Nghiên cứu xây dựng phần mềm xác định phân bố chất ô nhiễm dạng khí, bụi trong không khí phục vụ cho công tác quan trắc môi trường tại Việt Nam

18/03/2020
Nhóm tác giả đã xây dựng phần mềm NILP-AD 1.0 tính toán phát thải chất ô nhiễm dạng khí, bụi từ nguồn điểm cao theo mô hình Gauss có tính đến ảnh hưởng của khối lượng đơn vị của chất ô nhiễm đến quá trình khuếch tán trong điều kiện Việt Nam.Phần mềm NILP-AD 1.0 chạy trên hệ điều hành Window,có giao diện trực quan, thân thiện với người dùng,nên dễ sử dụng. Phần mềm NILP-AD được xác định là hoàn toàn tương đồng với phần mềm chạy trên hệ điều hành MS-DOS trước đóđã được kiểm chứng thực tế.Kết quả đo đạc kiểm chứng thực tế NILP-AD 1.0 cho thấy, sai lệch giữa tính toán theo chương trình và đo đạc thực tế nằm trong khoảng 5%-30%.

ĐT VN Đ:

Tình hình ô nhiễm môi trường không khí ngày càng trở nên nghiêm trọng đặc biệt tại các thành phố lớn. Nguồn gây ô nhiễm không khí rất đa dạng, từ các nguồn tự nhiên cho đến các nguồn được tạo ra từ hoạt động của con người như: sinh hoạt, giao thông, nông nghiệp và đặc biệt là công nghiệp với chất ô nhiễmđa dạng và độc hại cao.Chất ônhiễm từ hoạt động sản xuất công nghiệp không chỉ ảnh hưởng đến cuộcsống của cư dân khu vực lân cận mà còn tác động xấu tới môi trường trên quy mô vùng, quy mô quốc gia và thậm chí quy mô xuyên quốc gia.

Việt Nam đã tham gia cả Công ước Rio de Janeiro và Nghị định thư Kyoto. Nhiều chương trình hành động đã được xây dựng, tuy nhiên, vì nhiều nguyên nhân khác nhau, trong đó có nguyên nhân nguồn tài chính eo hẹp, mà kết quả thực tế còn chưa đạt được như mong muốn.

Khi quyết định đầu tư một khu công nghiệp, hay một nhà máy (sản xuất vật liệu xây dựng, xi măng, nhiệt điện,...) thì một trong những vấn đề cần phải cân nhắc hết sức kỹ lưỡng là hoạt động sản xuất sau này sẽ ảnh hưởng như thế nào đến môi trường.Để có thông tin, số liệu phục vụ cho quá trình xem xét cần có công cụ để mô phỏng các kịch bản ô nhiễm môi trường có thể xảy ra. Đối với ô nhiễm môi trường không khí, chúng ta cần rất cần xây dựng được bản đồ phân bố chất ô nhiễm, qua đó hình dung được mức độ và phạm vi ảnh hưởng của các yếu tố ô nhiễm đến môi trường không khí xungquanh. Các nghiên cứu về phát thải đều sử dụng công cụ máy tính để lập bản đồ ô nhiễm. Tuy nhiên, các phần mềm này đa phần đều được thiết lập bằng những ngôn ngữ lập trình cũ, có giao diện người dùng thiếu trực quan nên chỉ phù hợp với một số ít đối tượng có kiến thức chuyên sâu. Đây là lý do mà các tác giả đã nghiên cứu xây dựng phần mềm mới chạy trên hệ điều hành Windows nhằm tạo ra 1 sản phẩm có giao diện thân thiện, dễ sử dụng hơn đối với người dùng.

I. CÔNG THỨC TOÁN ĐƯỢC SỬ DỤNG

Khi tính toán khuếch tán chất ô nhiễm bụi trong môi trường không khí theo mô hình Gauss, người ta đã ngầm hiểu rằng đây là bụi kích thước hạt rất bé, ở dạng lơ lửng vĩnh viễn trong không khí và có độ khuếch tán giống như chất khí. Thực tế, hạt bụi có khối lượng lớn hơn nhiều so với phân tử khí, nên lực trọng trường sẽ ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán.

Khối lượng đơn vị () của một số chất ô nhiễm thể khí ở điều kiện tiêu chuẩn có giá trị như sau: khí SO2 2,926 kg/m3, khí NO2 2,054 kg/m3, khí CO 1,25kg/m3... Trong khi đó khối lượng đơn vị của bụi lớn hơn so với các chất khí rất nhiều, ví dụ: bụi than 1570 kg/m3, bụi gốm sứ 2650 kg/m3, bụi xi măng 2840 kg/m3...  Khối lượng đơn vị của bụi càng lớn thì vận tốc rơi (vr) của nó càng lớn – không thể bỏ qua và do đó có gây ảnh hưởng đáng kể tới sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trong không khí, tạo nên sự khác biệt trong phân bố nồng độ so với chất khí.

