độ trung bình ngày chất NO2. 105 Bài 4.8. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-2. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-7. Hãy tính nồng độ NO2 tại các điểm EC3 vào các thời điểm trong ngày 3/1/2007 cũng như nồng độ trung bình ngày chất NO2. Bài 4.9. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Giả thiết rằng các nguồn thải này hoạt động liên tục trong suốt tháng. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-7. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-8. Hãy tính nồng độ trung bình chất NO2 tháng 1/2007 tại điểm EC3. Bài 4.10. Một khu vực công nghiệp có 5 nguồn thải đang hoạt động với các thông số ống khói được cho trong Bảng 4-6 và được thể hiện Hình 4.1. Giả thiết rằng các nguồn thải này hoạt động liên tục trong suốt tháng. Số liệu phát thải được cho trong Bảng 4-9. Số liệu khí tượng được cho trong Bảng 4-8. Hãy tính nồng độ trung bình bụi nặng trong tháng 1/2007. Kết quả xuất ra tại các điểm EC3. 4.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 1/ Hãy liệt kê các nhóm số liệu cần thiết để tính toán ảnh hưởng tổng hợp nhiều nguồn thải ? 2/ Hãy trình bày phương pháp tính nồng độ trung bình tháng cho nhiều nguồn thải điểm ? 3/ Hãy trình bày sự khác biệt trong tính toán nồng độ tức thời và nồng độ trung bình cho trường hợp nhiều nguồn thải ? 4/ Hãy trình bày phương pháp tính toán các hệ số k1, k0 cho trường hợp tính toán nồng độ tức thời ? Các hệ số này đóng vai trò gì trong công thức tính nồng độ trung bình ? 5/ Hãy trình bày cách tính toán nồng độ trung bình trong phạm vi thời gian xác định cho nhiều nguồn thải điểm ? Ví dụ để tính toán nồng độ trung bình trong một quí hay sáu tháng cần phải có những số liệu gì và cách tiến hành ra sao ? 106 6/ Hãy cho biết nồng độ trung bình và nồng độ tức thời tại một điểm nào đó có sự khác nhau như thế nào ? Nồng độ nào lớn hơn ?. 7/ Hãy cho biết sự khác biệt giữa bụi nặng và bụi nhẹ khi phát tán trên ví dụ bài tập 7.4, 7.5 ? 8/ Hãy trình bày sự khác biệt giữa các bài tập 6.1, 6.2, 6.3, 6.4,6.5 trong việc xác định hệ số kích thước khuếch tán rối ngang k0 ? 9/ Hãy trình bày phương pháp tính toán dự báo cho các kịch bản tương lai. Hãy nêu một số phương án xử lý số liệu xác định các hệ số k1, k0 ? Tài liệu tham khảo [1]. Bùi Tá Long, 2008. Mô hình hóa môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 441 trang. [2]. 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. [3]. Seifeld. J.H., Spyros N.P., 1998. Atmospheric chemistry and physics. From Air pollution to climate change. John Wiley and sons, Inc. 1326 pp. [4]. User's guide for the industrial source complex (ISC3) dispersion models. Volume I - User instructions. 107 5. BÀI THỰC HÀNH 5 : MÔ HÌNH PHELPS – STREETER Người ta thường sử dụng các dòng kênh, sông để pha loãng nước thải. Việc đưa các chất có nhu cầu về oxy, kể cả các chất hữu cơ và vô cơ, vào trong một con sông dẫn tới sự suy giảm hàm lượng oxy hòa tan trong nước sông. Để dự báo mức độ suy giảm oxy, cần phải biết loại chất thải được thải vào sông và bao nhiêu oxy cần thiết để phân hủy chất thải. Oxy được nạp liên tục từ khí quyển và từ sự quang hợp của tảo và các thực vật dưới nước, bên cạnh đó một lượng oxy nhất định lại được tiêu thụ bởi các sinh vật, cho nên nồng độ oxy trong nước sông luôn được xác định bởi các tốc độ tương đối của các quá trình cạnh tranh. Vào năm 1925, Streeter và Phelps đã đưa ra mô hình cho phép giải thích sự biến đổi của DO theo khoảng cách theo hướng dòng chảy của sông do sự phân huỷ BOD, và phương trình toán này được mang tên phương trình Streeter – Phelps. 5.1. Mục tiêu Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán sự phân bố nồng độ ô xy hòa tan dọc theo kênh sông có dòng chảy cho một hay nhiều nguồn thải. 5.2. Mô tả phương pháp Từ 1914 – 1925 Streeter và Phelps đã tiến hành quan trắc chất lượng nước sông Ohio (Mỹ). Từ chuỗi số liệu đo đạc DO dọc theo sông Streeter, Phelps đã xây dựng phương pháp đánh giá ảnh hưởng của nguồn thải lên chất lượng nước sông Ohio. Mô hình này còn được gọi là mô hình BOD/DO bởi lẽ BOD đại diện cho nước thải, DO đại diện cho chất lượng nước sông. Hình 5.1. Nguồn thải và kênh sông tiếp nhận được thải Giả thiết rằng: - Nước thải được thải liên tục vào sông từ vị trí cống xả (Hình 5.1). 108 - Nước sông và nước thải cùng chảy xuôi dòng và được trộn đều tại các mặt cắt ngang của dòng sông. - Không có sự khuếch tán chất thải theo hướng dòng chảy, nghĩa là dòng chảy thuần túy là dòng tải. Độ thiếu hụt oxy được ký hiệu như sau : D=DObh – DO (8.1) Giả sử DObh là hằng số, lấy vi phân phương trình (8.1) ta được : ( ) 0d DO dD dt dt + = suy ra ( )d DO dD dt dt = - (8.2) Do tốc độ DO biến mất xảy ra đồng thời với tốc độ BOD bị phân hủy cho nên ta có phương trình: ( ) ( )d DO dD d BOD dt dt dt = - = - (8.3) Như đã biết BODt được xác định bởi: BODt = Lo - Lt và do Lo là một hằng số, nên khi lấy đạo hàm theo thời gian nó bằng không, từ đó suy ra: tdLd(BOD) = - dt dt Giả thiết rằng tốc độ loại oxy tại bất kỳ vị trí nào trên sông tỷ lệ với BOD còn lại tại điểm đó: t 1 t dL = - k L dt (8.4) Từ (8.3), (8.4) suy ra 1 t dD = k L dt (8.5) Trong đó các ký hiệu sau được sử dụng: 0L : BOD toàn phần tại thời điểm ban đầu (mg/L) – đặc trưng cho nước thải từ cống xả thải (Hình 5.1); tL : BOD toàn phần tại thời 109 điểm t (mg/L); 1k : hệ số tốc độ loại oxy do quá trình phân hủy chất hữu cơ (ngày -1) - một số tài liệu khác gọi là hệ số tốc độ khử oxy; t : thời gian (ngày). Mặt khác tốc độ thấm oxy từ không khí vào dung dịch là một phản ứng bậc nhất tỷ lệ với sự chênh lệch giữa DObh và nồng độ thực của DO: 2 2 ( ) ( )bh d DO k DO DO k D dt = - = (8.6) Trong đó k2 : hệ số tốc độ hòa tan oxy qua mặt thoáng, gọi tắt là hệ số thấm oxy. Từ các phương trình (8.4), (8.5) và (8.6) có thể thấy rằng, độ thiếu hụt oxy là một hàm của sự cạnh tranh giữa sự sử dụng oxy và nạp từ khí quyển: 1 t 2 dD = k L - k D dt (8.7) Trong đó: - dD/dt = tốc độ thay đổi độ thiếu hụt oxy (D) trên đơn vị thời gian, mg/L. ngày. - k1 = hằng số tốc độ loại oxy có thứ nguyên là ngày-1, phụ thuộc vào loại chất thải phân hủy. - Lt = BOD còn lại sau t ngày tính từ thời điểm chất thải đó thải vào sông, có thứ nguyên là mg/L. - k2 = có thứ nguyên là ngày-1. - D = có thứ nguyên là mg/L. Bằng cách lấy tích phân phương trình (8.7) với các điều kiện biên: ở thời điểm t = 0: D = D0 và L = L0, và thời điểm t, Dt= D và Lt = L, ta được phương trình diễn tiến DO: ( ) 1 2 2-k t -k t -k t1 0 0 2 1 k LD t = (e - e ) + D e k - k (8.8) Trong đó: D = độ thiếu hụt oxy trong nước sông sau khi sử dụng BOD theo thời gian, mg/L L0 = BOD toàn phần tại mặt cắt pha trộn đầu tiên khi nước sông và nước thải được xáo trộn, mg/L; k1 = hằng số tốc độ khử oxy, ngày-1. 110 k2 = hằng số tốc độ nạp khí, ngày-1. D0 = độ thiếu hụt ban đầu sau khi nước sông và nước thải được xáo trộn , mg/L Khi k1 = k2, phương trình (8.8) được viết lại thành: ( ) 11 0 0 k tD k tL D e-= + (8.9) Hệ số tốc độ nạp oxy cũng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và có thể điều chỉnh theo nhiệt độ thực tế của một con sông: ( ) 202 20( ) Tk T k q -= (8.10) Trong đó - T – nhiệt độ xem xét, 0C - k2(T) – hệ số tốc độ nạp oxy ở nhiệt độ xem xét, ngày-1 - k2(200) – hệ số tốc độ nạp oxy ở nhiệt độ 200C, ngày-1 - Hệ số nhiệt độ, q = 1,135 ở nhiệt độ trong khoảng từ 4 - 200C và q = 1,056 ở nhiệt độ trong khoảng 20 – 30 0C. Hình 5.2. Diễn tiến DO dọc theo dòng chảy kênh sông Để liên hệ thời gian di chuyển theo khoảng cách vật lý xuôi dòng, cần phải biết vận tốc dòng chảy trung bình. Một khi đã tìm được giá trị của dòng chảy tại một điểm bất kỳ của dòng chảy xuôi, chúng ta có thể tìm được DO từ phương trình (8.8). 111 ( )1 2 2 1 / / /1 0 0 1 2 2 1 / 1 0 0 1 2 . , , k x v k x v k x v k x v k LD e e D e k k k k xD k L D e k k v - - -é = - + ¹ê -ê æ öê = * * + =ç ÷ê è øë (8.9) Trong công thức (8.9) D là một hàm số của x nghĩa là D = D(x) trong đó x là khoảng cách từ vị trí cần tính dọc theo sông so với nguồn thải. Lưu ý rằng nếu như độ thiếu hụt oxy tính toán từ phương trình (8.8) lớn hơn giá trị DO bão hòa, thì khi đó, toàn bộ oxy sẽ bị tiêu hao ở một số thời gian sớm hơn và DO bằng không. Nếu các kết quả tính toán dẫn đến các giá trị DO âm thì phải xem như DO = 0 bởi vì nó không thể nào nhỏ hơn không. Điểm thấp nhất của đường cong lõm DO (được gọi là điểm tới hạn) là điều mà ta quan tâm nhiều nhất bởi vì nó chỉ ra những điều kiện tồi tệ nhất trong sông. Thời gian để đạt đến điểm tới hạn (th) có thể được xác định bằng cách lấy vi phân phương trình (8.8), gán cho nó bằng không, và giải đối với t : ( )0 2 12 th 2 1 1 1 0 D k - kk1t = ln 1- k - k k k L æ ö ç ÷ è ø Hoặc khi k1 = k2: 0 th 1 0 D1t = (1- ) k L Vị trí các điểm này có thể xem trên Hình 5.2. 