Giáo trình bảo vệ môi trường - Phần 1 Bảo vệ khí quyển - Chương 8

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

77
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Các mô hình số về ô nhiễm khí quyển thành phố lớn Trong những năm gần đây, đã xây dựng một số mô hình lan truyền tạp chất từ nhiều nguồn nằm trong lãnh thổ thành phố. Vấn đề này thuộc loại những vấn đề phức tạp nhất, bởi vì sự lan truyền tạp chất liên quan mật thiết với chế độ động lực, nhiệt và ẩm của thành phố, tính chất của mặt đệm, thành phần hóa học của tạp chất v.v... Một trong những mô hình ô nhiễm thành phố đầy đủ nhất và tiến xa nhất đ-ợc xây...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình bảo vệ môi trường - Phần 1 Bảo vệ khí quyển - Chương 8

Trong líp s¸t mÆt ®Êt, nh÷ng tr¾c diÖn th¼ng ®øng cña tÊt c¶ c¸c ®¹i l−îng khÝ t−îng vμ nång ®é t¹p chÊt ®−îc viÕt cã tÝnh tíi nh÷ng thμnh tùu cña lý thuyÕt ®ång d¹ng vμ thø nguyªn. ë phÇn bªn trªn, phÇn Ekman cña líp biªn khÝ quyÓn, nghiÖm sè trÞ ®−îc x©y dùng cã sö dông ph−¬ng ph¸p t¸ch nh¸nh hÖ Ch−¬ng 8 ph−¬ng tr×nh ®Çy ®ñ, trong ®ã gi÷ c¸c nhËp l−îng b×nh l−u, ®èi l−u vμ rèi cña c¸c tÝnh chÊt, cßn trong ph−¬ng tr×nh c©n b»ng C¸c m« h×nh sè vÒ « nhiÔm khÝ quyÓn t¹p chÊt − gi÷ c¸c nhËp l−îng t¹p chÊt tõ c¸c nguån vμ chuyÓn thμnh phè lín hãa mét d¹ng chÊt « nhiÔm nμy sang d¹ng kh¸c. Tèc ®é th¼ng ®øng xuÊt hiÖn do ¶nh h−ëng cña sù ph©n kú th«ng l−îng ph−¬ng ngang còng nh− do sù ch¶y tr−ên theo nh÷ng yÕu tè gå Trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y, ®· x©y dùng mét sè m« h×nh ghÒ cña mÆt ®Êt. Khã kh¨n lín khi x©y dùng lý thuyÕt « nhiÔm lan truyÒn t¹p chÊt tõ nhiÒu nguån n»m trong l·nh thæ thμnh khÝ quyÓn lμ vÊn ®Ò ph¸t biÓu ®iÒu kiÖn biªn ë mÆt ®Êt ®èi víi phè. VÊn ®Ò nμy thuéc lo¹i nh÷ng vÊn ®Ò phøc t¹p nhÊt, bëi v× nång ®é t¹p chÊt. TÊt c¶ khã kh¨n lμ ë chç c¸c t¹p chÊt kh¸c sù lan truyÒn t¹p chÊt liªn quan mËt thiÕt víi chÕ ®é ®éng lùc, nhau vÒ thμnh phÇn hãa häc t−¬ng t¸c kh«ng nh− nhau víi mÆt nhiÖt vμ Èm cña thμnh phè, tÝnh chÊt cña mÆt ®Öm, thμnh phÇn ®Êt: mét sè chÊt khi tiÕp xóc víi mÆt ®Êt th× bÞ hÊp thô m¹nh, hãa häc cña t¹p chÊt v.v... nh÷ng chÊt kh¸c − hÇu nh− ph¶n x¹ l¹i hoμn toμn. Th«ng Mét trong nh÷ng m« h×nh « nhiÔm thμnh phè ®Çy ®ñ nhÊt th−êng, ng−êi ta viÕt ®iÒu kiÖn biªn nμy d−íi d¹ng vμ tiÕn xa nhÊt ®−îc x©y dùng bëi c¸c céng t¸c viªn Chi nh¸nh ∂ qi Sibiri ViÖn Hμn l©m Khoa häc Liªn X« V. V. Penhenko, A. E. kz ρ + v gi ) ρ q i = β i ρ q i − f i ( x, y, t ) . ( ∂z Aloian, G. L. Lazriev do viÖn sÜ G. I. Marchuk ®øng ®Çu. ë ®©y sè h¹ng thø nhÊt ë vÕ tr¸i lμ th«ng l−îng rèi cña t¹p HÖ xuÊt ph¸t gåm: a) c¸c ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng, chÊt i , thø hai − th«ng l−îng t¹p chÊt i do r¬i l¾ng träng lùc ph−¬ng tr×nh liªn tôc vμ ph−¬ng tr×nh thñy tÜnh; b) c¸c ph−¬ng ( v gi ) − tèc ®é r¬i l¾ng), f i ( x, y, t ) − hμm m« t¶ c¸c nguån t¹p chÊt ( tr×nh nhËp l−îng (c©n b»ng) nhiÖt vμ h¬i n−íc; c) ph−¬ng tr×nh t¹i mùc mÆt ®Êt, β i − nh©n tö (víi thø nguyªn tèc ®é) ®Æc tr−ng vËn chuyÓn (c©n b»ng) c¸c t¹p chÊt. cho sù t−¬ng t¸c cña t¹p chÊt i víi mÆt ®Öm, khi β i = 0 t¹p chÊt VËn chuyÓn rèi vμ nhËp l−îng ®éng l−îng, nhiÖt l−îng, h¬i ph¶n x¹ tõ mÆt, khi β i → ∞ − bÞ hÊp thô hoμn toμn. Tr¹ng th¸i n−íc vμ t¹p chÊt ®−îc tÝnh ®Õn trong khu«n khæ lý thuyÕt rèi b¸n thùc nghiÖm − b»ng c¸ch ®−a ra c¸c hÖ sè rèi trªn c¸c hiÖn nay cña vÊn ®Ò lμ ®èi víi phÇn lín c¸c t¹p chÊt gi¸ trÞ cña nh©n tö β i ch−a ®−îc biÕt. ph−¬ng ngang vμ th¼ng ®øng. 189 190
Ph©n tÝch kÕt qu¶ tÝnh to¸n cho thÊy r»ng, chØ cÇn biÕt β i b»ng bøc x¹ ( R ) cña mÆt ®Êt vμo ban ngμy ( R ≈ 400 − 600 W/m2) vμ ®¹t 15−25 % vμo ban ®ªm ( − R ≈ 100 − 200 W/m2). −5 trong kho¶ng tõ 10 ®Õn 1 m/s. Bªn ngoμi kho¶ng nμy, ph©n bè nång ®é c¸c t¹p chÊt phô thuéc yÕu vμo sù biÕn ®æi cña β i . ë Tham sè gå ghÒ z 0 chÊp nhËn b»ng 1 m ®èi víi phÇn thμnh phè cã c¸c c«ng tr×nh x©y dùng víi ®é cao trung b×nh 20−30 m, mét trong c¸c thÝ dô, c¸c trÞ sè cùc ®¹i cña nång ®é ®· t¨ng lªn kho¶ng hai lÇn khi β i biÕn ®æi tõ 10 −5 ®Õn 10 −3 m/s. b»ng 0,5 m − ®èi víi phÇn c«ng viªn cña thμnh phè, vμ b»ng 0,1m ®èi víi c¸c vïng ngo¹i «; albe®« mÆt ®Êt − tuÇn tù lμ 0,2, V× ®ång thêi víi ph−¬ng tr×nh vËn chuyÓn t¹p chÊt, cÇn t×m 0,4, 0,3; hÖ sè dÉn nhiÖt ®é cña ®Êt − 2,6, 1,1 vμ 1,1 W/(m.oC). nghiÖm cña c¸c ph−¬ng tr×nh nhËp l−îng nhiÖt l−îng vμ Èm, T¹i thêi ®iÓm, ®Çu ®é chªnh cña tÊt c¶ c¸c ®¹i l−îng khÝ nªn cã thÓ m« pháng chÕ ®é nhiÖt vμ Èm thμnh phè. Trong t−îng so víi c¸c trÞ sè trung b×nh cña chóng ®−îc chÊp nhËn ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt ®· tÝnh ®Õn c¸c th«ng l−îng rèi b»ng kh«ng. cña nhiÖt hiÖn vμ Èn vμ th«ng l−îng nhiÖt ®i vμo ®Êt. ViÖc tÝnh to¸n c¸c ®Æc tr−ng vi khÝ hËu cña thμnh phè ®−îc Trong ph−¬ng tr×nh c©n b»ng nhiÖt t¹i mÆt ®Êt ®−îc dïng thùc hiÖn cho tr−êng hîp tr−êng ¸p suÊt bÞ suy tho¸i m¹nh, khi lμm ®iÒu kiÖn biªn, bªn c¹nh c¸c th«ng l−îng nhiÖt hiÖn vμ ®ã tèc ®é giã ®Þa chuyÓn (nÒn) gÇn b»ng kh«ng ( u g = 0 ), cßn nhiÖt Èn, bøc x¹ sãng ng¾n vμ hång ngo¹i vμ th«ng l−îng nhiÖt ®i vμo ®Êt, ®· tÝnh ®Õn th«ng l−îng nhiÖt nh©n sinh I s t¸ch ra nh÷ng ®Æc ®iÓm cña chÕ ®é nhiÖt vμ giã trong thμnh phè ®−îc h×nh thμnh chØ d−íi ¶nh h−ëng cña nh÷ng yÕu tè bÊt ®ång nhÊt trong qu¸ tr×nh s¶n xuÊt vμ tiªu thô n¨ng l−îng trong thμnh nhiÖt vËt lý, bøc x¹ vμ Èm cña mÆt ®Öm. phè. Th«ng l−îng nμy ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng: I s (t ) = 21 + 29 sin [π (t − 6) / 18 ] khi 6 giê ≤ t ≤ 24 giê Trªn h×nh 8.1 biÓu diÔn biÕn tr×nh ngμy cña hiÖu ΔT nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¹i ®é cao 2 m ë trung t©m thμnh phè vμ ë c¸c ®iÓm vμ I s (t ) = 21 W/m ®èi víi nh÷ng thêi ®iÓm kh¸c. 2 n»m ë ngo¹i vi thμnh phè vÒ phÝa t©y b¾c vμ t©y nam. Cùc ®¹i Nh− vËy, th«ng l−îng nh©n sinh b»ng 21 W/m2 vμo ban ®ªm − chÝnh cña ΔT gÇn b»ng 3,5 oC ®¹t ®−îc vμo ban ®ªm, tr−íc khi tõ 0 ®Õn 6 giê, sau 6 giê t¨ng lªn, ®¹t cùc ®¹i b»ng 50 W/m2 lóc MÆt Trêi mäc (4 giê 41 ph), cùc ®¹i thø hai (gÇn 1,6 oC) − vμo ban 15 giê vμ gi¶m tíi cùc tiÓu vμo lóc 24 giê; l−u ý r»ng theo −íc ngμy, lóc 12−13 giê. C¸c cùc tiÓu ΔT ®¹t ®−îc ngay sau lóc MÆt l−îng ë phÇn lín c¸c thμnh phè cña thÕ giíi th× I s dao ®éng Trêi lÆn (20 giê 31 ph) vμ s¸ng sím (gÇn 6 giê). Thùc tÕ trong gi÷a 3−10 vμ 50−60 W/m2, tuy nhiªn ë c¸c khu trung t©m thμnh vßng c¶ ngμy vμ ®ªm hiÖu ΔT d−¬ng, vμ chØ trong mét kho¶ng phè I s cã thÓ ®¹t tíi 200−300 W/m2. ë phÇn trung t©m Lu©n thêi gian kh«ng lín sau hoμng h«n th× nhiÖt ®é kh«ng khÝ ë ®«n (diÖn tÝch kho¶ng 1 km2), trung b×nh mét ngμy ph¸t th¶i trung t©m thμnh phè míi thÊp h¬n mét chót so víi c¸c vïng nhiÖt ®¹t 230−259 W/m2, cßn ë trung t©m New York thËm chÝ ngo¹i vi, chñ yÕu lμ so víi mét ®iÓm ë phÝa t©y nam, n»m gÇn hå 600−650 W/m2. Nãi chung th«ng l−îng I s b»ng 5−10 % cña c©n chøa lín, ban ®ªm nguéi l¹nh chËm h¬n so víi bÒ mÆt ®Êt trong 191 192
