Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Tại các đô thị lớn như TP. Hồ Chí Minh, sự gia tăng nhanh chóng của phương tiện giao thông đã làm tăng đáng kể lượng khí thải độc hại, đặc biệt là tại các khu vực đông dân cư và các cơ sở giáo dục như Trường Đại học Bách Khoa. Theo ước tính, lượng khí thải ammoniac (NH3) từ các tuyến đường như Tô Hiến Thành có thể ảnh hưởng đến chất lượng không khí trong khuôn viên trường. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) kết hợp với phần mềm ANSYS để mô phỏng quá trình lan truyền ô nhiễm không khí từ các nguồn phát thải giao thông vào khu vực Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình toán học và mô phỏng trong khoảng thời gian phát thải 2 phút, với không gian khảo sát là khu vực rộng 700m x 900m bao phủ toàn bộ khuôn viên trường và tuyến đường Tô Hiến Thành. Kết quả nghiên cứu không chỉ giúp đánh giá mức độ ảnh hưởng của ô nhiễm đến từng vị trí cụ thể trong trường mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm, góp phần nâng cao chất lượng môi trường học tập và sinh hoạt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình toán học về dòng chảy lưu chất và truyền tải khối lượng trong môi trường không khí. Các phương trình cơ bản bao gồm:

  • Phương trình liên tục mô tả bảo toàn khối lượng trong dòng chảy.
  • Phương trình Navier-Stokes cho dòng chảy chất lỏng và khí, bao gồm cả dòng chảy rối với hệ số nhớt hiệu quả.
  • Phương trình năng lượng để mô tả sự truyền nhiệt trong môi trường.
  • Phương trình truyền tải khối lượng dùng để mô phỏng sự lan truyền của các chất khí ô nhiễm như ammoniac.

Ngoài ra, mô hình khuếch tán rối được áp dụng để phản ánh tính chất biến đổi vận tốc dòng chảy theo thời gian và không gian. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng để rời rạc hóa miền khảo sát thành các phần tử nhỏ, giúp giải các phương trình phức tạp một cách hiệu quả. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Phần tử hữu hạn: các miền con nhỏ được chia từ miền khảo sát, có thể là phần tử một chiều, hai chiều hoặc ba chiều.
  • Phần tử quy chiếu và phần tử thực: dùng để đơn giản hóa việc xác định giải tích các phần tử phức tạp.
  • Điều kiện biên và điều kiện ban đầu: xác định các ràng buộc vật lý như vận tốc gió, nhiệt độ, áp suất và nồng độ chất khí tại các biên của miền khảo sát.

Phần mềm ANSYS được lựa chọn để thực hiện mô phỏng nhờ khả năng giải các bài toán động lực học lưu chất (CFD) và truyền tải nhiệt, cùng với tính năng chia lưới phần tử hữu hạn chi tiết và xử lý dữ liệu mạnh mẽ. Phần mềm ArcGIS hỗ trợ trong việc thu thập và xử lý dữ liệu không gian địa hình, tọa độ các tòa nhà và đường giao thông, giúp xây dựng mô hình địa hình 3D chính xác cho khu vực nghiên cứu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm dữ liệu địa hình và tọa độ khuôn viên Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh được thu thập và xử lý qua phần mềm ArcGIS 10.1 với hệ tọa độ WGS1984_48North, cùng dữ liệu khí tượng và thông số phát thải từ các ống khói mô phỏng trên đường Tô Hiến Thành. Phương pháp nghiên cứu gồm các bước:

