Ứng dụng mô hình để dự báo phát thải CO từ hoạt động giao thông tại khu vực phía Nam thành phố Huế

Ứng dụng mô hình để dự báo phát thải CO từ hoạt động giao thông tại khu vực phía Nam thành phố Huế Mô hình tính toán phát thải MOBILE6 Mô hình tính toán nồng độ chất ô nhiễm CALINE4 Mô hình tính toán nồng độ chất ô nhiễm CAL3QHC

Chương 1

MỞ ĐẦU

Không khí chính là môi trường mà con người phải hít thở hằng ngày và là mộttrong những yếu tố giúp duy trì sự sống của con người Môi trường không khí có ýnghĩa rất quan trọng với con người bởi vì người ta có thể nhịn ăn 7 – 10 ngày, nhịnuống 2 – 3 ngày, nhưng chỉ sau 3 – 5 phút không hít thở không khí thì con người đã cónguy cơ bị tử vong

Việt Nam chúng ta đang trên đường công nghiệp hoá, hiện đại hóa đất nước, tốc

độ đô thị hoá và mức độ tập trung dân số tại các đô thị tăng nhanh Năm 1990, nước ta

có 500 đô thị lớn nhỏ, đến năm 2005 thì đã lên tới 715 đô thị Dân số đô thị cũng tănglên theo từng năm và theo dự báo đến năm 2010 thì dân số đô thị là 30,4 triệu người,chiếm 33% dân số cả nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007)

Dân số tăng nhanh tất nhiên các nhu cầu phục vụ con người cũng tăng theo Mộtnhu cầu rất quan trong đối với con người đó là giao thông vận tải, đây đang là một vấn

đề rất được quan tâm ở nước ta Trung bình, lượng ôtô hàng năm tăng 11% và xe máytăng 15% Tính đến tháng 6/2008, số lượng phương tiện đăng ký và quản lý tại thànhphố Hồ Chí Minh là trên 3,1 triệu xe, trong đó có hơn 2,8 triệu xe máy (chiếm 91%) vàgần 300 nghìn xe ô tô các loại, chiếm ¼ số phương tiện cả nước Còn tại Hà Nội, tínhđến hết tháng 6/2007 tổng số xe máy đã đăng ký của thành phố đã vượt 1,8 triệu chiếc,chưa tính khoảng 400.000 xe lai vãng từ các vùng lân cận hoạt động trên địa bàn (BộTài nguyên và Môi trường, 2007)

Hoạt động giao thông, sản xuất công nghiệp và xây dựng được coi là nhữngnguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí tại các đô thị, tuy nhiên theo đánh giá củacác chuyên gia thì ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm 70%, đónggóp tới 85% CO, 95% VOC và một lượng lớn hydrocacbon (HC) Một đặc trưng củacủa các đô thị Việt Nam là xe máy chiếm tỷ trọng rất lớn, Thành phố Hồ Chí Minh cóđến 98% hộ gia đình sở hữu xe máy Còn tại Hà Nội, xe máy chiếm hơn 87% lưulượng xe hoạt động trong nội thành ( Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007)

Số lượng phương tiện giao thông tăng nhanh, kèm theo đó là chất lượng xe thấp,

đã qua nhiều năm sử dụng, chất lượng nhiên liệu chưa được kiểm soát chặt chẽ và hiệntượng tắc nghẽn giao thông đã phát thải vào không khí một lượng lớn các chất độc hại,gây ô nhiễm môi trường như bụi, CO, NOX, HC,…Bên cạnh đó cơ sở hạ tầng, chấtlượng đường sá kém và các điều kiện khí tượng cũng đã góp phần làm cho môi trường

Thành phố Huế là một thành phố du lịch và hoạt động giao thông, sản xuất côngnghiệp chưa phát triển mạnh như một số đô thị lớn nên môi trường không khí tại đâyvẫn chưa bị ô nhiễm nghiêm trọng Tuy nhiên, giống như nhiều đô thị khác môi trườngkhông khí tại thành phố Huế cũng đã có các dấu hiệu và nguy cơ bị ô nhiễm do hoạtđộng giao thông tăng nhanh, trong đó ô nhiễm bụi là nghiêm trọng nhất Tính đến24/3/2009 thì cả Tỉnh Thừa Thiên Huế có 320.383 mô tô và 12.235 ô tô Tại các trụcđường chính tại thành phố Huế nồng độ bụi đo được tại thời điểm tháng 4/2008 đềuvượt quá tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh 5937-2005, đặc biệt là đườngTrần Hưng Đạo, Kim Long, Phạm Văn Đồng.

Trong những năm qua, các nghiên cứu về chất lượng không khí ở Huế vẫn chưađồng bộ và đầy đủ, chưa chú trọng đến việc nghiên cứu nguồn gây ô nhiễm không khí

từ hoạt động giao thông Đến nay vẫn chưa có nghiên cứu hoàn chỉnh nào đánh giá,ước tính tải lượng các chất ô nhiễm từ hoạt động giao thông và cũng như tính toánnồng độ các chất ô nhiễm thải ra từ hoạt động giao thông Nhằm bước đầu đánh giá ảnhhưởng của hoạt động giao thông đến chất lượng không khí xung quanh, chúng tôi thực

hiện đề tài: “Ứng dụng mô hình để dự báo phát thải CO từ hoạt động giao thông tại khu vực phía Nam thành phố Huế” với mục đích ước tính phát thải chất CO và ảnh

hưởng của phát thải CO từ hoạt động giao thông đến chất lượng không khí xung quanhtại một số trục đường chính tại khu vực phía Nam thành phố Huế

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ TÌNH HÌNH Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ Ở CÁC

ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM

2.1.1 Khái niệm và các tác nhân ô nhiễm không khí

(1) Khái niệm ô nhiễm không khí

Ô nhiễm môi trường không khí là một vấn đề tổng hợp, nó được xác định bằng

sự biến đổi của môi trường theo hướng không tiện nghi, bất lợi đối với cuộc sống củacon người, của động vật và thực vật, mà sự ô nhiễm đó lại chính là do hoạt động củacon người gây ra với quy mô, phương thức và mức độ khác nhau, trực tiếp hoặc giántiếp tác động, làm thay đổi mô hình, thành phần hoá học, tính chất vật lý và sinh họccủa môi trường không khí (Phạm Ngọc Đăng, 2003)