5.2.1. Phương pháp xác định hệ số tốc độ khử oxy Giá trị 1k được xác định dựa vào vị trí địa lý của sông và thời tiết. Có rất nhiều phương pháp xác định 1k như phương pháp phòng thí nghiệm, phương pháp định tính, phương pháp mô hình Streeter và Phelps (1925) /[4] / đã mô tả mối quan hệ giữa k1 và nhiệt độ như sau: ( ) ( ) 201 1 20 Tk T k q -= oo Trong đó 112 k1 (T) : hệ số loại oxy tại nhiệt độ T (oC) k1 (20oC) : hệ số loại oxy tại 20oC q : hệ số nhiệt độ . Giá trị q trung bình = 1,047 (Camp, 1963 và Thomas, 1961 đã xác nhận giá trị này dựa trên nghiên cứu tại sông Ohio). Còn theo Zanoni (1967) thì q = 1,048 từ 10 – 30oC Tuy nhiên theo Eckenfelder, O’Connor, 1961; O’Connor,1960; Streeter, Phelps,1925; Thomas, 1961; Worley, 1963 thì q =1,047 sẽ được sử dụng dễ dàng hơn trong mô hình máy tính. Trong Bảng 5-1 là giá trị k1 và BOD5 ban đầu của một số loại nước thải. Bảng 5-1. Giá trị đặc trưng k1 và L0 (ở nhiệt độ 20oC) STT Loại nước thải k1(200) (ngày-1) L0 (mg/l) 1 Nước thải đô thị 0,35 – 0,40 150 – 250 2 Nước thải đô thị đã xử lý cơ học 0,35 75 - 150 3 Nước thải đô thị đã xử lý sinh học 0,10 – 0,25 10 – 80 4 Nước uống 0,05 – 0,10 0 – 1 5 Nước sông 0,05 – 0,15 0 - 5 5.2.2. Phương pháp xác định hệ số tốc độ thấm oxy Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự hấp thu oxy từ khí quyển vào nước sẽ cao hơn nếu như nhiệt độ của nước tăng lên. Trong dãy nhiệt độ của dòng chảy, thì sự gia tăng nhiệt độ là do độ nhớt, tỷ trọng, sức căng bề mặt của nước.Ta có: 20)20(2)(2 -= TT kk f Trong đó: k2 (T) : Hệ số thấm oxy tại nhiệt độ T k2 (20) : hệ số thấm oxy tại 20oC f : hệ số nhiệt độ. 113 Theo The Committee on Sanitary Engineering Research /[1]/,1961 thì f = 1,0241 Bảng 5-2. Giá trị hệ số k1 và k2 theo nhiệt độ Hệ số Nhiệt độ 10oC 20oC 30oC k1 0.15 0.23 0.36 k2 0.47 0.6 0.76 Các công thức tính hệ số thấm khí đã được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1950. Có rất nhiều tác giả đã hoàn thiện và phát triển công thức tính toán hệ số k2 để có thể mô phỏng được tình hình DO và BOD trong nước sông với các đặc điểm riêng biệt về chế độ dòng chảy, về quá trình bồi lắng hoặc bào mòn lòng dẫn; về quá trình quang hợp và hô hấp của thực vật thủy sinh. Dưới đây là một số công trình tiêu biểu được lựa chọn. Bảng 5-3. Các công thức tính hệ số thấm oxy k2(200C) Tác giả Công thức Điều kiện Vận tốc U (m/s) Độ cao trung bình H (m) Khác Công thức tính k2 dựa vào các yếu tố thủy lực : O'connor – Dobbins 1958 2/3 2/193.3 H U 0.15 ≤ U ≤ 0.49 0.3 ≤ H ≤ 9.1 0.05 ≤ k2 ≤ 12.2 ngày-1 Churchill et al 1962 673.1 969.0026.5 H U 0.55 ≤ U ≤ 1.524 0.61 ≤ H ≤ 3.35 Owens et al (1) 1964 85.1 67.034.5 H U 0.3 ≤ U ≤ 1.5 0.12 ≤ H ≤ 3.3 Owens et al (2) 1964 75.1 73.094.6 H U 0.3 ≤ U ≤ 0.54 0.12 ≤ H ≤ 3.3 Langbein và Durum 1967 33,1 13.5 H U Dựa theo các nghiên cứu trước Isaacs và Gaudy 5.1 76,4 H U 0.18 ≤ U ≤ 0.48 0.15 ≤ H ≤ 0.45 114 1968 Negulescu và Rojanski 1969 85.0 9.10 ÷ ø ö ç è æ H U H ≥ 0.045 Bennett và Rathbun 1972 689.1 607.058.5 H U Dựa theo nghiên cứu của Churchill và Owens Padden và Gloyna 054.1 703.052.4 H U Bansal 4.1 6.08.1 H U Long 894.0 273.0923.1 H U M.A Churchill, H.L Elmore, R.A Buckingham 67.1 25.2 H U M.Negulescu 85.0 74.4 ÷ ø ö ç è æ H U U < 1.5 H < 0.5 Tsivoglou và Wallace 1972 US15300 Mọi vận tốc 0 ≤ H ≤ 0.91 Tsivoglou và Neal 1976 US31200 0.028 ≤ Q ≤ 0.28 m3/s Krenkel và Orlob 1962 66.0 408.0)(174 H US 0.02 ≤ U ≤ 0.06 115 Cadwallader và McDonnell 1969 H US 5.0)(185 Melching và Flores 1999 353.0 313.0)(88 H US Q < 0.556 cm/s 243,066,0 333,0)(142 tBH US Q > 0,556 cm/s Thackson và Dawson 2001 ( ) H uFr *25.09116.2 + Smoot et al 7258.0 532.06236.0 543 H US 0.1 ≤ U ≤ 1.5 0.05 ≤ H ≤ 2.0 Moog và Jirka 74,079,046,01740 HSU 0.01 ≤ U ≤ 1.7 0.2 ≤ H ≤ 1.2 Công thức tính k2 dựa vào tốc đô gió: Banks và Herrera 1977 2 10,10, 5.0 10,2 0372.0317.0728.0 www uuuk +-= Wanninkhof et al 1991 64.1 10,2 0968.0 wuk = Công thức tính k2 tại cửa sông: O’connor 1960 ( ) 2/3 2/1 2 H UDk om= Thomann và Fit patrick 1982 ( )25,05.12 0372.0317.0728.0 77.105.01.7 wwW VVVHH Uk +-+= Yasar F.Oturk 1979 H Uk t 3/4 2 56.4 = Bài 8.1. Hãy tìm nghiệm của bài toán biên 116 1 2 1 0 0 0 k t t dD k D k L e dt D D - = ì + =ï í ï =î trong đó k1, k2, L0, D0 là các hằng số. Hãy khảo sát D như một hàm số theo thời gian và hãy tìm giá trị cực đại D cùng giá trị thời gian tth làm cho D đạt cực đại. Bài 5.2. Nước thải được pha trộn với nước sông, kết quả BOD5 được đo ở mặt cắt pha trộn là 25mg/l, với nhiệt độ hòa trộn là 25oC. Được biết hệ số tốc độ thấm khí ở nhiệt độ 15oC được xác định trên sông là 0,8 ngày-1. Tìm L0 pha trộn và k2(ở 20oC). Cho biết k1(200C) = 0,375. Bài 5.3..Một khu đô thị thải mỗi ngày ra sông 17.360m3 nước thải đã được xử lý có BOD5 = 12mg/L và có hằng số tốc độ BOD là k1 =0,12 ngày-1 ở nhiệt độ 20oC. Sông có lưu lượng 0,43 m3/s và BOD toàn phần là 5,0 mg/L. DO của nước sông là 6,5 mg/L và DO của nước thải sau khi xử lý là 1,0 mg/L. Tính toán DO và BOD toàn phần đầu tiên sau khi xáo trộn. Bài 5.4. Đánh giá ảnh hưởng do một cống xả gây ra cho con sông theo mô hình Streeter – Phelps. Khu công nghiệp A, tỉnh B có xả nước thải vào đối tượng tiếp nhận là sông C. Lưu lượng dòng nước thải là 9600 (m3/ngày), BOD5 ở nhiệt độ 20°C là 30 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước thải là 2,0 (mg/l) nhiệt độ của dòng nước thải là 22 (°C) . Dòng chảy của sông C có lưu lượng là 1500 (m3/giờ), BOD5 ở 20°C là 2,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 7,0 (mg/l). Nhiệt độ dòng chảy là 20 (°C). Dòng chảy có vận tốc trung bình là 0,3 (m/s), độ sâu trung bình là 2,5 (m). Biết rằng sự hòa trộn hoàn toàn diễn ra tức thời. Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ k1 tại nhiệt độ 20°C là 0,15 (ngày -1). Sử dụng công thức O’Connor - Dobbins tính k2(20°C). 117 ( ) ( ) 0,5 20 -1 2 1,5 V k = 3,93 ngay H Trong đó V (m/s) là vận tốc trung bình của dòng chảy, H là độ sâu trung bình của con kênh. Sử dụng mô hình Streeter – Phelps hãy tính nồng độ oxy hòa tan tại khoảng cách 5 km so với nguồn xả thải. Cho phép sử dụng Bảng 5-4 với những giá trị nhiệt độ khác có thể lấy xấp xỉ hay nội suy tuyến tính. Bảng 5-4. Nồng độ oxy bão hòa trong nước như một hàm số của nhiệt độ STT Nhiệt độ 0C Nồng độ oxy bão hòa (mg/l) 1 16 10,0 2 17 9,7 3 18 9,5 4 19 9,4 5 20 9,2 6 21 9,0 7 22 8,8 8 23 8,7 9 24 8,5 10 25 8,4 Bài 5.5. Đánh giá ảnh hưởng do hai cống xả gây ra cho con sông theo mô hình Streeter – Phelps. Khu công nghiệp A có xả nước thải vào một đối tượng tiếp nhận là một con kênh C. Lưu lượng dòng nước thải là 14400 (m3/ngày), BOD5 ở nhiệt độ 20°C là 35 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước thải là 2.5 (mg/l) nhiệt độ của dòng nước thải là 22 (°C) . Dòng chảy của con kênh có lưu lượng là 1500 (m3/giờ), BOD5 ở 20°C là 2.5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 7,5 (mg/l). Nhiệt độ dòng chảy là 20 (°C). Dòng chảy có vận tốc trung bình là 0,3 (m/s), độ sâu 2,5 (m). Tại khoảng cách 5 km so với nguồn thải người ta bơm nước sạch vào với mục tiêu pha loãng và làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong kênh sông. Dòng nước xả này có các thông số như sau: Lưu lượng 12000 (m3/ngày), BOD 5 ở 20°C là 2,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 7,0 (mg/l). Nhiệt độ dòng nước xả là 22 (°C). 118 Biết rằng sự hòa trộn hoàn toàn diễn ra tức thời. Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ k1 tại nhiệt độ 20°C là 0,15 (ngày -1). Sử dụng công thức O’Connor - Dobbins tính k2(20°C). ( ) ( ) 0,5 20 -1 2 1,5 V k = 3,93 ngay H Trong đó V (m/s) là vận tốc trung bình của dòng chảy, H là độ sâu trung bình của con kênh. Sử dụng mô hình Streeter – Phelps hãy tính nồng độ oxy hòa tan tại khoảng cách 5 km so với nguồn xả thải thứ hai. 5.3. Các bước giải bài tập Chuẩn bị các thông số đầu vào: gồm ba nhóm dữ liệu chính. Nhóm thứ nhất liên quan tới kênh sông: Lưu lượng dòng chảy kênh sông (m3/giờ), BOD5 ở nhiệt độ 20oC (mg/l) của nước kênh sông, nồng độ oxy hòa tan (mg/l),vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s), độ sâu trung bình của kênh sông (m), nhiệt độ trung bình của nước kênh sông (oC). Nhóm thứ hai liên quan tới nguồn xả thải: lưu lượng nguồn xả thải (m3/giờ), BOD5 ở nhiệt độ 20oC (mg/l) của nước xả thải, nồng độ oxy hòa tan có trong nước thải (mg/l), nhiệt độ dòng nước thải (oC). Nhóm thứ ba liên quan tới các hệ số k1 (20oC).(ngày-1), hệ số ka(20oC).