  1. Thu thập và xử lý dữ liệu không gian: sử dụng ArcGIS để số hóa bản đồ địa hình, tòa nhà và đường giao thông, tạo dữ liệu đầu vào cho mô hình.
  2. Mô hình toán học: xây dựng các phương trình Navier-Stokes, truyền tải khối lượng và năng lượng, áp dụng điều kiện biên phù hợp với thực tế.
  3. Chia lưới phần tử hữu hạn: miền khảo sát được chia thành các phần tử tứ giác FLUID141 với kích thước 10m x 10m, tổng số phần tử lần lượt là 12.331 cho bài toán một ống khói và 14.637 cho bài toán ba ống khói.
  4. Mô phỏng bằng ANSYS: chạy mô hình lan truyền ô nhiễm trong khoảng thời gian 2 phút, thu thập kết quả phân bố nồng độ khí theo từng khoảng thời gian 20 giây.
  5. Phân tích kết quả: đánh giá sự lan truyền và phân bố ô nhiễm trong khuôn viên trường, so sánh các kịch bản phát thải khác nhau.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 3/2019 đến tháng 2/2020, dưới sự hướng dẫn của PGS. Bùi Tá Long tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô phỏng lan truyền ô nhiễm từ một ống khói: Kết quả cho thấy khí ammoniac phát thải với vận tốc 20 m/s và nhiệt độ 473 K lan truyền nhanh chóng trong khuôn viên trường. Sau 20 giây, nồng độ khí đã bắt đầu phân bố đều theo hướng gió với vận tốc 3 m/s. Sau 120 giây, vùng ảnh hưởng ô nhiễm mở rộng gần hết khu vực 700m x 900m, với nồng độ giảm dần theo khoảng cách từ nguồn phát thải.

  2. Ảnh hưởng của ba ống khói phát thải: Khi mô phỏng ba nguồn phát thải cách nhau 103m, nồng độ ô nhiễm tại các vị trí trung tâm khuôn viên tăng lên khoảng 15-20% so với trường hợp một ống khói. Vận tốc gió tăng lên 4 m/s theo cả hai chiều x và y làm khí thải lan tỏa nhanh hơn nhưng cũng làm giảm nồng độ đỉnh tại các điểm gần nguồn.

  3. Phân bố nồng độ theo thời gian: Các đường đồng mức nồng độ khí thể hiện sự thay đổi rõ rệt theo từng khoảng thời gian 20 giây, cho thấy quá trình lan truyền và khuếch tán ô nhiễm diễn ra nhanh chóng trong môi trường đô thị phức tạp.

  4. Ảnh hưởng địa hình và công trình: Việc sử dụng dữ liệu GIS 3D giúp mô phỏng chính xác ảnh hưởng của các tòa nhà và địa hình trong khuôn viên trường đến sự phân bố ô nhiễm, cho thấy các vùng bị chắn gió có nồng độ ô nhiễm cao hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự lan truyền ô nhiễm nhanh là do vận tốc phát thải lớn và điều kiện gió thuận lợi trong khu vực. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng mô hình Gauss đơn giản, mô hình phần tử hữu hạn kết hợp ANSYS cho phép mô phỏng chi tiết hơn, bao gồm ảnh hưởng của địa hình và công trình xây dựng. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc đánh giá tác động ô nhiễm không khí tại các khu vực đô thị phức tạp, đặc biệt là các cơ sở giáo dục và nghiên cứu. Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường đồng mức nồng độ khí theo thời gian, giúp trực quan hóa quá trình lan truyền ô nhiễm và hỗ trợ ra quyết định quản lý môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát chất lượng không khí: Lắp đặt các trạm quan trắc tại các vị trí trọng yếu trong khuôn viên trường để theo dõi nồng độ ô nhiễm theo thời gian thực, nhằm phát hiện sớm và cảnh báo kịp thời.

  2. Xây dựng hàng rào cây xanh và công trình chắn gió: Thiết kế các dải cây xanh và công trình chắn gió tại các vị trí có nồng độ ô nhiễm cao để giảm thiểu sự lan truyền khí độc hại, cải thiện chất lượng không khí trong khuôn viên.

  3. Quản lý và hạn chế nguồn phát thải giao thông: Phối hợp với các cơ quan quản lý giao thông để điều tiết lưu lượng xe cộ trên tuyến đường Tô Hiến Thành, giảm thiểu lượng khí thải phát sinh, đặc biệt trong giờ cao điểm.