(2) Các chất ô nhiễm đặc trưng gây ô nhiễm không khí

Các chất ô nhiễm chính gây ô nhiễm không khí bao gồm: Lưu huỳnh điôxit(SO2), Cácbon mônôxit (CO), Nitơ điôxit (NO2), Bụi (bao gồm tổng bụi lơ lững TSP cóđường kính khí động học dưới 50μm, bụi PMm, bụi PM10 có đường kính khí động học dưới 10μm, bụi PMm

và bụi hô hấp PM2,5 có đường kính dưới 2,5μm, bụi PMm), các hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs),Chì (Pb), tiếng ồn (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007)

2.1.2 Các tác động của ô nhiễm không khí

(1) Ảnh hưởng đến sức khoẻ của con người

Ô nhiễm không khí tác động đối với cơ thể con người trước hết là qua đường hôhấp, lên mắt và da Chúng gây ra các bệnh như ngạt thở, viêm phù phổi, bệnh ho, hensuyển, lao phổi, ung thư phổi, gây cay chảy nước mắt, gây bệnh di ứng, ngứa trên da,

mề đay,… và nguy hiểm nhất là một số chất ô nhiễm không khí gây ung thư (PhạmNgọc Đăng, 2003)

(2) Ảnh hưởng đến phát triển kinh tế

- Thiệt hại kinh tế do ảnh hưởng đến sức khoẻ

Thiệt hại kinh tế do ô nhiễm không khí ảnh hưởng đến sức khoẻ bao gồm cáckhoản chi phí: chí phí khám và thuốc chữa bệnh, tổn thất mất ngày công lao động donghĩ ốm, tổn thất thời gian của người nhà chăm sóc người ốm, … (Bộ Tài nguyên vàMôi trường, 2007)

Bụi trong không khí hấp thụ những tia sóng cực ngắn làm cho cây không lớn vàkhó nảy mầm Những nơi bị ô nhiễm nặng, lá cây hai bên đường quốc lộ bị phủ mộtlớp bụi dày đặc làm cho quá trình quang hợp khó khăn, do vậy cây cối ở đó còi cọc,không phát triển và rất cằn cỗi (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007)

- Thiệt hại kinh tế do ảnh hưởng đến chất lượng các công trình xây dựng và cácdạng vật liệu

Nói chung, ô nhiễm không khí có tác dụng xấu, làm vật liệu, kết cấu cũng như

đồ dùng và thiết bị mau bị hư hỏng Chúng làm gỉ sắt thép, làm hư hỏng các mối hànkim loại và vật liệu xây dựng rất nhanh Do đó làm giảm tuổi thọ công trình và tăngnhanh tốc độ phải sửa chữa nhà cửa (Phạm Ngọc Đăng, 2003)

- Thiệt hại kinh tế do ảnh hưởng đến hoạt động du lịch

Ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm không khí nói riêng đã và đang làmột trong những yếu tố có ảnh hưởng đến hoạt động du lịch của Việt Nam Điều đáng

là ngại là môi trường du lịch tại nhiều khu vực đã bị ô nhiễm do nhiều ngành kinh tế,trong đó có tác động từ chính hoạt động du lịch (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007)

(3) Ảnh hưởng đến môi trường

- Ảnh hưởng đến khí hậu

Ô nhiễm môi trường không khí không những gây ảnh hưởng xấu đối với khí hậukhu vực mà còn gây ra ảnh hưởng tới khí hậu toàn cầu Ảnh hưởng đến khí hậu toàncầu thể hiện ở sự hình thành hiệu ứng “nhà kính” của tầng khí CO2, làm tăng nhiệt độtoàn cầu, nâng cao mực nước biển hay suy thoái tầng ozon, …

- Ảnh hưởng đến các hệ sinh thái

Cho đến nay, các nhà khoa học đều cho rằng ô nhiễm không khí là một nhân tốlàm suy giảm đa dạng sinh học Sự ảnh hưởng của ô nhiễm không khí liên quan chủyếu đến việc làm suy giảm, làm yếu đi các loài mà không phải là gây ra tuyệt chủng.Tuy nhiên, với xu hướng tiếp tục ô nhiễm như hiện nay thì một số loài động, thực vật

bị biến mất là điều không thể tránh khỏi (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007)

2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố chất ô nhiễm trong không khí

Mức độ ô nhiễm ở tầng không khí gần mặt đất không chỉ phụ thuộc trực tiếp vàomức độ thải, kích thước, thông số nguồn thải mà còn phụ thuộc vào các điều kiện khítượng, địa hình khu vực và tính chất của hỗn hợp chất thải độc hại

Ảnh hưởng của điều kiện khí tượng quan trọng nhất là gió, nhiệt độ, độ ẩm vàmưa Tốc độ gió càng cao thì khả năng khuyếch tán chất ô nhiễm càng tốt, nồng độchất ô nhiễm sẽ cao nhất ở cuối hướng gió Nhiệt độ của không khí cũng ảnh hưởngđến sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm, trường hợp bất lợi nhất là khi xảy ra hiện tượng

nghịch đảo nhiệt Độ ẩm cao và mưa có khả năng tăng cường quá trình lắng đọng cácchất ô nhiễm.