(ngày-1). Trình tự các bước giải bài 5.1: 1. Xét phương trình thuần nhất tương ứng 2 0 dD k D dt + = (*) Dễ thấy 0=D là một nghiệm của (*) Với 0¹D thì ta có : 2 dD k dt D = - Lấy tích phân hai vế nhận được : 2k tD Ce-= . Như vậy các nghiệm của (*) có dạng 2k tD Ce-= . Tiếp theo ta sẽ tìm các nghiệm của phương trình đã cho dưới dạng ( ) ( ) 2k tD t C t e-= 119 Thay vào phương trình đã cho ta có ( ) ( )2 1' 1 0 k k tC t k L e -= . Xét 2 trường hợp sau đây: Trường hợp 1: 2 1k k= Ta có : ( ) CtLktC += 01 (C là hằng số) Kết hợp với điều kiện ( ) 00D t D= = ta được ( ) ( ) 21 0 0 k tD t k L t D e-= + Trường hợp 2: 2 1k k¹ Ta có : ( ) ( )2 01 0 2 1 k k tk LC t e C k k -= + - (C là hằng số) Kết hợp với điều kiện ( ) 00D t D= = ta được ( ) 1 21 0 1 00 2 1 2 1 k t k tk L k LD t e D e k k k k - -æ ö= + -ç ÷- -è ø Hay người ta vẫn thường viết ( ) ( )1 2 21 0 0 2 1 k t k t k tk LD t e e D e k k - - -= - + - 2. Tìm 0t để ( )tD đạt cực đại Xét trường hợp 2 1k k= xét hàm số ( ) ( ) 21 0 0 k tD t k L t D e-= + trên [ )+¥;0 Ta có : ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )2 2 21 0 1 0 0 2 1 0 1 0 0 2' k t k t k tD t k L e k L t D k e e k L k L t D k- - -= + + - = + + - ( ) ( )( )( ) 1 0 2 01 0 1 0 0 2 0 2 1 0 ' 0 0 k L k DD t k L k L t D k t k k L - = Û + + - = Û = Như vậy ( ) ( ) 21 0 0 k tD t k L t D e-= + đạt cực đại trên ( )+¥;0 với điều kiện 1 0 2 0 0k L k D- > và giá trị 0t cần tìm là 1 0 2 0 2 1 0 k L k D k k L - Xét trường hợp 2 1k k¹ ( ) 1 21 0 1 00 2 1 2 1 k t k tk L k LD t e D e k k k k - -æ ö= + -ç ÷- -è ø trên ( )+¥;0 . Đặt 1 0 2 1 k L k k a = - và =b 1 00 2 1 k LD k k - - 120 Giá trị cực trị của hàm D(t) phụ thuộc rất nhiều vào dấu của a, b. Do vậy cần phải xem xét giá trị đầu vào của các tham số L0, D0, k1, k2 để khảo sát hàm D(t). Với ký hiệu trên ta có : ( ) 1 21 2' k t k tD t k e k ea b- -= - - , ( ) ( )2 1 21 2 2 1 1 1' 0 lnk k t th kD t k e k t k k k b a b a -= Û - = Þ = - Với các số liệu phù hợp ( )tD đạt cực đại tại tth và giá trị cần tìm là ( ) ( )1 2 21 0max 0 2 1 th th thk t k t k tk LD t e e D e k k - - -= - + - Với ( ) ( )2 1 0 1 0 0 2 12 2 2 2 1 1 2 1 1 1 0 2 1 1 1 0 D k - kk1 1 1ln ln ln 1- . k - k k k Lth k k D k Lk kt k k k k k k k L b a - - æ ö = = = ç ÷- - è ø Trình tự các bước tính toán bài 5.2: 1. k1(ở 25oC) được xác định bằng phương trình tính theo k1(tại 20оC) như sau: K1(ở 25oC) = 0,375 * 1,055 = 0,479 (ngày-1) 2. L0 được xác định từ phương trình BOD5 = L0(1-e-k1*5) 25 = L0 (1 – e -0.479*5) = L0*0.91 suy ra L0=27 mg/l 3. k2(ở 20oC) được tính từ phương trình k2(T)=k2(20oC) qT-20 0,8=(k2 ở 20oC) (1,135)(15-20) =(k2 ở 20oC)* 0,53 Þ k2(ở 20oC) = 1,50 (ngày-1). Trình tự các bước tính toán bài 5.3: 1. Chuyển đổi lưu lượng nước thải sang đơn vị tương thích, tức là m3/s: Qn = 317.360m /ngay 86.400s/ngay = 0,20 m3/s 2. DO sau khi hòa trộn: 121 DO = 3 3 3 3 (0,20m /s)(1,0mg/L) + (0, 43m /s)(6,5mg/L) 0,20m /s + 0,43m /s = 4,75 mg/L 3. Trước khi chúng ta xác định BOD toàn phần đầu tiên sau khi xáo trộn, chúng ta cần phải xác định BOD toàn phần của nước thải. Ta tính Lo như sau: Lo = 5-kt BOD (1- e ) = (-0,12)(5) 12mg/L (1- e ) = 12 (1 0,55 )- = 26,6 mg/L 4. Lưu ý rằng, chúng ta đã sử dụng chỉ số 5 ngày trong BOD5 để xác định giá trị của t trong phương trình. Bây giờ đặt Ln = Lo chúng ta có thể xác định BOD toàn phần đầu tiên sau khi xáo trộn: La = 3 3 3 3 (0,20m /s)(26,6mg/L)+(0,43m /s)(5,0mg/L) 0,20m /s+0,43m /s = 11,86 mg/L = 12 mg/L Trình tự các bước tính toán bài 5.4: 1. Tính hệ số k2(20oC) ( ) ( ) 0,5 0,5 o -1 2 3/2 1,5 3,93×V 3,93×0,3k 20 C = = = 0,545 ngay H 2,5 2. Tính lưu lượng pha trộn giữa nước thải và nước sông: w,0 r,0 3 0,mix Q Q 9600Q = = +1500 = 400 +1500 = 1900 (m /h) 24 24 24 + 3. Tính BOD5 pha trộn ở nhiệt độ 20°C theo công thức 5,w w 5,r r 5,mix,0 w r BOD ×Q + BOD ×Q BOD = Q + Q Þ 5,mix,0 30× 400 + 2.5×1500BOD = = 8, 29(mg/l) 1900 Từ BOD5= Lo(1-e-k15) suy ra nồng độ chất hữu cơ ở thời điểm ban đầu sau khi có sự pha trộn: 122 5,mix,0 0,mix,0 -0,15×5 -0,15×5 BOD 8, 29L = = 15,71 (mg/l) (1- e ) (1- e ) = 4. Tính nồng độ oxy hòa tan pha trộn ban đầu: w w r r 0,mix w r DO ×Q + DO ×Q 2×400 + 7×1500DO = = = 5,95(mg/l) Q + Q 1900 5. Tính nhiệt độ pha trộn giữa nước thải và nước sông: w w r r mix,0 w r T ×Q + T ×Q 22×400 + 20×1500T = = = 20,42 (mg/l) Q + Q 1900 6. Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ sau khi có sự pha trộn: ( ) ( ) ( )o 0 (20,42-20) 0,42 -11 mix,0 1 1 Tk T = k 20,42 C = k (20 C)×k = 0,15×(1,047) ngay= 0,15 7. Hệ số thấm khí sau khi có sự pha trộn: ( ) ( ) ( )0 o (20,42-20) 0,42 -12 mix,0 2 2k T = k 20,42 C = k (20 C)×1,0241 = 0,54×1,0241 = 0,55 ngay Sử dụng bảng và công thức nội suy ta nhận được nồng độ oxy hòa tan bão hòa tại nhiệt độ 20,420 là bh 20,42 - 21 20,42 - 20DO = 9, 2× + 9× 9,12 20 - 21 21- 20 » (mg/l) 8. Từ đó độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi có sự pha trộn D0,mix = DO bão hòa – DO ban đầu = 9,12 - 5,95 = 3,17 (mg/l) 9. BOD toàn phần tại điểm cách nguồn thải 5000 m được tính theo công thức : ( ) ( )1 5000-k -0,150,3 0,mix,0BOD 5000 = L ×e = 15,71 e = 15, 26 mg/l 5000/(0,3*24*3600)´´ 10. Độ thiếu hụt oxy và nồng độ oxy hòa tan tại vị trí 5000 m được tính như sau: 1 2 2 5000 5000x x x -0,15 -0,55-k -k -k1 0,mix,0 0,3 24 0,3 24 3600V V V 1 0,mix 2 1 5000-0,55 0,3 24 k ×L 0,15×15,71D(x)= ×(e -e )+D e ×(e -e ) k -k 0,55-0,15 +3,17 e ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ = ´ = 3600 3600 3,27 123 11. Suy ra D1(5000) = 3,27 (mg/l). Từ đó suy ra DO(5000)=DObão hòa – D1(5000) = 9,12 – 3,27 = 5,85 (mg/l). Trình tự các bước tính toán bài 7.5: 1. Tính hệ số k2(20oC) ( ) ( ) 0.5 0.5 o -1 2 3/2 1.5 3,93×V 3,93×0,3k 20 C = = = 0,545 ngay H 2,5 2. Tính lưu lượng pha trộn giữa nước thải và nước sông: w,0 r,0 30,mix Q Q 14400Q = = +1500 = 600 +1500 = 2100 (m /h) 24 24 24 + 3. Tính BOD5 pha trộn ở nhiệt độ 20°C: 5,mix,0 600×35 +1500×2,5BOD = = 11,786(mg/l) 2100 4. Tính nồng độ chất hữu cơ ở thời điểm ban đầu sau khi có sự pha trộn giữa nước thải và nước sông: từ BOD5= Lo(1-e-K15) suy ra: 5,mix,0 0,mix,0 -0,15×5 -0,15×5 BOD 11,786L = = 22,34 (mg/l) (1- e ) (1- e ) = 5. Tính nồng độ oxy hòa tan pha trộn ban đầu: 0,mix 600× 2,5 +1500×7,5DO = = 6,071(mg/l) 2100 6. Tính nhiệt độ pha trộn giữa nước thải và nước sông: 0 mix,0 600× 22 +1500× 20T = = 20,57( C) 2100 7. Tính hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ sau khi có sự pha trộn: ( ) ( ) ( )o 0 (20,57-20) 0,57 -11 1 mix,0 1k 20,57 C = k T = k (20 C)×1,056 = 0,15×(1,056) ngay= 0,154 8. Tính hệ số thấm khí sau khi có sự pha trộn: ( ) ( ) ( )0 o (20,57-20) 0,57 -12 mix,0 2 2k T = k 20,57 C = k (20 C)×1,0241 = 0,545×1,0241 = 0,553 ngay 124 Sử dụng bảng và công thức nội suy ta nhận được nồng độ oxy hòa tan bão hòa tại nhiệt độ 20,57° là 9,086. Từ đó độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi cósự pha trộn D0,mix = DO bão hòa – DO ban đầu =9,086-6,071=3,015 (mg/l) 9. BOD toàn phần tại điểm cách nguồn thải 5000 m được tính theo công thức : ( ) ( )1 5000-k -0,1540,3 0,mix,0BOD 5000 = L ×e = 22,34 e = 21,69 mg/l 5000 /(0,3*24*3600)´´ 10. Tính độ thiếu hụt oxy và nồng độ oxy hòa tan tại vị trí 5000 m được tính như sau: 1 a a 5000 5000x x x -0,154 -0,553-K -K -K1 0,mix,0 0,3 24 0,3 24 3600V V V 1 0,mix a 1 5000-0,553 0,3 24 K ×L 0,154×22,34D(x)= ×(e -e )+D e ×(e -e ) K -K 0,553-0,154 +3,015 e 3600 3600 ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ = ´ Thay các giá trị được tính ở các bước trên nhận được D1(5000) = 3,33 (mg/l) Từ đó suy ra DO(5000)=DObão hòa – D1(5000) = 9,086 – 3,33 = 5,756 (mg/l) Hình 5.3. Phương pháp áp dụng mô hình Streeter – Phelps cho nhiều nguồn 11. Xác định lưu lượng pha trộn giữa nước xả và nước sông (m³/h) tại mặt cắt số 2 (nơi xảy ra sự hợp lưu giữa sông và nguồn xả 2): ( )3r,2 r,1 w,2 12000Q = Q + Q = 2100 + = 2600 m /h24 125 12. Tính BOD toàn phần tại cống xả số 2 1 5,w,2 0,w,2 -K *5 -0,15*5 BOD 2,5L = = = 4,738 1- e1- e (mg/l) 13. BOD pha trộn ban đầu tại mặt cắt 2 giữa sông và nguồn xả 2: o,r,1 r,1 0,w,2 w,2 0,mix,2 r,1 w,2 L *Q + L *Q 21,69*2100 + 4,738*500L = = = 18,43 (mg/l) Q + Q 2600 14. Nồng độ ôxy pha trộn ban đầu tại mặt cắt số 2 là : mix,1w,2 w,2 r,1 mix,2 w,2 r,1 Q *DO +Q *DO 500*7,0+ 2100*5,756DO = = = 5,995 Q +Q 2600 (mg/l) 15. Nhiệt độ pha trộn giữa nước xả và nước sông (°C) r,1 r,1 w,1 w,1 o mix,2 r,1 w,1 T *Q + T *Q 2100× 20,57 + 500× 22T = = = 20,845 ( C) Q + Q 2600 16. Xác định hệ số k1 sau khi pha trộn ở mặt cắt số 2 là: ( ) ( ) ( )o 0 (20,85-20) 0,85 -11 1 mix,0 1k 20,85 C = k T = k (20 C)× (1,056) = 0,15×(1,056) ngay= 0,156 17. Hệ số thấm oxy k2 sau khi pha trộn tại mặt cắt số 2 là ( ) ( ) ( )0 o θ(20,85-20) 0,024×0,85 -1a mix,2 a aK T = K 20,85 C = K (20 C)×e = 0,545×e = 0,556 ngay 18. Tại nhiệt độ Tmix,2 = 20,850C ta có nồng độ oxy hòa tan bão hòa là 9,03 (mg/l) Từ đó độ thiếu hụt oxy ban đầu sau khi có sự pha trộn Do = DO bão hòa – DO ban đầu: 0,mix,2D = 9,03-5,995 = 3,035(mg/l) 19. Độ thiếu hụt oxy tại vị trí x = 5000 (m) cách nguồn xả 2 được tính như sau: ( ) 1 a a 5000 5000x x x -0,156 -0,556-K -K -K1 0,mix,2 0,3 24 3600 0,3 24 3600V V V 1 0,mix,2 a 1 5000-0,556 0,3 24 3600 K ×L 0,156×18,43D(x)= ×(e -e )+D e ×(e -e ) K -K 0,556-0,156 +3,035 e mg/l3,244 ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ ´ = ´ = 20. Vậy DO tại x = 5000 m cách nguồn 2 là DO (x = 5000 m) = DObão hòa – D1(x) = 9,03 – 3,244 = 5,786 (mg/l) 126 5.4. Ứng dụng phần mềm STREETER 5.4.1. Vài nét về lịch sử Phần mềm STREETER phiên bản đầu tiên được thực hiện năm 2007. STREETER có những chức năng khác nhau nhằm mục đích tự động hoá tính toán ô nhiễm nước kênh sông theo mô hình Streeter – Phelps. Ở đây có các công cụ tính toán phân bố nồng độ BOD và DO dọc theo chiều dòng chảy của sông. Tính toán được thực hiện cho một hay nhiều nguồn thải. Các giá trị được phần mềm Streeter tính gồm: - Tính sự phân bố nồng độ DO và BOD dọc theo kênh sông theo kịch bản khác nhau. Kịch bản gồm nhóm thông số liên quan tới kênh sông và nguồn thải. - Tính toán vị trí đạt được độ thiếu hụt ô xy cực đại - Tính toán thời gian đạt độ thiếu hụt oxy cực đại. - 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. 5.4.2. Khởi động phần mềm STREETER có thể khởi động bằng cách chạy file STREETER.exe trong thư mục chứa STREETER. Trên màn hình Windows sẽ xuất hiện giao diện như hình dưới 127 Hình 5.4. Màn hình khởi động của STREETER Sau phần khởi động, người dùng cần tạo mới hay mở file đã có trên ổ đĩa cứng. Hình 5.5. Chọn chức năng tạo mới file 128 Sau đó sẽ xuất hiện màn hình làm việc như trên Hình 5.6 Hình 5.6. Màn hình làm việc của STREETER Người dùng cần thiết nhập thông tin đầu vào cho mô hình STREETER như được chỉ ra trên Hình 5.7. Hình 5.7. Nhập thông tin cho kịch bản 129 Hình 5.8. Kết quả tính toán theo mô hình STREETER – dạng đồ thị Hình 5.9. Lựa chọn chất, mầu sắc thể hiện Hình 5.10. Chọn chức năng thể hiện báo cáo và các kết quả trung gian 130 Hình 5.11. Báo các kết quả thực hiện tính toán theo mô hình STREETER Hình 5.12. Kết quả được trình bày chi tiết cho từng nguồn thải 131 Hình 5.13. Kết quả tính toán DO tại từng điểm dọc theo kênh sông Hình 5.14. Xem kết quả tính DO tại từng điểm dọc theo kênh sông Hình 5.15. Thể hiện kết quả tính toán bằng màu sắc 5.5. Bài tập tự giải Bài tập 5.6. Khu công nghiệp Bắc Củ Chi có xả nước thải vào một đối tượng tiếp nhận là một con kênh. Lưu lượng dòng nước thải là 14400 (m3/ngày), BOD5 ở nhiệt độ 20°C là 35 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước thải là 2,5 (mg/l), nhiệt độ của dòng nước thải là 22 (°C) . Dòng chảy của con kênh có lưu lượng là 1200 (m3/giờ), BOD5 ở 20°C là 3,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 6,5 (mg/l). Nhiệt độ dòng chảy là 20°C. Dòng chảy có vận tốc trung bình là 0,25 (m/s), độ sâu 3 (m). Tại khoảng cách 5 km so với nguồn xả nước thải người ta bơm nước sạch vào với mục tiêu pha loãng và làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong kênh sông. Dòng nước xả này có các thông số như sau: Lưu lượng 12000 (m3/ngày), BOD5 ở 20°C là 2,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 7,0 (mg/l). Nhiệt độ dòng nước xả là 22 (°C). 132 Biết rằng sự hòa trộn hoàn toàn diễn ra tức thời. Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ k1 tại nhiệt độ 20°C là 0,25 (ngày-1). Sử dụng công thức Churchill, Elmore và Buckingham tính k2(20°C). 0,969 -1,673 2 xk = 4,96V H Trong đó Vx (m/s) là vận tốc trung bình của dòng chảy, H là độ sâu trung bình của con kênh. Sử dụng mô hình Streeter – Phelps hãy tính nồng độ oxy hòa tan tại khoảng cách 5 km so với nguồn xả thải thứ hai. Bài tập 5.7. Khu công nghiệp Nhơn Trạch có xả nước thải vào một đối tượng tiếp nhận là một con kênh. Lưu lượng dòng nước thải là 14400 (m3/ngày), BOD5 ở nhiệt độ 20°C là 35 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước thải là 2,5 (mg/l) nhiệt độ của dòng nước thải là 22 (°C) . Dòng chảy của con kênh có lưu lượng là 1400 (m3/giờ), BOD5 ở 20°C là 4,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 6,0 (mg/l). Nhiệt độ dòng chảy là 20°C. Dòng chảy có vận tốc trung bình là 0,25 (m/s), độ sâu 3 (m). Tại khoảng cách 10 km so với nguồn xả nước thải người ta bơm nước sạch vào với mục tiêu pha loãng và làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong kênh sông. Dòng nước xả này có các thông số như sau: Lưu lượng 9000 (m3/ngày), BOD5 ở 20°C là 1,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 7,5 (mg/l). Nhiệt độ dòng nước xả là 22 (°C). Biết rằng sự hòa trộn hoàn toàn diễn ra tức thời. Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ k1 tại nhiệt độ 20° C là 0,25 (ngày -1). Sử dụng công thức Owens-Gibbs tính k2(20°C). 85,167,020 2 4,9 Huk = 133 Trong đó u (m/s) là vận tốc trung bình của dòng chảy, H là độ sâu trung bình của con kênh. Sử dụng mô hình Streeter – Phelps hãy tính nồng độ oxy hòa tan tại khoảng cách 5 km so với nguồn xả thải thứ hai. Bài tập 5.8. Khu công nghiệp Phú Mỹ có xả nước thải vào một đối tượng tiếp nhận là một con kênh. Lưu lượng dòng nước thải là 14400 (m3/ngày), BOD5 ở nhiệt độ 20°C là 35 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan trong dòng nước thải là 2,5 (mg/l) nhiệt độ của dòng nước thải là 22 (°C) . Dòng chảy của con kênh có lưu lượng là 1200 (m3/giờ), BOD5 ở 20°C là 3,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 6,5 (mg/l). Nhiệt độ dòng chảy là 20°C. Dòng chảy có vận tốc trung bình là 0,25 (m/s), độ sâu 2,5 (m). Tại khoảng cách 10 km so với nguồn xả nước thải người ta bơm nước sạch vào với mục tiêu pha loãng và làm tăng nồng độ oxy hòa tan trong kênh sông. Dòng nước xả này có các thông số như sau: Lưu lượng 9000 (m3/ngày), BOD5 ở 20°C là 1,5 (mg/l), nồng độ oxy hòa tan là 7,5 (mg/l). Nhiệt độ dòng nước xả là 22 (°C). Biết rằng sự hòa trộn hoàn toàn diễn ra tức thời. Lấy hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ k1 tại nhiệt độ 20°C là 0,15 (ngày-1). Sử dụng công thức Langbien – Durum tính k2(20°C). 33,120 2 3,3 Huk = Trong đó V (m/s) là vận tốc trung bình của dòng chảy, H là độ sâu trung bình của con kênh. Sử dụng mô hình Streeter – Phelps hãy tính nồng độ oxy hòa tan tại khoảng cách 5 km so với nguồn xả thải thứ hai. 134 5.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 1/ Hãy trình bày phương trình Streeter – Phelps, làm rõ cách nhận được phương trình, điều kiện ban đầu ? 2/ Hãy trình bày phương pháp tính toán hệ số tốc độ loại oxy do quá trình phân hủy chất hữu cơ ? Làm rõ sự phụ thuộc của hệ số này vào nhiệt độ. 3/ Hãy trình bày phương pháp tính toán hệ số tốc độ thấm oxy do quá trình thấm khí ? Làm rõ sự phụ thuộc của hệ số này vào nhiệt độ. 4/ Hệ số hệ số tốc độ thấm oxy phụ thuộc vào những yếu tố nào ? 5/ Thế nào là độ thiếu hụt oxy, độ thiếu hụt ban đầu ? Làm thế nào để xác định độ thiếu hụt này tại mặt cắt pha trộn ban đầu ? 6/ Hãy trình bày cách xác định độ thiếu hụt oxy cực đại cũng như vị trí nơi độ thiếu hụt oxy đạt cực đại. 7/ Hãy trình bày cách nhận nghiệm từ phương trình Streeter và một số điều kiện cần để nhận được độ thiếu hụt cực đại. 8/ Hãy trình bày cách tính toán ảnh hưởng của nhiều nguồn thải lên DO kênh sông theo phương pháp Streeter – Phelps. 9/ Làm rõ sự phụ thuộc của các hệ số tốc độ loại oxy và hệ số tốc độ thấm oxy lên chất lượng nước kênh sông ? 10/ Làm rõ sự phụ thuộc của vận tốc dòng chảy và độ sâu trung bình lên chất lượng nước kênh sông ? Tài liệu tham khảo [1]. Jorgensen S.E., 1994. Fundanmentals of Ecological Modelling (2 nd Edition). Elsevier, 628 p. (in English) [2]. Lâm Minh Triết, 2006. Kỹ thuật môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, 746 trang. 135 [3]. Bùi Tá Long, 2008. Mô hình hóa môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 441 trang.. [4]. Streeter H.W., Sanitary engineer and Earle B. Phelps, Consultnat. A study of the pollution and nature purification of the Ohio river, III. Factors concerned in the phenomena of oxidation and reaeration. United states public health service. Washington,D.C. 136 6. BÀI THỰC HÀNH 6. MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG Q2K Mô hình QUAL2K (viết tắt là Q2K) là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại học Tufts University và Trung tâm mô hình chất lượng nước của Cục môi trường Mỹ. Mô hình này được sử dụng rộng rãi để tính toán tải lượng cho phép xả thải vào sông của các nguồn thải (tập trung hay phân tán). Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD5,DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ ( Norg), nitrit ( N-NO2), nitrat (N-NO3-), phốt pho hữu cơ (Porg), phốt pho hoà tan, coliform và một số thông số khác ít biến đổi trong nước. Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn. Với giả thiết rằng cơ chế vận chuyển chính của dòng là chuyển tải và phân tán dọc theo hướng chính của dòng (trục chiều dài của dòng và kênh). Mô hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và các dòng thêm vào và lấy ra. Mô hình QUAL2E cũng có thể tính toán lưu lượng cần thiết thêm vào để đạt được giá trị oxy hoà tan theo tiêu chuẩn. 6.1. Mục tiêu Mục tiêu của bài thực hành – làm quen với các bước tính toán mô phỏng chất lượng nước kênh sông cho một hay nhiều nguồn thải. 6.2. Mô tả phương pháp QUAL2E do Brown và Barnwell xây dựng năm 1987, QUAL2K là bản cải tiến ra đời 3/2006. Những công trình đầu tiên về QUAL2 được trình bày trong tài liệu Qual I & II, Stream Water Quality, Texas Water Development Board, Environmental Protection Agency; (1971, 1973) và sau này được trình bày trong công trình Qual2E, Enhanced Stream Water Quality Model; EPA, Center for Exposure Assessment Modeling (1985). QUAL2E-UNCAS là một phiên bản nâng cao của QUAL2E; nó cung cấp những khả năng để phân tích tính không chắc chắn. Sự ra đời của QUAL2E đã thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô hình trong bài toán mô phỏng chất lượng nước cho hệ thống kênh sông. QUAL2K là phiên bản mới nhất ra đời vào tháng 3/2006 và được cập nhật thường xuyên. 