Khi nghiên cứu tính toán khuếch tán bụi với 3 trường hợp khác nhau đã rút ra kết luận sau:

- Khối lượng đơn vị của bụi là yếu tố ảnh hưởng rất lớn nhất tới sự phân bố nồng độ trong không khí;

- Mức hấp thu của bề mặt đất đối với bụi phụ thuộc vào khối lượng đơn vị của bụi. Sự phụ thuộc này được kể đến bằng hệ số và nhờ đó kết quả thu được hoàn toàn hợp logic;

- Khi tính toán khuếch tán đối với chất ô nhiễm là bụi, phải kể đến ảnh hưởng của khối lượng đơn vị tới sự phân bố nồng độ trong không khí để đảm bảo độ chính xác trong công tác dự báo ô nhiễm môi trường;

- Công thức để tính toán khuếch tán bụi trong môi trường không khí bằng mô hình Gauss có kể đến khối lượng đơn vị của bụi như sau:



               b –     khối lượng đơn vị của bụi tính toán, kg/m3;

               bmax – khối lượng đơn vị lớn nhất của bụi có thể có, kg/m3.

  • Tải lượng theo cỡ hạt bụi được xác định như sau:


 –     tỷ lệ phân cấp cỡ hạt bụi theo khối lượng;

M –     Tải lượng tổng cộng của bụi, mg/s.

  • Vận tốc rơi của hạt bụi được xác định từ định luật Stokes theo công thức [4]:


b –     khối lượng đơn vị của bụi, kg/m3;

g –       gia tốc trọng trường, m/s2;

 –       đường kính hạt bụi, m;

 –      hệ số nhớt động lực của không khí, Pa.s.

II. PHẦN MỀM NILP- AD 1.0

2.1. Số liệu đầu vào tính toán khuếch tán

- Số liệu khí tượng bao gồm: Nhiệt độ không khí (t), Độ ẩm tương đối không khí (j), vận tốc gió theo các hướng, áp suất khí quyển, bức xạ mặt trời và độ mây. Nguồn số liệu lấy từ: Trung tâm khí tượng thủy văn;

- Số liệu nguồn thải bao gồm: Kích thước nguồn điểm (đường kính, chiều cao), lưu lượng, nhiệt độ và tải lượng chất ô nhiễm.Khi sử dụng dữ liệu theo phương pháp quan trắc nguồn thải, số liệu nhập vào chương trình là kết quả đo đạc trực tiếp từ nguồn thải (ống khói) hoặc số liệu được khai thác từ các nguồn cung cấp Hệ số phát thải. Khi sử dụng số liệu theo phương pháp cân bằng vật liệu thì dữ liệu đầu vào cần nhập cho chương trình là thành phần và tỉ lệ các nguyên tố có trong vật liệu. Các dạng nhiên liệu có thể là: Rắn, Lỏng, Khí. Dựa vào thành phần và khối lượng nhiên liệu tiêu thụ, chương trình sẽ thiết lập phản ứng cháy và xác định các tải lượng đối với các chất ô nhiễm trong sản phẩm cháy;

2.2. Thiết lập các modul chương trình phần mềm tính toán

Mục đích cuối cùng của chương trình phần mềm tính toán khuếch tán chất ô nhiễm trong môi trường không khí là phải xây dựng được bản đồ phân bố chất ô nhiễm do nguồn/các nguồn thải gây ra tại một khu vực chỉ định trên mặt đất. Để thuận tiện cho việc thiết lập phần mềm, lựa chọn phương án chia chương trình chính các modul chương trình nhỏ. Mỗi modul chương trình sẽ đảm nhiệm tính toán và cho ra kết quả xác định, được lấy làm dữ liệu cho chương trình chính.

Nguyên tắc thiết lập modul chương trình phần mềm tính toán:

Mỗi modul chương trình là một phần cấu thành nên chương trình chính;

Mỗi modul chương trình đảm nhiệm trọn vẹn một bài tính (gồm một hay nhiều thuật toán) và trả về kết quả nhất định được sử dụng cho các bài tính khác trong chương trình chính;

Sử dụng một ngôn ngữ lập trình C++ duy nhất, thông dụng, chạy trên môi trường “Window”;

Có chú thích đầy đủ trong “text code” để người đọc có thể dễ dàng hiểu và kiểm tra độ chính xác của các phép tính;

Kết quả xuất ra từ chương trình ở định dạng các file dữ liệu chuẩn, tương thích với các phần mềm Window khác.