Địa hình cũng là nhân tố ảnh hưởng đến sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm,không khí ở phía sau các gò, đồi, phía sau gió có nồng độ chất ô nhiễm lớn hơn Hướngchuyển động và lực của dòng không khí sát mặt đất trong khu vực có đồi núi khác xavới hướng và tốc độ gió ở các vùng trống trải

Nhà cửa và các công trình sẽ làm thay đổi trường vân tốc của không khí Ở phíatrên công trình vận tốc không khí sẽ tăng lên, ở phía sau công trình vận tốc không khígiảm xuống và có hiện tượng gió xoáy (Phạm Ngọc Đăng, 2003)

2.1.4 Tình hình ô nhiễm không khí tại các đô thị Việt Nam

Hiện nay, môi trường không khí trên toàn lãnh thổ Việt Nam nói chung là tươngđối tốt, nhưng chất lượng môi trường không khí tại một số thành phố lớn, tại một sốkhu công nghiệp và làng nghề đang ngày càng ô nhiễm

Ô nhiễm đô thị chủ yếu bởi bụi lơ lững, PM10, tiếng ồn, SO2, NO2, CO, hơi xăngdầu và bụi chì Nguồn chủ yếu gây ô nhiễm tại các đô thị Việt Nam theo tính toán phầnlớn là từ hoạt động giao thông vận tải (chiếm đến 70%), từ hoạt động công nghiệp(chiếm 20%), từ hoạt động xây dựng (chiếm 9%) và từ sinh hoạt của người dân trongcác đô thị (chiếm 1%)

Ở bảng 2.1 cho thấy hoạt động giao thông vận tải đóng góp một lượng lớn cácchất ô nhiễm, đặc biệt là CO, NO2 và VOCs vào môi trường không khí

Bảng 2.1 Ước tính tải lượng các chất ô nhiễm không khí từ các nguồn thải chính của

Việt Nam (Đơn vị: tấn/năm) (Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam, 2007)

mà Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) khuyến nghị (20μm, bụi PMg/m3) Bụi lơ lững tổng số tại cácthành phố này cũng vượt quá mức Tiêu chuẩn Việt Nam cho phép (TCVN 5937-2005:0,3mg/m3).

Nhìn chung các khí độc hại trong không khí tại các đô thị vẫn nằm trong giớihạn cho phép Tuy nhiên tại một số địa điểm và tại một số thời điểm thì nồng độ cácchất này tăng lên NO2 và CO cao hơn tại các trục giao thông chính, trong khí đó SO2lại tăng lên tại các khu vực tập trung sản xuất Kể từ khi có Chỉ thị của Chính phủ vềtriển khai sử dụng xăng không chì (sau 01/07/2001) thì nồng độ chì nằm trong giới hạncho phép, tuy nhiên trong những năm gần đây chì có dấu hiệu tăng lên Benzen, toluen,xylen có xu hướng tăng cao ở ven các trục giao thông

Ô nhiễm tiếng ồn tăng cao ven các trục giao thông, đặc biệt đối với những tuyếnđường có mật độ giao thông lớn

Môi trường không khí Việt Nam không những bị ảnh hưởng bởi hoạt động côngnghiệp, đô thị hoá trong nước mà còn bị ảnh hưởng bởi điều kiện tự nhiên như khí hậu,diện tích che phủ thực vật,…, sự nóng lên và biến đổi khí hậu toàn cầu (Bộ Tài nguyên

và Môi trường, 2007)

2.2 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN SỬ DỤNG TRONG KHOÁ LUẬN

2.2.1 Sơ lược về các mô hình khuyếch tán nguồn đường

Hiện nay, với sự phát triển của công nghiệp và giao thông vận tải cũng như cáchoạt động khác của con người đã làm cho môi trường không khí ngày càng bị ô nhiễm

Để đánh giá chính xác mức độ ô nhiễm không khí cũng như tác động của ô nhiễmkhông khí đến sức khỏe con người thì cần phải có các số liệu quan trắc môi trường liêntục, đồng bộ và lâu dài Tuy nhiên quan trắc môi trường không khí liên tục rất tốn kém

về cả nhân lực và vật lực Sự xuất hiện các mô hình tính toán với độ chính xác cao đãcho phép thực hiện công việc này một cách có hiệu quả hơn và giảm được sự tốn kém

về nhân lực và vật lực Ngày nay, các mô hình tính toán sự khuyếch tán các chất ônhiễm từ các nguồn đường đã được sử dụng rất rộng rãi trên thế giới Từ các mô hìnhđơn giản đến các mô hình phức tạp Có thể kể ra một số mô hình được sử dụng phổbiến như sau:

(1) Các mô hình không tính toán cụ thể các cơ chế động học của không khí

Đặc điểm của các mô hình này không có hợp phần để tính toán quá trình tạothành của các hợp chất như quá trình kết tinh và không tính đến các cơ chế động họccủa chất khí như quá trình lắng đọng, tạo bông, …

Thuộc loại mô hình này gồm có 4 kiểu mô hình:

- Mô hình dựa trên nguyên lý của khối hộp (ví dụ mô hình AURORA, CPB).

- Mô hình dựa trên mô hình vệt khói của Gauss (ví dụ như mô hình CALINE4,HYWAY2, CAR-FMI, OSPM) Trong 4 mô hình trên, có hai mô hình được sử dụngphổ biến nhất để tính toán phát thải từ giao thông là CALINE4 và HYWAY2 Đặcđiểm của hai mô hình này là tính toán trên cơ sở chia nhỏ nguồn đường thành các đoạnthẳng Hai mô hình này có ưu điểm là có tính đến sự xáo trộn của xe cộ (CALINE4xem xét cả xáo trộn nhiệt và xáo trộn cơ học, trong khi đó HYWAY2 chỉ xét đến xáotrộn cơ học mà không xét đến xáo trộn nhiệt) Tuy nhiên nhược điểm của mô hình này

là không xét đến ảnh hưởng của các công trình xung quanh (nhà cửa, cây, …) mà thayvào đó sử dụng hệ số gồ ghề của bề mặt

- Mô hình Lagrangian (ví dụ như mô hình GRAL)

- Mô hình tính toán thay đổi động học (ví dụ như mô hình ARIA Local,MASKAM, MICRO-CALGRID)

(2) Các mô hình có liên quan đến việc xem xét các cơ chế động học của chất khí.