137 Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K thường áp dụng cho chế độ ổn định. Trong trường hợp này, mô hình có thể được sử dụng để tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải (cường độ, chất lượng và vị trí) đối với chất lượng nước sông và cũng có thể sử dụng liên kết với chương trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cường độ và chất lượng của tải trọng từ các nguồn diện (non-point sources). Theo quan điểm QUAL2K bước đầu tiên trong việc mô hình hoá một hệ thống sông là chia hệ thống sông này thành các đoạn sông (reaches), các đoạn sông này là một phần dòng chảy có đặc tính thuỷ lực tương đối đồng nhất. Mỗi đoạn sông này lại được chia thành nhiều phần tử hay nhân tố tính toán (computational element) có chiều dài bằng nhau. Do đó, tất cả các đoạn sông có bao gồm một số nguyên các phần tử tính toán. Các đoạn sông (tập hợp của các phần tử tính toán) là cơ sở của tất cả các dữ liệu đưa vào mô hình. Các dữ liệu về thuỷ lực, hằng số tốc độ phản ứng, các điều kiện ban đầu, các số liệu về lưu lượng bổ sung là không đổi cho tất cả các phần tử tính toán trong một đoạn sông. Hình 6.1. Sự phân đoạn của QUAL2K trong hệ thống sông không có nhánh. 138 19 18 17 16 1 5 4 3 2 20 28 27 26 21 29 12 15 14 13 8 7 6 9 11 10 24 23 22 25 HW#1 HW#2 HW#3 HW#4 (a) Sông phân nhánh (b) Q2K phân thành các “reach” Sông chính Nh 1 Trib 2 Nh 3 Hình 6.2. Sự phân loại của QUAL2K cho trường hợp sông với các nhánh: (a) là hệ thống thực, (b) là hệ thống được biểu diễn trong QUAL2K. Hình 6.3. Sự phân đoạn trong QUAL2K thành các phần tử tính toán Tóm tại trong Q2K dữ liệu địa hình được tổ chức như sau: Đoạn (reach). Chỉ đoạn sông với đặc tính thủy lực tương đồng. Phần tử (element). Phần tử hay nhân tố tính toán (computational element) có chiều dài bằng nhau được chia đều từ đoạn (reach). Khúc (segment). Tập hợp các đoạn (reach) tạo nên một nhánh của hệ thống. Nhánh sông chính cũng như mỗi nhánh sông tạo nên tập hợp khác khúc sông. 139 Biên sông (headwater): biên trên của mỗi khúc sông. 6.2.1. Tính toán dòng chảy Trạng thái cân bằng lưu lượng được thực hiện cho mỗi phần tử (element) sông (Hình 6.4) ioutiinii QQQQ ,,1 -+= - (9.1) Trong đó: Qi = lưu lượng ra từ phần tử sông thứ i vào phần tử sông thứ i+1 (m3/ngày) Qi-1 = lưu lượng vào phần tử i từ phần tử sông phía trên nó (theo dòng chảy) i-1 (m3/ngày) Qin,i = tổng lưu lượng chảy vào phần tử từ các nguồn điểm hoặc nguồn diện (m3/ngày) Qout,i = tổng lưu lượng chảy ra từ phần tử i từ các nguồn điểm hay nguồn diện (không phải dạng điểm) (m3/ngày) Hình 6.4. Sự cân bằng lưu lượng của phần tử i Tổng lưu lượng đi vào phần tử i được tính theo công thức psi npsi in,i ps,i, j nps,i, j j=1 j=1 = +Q Q Qå å (9.2) Trong đó: Qps,i,j là lưu lượng của nguồn điểm thứ j đổ vào phần tử i (m3/ngày), psi = tổng số nguồn điểm đổ vào phần tử i 140 Qnps,i,j = lưu lượng nguồn diện (không phải dạng điểm) thứ j đổ vào phần tử i (m3/ngày) npsi = tổng số nguồn diện đổ vào phần tử i Tổng lưu lượng đi ra từ phần tử i được tính theo công thức: pai npai out,i pa,i, j npa,i, j j=1 j=1 Q = Q + Qå å (9.3) Trong đó: Qpa,i,j = là lưu lượng từ nguồn điểm j đi ra khỏi phần tử i (m3/ngày) pai = tổng số nguồn điểm đi ra từ phần tử i Qnpa,i,j = lưu lượng từ nguồn diện j đi ra khỏi phần tử i m3/ngày) npai = tổng số nguồn diện đi ra từ phần tử i Những nguồn diện và nguồn lấy nước ra được mô hình hoá như những nguồn đường. Trong Hình 6.5 ta thấy, nguồn diện hay nguồn lấy nước ra được phân ranh giới bởi những vị trí điểm km bắt đầu và kết thúc của nó. Dòng chảy của nó khi vào hay ra từ mỗi phần tử được phân bổ theo trọng số chiều dài - trọng lượng. Hình 6.5 Cách thức dòng chảy từ nguồn không ở dạng điểm phân bổ đến một phần tử 6.2.2. Tính toán thủy lực Mô hình thủy lực được sử dụng để tính độ sâu và vận tốc dòng chảy tại mỗi phần tử. Q2K cho phép một số tùy chọn để quyết định đặc tính thủy lực của mỗi phần tử. Trong tài liệu này trình bày lựa chọn phù hợp với thực tiễn cũng như công tác giảng dạy môn học. Giả 141 thiết rằng trên các khúc sông không có đập (chiều cao đập bằng 0), khi đó cần nhập vào hệ số nhám Manning (n) và phần mềm Q2K sẽ tự động lựa chọn cách tính thủy lực theo phương trình Manning. Mỗi phần tử sông được lý tưởng hoá như là một kênh có thiết diện hình thang (Hình 6.6). Với điều kiện lưu lượng không đổi, phương trình Manning có thể được dùng để diễn tả mối quan hệ giữa lưu lượng và độ sâu như sau: 3/2 3/52/1 0 P A n S Q c= (9.4) - Q = lưu lượng (m3/s)1 - S0 = độ dốc đáy (m/m) - n = hệ số thô (hệ số gồ ghề) Manning - Ac = diện tích mặt cắt ngang (m2) - P = chu vi phần thấm nước (m) Hình 6.6. Kênh hình thang Diện tích mặt cắt ngang của kênh hình thang được tính như sau: [ ]c 0 s1 s2A = B + 0,5(s + s )H H (9.5) Trong đó: B0 = độ rộng đáy (m) ss1 và ss2 = hai độ dốc của cạnh như trong Hình 6.6(m/m) 1 Chú ý: trong công thức này hay những công thức khác để mô tả đặc điểm thuỷ lực, thời gian được đo bằng giây. Đây là cách tính toán được thực hiện trong Q2K. Tuy nhiên, khi tính chất thuỷ lực đã được định rõ, chúng được chuyển đổi sang đơn vị ngày cho phù hợp với những tính toán khác. 142 H = độ sâu của nhánh sông (m) Chu vi phần bị thấm nước được tính như sau: 0 2 2 1 21 1s sP B H Hs s= + ++ + (9.6) Thay phương trình (9.15) và (9.16) vào (9.14), khi ấy phương trình (9.14) có thể dùng phép lặp để tính độ sâu như sau: ( ) ( ) ( ) 2/ 5 3/ 5 2 2 0 1 21 1 3/10 0 1 2 1 1 1 0.5k s sk k s s k Qn H HB s s H HS s sB - - = - ++ + + é ù+ +ë û (9.7) Trong đó k = 0,1,2,...,n, n = số lần lặp, H0=0. Phương pháp hoàn tất khi sai số ước tính dưới giá trị 0,001%. Sai số ước tính được tính như sau: 1 1 *100%k ka k H H He + + - = (9.8) Diện tích mặt cắt ngang có thể được xác định bởi phương trình (9.5) và sau đó vận tốc được xác định từ phương trình kế tiếp c Q U A = (9.9) Chiều rộng trung bình của nhánh sông, B(m), được tính như sau cAB H = (9.10) Giá trị của hệ số Manning được liệt kê trong Bảng 6-1. Bảng 6-1. . Hệ số thô (hệ số gồ ghề) cho các mặt kênh thông thoáng Vật liệu N KÊNH NHÂN TẠO Bê tông 0,012 Sỏi ở đáy với cạnh làm bằng Bê tông 0,020 143 Đá trát vữa 0,023 Đóng đắp (đổ đá) 0,033 KÊNH SUỐI TỰ NHIÊN Sạch, thẳng 0,025 - 0,04 Sạch, quanh co và có cỏ dại 0,03 - 0,05 Cỏ dại, vực, quanh co 0,05 Dòng suối có đá cuội 0,04 - 0,10 Nhiều cây bụi và cây thân gỗ 0,05 - 0,20 Hệ số Manning đặc trưng n thay đổi theo lưu lượng và độ sâu. Khi độ sâu giảm tại nơi có lưu lượng thấp, sự gồ ghề tương ứng tăng. Giá trị đặc trưng của n nằm trong khoảng từ 0,015 (đối với những đoạn kênh thông suốt) đến khoảng 0,15 (đối với những đoạn kênh gồ ghề trong tự nhiên). Đây là những giá trị tiêu biểu của các điều kiện khi dòng chảy đi qua những nơi có gờ, bãi ngầm. Điều kiện tới hạn tại độ sâu để đánh giá chất lượng nước thường nhỏ hơn nhiều so với độ sâu có bãi ngầm và độ gồ ghề tương ứng có thể cao hơn nhiều. Thời gian lưu (residence time) của mỗi phần tử được tính như sau: k k k V Qt = (9.11) Trong đó: tk = thời gian lưu của phần tử thứ k (ngày) Vk = thể tích của phần tử thứ k (m3) = Ac,kDxk Ac,k = diện tích mặt cắt ngang của phần tử thứ k [m2], Dxk = chiều dài của phần tử thứ k (m) Các thời gian này sẽ được sử dụng để xác định thời gian di chuyển dọc theo mỗi khúc sông (có thể là nhánh chính, cũng có thể là một trong số nhánh phụ). Ví dụ, thời gian di chuyển từ phần tử thượng nguồn tới hạ lưu của phần tử j trong một khúc sông (segment) được tính như sau 144 å = = j k kjtt 1 , t (9.12) 6.2.3. Mô phỏng chất lượng nước Để tính toán hệ số phân tán tại phần tiếp nối hai phần tử trong Q2K cho phép nhập giá trị xấp xỉ. Nếu người dùng không nhập Q2K sẽ sử dụng công thức dưới đây trong chế độ im lặng : 2 2 i i p,i * i i U BE = 0,011 H U (9.13) Trong đó Ep,i = hệ số phân tán dọc tại mặt cắt tiếp giáp giữa hai phần tử i và i+1 (m2/s) Ui = vận tốc (m/s) Bi = chiều rộng (m) Hi = độ sâu trung bình (m) Ui* = vận tốc di chuyển (m/s), liên quan đến những đặc tính cơ bản sau: iii SgHU =* (9.14) Trong đó: g = gia tốc trọng trường (= 9,81 m/s2) S = độ dốc của kênh (không có thứ nguyên) Sau khi tính toán hay dựa vào giá trị Ep,i được nhập vào, hệ số phân tán được tính như sau 2, ii in xU E D = (9.15) Sau đó, mô hình tính hệ số phân tán Ei (giá trị được dùng trong tính toán mô hình) được tính như sau: Nếu En,i <= Ep,i, hệ số phân tán Ei được đặt bằng Ep,i – En,i Nếu En,i > Ep,i hệ số phân tán được đặt bằng 0 Bảng 6-2. Một số chất được mô phỏng trong Q2K Tên chất Thứ nguyên 145 Phương trình cân bằng khối lượng tổng quát sau đây được viết cho tất cả các