  4. Ứng dụng mô hình mô phỏng trong quy hoạch đô thị: Sử dụng kết quả mô phỏng để hỗ trợ thiết kế quy hoạch khuôn viên trường và các khu vực lân cận, đảm bảo khoảng cách an toàn và bố trí hợp lý các công trình nhằm hạn chế ảnh hưởng ô nhiễm.

Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm tới, với sự phối hợp giữa nhà trường, cơ quan quản lý môi trường và các chuyên gia kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách giám sát và kiểm soát ô nhiễm không khí tại các khu vực đô thị đông dân cư.

  2. Các nhà quy hoạch đô thị và kiến trúc sư: Áp dụng mô hình mô phỏng để thiết kế các khu vực có mật độ giao thông cao, đảm bảo môi trường sống và làm việc an toàn.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành Toán Ứng dụng, Môi trường và Kỹ thuật: Tham khảo phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng phần mềm ANSYS trong mô phỏng môi trường thực tế.

  4. Các chuyên gia kỹ thuật và nhà nghiên cứu CFD: Nghiên cứu kỹ thuật mô phỏng lan truyền ô nhiễm trong môi trường phức tạp, phát triển các mô hình và phần mềm hỗ trợ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong mô phỏng ô nhiễm không khí?
    Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép chia nhỏ miền khảo sát thành các phần tử nhỏ, giúp giải các phương trình phức tạp về dòng chảy và truyền tải khối lượng một cách chính xác và hiệu quả, đặc biệt trong môi trường có địa hình và công trình phức tạp.

  2. Tại sao chọn phần mềm ANSYS để mô phỏng?
    ANSYS là phần mềm CFD mạnh, có khả năng xử lý các bài toán động lực học lưu chất, truyền nhiệt và truyền tải khối lượng với độ chính xác cao, đồng thời hỗ trợ chia lưới phần tử hữu hạn chi tiết và xử lý dữ liệu đa dạng.

  3. Dữ liệu GIS đóng vai trò như thế nào trong nghiên cứu?
    Dữ liệu GIS cung cấp thông tin địa hình, tọa độ tòa nhà và đường giao thông chính xác, giúp xây dựng mô hình 3D thực tế cho khu vực khảo sát, từ đó mô phỏng chính xác ảnh hưởng của địa hình và công trình đến sự lan truyền ô nhiễm.

  4. Kết quả mô phỏng có thể áp dụng thực tiễn như thế nào?
    Kết quả giúp đánh giá mức độ ô nhiễm tại từng vị trí cụ thể, hỗ trợ thiết kế các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm như xây dựng hàng rào cây xanh, điều chỉnh lưu lượng giao thông, và quy hoạch không gian đô thị hợp lý.

  5. Thời gian mô phỏng 2 phút có đủ để đánh giá ô nhiễm không?
    Thời gian 2 phút được chọn để mô phỏng quá trình phát thải và lan truyền ban đầu, cung cấp cái nhìn tổng quan về sự phân bố ô nhiễm trong khoảng thời gian ngắn. Để đánh giá dài hạn, cần mở rộng mô hình và thời gian mô phỏng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ANSYS mô phỏng lan truyền ô nhiễm không khí tại khu vực Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.
  • Mô hình cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của các nguồn phát thải giao thông đến chất lượng không khí trong khuôn viên trường.
  • Việc kết hợp dữ liệu GIS 3D giúp mô phỏng chính xác ảnh hưởng của địa hình và công trình xây dựng.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm và quy hoạch môi trường đô thị.
  • Đề xuất triển khai các biện pháp giám sát, quản lý và quy hoạch trong vòng 1-2 năm tới nhằm cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong các bài toán môi trường phức tạp, đồng thời khuyến khích các nhà quản lý và chuyên gia kỹ thuật áp dụng kết quả vào thực tiễn nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ môi trường.