Đặc điểm của loại mô hình này là có tính toán các cơ chế động học của các chấtkhí, mô hình có thể tính toán đến quá trình kết tinh của bụi, các phản ứng quang hoá,ngưng tụ hơi nước, quá trình tạo bông, …

Các mô hình đặc trưng cho loại mô hình này bao gồm mô hình GATOR,MONO32, UHMA (N.S Holmes, L Morawska, 2006)

2.2.2 Mô hình tính toán phát thải MOBILE6

(1) Giới thiệu chung

MOBILE là một chương trình phần mềm ứng dụng dùng để ước tính hệ số phátthải ô nhiễm trên đường của các phương tiện giao thông cơ giới MOBILE6 tính toán

hệ số phát thải các loại chất ô nhiễm thải ra trong quá trình sử dụng nhiên liệu xăng,dầu diesel và khí đốt thiên nhiên của các loại xe ô tô con, xe tải, xe buýt và mô tô Môhình này do Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (US_EPA) nghiên cứu và phát triển từnăm 1978 Phiên bản đầu tiên của MOBILE6 ra đời vào tháng 1/2001 và phiên bản mởrộng hiện này là MOBILE6.2 Các phiên bản đầu tiên của MOBILE cũng như phiênbản MOBILE6.2 được viết bằng ngôn ngữ lập trình máy tính Fortran

MOBILE được nghiên cứu và phát triển nhằm mục đích tạo ra một công cụ giúpUS_EPA đánh giá chiến lược kiểm soát nguồn ô nhiễm di động Các cơ quan quyhoạch của liên bang, của địa phương, của vùng có thể phát triển chiến lược đánh giá vàkiểm soát phát thải ô nhiễm trong các dự án khả thi của Luật không khí sạch (CAA-Clean Air Act) Các cơ quan quy hoạch đô thị, các cơ quan quản lý giao thông có thể

cứu cho giáo dục cũng như các nghiên cứu trong công nghiệp (lĩnh vực chế tạo, sảnxuất ô tô, nhiên liệu, …), sử dụng trong các báo cáo hiện trạng môi trường.

MOBILE6 cho phép người sử dụng tính toán và xuất các thành phầntrong tổng khí thải của mỗi quá trình tạo ra chất ô nhiễm như phát thải khí của động cơkhi khởi động, khi chạy, các chất ô nhiễm bay hơi khi tắt máy, bay hơi khi nhiệt độcao,… xuất kết quả theo từng loại đường, thời gian trong ngày, loại xe và những đặctính chi tiết khác (US_EPA, 2003)

(2) Đặc điểm mô hình Mobile6

- MOBILE chia các phương tiện thông cơ giới thành 28 loại theo kiểu xe, tảitrọng và nhiên liệu sử dụng như trình bày trong phụ lục 1

- Các chế độ phát thải khí ô nhiễm của phương tiện giao thông cơ giới đường bộgồm 2 dạng: phát thải và bay hơi Kết quả phát thải chất ô nhiễm gồm 10 dạng khácnhau, trình bày ở phụ lục 2

- Số lượng các dạng chất ô nhiễm của kết quả tính toán được là 19 dạng chất ônhiễm và 5 dạng hợp chất Hydrocacbon (tổng Hydrocacbon, hydrocacbon khôngmêtan, hợp chất hữu cơ bay hơi, tổng hơi hữu cơ và hơi hữu cơ không mêtan), trìnhbày ở phụ lục 3

- Tất cả các kết quả phát thải, bay hơi đều được qui đổi thành đơn vị là gam trêndặm (g/mi) hoặc gam trên ngày (g/day)

- Năm tính toán từ 1952 đến 2051

- Hệ thống đường giao thông được MOBILE phân thành 4 loại đường theo cácchế độ vận tốc khác nhau được trình bày ở phụ luc 4

(3) Đầu vào, đầu ra của MOBILE6

Đầu vào của MOBILE6:

File thông số đầu vào có tên phần mở rộng là *.IN, dạng mã ASCII, có cấu trúc

3 kiểu:command file, batch file, và file dữ liệu ngoài (file dữ liệu ngoài có một số yêucầu riêng), chứa tất cả các lệnh trong đó có các lệnh bắt buộc và các lệnh tuỳ chọn.MOBILE có tất cả 98 lệnh, được chia làm 7 nhóm Các lệnh này được định dạng nhấtđịnh về tên cũng như dạng dữ liệu Các thông số đầu vào cho mô hình được trình bàytrong phụ lục 5

Đầu ra MOBILE6:

File kết quả MOBILE có 2 dạng: mô tả và cơ sở dữ liệu File mô tả có tên phần

mở rộng là *.TXT, dạng mã ASCII File cơ sở dữ liệu có tên phần mở rộng là *.TB1.Các cột dữ liệu ngăn cách nhau bằng ký tự Tab dạng mã ASCII

File kết quả chỉ rõ phần “run” hay kịch bản được chạy, xuất ra các thông số đầuvào có hiệu chỉnh và không hiệu chỉnh, các loại phương tiện giao thông với hệ số VMT(quãng đường xe đi được) cho từng loại xe…, hệ số phát thải từng loại chất ô nhiễmtương ứng với từng loại xe đã phân loại (US_EPA, 2003)

(4) Phương pháp tính toán hệ số phát thải của mô hình Mobile6

Mô hình MOBILE tính toán ra hệ số phát thải dựa vào các thử nghiệm dưới cácđiều kiện chuẩn về nhiệt độ, nhiên liệu, chu trình chạy bằng cách hiệu chỉnh lại hệ sốphát thải cơ bản trong điều kiện khác với điều kiện chuẩn Sơ đồ tính toán hệ số phátthải được trình bày trong phụ lục 6

2.2.3 Mô hình tính toán nồng độ chất ô nhiễm CALINE4

(1) Giới thiệu chung

Mô hình phát tán nguồn đường California (California Line Source DispersionModel – CALINE) là một trong những công cụ để định lượng các tác động từ các phátthải do hoạt động giao thông tạo ra Mô hình này được thiết kế nhằm dự đoán nồng độcácbon mônôxít (CO) dọc các đường giao thông dựa vào các thông số khí tượng vàthông số về giao thông Mô hình phát tán và vận chuyển CALINE ban đầu được lậptrình dựa vào sự biến đổi của dạng phát tán vệt khói Gauss đối với nguồn điểm Tuynhiên đến phiên bản CALINE4 thì thuật toán này đã được kết hợp thêm ảnh hưởng của

sự xáo trộn nhiệt do các phát thải ở nhiệt độ cao của xe cộ ( Elizabeth Ann Yura vànnk, 2007)