phần tử của khúc (tuy nhiên chỉ trừ trường hợp đặc biệt của sinh vật ở đáy) (Hình 6.7). ( ) ( ) i i i ii i i ii i i i i iout i i i i i ii S V W cc V E cc V E c V Q c V Q c V Q dt dc ++-+-+--= +- - - - 1 ' 1 ' 1, 1 1 ở đó ci = là nồng độ chất cần tính trong phần tử i [ thứ nguyên được cho trong Bảng 6-2], t = thời gian [ngày], E’i = hệ số phân tán giữa hai phần tử i và i + 1 [m3/ngày], Wi = tải lượng xâm nhập từ thành phần bên ngoài lên phần tử i (g/ngày hoặc mg/ngày), và Si = nguồn tự sinh hay tự hoại của thành phần do phản ứng và chuyển đổi hoá học (g/m3/ngày hoặc mg/m3/ngày) Răn lơ lửng vô cơ mgD/L Oxy hoà tan mgO2/L Nhu cầu Oxy sinh hoá trong phản ứng nhanh CBOD mgO2/L Nhu cầu oxy sinh hoá trong phản ứng chậm CBOD mgO2/L Nitơ hữu cơ hoà tan mN/L Ammoniac mN/L Nitrate (NO3-) mN/L Photpho hữu cơ hoà tan mP/L Photpho vô cơ mP/L 146 Hình 6.7. Cân bằng khối lượng cho mỗi phần tử tính 6.2.4. Các nhóm số liệu chạy Q2K Dữ liệu địa hình : Trước tiên cần xác định vị trí đầu và cuối của khúc sông cần tính toán (segment). Trên Hình 6.8 là các vị trí cần xác định cho tính toán mô phỏng. Khúc sông (segmnet) được chia thành các đoạn sông (reach). Trên hình là các vị trí phân đoạn. Cụ thể là từ km 9,934 tới km 10,400 là đoạn 1 (reach 1, xem Bảng 6-3), km 10,400 tới km 13,614 là đoạn 2 (reach 2), , đoạn 16 là km35,750 tới km 40,200, đoạn cuối là km 40,200 tới km 40,441. Trên Bảng 6-3 còn chỉ ra số phần tử trong mỗi đoạn và cao trình đáy (Hình 6.9) của điểm đầu, điểm cuối trong mỗi đoạn. Trong Q2K mỗi đoạn sông giống như một chiếc máng có thiết diện là hình thang các thông số của thiết diện được thể hiện trong Bảng 6-4, Hình 6.10. 147 Hình 6.8. Các vị trí cần xác định để tính toán mô phỏng Hình 6.9. Cao trình đáy Bảng 6-3. Bảng số liệu đoạn sông và cao trình đáy STT Vị trí Số phần tử Cao trình đáy Thượng lưu (km) Hạ lưu (km) Thượng lưu (m) Hạ lưu (m) (km) >=1 1 40,441 40,200 2 293,983 292,721 2 40,200 39,750 2 292,721 290,310 3 39,750 38,928 2 290,310 281,987 4 38,928 37,576 2 281,987 275,983 5 37,576 37,077 2 275,983 269,979 6 37,077 36,643 2 269,979 257,850 148 7 36,643 33,811 2 257,850 252,825 8 33,811 33,344 1 252,825 251,996 9 33,344 32,443 2 251,963 239,988 10 32,443 29,981 3 239,988 233,984 11 29,981 25,475 5 233,984 227,979 12 25,475 22,819 2 227,979 209,997 13 22,819 20,035 2 209,997 197,988 14 20,035 18,587 2 197,988 185,980 15 18,587 13,614 2 185,980 161,993 16 13,614 10,400 2 161,993 155,749 17 10,400 9,334 1 155,749 153,678 Hình 6.10. Mỗi đoạn (reach) là có thiết diện là một hình thang Bảng 6-4. Các tham số thủy lực cho từng đoạn sông STT Công thức Manning Đoạn Độ dốc Hệ số Manning Độ rộng đáy Độ dốc cạnh bên Độ dốc cạnh bên Reach đáy sông n B0, m Ss1 Ss2 1 0,0050 0,2000 10,00 0,0000 0,0000 2 0,0050 0,2000 30,00 0,0000 0,0000 3 0,0100 0,2000 10,00 0,0000 0,0000 4 0,0040 0,2500 10,00 0,0000 0,0000 5 0,0120 0,2500 10,00 0,0000 0,0000 6 0,0280 0,2500 10,00 0,0000 0,0000 7 0,0020 0,2500 20,00 0,0000 0,0000 8 0,0020 0,2500 40,00 0,0000 0,0000 9 0,0130 0,1500 12,00 0,0000 0,0000 10 0,0020 0,1500 15,00 0,0000 0,0000 11 0,0010 0,1500 22,50 0,0000 0,0000 12 0,0070 0,0600 22,50 0,0000 0,0000 149 13 0,0040 0,0600 30,00 0,0000 0,0000 14 0,0080 0,0600 22,50 0,0000 0,0000 15 0,0050 0,0600 22,50 0,0000 0,0000 16 0,0020 0,0600 30,00 0,0000 0,0000 17 0,0020 0,1000 80,00 0,0000 0,0000 Dữ liệu nguồn thải Dữ liệu nguồn thải là bắt buộc để tính toán mô phỏng chất lượng nước kênh sông. Các thông số cần thu thập gồm: vị trí nguồn thải, lưu lượng nước đổ vào, các thông số liên quan tới chất lượng nước như nồng độ oxygen hòa tan, nhiệt độ trung bình, CBOD, pH và có thể các thông số khác. Bảng 6-5. Các nguồn thải, lưu lượng và tải lượng ô nhiễm Vị trí Nguồn điểm Nhiệt độ Oxygen hòa tan CBOD pH Lượng lấy ra Lượng chảy vào Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình Tên nguồn thải km m3/s m3/s °C mg/L mgO2/L s.u. NT03 40,07 0,0000 0,0127 25,00 3,50 2,40 7,00 NT04 38,00 0,0000 0,0988 25,00 8,29 0,00 7,00 NT05 34,91 0,0000 0,1695 25,00 8,05 0,00 7,00 NT01 32,09 0,0000 0,8850 25,00 9,27 0,00 7,00 NT06 29,56 0,0000 0,0232 25,00 3,50 5,90 7,00 NT02 27,41 0,0000 0,9379 25,00 8,40 0,00 7,00 Dữ liệu đo lưu lượng chất lượng nước tại thượng nguồn. Số liệu đo đạc chất lượng nước tại thượng nguồn được thực hiện thông qua lấy mẫu, phân tích kết quả đo đạc trong các phòng thí nghiệm. Trong Bảng 6-6 là một ví dụ kết quả phân tích mẫu nước tại thượng nguồn. Bảng 6-6. Chất lượng nước tại thượng nguồn STT Các thông số chất lượng nước Đơn vị Giá trị 1 Nhiệt độ C 21,28 2 Độ diễn điện umhos 0,00 3 Chất rắn vô cơ mgD/L 12,00 4 Oxy hòa tan mg/L 8,47 150 5 CBOD chậm mgO2/L 0,00 6 CBOD nhanh mgO2/L 2,00 7 Nito hữu cơ hòa tan ugN/L 280,00 8 NH4-Nitrogen ugN/L 40,00 9 NO3-Nitrogen ugN/L 23,00 10 Photpho hữu cơ ugP/L 16,00 11 Photpho vô cơ ugP/L 6,30 12 Thực vật phù du ugA/L 10,00 13 Detritus (POM) mgD/L 0,00 14 Pathogen cfu/100 mL 0,00 15 Chất bazo mgCaCO3/L 200,00 16 pH s.u. 7,00 Nhóm các công thức được sử dụng Nhóm này đường được Q2K mặc định và nằm trong sheet “rates” của bảng excel. Trong các bài tập được đề xuất dưới đây, dữ liệu địa hình sông được cho trong Bảng 6-3, Bảng 6-4. Nhóm đầu tiên diễn ra trong mùa khô (từ bài 10.1 tới bài 10.3), nhóm thứ hai xem xét trong mùa mưa (từ bài 10.4 tới bài 10.6). Bài 6.1. Với lưu lượng biên thượng lưu 0,971 m3/s hãy xác định sự phân bố lưu lượng dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 3,5 m3/s: màu đỏ; từ 3 – 3,5 m3/s màu hồng; từ 2 – 3 m3/s màu xanh nhạt; 1 – 2 m3/s màu xanh; nhỏ hơn 1 m3/s màu xám. Bài 6.2. Với lưu lượng biên thượng lưu 0,971 m3/s hãy xác định sự phân bố vận tốc dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 0,5 m/s: màu đỏ; từ 0,4 – 0,5 m/s màu hồng; từ 0,3 – 0,4 m/s màu xanh nhạt; 0,1 – 0,3 m/s màu xanh lá cây; nhỏ hơn 0,1 m/s màu trắng. Bài 6.3. Với lưu lượng biên thượng lưu 0,971 m3/s hãy xác định độ sâu mực nước dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 2,5 m: màu đỏ; từ 1,5 – 2,5 m màu vàng; từ 1 – 1,5 m màu xanh nhạt; 0,5 – 1 m màu vàng; nhỏ hơn 0,5 m màu xanh lá cây. Bài 6.4. Với lưu lượng biên thượng lưu 1.971 m3/s hãy xác định sự phân bố lưu lượng dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 4,5 m3/s: màu đỏ; từ 3,5 – 4,5 m3/s 151 màu hồng; từ 2,5 – 3,5 m3/s màu xanh nhạt; 1,5 – 2,5 m3/s màu xanh lá cây; nhỏ hơn 1,5 m3/s màu trắng. Hãy so sánh kết quả với bài 9.1. Bài 6.5. Với lưu lượng biên thượng lưu 1.971 m3/s hãy xác định sự phân bố vận tốc dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 0,5 m/s: màu đỏ; từ 0,4 – 0,5 m/s màu hồng; từ 0,3 – 0,4 m/s : màu xanh nhạt; 0.1 – 0.3 m/s màu xanh lá cây; nhỏ hơn 0,1 m/s màu trắng. Hãy so sánh kết quả với bài 9.2. Bài 6.6. Với lưu lượng biên thượng lưu 1,971 m3/s hãy xác định độ sâu mực nước dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 2,5 m: màu đỏ; từ 2 – 2,5 m màu hồng; từ 1 – 2 m màu xanh nhạt; 0.5 – 1 m màu xanh; nhỏ hơn 0.5 m màu trắng. Hãy so sánh kết quả với bài 9.3. Các bài tập dưới đây thuộc nhóm mô phỏng chất lượng nước kênh sông. Trong các bài tập này hai điểm D1, D2 được xác định như sau: Bảng 6-7. Vị trí các điểm nhạy cảm trên kênh sông STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông 1 D1 -8028953 4824897 26.43 km 2 D2 -8039486 4821802 14.09 km Bài 6 .7 . Xác định nồng độ nền tại c ác đ iểm nhạy cảm biết chất lượng nước tại biên thượng nguồn được cho trên Bảng 6-8. Bảng 6-8. Chất lượng nước tại thượng nguồn STT Tên Giá trị 1 Nhiệt độ (0C ) 21.28 2 Độ dẫn diện (umhos) 0 3 TSS (Chất rắn lơ lửng ) (mg/l ) 12 4 DO (Oxy hoa tan ) (mg/l ) 8.47 5 BOD chậm (BODs) ((mgO2/L)) 0 6 BOD5(200C) 2 7 N (Nitơ hữu cơ) (mg/l) 280 8 N-NH4 (Amoniac (tlnh theo N) ) (mg/l ) 40 152 9 N-N03 (Nitrat (tlnh theo N) ) (mg/l ) 23 10 O-P (Phot pho hữu cơ) (mg/l) 16 11 I-P (Phot pho vo cơ) (mg/l) 63 12 Vi sinh 10 13 Detritus (POM) 0 14 Pathogen 0 15 Độ kiềm (mg CaCO3/l) 200 16 pH 7 Bài 6.8. Thông số của nguồn NT03 được thống kê trong bảng sau: Bảng 6-9. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng độ 1 NT03 DO 0,0127 3,5 2 NT03 BOD5 (20 0C) mg/l 0,0127 2,4 Hãy tính nồng độ DO va BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quả nhận được hãy so sánh với bài 9.7. Bài 6.9. Thông số của nguồn NT03 được thống kê trong bảng sau: Bảng 6-10. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3 (kịch bản 2) STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng độ 1 NT03 DO 0.0127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0.0127 40 Hãy tính nồng độ DO va BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quá nhận được hãy so sánh với bài 9.8. Bài 6. 10. Thông số của nguồn NTKR003 được thống kê trong bảng sau: Bảng 6-11. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng độ 1 NT03 DO 0,127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0,127 40 Hãy tính nồng độ DO va BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quá nhận được hãy 153 so sánh với bài 9.9 và 9.8. Bài 6.11. Thông số của nguồn NT03, NT04 dược thống kê trong báng sau: Bảng 6-12. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3, 4 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng 1 NT03 DO 0,127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0,127 40 3 NT04 DO 0,127 1 4 NT04 BOD5 (200 C) mg/l 0,127 40 Hãy tính nồng độ DO và BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 và D2. Kết quả nhận được hãy so sánh với kết quả bài 9.10. Bài 6.12. Thông số của nguồn NT03, NT04 được thống kê trong báng sau: Bảng 6-13. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3, 4 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng 1 NT03 DO 0.127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0.127 40 3 NT04 DO 0.998 1 4 NT04 BOD5 (200C) mg/l 0.998 40 Hãy tính nồng độ DO và BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quả nhận được hãy so sánh với kết quả bài 9.11. 6.3. Các bước giải bài tập Các bước giải bài toán 6.1 – 6.6. 1. Nhập số liệu từ Bảng 6-4, Bảng 6-5, Bảng 6-8 vào Q2K Bảng 6-14. Nhập vào sheet “Reach” của Q2K Location Element Elevation Upstream Downstream Number Upstream Downstream (km) (km) >=1 (m) (m) 154 40.441 40.200 2 293.983 292.721 40.200 39.750 2 292.721 290.310 39.750 38.928 2 290.310 281.987 38.928 37.576 2 281.987 275.983 37.576 37.077 2 275.983 269.979 37.077 36.643 2 269.979 257.850 36.643 33.811 2 257.850 252.825 33.811 33.344 1 252.825 251.996 33.344 32.443 2 251.963 239.988 32.443 29.981 3 239.988 233.984 29.981 25.475 5 233.984 227.979 25.475 22.819 2 227.979 209.997 22.819 20.035 2 209.997 197.988 20.035 18.587 2 197.988 185.980 18.587 13.614 2 185.980 161.993 13.614 10.400 2 161.993 155.749 10.400 9.334 1 155.749 153.678 Bảng 6-15. Nhập dữ liệu đã cho vào sheet “reach” của Q2K Manning Formula Channel Manning Bot Width Side Side Slope n M Slope Slope 0.0050 0.2000 10.00 0.0000 0.0000 0.0050 0.2000 30.00 0.0000 0.0000 0.0100 0.2000 10.00 0.0000 0.0000 0.0040 0.2500 10.00 0.0000 0.0000 0.0120 0.2500 10.00 0.0000 0.0000 0.0280 0.2500 10.00 0.0000 0.0000 0.0020 0.2500 20.00 0.0000 0.0000 0.0020 0.2500 40.00 0.0000 0.0000 0.0130 0.1500 12.00 0.0000 0.0000 0.0020 0.1500 15.00 0.0000 0.0000 0.0010 0.1500 22.50 0.0000 0.0000 0.0070 0.0600 22.50 0.0000 0.0000 0.0040 0.0600 30.00 0.0000 0.0000 0.0080 0.0600 22.50 0.0000 0.0000 0.0050 0.0600 22.50 0.0000 0.0000 0.0020 0.0600 30.00 0.0000 0.0000 0.0020 0.1000 80.00 0.0000 0.0000 2. Kết quả chạy mô hình thủy lực cho kết quả trên các hình dưới đây 155 Hình 6.11. Kết quả tính toán phân bố lưu lượng dọc theo đoạn sông (bài 6.1) Hình 6.12. Kết quả tính toán phân bố vận tốc dọc theo đoạn sông (bài 6.2) 156 Hình 6.13. Kết quả tính toán phân bố độ sâu dọc theo đoạn sông (bài 6.3) Hình 6.14. Kết quả tính toán phân bố lưu lượng dọc theo đoạn sông (bài 6.4) 157 Hình 6.15. Kết quả tính toán phân bố vận tốc dọc theo đoạn sông (bài 6.5) Hình 6.16. Kết quả tính toán phân bố độ sâu dọc theo đoạn sông (bài 6.6) Để giải các bài 9.7 – 9.12 kết quả chạy thủy lực được sử dụng. Ngoài các nhóm số liệu đã nhập ở trên (bài 9.1 – 9.6). Cần nhập thêm hai nhóm số liệu về chất lượng nước tại thượng nguồn (Bảng 6-8) và số liệu nguồn thải (Bảng 6-9). Hướng dẫn giải các bài tập 6.7 – 6.12. 158 1. Nhập số liệu vào giao diện của Q2K Bảng 6-16. Nhập bảng giá trị chất lượng nước tại thượng nguồn vào Q2K ID Number of Headwaters* 1 No. 1 Reach No.* Headwater Name Flow* Rate (m3/s) 1 Mainstem headwater 0.971 Headwater Water Quality Units 12:00 AM Temperature C 21.28 Conductivity umhos 0.00 Inorganic Solids mgD/L 12.00 Dissolved Oxygen mg/L 8.47 CBODslow mgO2/L 0.00 CBODfast mgO2/L 2.00 Organic Nitrogen ugN/L 280.00 NH4-Nitrogen ugN/L 40.00 NO3-Nitrogen ugN/L 23.00 Organic Phosphorus ugP/L 16.00 Inorganic Phosphorus (SRP) ugP/L 6.30 Phytoplankton ugA/L 10.00 Detritus (POM) mgD/L 0.00 Pathogen cfu/100 mL 0.00 Alkalinity mgCaCO3/L 200.00 pH s.u. 7.00 2. Kết quả chạy mô hình Q2K. Nồng độ nền DO tại các điểm D1, D2 trong bài tập 9.7 được thể hiện trên Bảng 6-17, Hình 6.17. Bảng 6-17. Kết quả tính toán nồng độ nền tại D1, D2 STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông Kết quả tính 1 D1 -8028953 4824897 26.43 km 6,35 (mg/l) 2 D2 -8039486 4821802 14.09 km 8,82 (mg/l) 159 Hình 6.17. Phân bố nồng độ DO nền trong bài 6.7 Kết quả bài 6.8 thể hiện trên Bảng 6-18, Hình 6.18. Bảng 6-18. Kết quả tính toán nồng độ oxy hòa tan tại D1, D2 (bài 9.8) STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông Kết quả tính 1 D1 -8028953 4824897 26.43 km 6,37 (mg/l) 2 D2 -8039486 4821802 14.09 km 8,82 (mg/l) 160 Hình 6.18. Phân bố nồng độ DO trong bài tập 6.8 Kết quả bài 6.9 thể hiện trên Bảng 6-19 và Hình 6.19. Bảng 6-19. Kết quả tính toán nồng độ oxy hòa tan tại D1, D2 (bài 9.9) STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông Kết quả tính 1 D1 -8028953 4824897 26,43 km 6,32 (mg/l) 2 D2 -8039486 4821802 14,09 km 8,81 (mg/l) 161 Hình 6.19. Phân bố DO trong bài 6.9 Kết quả bài 6.10 được thể hiện trên Bảng 6-20, Hình 6.20 Bảng 6-20. Kết quả tính toán nồng độ oxy hòa tan tại D1, D2 (bài 6.10) STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông Kết quả tính 1 D1 -8028953 4824897 26,43 km 6,03 (mg/l) 2 D2 -8039486 4821802 14,09 km 8,76 (mg/l) 162 Hình 6.20. Phân bố DO trong bài 6.10 Kết quả bài 9.11 được thể hiện trên Bảng 6-21, Hình 6.21 Bảng 6-21. Kết quả tính toán nồng độ DO tại D1, D2 (bài 6.11) STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông Kết quả tính 1 D1 -8028953 4824897 26,43 km 5,54 (mg/l) 2 D2 -8039486 4821802 14,09 km 8,69 (mg/l) 163 Hình 6.21. Phân bố DO trong bài 6.11 Kết quả bài 6.12 được thể hiện trên Bảng 6-22, Hình 6.22. Bảng 6-22. Kết quả tính toán nồng độ oxy hòa tan tại D1, D2 (bài 9.12) STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông Kết quả tính 1 D1 -8028953 4824897 26,43 km 2,53 (mg/l) 2 D2 -8039486 4821802 14,09 km 7,96 (mg/l) 164 Hình 6.22. Sự phân bố nồng độ DO bài 6.12 6.4. Ứng dụng phần mềm ENVIMQ2K QUAL2K là một sản phẩm nổi tiếng trong lĩnh vực mô phỏng chất lượng nước kênh sông nhưng nó có một nhược điểm là hỗ trợ ứng dụng GIS. Bên cạnh đó quá trình tự động hoá tính toán theo các kịch bản gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy nhóm tác giả thuộc Phòng Tin học Môi trường, Viện Môi trường và Tài nguyên thuộc Đại học Quốc gia TP. HCM đã xây dựng phần mềm ENVIMQ2K kết hợp thế mạnh về tính toán của QUAL2K và khả năng ứng dụng GIS cũng như tự động hoá tính toán của các phần mềm ENVIM truyền thống. Phần mềm ENVIMQ2K phiên bản đầu ra đời tháng 9/2007, hiện nay đã có phiên bản 2010 /xem [1]/. Cấu trúc của chương trình này được trình bày trên Hình 6.23. Khi khởi động sẽ cho hiển thị khúc sông cần tính với điểm đầu, điểm cuối, các vị trí có nguồn thải, điểm nhạy cảm như được chỉ ra trên Hình 6.24. Thông tin được tổ chức phù hợp với mục tiêu của ENVIMQ2K là tính toán mô phỏng chất lượng nước kênh sông như các Tab đã chỉ ra trên Hình 6.25: thông tin chất lượng nước thượng nguồn, thông tin chung về sông, thông tin về các kênh rạnh đổ vào khúc sông, thông tin về nguồn thải và các điểm nhạy cảm. 165 K Hình 6.23. Các module phần mềm ENVIMQ2K Hình 6.24. Giao diện phần mềm ENVIMQ2K phiên bản 2011. 166 Hình 6.25. Hệ thống thông tin môi trường trong ENVIMQ2K Hình 6.26. Các bước chạy kịch bản trong ENVIMQ2K Các bước chạy mô hình trong ENVIMQ2K được thể hiện trên Hình 6.26. Các kết quả chạy mô hình được thể hiện trên các hình Hình 6.11- Hình 6.22. 167 6.5. Bài tập tự giải Trong các bài tập được đề xuất dưới đây, dữ liệu địa hình sông được cho trong Bảng 6-3, Bảng 6-4. Nhóm đầu tiên diễn ra trong mùa khô (từ bài 6.13 tới bài 6.15), nhóm thứ hai xem xét trong mùa mưa (từ bài 6.16 tới bài 6.18). Bài 6.13. Với lưu lượng biên thượng lưu 0,871 m3/s hãy xác định sự phân bố lưu lượng dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 3,5 m3/s: màu đỏ; từ 3 – 3,5 m3/s màu hồng; từ 2 – 3 m3/s màu xanh nhạt; 1 – 2 m3/s màu xanh; nhỏ hơn 1 m3/s màu xám. Bài 6.14. Với lưu lượng biên thượng lưu 0,871 m3/s hãy xác định sự phân bố vận tốc dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 0,5 m/s: màu đỏ; từ 0,4 – 0.5 m/s màu hồng; từ 0,3 – 0,4 m/s màu xanh nhạt; 0,1 – 0,3 m/s màu xanh lá cây; nhỏ hơn 0,1 m/s màu trắng. Bài 6.15. Với lưu lượng biên thượng lưu 0,871 m3/s hãy xác định độ sâu mực nước dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 2,5 m: màu đỏ; từ 1,5 – 2,5 m màu vàng; từ 1 – 1,5 m màu xanh nhạt; 0,5 – 1 m màu vàng; nhỏ hơn 0,5 m màu xanh lá cây. Bài 6.16. Với lưu lượng biên thượng lưu 1.871 m3/s hãy xác định sự phân bố lưu lượng dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 4,5 m3/s: màu đỏ; từ 3,5 – 4,5 m3/s màu hồng; từ 2,5 – 3,5 m3/s màu xanh nhạt; 1,5 – 2,5 m3/s màu xanh lá cây; nhỏ hơn 1,5 m3/s màu trắng. Hãy so sánh kết quả với bài 6.1. Bài 6.17. Với lưu lượng biên thượng lưu 1.871 m3/s hãy xác định sự phân bố vận tốc dòng chảy dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 0,5 m/s: màu đỏ; từ 0,4 – 0,5 m/s màu hồng; từ 0,3 – 0,4 m/s : màu xanh nhạt; 0.1 – 0.3 m/s màu xanh lá cây; nhỏ hơn 0,1 m/s màu trắng. Hãy so sánh kết quả với bài 6.2. Bài 6.18. Với lưu lượng biên thượng lưu 1,871 m3/s hãy xác định độ sâu mực nước dọc theo sông theo các mức sau đây: lớn hơn 2,5 m: màu đỏ; từ 2 – 2,5 m màu hồng; từ 1 – 2 m màu xanh nhạt; 0.5 – 1 m màu xanh; nhỏ hơn 0,5 m màu trắng. Hãy so sánh kết quả với bài 6.15. 