thμnh phè. KÕt qu¶ tÝnh to¸n tr−êng nhiÖt ®é trong mÆt ph¼ng th¼ng ®øng ®i qua trung t©m thμnh phè däc kinh tuyÕn ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 8.2. PhÇn g¹ch chÐo cña trôc y lμ thμnh phè, cßn c¸c h×nh b¸n nguyÖt nhá chØ mÆt n−íc (s«ng). Vμo ban ngμy (h×nh 8.2 a), trªn mçi phÇn thμnh phè h×nh thμnh mét ®¶o (vßm cung) nhiÖt ®éc lËp. Cμng lªn cao, nh÷ng vßm cung nμy liªn kÕt l¹i thμnh mét vßm cung, vßm cung nμy lan cao lªn tíi ®é cao gÇn 600 m. Vμo ban ®ªm (h×nh 8.2 b), ë c¸c vïng ngo¹i vi ®Õn tËn ®é cao gÇn 200 m quan s¸t thÊy ph©n tÇng nghÞch nhiÖt víi ®é chªnh nhiÖt ®é gÇn 3 oC, bªn trªn thμnh phè nghÞch nhiÖt ®é bÞ suy yÕu m¹nh − nã lan ®Õn ®é cao gÇn 100 m víi ®é chªnh nhiÖt ®é xÊp xØ 1 oC; ®é cao vßm cung nhiÖt ban ®ªm gÇn 400 m, tøc nhá h¬n so víi ban ngμy. Ph©n tÝch c¸c dßng kh«ng khÝ cho thÊy r»ng, vμo ban ngμy ë phÇn d−íi cña líp biªn xuÊt hiÖn chuyÓn H×nh 8.1. BiÕn tr×nh ngμy hiÖu nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¹i ®é cao 2 m gi÷a trung t©m ®éng xo¸y thuËn (t¹i ®é cao 50 m lóc 12 giê tèc ®é cùc ®¹i b»ng thμnh phè vμ c¸c ®iÓm ë ngo¹i vi vÒ phÝa t©y b¾c (1) vμ t©y nam (2); nh÷ng dÊu 6,2 m/s), ë phÇn trªn − chuyÓn ®éng xo¸y nghÞch (t¹i ®é cao g¹ch nèi th¼ng ®øng − c¸c thêi ®iÓm b×nh minh vμ hoμng h«n, g¹ch ngang − c¸c thêi ®iÓm ΔT ®i qua kh«ng 1400 m cùc ®¹i tèc ®é 1,5 m/s). V× trong xo¸y thuËn quan s¸t thÊy sù héi tô c¸c dßng kh«ng khÝ d−íi ¶nh h−ëng cña c¸c lùc ma s¸t, nªn bªn trªn thμnh phè chuyÓn ®éng th¼ng ®øng cña kh«ng khÝ nh×n chung lμ chuyÓn ®éng th¨ng ( w > 0 ): lóc 14 giê nã lan lªn trªn tíi ®é cao kho¶ng 1500 m (víi cùc ®¹i tèc ®é 16 cm/s t¹i ®é cao 500 m bªn trªn trung t©m thμnh phè), lóc 2 giê w > 0 tíi ®é cao gÇn 500 m (víi cùc ®¹i tèc ®é gÇn 2 cm/s t¹i ®é cao kho¶ng 100 m). Tuy nhiªn, bªn trªn mÆt n−íc (s«ng) chuyÓn ®éng kh«ng khÝ vμo ban ngμy lμ chuyÓn ®éng gi¸ng ( w < 0 ). Sù ®¸nh gi¸ ®ãng gãp cña c¸c nh©n tè kh¸c nhau trong sù h×nh thμnh hiÖu ΔT do c¸c t¸c gi¶ cña c«ng tr×nh chóng ta ®ang th¶o luËn tá ra rÊt lý thó. V× hÖ sè dÉn nhiÖt ®é cña ®Êt trong H×nh 8.2. Tr−êng nhiÖt ®é (oC) trong mÆt ph¼ng th¼ng ®øng (däc kinh tuyÕn) thμnh phè xÊp xØ 2,5 lÇn lín h¬n so víi c¸c vïng ngo¹i vi (2,6 vμ ®i qua trung t©m thμnh phè t¹i 14 giê (a) vμ 4 giê (b) 193 194