CALINE4 là phiên bản gần đây nhất của mô hình chất lượng không khí nguồnđường, mô hình này được phát triển bởi Trung tâm Vận tải California (CaliforniaDepartment of Transportation – CALTRANS) Mục đích của mô hình là để đánh giátác động của các hoạt động giao thông đối với chất lượng không khí và giúp các nhàlập kế hoạch bảo vệ sức khoẻ cộng đồng, tránh các tác động có hại do tiếp xúc quá mứcvới CO Dựa vào các thông số của nguồn phát thải, điều kiện khí tượng và vị trí củanguồn thải, Caline có thể dự báo được nồng độ chất ô nhiễm tại nguồn nhận vớikhoảng cách 500m từ đường giao thông (Benson, 1989; CALTRANS, 1998)

Mô hình CALINE4 được sử dụng rộng rãi để tính toán nồng độ chất ô nhiễmgần các đường giao thông Mô hình này đã được thử nghiệm và đánh giá để dự báonồng độ các chất ô nhiễm phát thải từ giao thông trong các điều kiện khí tượng cụ thể,như CO, NOx, bụi lơ lững và các khí khác Mô hình này có khả năng dự báo CO khátốt (Hao Chen, và nnk, 2008)

(2) Đặc điểm của mô hình CALINE4

- CALINE4 được thiết kế thành các cửa sổ giao diện đồ họa, giúp người sử dụng

dễ dàng nhập số liệu và tạo điều kiện giúp đỡ trực tiếp từ mô hình (CALTRANS,1998)

- Mô hình được thiết kế dựa trên thuật toán vệt khói của Gauss và khái niệm

“vùng xáo trộn” (trong vùng xáo trộn, các cơ chế xáo trộn được tạo ra từ chuyển độngcủa xe và sự xáo trộn nhiệt do các phát thải ở nhiệt độ cao của xe) (Benson, 1989)

- CALINE4 chia nguồn đường thành các đoạn thẳng (gọi là các link) và tínhtoán cho mỗi đoạn Nồng độ chất ô nhiễm từ các nguồn nhận sẽ bằng tác động tổnghợp của các đoạn do ảnh hưởng của các điều kiện khí tượng CALINE4 chỉ cho phépchia tối đa 20 đoạn nhỏ (CALTRANS, 1998)

- CALINE4 có thể tính được nồng độ chất ô nhiễm ở khoảng cách tối đa là500m tính từ đường giao thông

- CALINE4 có thể ứng dụng được cho cả các đường hẽm, các bãi đỗ xe

- CALINE4 có thể áp dụng được đối với các chất khí trơ, các chất ô nhiễm dạnghạt, các chất ô nhiễm thứ cấp (NO2) và cho phép áp dụng cho cả hỗn hợp các chất phảnứng (NO, NO2, O3) Kết quả có thể là trung bình 1giờ hay trung bình 8giờ (Kerstin L.Kenty và nnk, 2006)

- CALINE4 chia kiểu đường thành 4 loại được trình bày ở phụ lục 7

- Hệ số gồ ghề sử dụng trong mô hình được trình bày ở phụ lục 8

(3) Đầu vào và đầu ra của mô hình

CALINE4 chia các thông số đầu vào thành 5 nhóm với 5 giao diện giúp người

sử dụng dễ dàng nhập trực tiếp dữ liệu vào:

- Các thông số kịch bản (Job Parameters)

- Các thông số địa lý của các đoạn (Link Geometry)

- Các thông số hoạt động của các đoạn đường (Link Activity)

- Điều kiện khí tượng (Run conditions)

- Vị trí của điểm cần tính toán (Receptor position)

Chi tiết về các thông số đầu vào được trình bày ở phụ lục 9

Đầu ra của mô hình ở dạng file text Tùy theo việc thiết lập các thông số kịchbản mà kết quả đầu ra có thể là 1 trong 4 dạng sau: nồng độ trung bình 1 giờ, nồng độtrung bình 8 giờ, nồng độ trung bình 1 giờ do mô hình lựa chọn hướng gió bất lợi nhấthoặc nồng độ trung bình 8 giờ do mô hình lựa chọn hướng gió bất lợi nhất Trongtrường hợp tính toán cho trường hợp có điều kiện xấu nhất thì mô hình sẽ tính toántheo tất cả các hướng gió để tìm ra nồng độ cực đại tại vị trí tính toán (CALTRANS,1998)

2.2.4 Mô hình tính toán nồng độ chất ô nhiễm CAL3QHC

(1) Giới thiệu chung

CAL3QHC là một mô hình được sử dụng để ước tính nồng độ cácbon mônôxíthay các chất ô nhiễm trơ khác từ hoạt động lưu thông của xe cộ tại các điểm giao nhaucủa các đường giao thông Mô hình này bao gồm mô hình phát tán nguồn đườngCALINE3 (được phát triển bởi CALTRANS) và một thuật toán ước tính chiều dài củalượng xe cộ tập trung tại các khu vực giao nhau có đèn tín hiệu

Mô hình CAL3QHC đã nâng cấp mô hình CALINE3 để ước tính được nồng độchất ô nhiễm khi xe đang hoạt động lẫn khi đang đứng yên Mô hình này được pháttriển bởi US_EPA

Cho đến nay thì CAL3QHC có hai phiên bản và phiên bản gần đây nhất làCAL3QHC 2.0 So với phiên bản CAL3QHC đầu tiên, phiên bản CAL3QHC 2.0 cóthêm ba thông số mới là: lưu lượng xe bão hòa, loại tín hiệu giao thông và loại hình tậptrung xe Đầu vào của mô hình này bao tất cả các thông số đầu vào của mô hìnhCALINE3 như các yếu tố hình học của đường, vị trí cần tính toán nồng độ, điều kiệnkhí tượng, hệ số phát thải của xe Ngoài ra, mô hình này còn có thêm các thông số khác