168 Các bài tập dưới đây thuộc nhóm mô phỏng chất lượng nước kênh sông. Trong các bài tập này hai điểm D1, D2 được xác định như sau: Bảng 6-23. Vị trí các điểm nhạy cảm trên kênh sông STT Tên điểm Tọa độ x Tọa độ y Vị trí trên khúc sông 1 D1 -8028953 4824897 26.43 km 2 D2 -8039486 4821802 14.09 km Bài 6 .19. Xác định nồng độ nền tại c ác đ iểm nhạy cảm biết chất lượng nước tại biên thượng nguồn được cho trên Bảng 6-8. Bảng 6-24. Chất lượng nước tại thượng nguồn STT Tên Giá trị 1 Nhiệt độ (0C ) 21,28 2 Độ dẫn diện (umhos) 0 3 TSS (Chất rắn lơ lửng ) (mg/l ) 12 4 DO (Oxy hoa tan ) (mg/l ) 4,47 5 BOD chậm (BODs) ((mgO2/L)) 0 6 BOD5(200C) 4 7 N (Nitơ hữu cơ) (mg/l) 280 8 N-NH4 (Amoniac (tlnh theo N) ) (mg/l ) 40 9 N-N03 (Nitrat (tlnh theo N) ) (mg/l ) 23 10 O-P (Phot pho hữu cơ) (mg/l) 16 11 I-P (Phot pho vo cơ) (mg/l) 63 12 Vi sinh 10 13 Detritus (POM) 0 14 Pathogen 0 15 Độ kiềm (mg CaCO3/l) 200 16 pH 7 Bài 6.20. Thông số của nguồn NT03 được thống kê trong bảng sau: Bảng 6-25. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng độ 1 NT03 DO 0,0127 3,5 2 NT03 BOD5 (20 0C) mg/l 0,0127 2,4 169 Hãy tính nồng độ DO va BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quả nhận được hãy so sánh với bài 6.19. Bài 6.21. Thông số của nguồn NT03 được thống kê trong bảng sau: Bảng 6-26. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3 (kịch bản 2) STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng độ 1 NT03 DO 0.0127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0.0127 40 Hãy tính nồng độ DO va BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quá nhận được hãy so sánh với bài 9.20. Bài 6. 22. Thông số của nguồn NT03 được thống kê trong bảng sau: Bảng 6-27. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng độ 1 NT03 DO 0,127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0,127 40 Hãy tính nồng độ DO va BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quá nhận được hãy so sánh với bài 6.21 và 6.20. Bài 6.23. Thông số của nguồn NT03, NT04 dược thống kê trong báng sau: Bảng 6-28. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3, 4 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng 1 NT03 DO 0,127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0,127 40 3 NT04 DO 0,127 1 4 NT04 BOD5 (200 C) mg/l 0,127 40 Hãy tính nồng độ DO và BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 và D2. Kết quả nhận được hãy so sánh với kết quả bài 6.22. Bài 6.24. Thông số của nguồn NT03, NT04 được thống kê trong báng sau: 170 Bảng 6-29. Bảng kết quả đánh giá tác động môi trường tại nguồn thải số 3, 4 STT Tên nguồn Thông số Lưu lượng Nồng 1 NT03 DO 0.127 1 2 NT03 BOD5 (200C) mg/l 0.127 40 3 NT04 DO 0.998 1 4 NT04 BOD5 (200C) mg/l 0.998 40 Hãy tính nồng độ DO và BOD5 tại 2 đ iểm nhạy cảm D1 va D2. Kết quả nhận được hãy so sánh với kết quả bài 6.23. 6.6. Câu hỏi kiểm tra kiến thức 1/ Hãy phân biệt khúc (segment), đoạn (reach), phần tử (element) trong Qual2K từ đó làm rõ cách phân đoạn trong QUAL2K ? 2/ Trình bày sự cân bằng lưu lượng trong QUAL2K cho từng phần tử tính toán 3/ Trình bày mô hình thuỷ lực trong QUAL2K ? Làm rõ các nhóm số liệu cần chuẩn bị để chạy mô hình thủy lực trong QUAL2K. 4/ Trình bày mô hình nhiệt độ trong QUAL2K. 5/ Trình bày mô hình tính toán nồng độ cho từng phần tử trong QUAL2K? 6/ Hãy trình bày mục tiêu và những chức năng chính của ENVIMQ2K. 7/ Hãy trình bày các bước tự động hoá tính toán theo chương trình ENVIMQ2K 8/ Hãy trình bày các chức năng làm báo cáo trong ENVIMQ2K. 9/ Hãy tự làm một dự án ứng dụng ENVIMQ2K Tài liệu tham khảo [1]. Bùi Tá Long, 2008. Mô hình hóa môi trường. Nxb Đại học Quốc gia TP. HCM, 441 trang.. 171 [2]. Streeter H.W., Sanitary engineer and Earle B. Phelps, Consultnat. A study of the pollution and nature purification of the Ohio river, III. Factors concerned in the phenomena of oxidation and reaeration. United states public health service. Washington,D.C. 172 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Chọn gốc tọa độ tại chân ống khói và hệ tọa độ gắn với nguồn thải ......................... 3 Hình 1.2. Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Gauss .................................................... 12 Hình 1.3 Hộp thoại tạo ống khói .............................................................................................. 13 Hình 1.4 Cửa sổ kịch bản Gauss .............................................................................................. 14 Hình 1.5 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang thông tin ............................................................ 14 Hình 1.6 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc - Tần suất gió”................................... 15 Hình 1.7 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” ................................... 15 Hình 1.8 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Thông số kịch bản” .......................................... 16 Hình 1.9 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” ..................... 17 Hình 1.10 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 1 .......................................................................... 18 Hình 1.11 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 2 .......................................................................... 19 Hình 1.12 Thông báo mô hình đang được thực hiện ............................................................... 20 Hình 1.13 Kết quả chạy mô hình dạng đường đồng mức ........................................................ 20 Hình 1.14 Hộp thoại Các giá trị trung gian .............................................................................. 21 Hình 2.1. Sơ đồ khuếch tán luồng khí thải dọc theo chiều gió ................................................ 25 Hình 2.2. Các nhóm thông tin cần thiết cho mô hình Berliand ................................................ 40 Hình 2.3. Hộp thoại tạo ống khói ............................................................................................. 41 Hình 2.4 Cửa sổ kịch bản Berliand .......................................................................................... 42 Hình 2.5 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang thông tin ........................................................ 42 Hình 2.6 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Vận tốc – Tần suất gió” ............................... 43 Hình 2.7 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Thông số kịch bản Berliand” ....................... 44 Hình 2.8 Hộp thoại kịch bản Berliand – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” ................. 45 Hình 2.9 Thông báo mô hình đang được thực hiện ................................................................. 46 Hình 2.10 Bản đồ mô phỏng – kết quả chạy mô hình Berliand ............................................... 47 Hình 2.11 Hộp thoại các giá trị trung gian – Bài tập mô hình Berliand .................................. 48 Hình 3.1. Hộp thoại tạo ống khói ............................................................................................. 70 Hình 3.2. Cửa sổ kịch bản Gauss ............................................................................................ 71 Hình 3.3 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang thông tin ............................................................ 71 Hình 3.4 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Vận tốc - Tần suất gió”................................... 71 Hình 3.5 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Thông số kịch bản” .......................................... 72 Hình 3.6 Hộp thoại kịch bản Gauss – Trang “Số liệu phát thải trong kịch bản” ..................... 72 Hình 3.7 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 1 ............................................................................ 74 Hình 3.8 Hộp thoại chạy mô hình – Bước 2 ............................................................................ 75 Hình 3.9 Thông báo mô hình đang được thực hiện ................................................................. 76 Hình 3.10 Kết quả chạy mô hình dạng đường đồng mức ........................................................ 76 Hình 3.11 Hộp thoại Các giá trị trung gian .............................................................................. 77 H