vμo ΔT nhá kh«ng ®¸ng kÓ vμo ban ngμy vμ xÊp xØ b»ng ¶nh 1,1 W/(m.oC) vμ ban ®ªm th«ng l−îng nhiÖt trong ®Êt h−íng lªn trªn, cßn ban ngμy h−íng xuèng d−íi, nªn do sù kh¸c biÖt vÒ c¸c h−ëng cña c¸c nh©n tè kh¸c vμo ban ®ªm; trong thÝ dô ®ang ®−îc chóng ta bμn luËn ®· tÝnh ®Õn I s lμm t¨ng nhiÖt ®é kh«ng tÝnh chÊt nhiÖt vËt lý cña ®Êt ë thμnh phè vμ ngo¹i « quan s¸t khÝ gÇn mÆt ®Êt trong thμnh phè lªn 1,6 oC. thÊy sù cao h¬n cña nhiÖt ®é kh«ng khÝ thμnh phè vμ hÖ qu¶ lμ sù t¨ng c−êng ®é ®¶o nhiÖt ë gÇn ®Êt vμo ban ®ªm vμ sù suy yÕu D−íi ®©y ta tæng hîp nh÷ng ®ãng gãp cña c¸c nh©n tè vμo c−êng ®é ®¶o nhiÖt vμo ban ngμy. PhÇn ®ãng gãp cùc ®¹i cña ΔT víi nh÷ng trÞ sè nªu ë trªn cña c¸c tham sè: nh©n tè nμy b»ng gÇn 1,3 oC vμo ban ®ªm (lóc 3 giê) vμ −1,1 oC ΔT ΔT o o C C vμo ban ngμy (lóc 9 giê). Nh©n tè Nh©n tè Sù t¨ng tham sè gå ghÒ z 0 dÉn ®Õn t¨ng c−êng th«ng l−îng Ngμy §ªm Ngμy §ªm nhiÖt rèi. Ban ®ªm th«ng l−îng nhiÖt h−íng tõ khÝ quyÓn xuèng −1,1 §é dÉn nhiÖt ®Êt 1,3 Albe®« 0,8 1,0 mÆt ®Êt, vμ nã t¨ng c−êng cã nghÜa r»ng nhiÖt ®é kh«ng khÝ gÇn −0,6 − §é gå ghÒ mÆt 0,7 Bèc h¬i 0,6 mÆt ®Êt t¨ng lªn mét c¸ch cùc ®¹i lªn 0,7 oC, nÕu z 0 trong thμnh phè 10 lÇn lín h¬n so víi ngo¹i «, vμ ®¶o nhiÖt t¨ng c−êng. Ng−îc l¹i, ban ngμy, trong ph©n tÇng bÊt æn ®Þnh, nhiÖt ®é kh«ng khÝ gÇn mÆt ®Êt khi t¨ng z 0 gi¶m mét c¸ch cùc ®¹i −0,6 oC, cßn ®¶o nhiÖt suy yÕu. Gi¶m albe®« mÆt ®Êt trong thμnh phè xuèng 0,2 trong khi trÞ sè cña nã ë ngo¹i « b»ng 0,3 sÏ dÉn tíi lμm t¨ng nhiÖt ®é kh«ng khÝ mét c¸ch cùc ®¹i lªn 0,8 oC; d−íi ¶nh h−ëng cña sù t¸i s¾p xÕp tr−êng chuyÓn ®éng, nhiÖt ®é còng t¨ng lªn c¶ vμo ban ®ªm. Gi¶m bèc h¬i dÉn ®Õn t¨ng nhiÖt ®é kh«ng khÝ. NÕu gi¶ thiÕt r»ng bèc h¬i n−íc chØ diÔn ra tõ 1/4 bÒ mÆt thμnh phè do gi¸ng thñy bÞ mang ra khái thμnh phè vμ do gi¶m bÒ mÆt bèc h¬i tù do, nhiÖt ®é kh«ng khÝ t¹i ®é cao 2 m sÏ t¨ng mét c¸ch cùc ®¹i lªn 1 oC vμo ban ngμy vμ 0,6 oC vμo ban ®ªm. Cuèi cïng, phÇn ®ãng gãp cña c¸c nguån nhiÖt nh©n sinh 195 196