để tính toán cho những nơi có tín hiệu như hệ số phát thải lúc xe dừng lại, số làn đườngtrên mỗi đoạn đường, thời gian có đèn tín hiệu giao thông, lưu lượng xe bão hòa, loạitín hiệu và loại hình tập trung xe (US_EPA, 1995; Tippichai, A và nnk, 2005)

(2) Đặc điểm và các giới hạn của CAL3QHC 2.0

- Đây là mô hình kết hợp của mô hình CALINE3 và thuật toán ước tính chiềudài của lượng xe cộ tập trung tại các khu vực giao nhau có đèn tín hiệu

- Mô hình này có thể thực hiện một lúc 120 đoạn đường, 60 vị trí cần tính toánnồng độ với tất cả các hướng gió

- Có thể tính toán cho những khu vực giao nhau có đèn tín hiệu giao thông haykhông có đèn tín hiệu giao thông

- Tốc độ gió tối thiểu là 1m/s

- Hệ số gồ ghề động học phải nằm trong khoảng (3 - 400cm) Hệ số gồ ghề độnghọc được trình bày trong phụ lục 9

- Chỉ tính toán được nồng độ trung bình 1 giờ

- CAL3QHC chia tín hiệu đèn thành 3 loại và kiểu tập trung xe thành 5 loại( được trình bày trong phụ lục 11 và phụ lục 12)

(3) Đầu vào và đầu ra của mô hình CAL3QHC

File đầu vào của mô hình có phần mở rộng là “.DAT” Các thông số đầu vàocủa mô hình chia thành các nhóm chính sau:

2.3 KHÁI QUÁT VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

2.3.1 Điều kiện tự nhiên thành phố Huế

(1) Ví trí địa lý, địa hình

Thành phố Huế được hình thành ở trung tâm đồng bằng hẹp của hạ lưu sôngHương và được phân thành 2 khu vực chính là Bắc sông Hương và Nam sông Hương

Có tọa độ địa lý: 107031’45’’-107038’ kinh độ Đông và 16030’45’’-16024’ vĩ độ Bắc

Thành phố Huế có đặc điểm cốt mặt đất tự nhiên thấp, phía Bắc có độ cao trungbình so với mực nước biển là 1,6-2,5m và phía Nam là 2,0-4,0m

(3) Đặc điểm khí hậu

Huế nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, nhiệt độ không khí trungbình năm là 25,20C, lượng mưa trung bình hàng năm là 2856 mm, độ ẩm trung bìnhnăm là 84,5% Số giờ nắng trung bình ngày là 5,7 giờ và số giờ nắng tối đa ngày là13,3 giờ

Về mùa đông thịnh hành hướng gió Bắc và Đông Bắc, về mùa hè là hướng gióNam và Tây Nam Tốc độ gió lớn nhất thường xảy ra vào mùa mưa lũ (từ tháng 9 đếntháng 12), tốc độ gió đạt 30-40m/s (Công ty Môi trường và Công trình Đô thị Huế,2006)

2.2.2 Tình hình gia tăng các phương tiện giao thông

Cũng giống các đô thị khác, các phương tiện giao thông của thành phố nói riêng

và của Tỉnh Thừa Thiên Huế nói riêng tăng lên theo từng năm Trong đó tăng mạnhnhất là xe máy Sự gia tăng các phương tiện giao thông được trình bày cụ thể ở bảng2.4 và bảng 2.5

Bảng 2.2 Thống kê sự gia tăng các loại mô tô của Tỉnh Thừa Thiên Huế

(Phòng CSGT đường bộ và đường sắt Thừa Thiên Huế)

Bảng 2.3 Thống kê sự gia tăng các loại ô tô của Thừa Thiên Huế

(Phòng CSGT đường bộ và đường sắt Thừa Thiên Huế)

1 Ô tô tải 3.905 4.146 4.529 5.118 5.905 6.093

1.1 < 3,5 tấn 1.553 1.726 2.027 2.482 3.150 3.287 1.2 3,5 – 10 tấn 1.909 1.961 2.021 2.104 2.225 2.271

2 Xe khách 3.503 3.695 3.848 4.059 4.551 4.673

2.1 < 10 chổ 2.107 2.224 2.329 2.498 2.893 2.998 2.2 10 – 30 chổ 1.107 1.168 1.207 1.248 1.313 1.331

Ghi chú : CN – MK : Công nông – Máy kéo

2.3.3 Cơ sở hạ tầng đường giao thông

Trong năm qua, Giao thông vận tải (GTVT) trên địa bàn Thừa Thiên Huế cónhững bước phát triển quan trọng Đó là việc hoàn thành và đưa vào sử dụng nhữngcông trình giao thông mang tầm vóc quốc gia, tạo thành hệ thống liên hoàn giữa cácvùng, rút ngắn khoảng cách giữa vùng sâu, vùng xa với các vùng đồng bằng, đô thị

Đến nay toàn tỉnh đã nhựa hóa được 80% đường tỉnh, bê tông hóa 70% đường giaothông nông thôn (đường huyện, đường xã), 100% xã có đường ô tô đến trung tâm (SởGTVT Thừa Thiên Huế).