Các modul chương trình phần mềm tính toán

Chương trình tính toán chính được chia thành 36 modul. Mỗi modul chương trình đều được lập theo kết cấu:Tên modul; mục đích của modul; mô tả modul; sơ đồ thuật toánmodul và bảng mã (code) của modul chương trình.

2.3. Xây dựng kết cấu và giao diện người dùng của chương trình

Chương trình biểu hiện hết được các tính năng thông qua giao diện để đáp ứng được yêu cầu của người dùng là khi nhìn vào cách biểu hiện của chương trình thì dễ dàng nắm bắt được các tính năng của chương trình.


Hình 1. Màn hình giao diện của chương trình phần mềm

2.4. Kết quả đầu ra của chương trình

Kết quả đầu ra của chương trình được trình bày dưới 2 hình thức: Bảng số liệu và hình ảnh bản đồ/biểu đồ.


Hình 2. Bảng số liệu nồng độ chất ô nhiễm


Hình 3. Bản đồ phân bố ô nhiễm

Hình 4. Biểu đồ đường cong nồng độ theo hướng gió trên trục qua chân nguồn

2.5. Kiểm chứng kết quả tính toán theo mô hình

So sánh kết quả tính toán giữa Chương trình phần mềm do Trần Ngọc Chấn xây dựng và Chương trình phần mềm NILP-AD 1.0.

So sánh tính tương đồng hoàn toàn (về kết quả tính toán) giữa 2 Chương trình phần mềm được thực hiện như sau:

  • Nhận cùng một thông số đầu vào tính toán: cơ sở số liệu dữ liệu khí tượng tại Hà Nội;số liệu về nguồn thải và loại nhiên liệu sử dụng (nhiên liệu rắn – than);
  • So sánh kết quả: Xử lý số liệu khí tượng để xác định các thông số tính toán trong công thức tính nồng độ chất ô nhiễm tại mỗi điểm;kết quả tính toán sản phẩm cháy và tải lượng ô nhiễm; kết quả xuất số liệu nồng độ tính toán ở dạng file vàkết quả xuất số liệu ở dạng bản đồ/biểu đồ.


Hình 5. Chương trình phần mềm của Trần Ngọc Chấn


Hình 6. Chương trình phần mềm NILP-AD 1.0


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận:

  1. Đã xây dựng được chương trình phần mềm NILP-AD 1.0  tính toán phân bố chất ô nhiễm khí và bụi từ nguồn thải điểm cao theo mô hình Gauss có tính đến ảnh hưởng của khối lượng riêng của bụi tới quá trình khuếch tán. Chương trình phần mềm NILP-AD 1.0 chạy trên hệ điều hành Window, có giao diện thân thiện với người dùng và tương thích với các ứng dụng Window khác;
  2. Chương trình phần mềm NILP-AD 1.0 được xác định là hoàn toàn tương đồng hoàn toàn với phần mềm do Trần Ngọc Chấn xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình Turbo Pascal chạy trên hệ điều hành MS-DOS đã được kiểm chứng thực tế. Kết quả đo đạc kiểm chứng thực tế NILP- AD 1.0 cho thấy, sai lệch giữa tính toán theo chương trình và đo đạc thực tế nằm trong trong khoảng 5%-30%.

Kiến nghị:

Tiếp tục hoàn thiện, nâng cấp phần mềm NILP-AD 1.0 cả về hình thức và nội dung (tạo giao diện người dùng thân thiện hơn, cập nhật định kỳ số liệu khí tượng và bổ sung cơ sở dữ liệu về chủng loại nhiên liệu đốt...).

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. Trần Ngọc Chấn (2000),Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Tập 1: Ô nhiễm không khí và tính toán khuếch tán chất ô nhiễm, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,Hà Nội;
  2. Trần Ngọc Chấn (2001), Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải – Tập 2: Cơ học về bụi và phương pháp xử lý bụi, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,  Hà Nội;
  3. Vũ Thanh Lương (2015), Nghiên cứu hoàn thiện phương pháp xác định phân bố ô nhiễm dạng khí, bụi trong khí quyển phục vụ cho công tác quan trắc môi trường tại Việt Nam, Đề tài CTTĐ-2014/02/TLĐ- BKHCN, Viện nghiên cứu KHKT Bảo hộ lao động, Hà Nội;


Nguyễn Quốc Hoàn, Vũ Thanh Lương

Viện khoa học An toàn và vệ sinh lao động

(Nguồn tin: Vnniosh.vn)