Bảng 2.4 Hệ thống cầu, cống và biển báo giao thông của Tỉnh Thừa Thiên Huế

(Sở GTVT Thừa Thiên Huế, 6/2008)

Cầu (cầu/m) Cống (dãy/m) Biển báo

2.3.4 Môi trường không khí Thành phố Huế

Hiện nay vẫn chưa có các nghiên cứu tổng thể, chưa có chương trình quan trắcdài hạn, liên tục về môi trường không khí tại thành phố Huế Số liệu về chất lượngkhông khí ở thành phố rời rạc và không đồng bộ Theo một số báo cáo nhỏ lẻ và rời rạccho thấy rằng:

So với các đô thị khác, thành phố Huế chỉ bị ô nhiễm bụi cục bộ tại một số

điểm đo trong những thời điểm nhất định Trong những năm qua, các tuyến đường dulịch của thành phố Huế được cải tạo, chỉnh trang và trải nhựa nên đã hạn chế được bụi

và tiếng ồn (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2007)

Môi trường không khí thành phố Huế chủ yếu bị ô nhiễm bụi Nồng độ bụi tạihầu hết các trục giao thông chính được đều vượt TCVN 5937-2005 Ngoài ảnh hưởngcủa giao thông, nồng độ bụi còn chịu ảnh hưởng vào điều kiện thời tiết

Môi trường không khí ở thành phố Huế nhìn chung chưa bị ô nhiễm bởi các khíđộc hại, giá trị trung bình của khí CO quan trắc được vào tháng 4/2008 dao động từ 2 –24,4 mg/m3 (thấp hơn TCVN 5937-2005: 30 mg/m3) Hoạt động giao thông vận tải thải

ra một lượng lớn khí CO nhưng chỉ gây ô nhiễm cục bộ và tức thời tại một số vị trí cómật độ giao thông lớn vào các giờ cao điểm

Hoạt động giao thông vận tải thải ra một lượng lớn khí CO (15 – 121 kg/h), caohơn nhiều so với VOC (2,1 – 17,5 kg/h) và NOX (1,1 – 9 kg/h) (Lê Thuỳ Dung, 2008)

Bảng 2.5 Hệ thống đường của Tỉnh Thừa Thiên Huế (Sở GTVT Thừa Thiên Huế, 6/2008)

T

T đường Loại dài (km) Chiều Số tuyến Chiều dài theo kết cấu mặt (km) hoá, bê Nhựa

tông hoá (%)

BTXM nhựa BT nhựa ĐD phối Cấp Đất

Ghi chú: BTXM – Bê tông xi măng

BT Nhựa – Bê tông nhựa

ĐD Nhựa – Đá dăm nhựa

Chương 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu: Môi trường không khí tại khu vực phía Nam Thành phốHuế

- Phạm vi không gian nghiên cứu: Do thời gian hạn hẹp nên chúng tôi chỉnghiên cứu tại một số trục đường có mật độ giao thông lớn ( Lê Lợi, Nguyễn Huệ, HàNội, Đường Hùng Vương, Bà Triệu, Phạm Văn Đồng )

- Phạm vi thời gian nghiên cứu: Từ 02/02/2009 đến 30/05/2009

- Các thông số nghiên cứu: CO

3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Tìm hiều tình hình giao thông tại khu vực phía Nam thành phố Huế, bao gồm:

+ Thu thập số liệu về lượng xe, loại xe, loại hình đường

+ Đếm và thống kê số lượng xe lưu thông trên đường

- Thu thập số liệu về điều kiện khí tượng của thành phố Huế

- Nghiên cứu, tìm hiểu về mô hình tính toán phát thải thải ra từ giao thông(mobile6), mô hình tính toán nồng độ chất ô nhiễm thải ra từ hoạt động giao thông(Caline4, Cal3qhc)

- Ứng dụng mô hình Mobile6 để tính toán phát thải các chất ô nhiễm không khí

từ các lọai hình phương tiện giao thông

- Ứng dụng mô hình Caline4 và mô hình Cal3qhc để tính toán nồng độ các chất

ô nhiễm không khí thải ra từ hoạt động giao thông

3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1.1 Thu thập các tài liệu

+ Thu thập các tài liệu liên quan đến các mô hình tính toán: thông tin tổng quát

về mô hình, ứng dụng của mô hình, hướng cách dẫn sử dụng …

+ Thu thập các thông số đầu vào để chạy mô hình: các số liệu về khí hậu khítượng, các số liệu về phương tiện tham gia lưu thông, phân loại đường giao thông, …

3.3.2 Phương pháp xác định lưu lượng xe lưu thông

(1) Thời gian quan trắc

Quan trắc hai đợt vào hai khoảng thời gian có thể có sự thay đổi lưu lượng xe lớn:

+ Đợt 1: quan trắc vào những ngày làm việc (từ thứ 2 đến thứ 6)

+ Đợt 2: quan trắc vào những ngày nghỉ ( thứ 7 và chủ nhật)

(2) Vị trí quan trắc

Vị trí các điểm quan trắc trên các tuyến đường được trình bày ở hình 3.1 và phụlục 14

(3) Các thiết bị quan trắc

Máy ảnh Canon IXY Digital, nhiệt kế, máy định vị GPS

(4) Cách xác định lưu lượng xe lưu thông

- Sử dụng máy ảnh Canon IXY Digital ghi hình ảnh xe cộ lưu thông trên cáctuyến đường tại điểm quan trắc

- Tại mỗi vị trí, ghi hình 20 phút/giờ (cứ ghi hình 5 phút, dừng 10 phút) trongcác 6 khoảng thời gian như sau: 6h30 – 7h30; 9h00 – 10h00; 11h00 – 12h00; 14h00 –15h00; 16h45 – 17h45; 20h00 – 21h00

- Sử dụng Windows Media Player để xem các đoạn phim, phân loại xe và đếm

- Tính lưu lượng xe lưu thông trong 6 khoảng thời gian trên

Hình 3.1 Các vị trí quan trắc lưu lượng xe và tính toán nồng độ CO

Ghi chú: - Vị trí tính toán nồng độ trong Caline4 ; - vị trí quan trắc xe và tính toán nồng độ trong Cal3qhc

K7

K9

K8

K6 K4

R4 R5

3.3.3 Phương pháp xây dựng các kịch bản

(1) Kịch bản Mobile6

Các thông số đầu vào của kịch bản Mobile6 được trình bày như phụ lục Đốivới các dữ liệu khí tượng chúng tôi chọn số liệu khí tượng của một ngày trong tháng ba

có số liệu đặc trưng cho tháng để sử dụng, đó là ngày 20 tháng 3 năm 2009

Giả thiết rằng lượng xe lưu thông trong những ngày thường giống nhau và giữacác ngày nghĩ giống nhau Từ hệ số phát thải riêng của mỗi loại xe, hệ số phát thảichung của xe (EF) cho mỗi đoạn đường ở mỗi thời điểm khác nhau bằng công thức:

EF EF i VMT i (1)

Trong đó: - EFi là hệ số phát thải của mỗi loại xe

- VMTi là tỷ lệ quãng đường mỗi loại xe đi được

Vì điều kiện thành phố Huế có số lượng xe tải ít và để tiện cho việc đếm xe,chúng tôi chỉ tiến hành phân thành 6 loại là xe máy, xe tô 4-7 chỗ, ô tô 12-16 chỗ, xebuýt, xe tải nhẹ, xe tải nặng Để phù hợp với mô hình Mobile6 chúng tôi giả thiết xếp

xe tô 4-7 chỗ và ô tô 12-16 chỗ thành xe khách nhẹ, tỷ lệ giữa các loại ô tô tải nhẹ làgiống nhau, xe tải được chia thành 6 loại có tỷ lệ giống nhau (trừ xe LDDT8a vàLDDT8b)

Chúng tôi giả thiết rằng tất cả xe máy và xe khách nhẹ đều chạy xăng, 1/3 xe tảinhẹ chạy dầu, 2/3 xe tải nhẹ chạy xăng, tất cả xe tải nặng và xe buýt đều chạy dầu

(2) Kịch bản Caline4

Đối với kịch bản Caline4, do hạn chế về số liệu khí tượng Số liệu của gió chỉ có

dữ liệu ngày mà không có dữ liệu theo giờ nên chúng tôi chạy hai kịch bản với mộtkịch bản chạy theo hướng gió trong ngày của thành phố và một kịch bản chạy trongtrường hợp xấu nhất theo tất cả hướng gió để tìm ra nồng độ cực đại tại mỗi vị trí tínhtoán nồng độ Các thông số khí tượng chạy mô hình được trình bày trong mục 4.1

Trong mô hình còn có thông số chiều rộng vùng xáo trộn Thông số này đượctính toán bằng cách lấy chiều rộng của đường cộng thêm cho mỗi bên 3m

(3) Kịch bản Cal3qhc

Tương tự như kịch bản Caline4, chúng tôi cũng chạy hai kịch bản với với mộtkịch bản chạy theo hướng gió trong ngày của thành phố và một kịch bản chạy trongtrường hợp xấu nhất theo tất cả hướng gió để tìm ra nồng độ cực đại tại mỗi vị trí tínhtoán nồng độ

Để tính toán nồng độ tại các điểm giao nhau không có tín hiệu thì mỗi chiềuđường ta cần thông tin cho hai đoạn đường A (nét xanh lá cây) và B (nét xanh dương)

Đối với các đoạn đường giao nhau, mỗi chiều có thêm thông tin cho đoạn tín hiệu C(nét đỏ) Các đoạn đường này được mô tả trong hình 3.2 và 3.3.

Với các đoạn A và B ta cần cung cấp thông tin kiểu đường, tọa độ, lưu lượng xetrong một giờ, hệ số phát thải, độ cao nguồn và chiều rộng xáo trộn (chiều rộng củachiều đường cộng thêm mỗi bên 3m) Đối với đoạn C ngoài những thông giống đoạn A

và B cần có thêm thông tin về số làn đường, chu kì tín hiệu, thời gian đèn đỏ, thời gianđèn vàng, hệ số phát thải lúc xe đứng yên nhưng vẫn nổ máy, kiểu tín hiệu và kiểu tậptrung xe, lưu lượng xe bão hoà cho mỗi làn Lưu lượng xe bão hoà được tính bằng cáchlấy số lượng xe của hai đoạn A và C chia cho số làn đường)

Hệ số phát thải lúc đứng yên nhưng vẫn nổ máy được tính theo công thức củaUS_EPA

EFD (g/h) = EF2,5 (g/mi) × 2,5 (mi/h) (2)Trong đó: - EFD là hệ số phát thải lúc đứng yên

- EF2,5 hệ số phát thải lúc xe chay với tốc độ 2,5 dặm/giờ

Do hạn chế về thời gian nên đối với các đoạn đường giao nhau, chúng tôi giảthiết rằng lượng xe lưu thông trên hai đoạn đối xứng nhau là như nhau

Hình 3.2 Các đoạn đường tại điểm giao

nhau không có đèn tín hiệu giao thông Hình 3.3 Các đoạn đường tại điểm giaonhau có đèn tín hiệu giao thôngGhi chú: đường phân chiều xe

đoạn đường xe đi đến điểm giao nhau của các đường (A)

đoạn đường xe đi từ giao điểm sang phía bên kia đường (B)

đoạn đường xe tập trung đến đèn tín hiệu (C)

Chương 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

4.1 KẾT QUẢ THU THẬP CÁC DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG

Các số liệu cần thiết để chạy mô hình Mobile6, Cal3qhc và Caline 4 được trìnhbày trong bảng 4.1

Bảng 4.1 Số liệu khí tượng ngày 20/03/2009

(Trạm Khí tượng Thuỷ văn thành phố Huế)

Nhiệt độ (h) (0C) 24,1 23,8 23,8 23,9 24,0 24,2 24,4 24,8

25,9 27,6 28,9 29,0 28,4 28,9 28,4 26,8 26,4 26,1 25,4 24,8 24,9 24,9 24,9 24,8

Độ ẩm (h) % 99 99 99 99 99 99 99 97 91 80 77 75

78 77 79 83 85 88 90 95 95 95 95 95

Đô mây che phủ (TB) % 0,98

Áp suất khí quyển (TB) hPa 1009,3

Hướng gió (TB) Đông Đông Bắc

Vận tốc gió (TB) m/s 3

Ghi chú: h – giá trị trung bình giờ và lấy 24 giá trị cho 24 giờ trong ngày

TB – giá trị trung bình ngày

4.2 KẾT QUẢ QUAN TRẮC LƯU LƯỢNG XE

Giả thiết rằng lượng xe lưu thông giống nhau giữa các ngày thường và giữa cácngày nghĩ

Tổng lượng xe tại các vị trí quan trắc được trình bày trong bảng 4.2 Số lượng

xe của mỗi loại sẽ được trình bày chi tiết trong phụ lục 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22