ỨNG DỤNG mô HÌNH SMOKE TÍNH TOÁN KIỂM kê PHÁT THẢI PHỤC vụ dự báo ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÙNG KINH tế TRỌNG điểm bắc bộ

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SMOKE TÍNH TOÁN KIỂM KÊ PHÁT THẢI PHỤC VỤ DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM BẮC BỘ Dương Hồng Sơn, Đàm Duy Hùng, Lê Văn Quy, Lê Văn Linh Trung tâm Nghi

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SMOKE TÍNH TOÁN KIỂM KÊ PHÁT THẢI

PHỤC VỤ DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÙNG

KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM BẮC BỘ

Dương Hồng Sơn, Đàm Duy Hùng, Lê Văn Quy, Lê Văn Linh

Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường

Vùng kinh tế trọng điểm Bắc bộ có ý nghĩa chiến lược trong công cuộc phát triển đất nước, nơi đây tập trung phần lớn các công trình trọng điểm, các cảng sông, biển, các sân bay

và các khu công nghiệp lớn, tầm cỡ phân bố đều tại các tỉnh; do đó các hoạt động kinh tế luôn diễn ra ồn ào và sôi động Sự phát triển kinh tế một cách nhanh chóng trong các khu công nghiệp lớn và nhỏ cũng như tốc độ đô thị hóa nhanh đang ảnh hưởng xấu tới chất lượng không khí trong vùng Do vậy, việc dự báo chất lượng không khí sẽ rất cần thiết trong đời sống cũng như trong công tác nghiên cứu khoa học Trong đó việc kiểm kê phát thải là một giai đoạn quan trọng nhằm đảm bảo tính chính xác trong dự báo chất lượng môi trường không khí

Để giải quyết bài toán trên, nhóm nghiên cứu chúng tôi đã ứng dụng mô hình SMOKE

để kiểm kê phát thải các nguồn gây ô nhiễm tại các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm Bắc

Bộ Kết quả kiểm kê phát thải cho thấy nguồn gây ô nhiễm phát thải giao thông (nguồn đường) là tác nhân chính gây ra ô nhiễm không khí tại các khu đô thị với tỷ lệ đóng góp phát thải giao thông của các chất trong tổng lượng phát thải các nguồn là CO (29%), NO X (26,3%), SO 2 (7%), và TSP (9,1%) Tương tự với nguồn phát thải từ các khu dân cư (nguồn diện) tỷ lệ phát thải là CO (18,7 %), NO X (2,6%), SO 2 (62%), bụi (1,3%), và với nguồn điểm (các khu công nghiệp) là CO (52,3%), NO X (71,1%), SO 2 (31%) và bụi (89,6%)

1 Giới thiệu mô hình Smoke

SMOKE là một công cụ hữu ích về xử lý phát thải cho một loạt các ứng dụng

mô hình chất lượng không khí khu vực do EMC (Environment Modeling Center) công

bố năm 1996, và tiếp tục được phát triển tại trường đại học Bắc Carolina Phiên bản mới nhất hiện nay là SMOKE 3.1

SMOKE có thể tính toán các khí ô nhiễm chuẩn như: carbon monoxide (CO),

µm (PM10), và nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 µm (PM2.5) SMOKE cũng có thể tính toán rất nhiều độc tố như thuỷ ngân, cađimi, benzen, formaldehyde…

Kiểm kê phát thải trong SMOKE được chia thành 4 loại chính: nguồn diện, nguồn điểm, nguồn giao thông và nguồn sinh học Việc phân chia này dựa trên các phương pháp khác nhau trong việc xây dựng kiểm kê và các đặc trưng, thuộc tính khác nhau của các nguồn Trong bài báo này chúng tôi thực hiện kiểm kê chủ yếu nguồn diện, nguồn điểm và nguồn giao thông

Nguồn sinh học

Số liệu

sử dụng đất

Nguồn cơ giới

Nguồn diện

Nguồn điểm

Số liệu

khí tượng

Số liệu Kiểm

kê phát thải

Sát nhập các nguồn

Thông báo phát thải Phát thải cho mô hình

Hình 1 Mối quan hệ dữ liệu của SMOKE

SMOKE sử dụng hệ thống mã để xác định không gian (quốc gia, tỉnh, huyện)

và hệ thông mã để phân chia các nguồn

Quốc gia Tỉnh Huyện

Hình 2 Hệ thống mã không gian trong

SMOKE

Hình 3 Hệ thông mã phân chia các loại nguồn điểm, nguồn diện và nguồn di

động

2 Nguồn đường

Phân loại đường

SMOKE phân loại đường bởi mã AIRS (AIRS-Aerometric Information Retrieval) Mã AIR giống 3 số cuối trong 10 số của mã phân loại nguồn thải (SCC)

Để phù hợp với không gian mô hình áp dụng cho Việt Nam mã đại diện được ấn định gồm 4 loại; 15 - Đường đô thị chính, 16 - Đường nông thôn phụ, 17 - Đường nông thôn chính, 18 - Đường đô thị phụ

Bảng 1 Mã phân loại các loại đường

Mã đại

Mã phân

16

Đường nông thôn phụ

17

Đường nông thôn chính

thôn

Mã đại

Mã phân

Phân loại phương tiện

Từ 8 loại phương tiện trong SMOKE Mô hình hệ số phát thải giao thông MOBILE 6 sẽ phân chia chi tiết thành 28 loại và đưa ra các hệ số phát thải cho toàn bộ

28 loại phương tiện đó Để thực hiện những hệ số phát thải này, các nhân tố phát thải cho mỗi loại phương tiện trong MOBILE 6 được lấy trung bình trọng số theo phần trăm của VMT (Vehicle miles traveled) ấn định tới loại phương tiện đó, rồi tổng kết các loại phương tiện lại để tạo các hệ số phát thải cho 8 loại phương tiện (Bảng 2)

Bảng 2 Mã của các loại xe trong SMOKE

phương tiện MOBILE6

0100 LDGV: Xe vận chuyển chạy xăng – công suất

nhỏ (CSN)

1.000000

0102 LDGT1: Xe tải chạy xăng CSN 1(0 - 6.000lbs,

GVWR, 0-3.750 lbs LVW)

0.230998

0104 LDGT2: Xe tải chạy xăng CSN 2 (0-6.000lbs,

GVWR, 3.751-5.750 lbs LVW)

0.769002

0107 HDGV: Xe chạy xăng – công suất lớn (CSL)

3006 LDDT: Xe tải chạy dầu CSN

3007 HDDV: Xe tải chạy dầu

0108 MC: Xe máy

GVWR: Trọng lượng của các loại xe được tính theo đơn vị lbs, 1 lbs = 454g

3 Nguồn điểm

Là những nguồn phát thải (những cơ sở sản xuất có ống khói, sử dụng nhiên liệu như dầu, than, gas để phục vụ cho hoạt động đốt cháy) Ở phạm vi rộng, nguồn điểm còn là những cơ sở sản xuất có các công đoạn sản xuất phát thải khí ô nhiễm lớn Các nguồn thải này được xác định bởi vị trí của điểm thải chủ yếu, bởi vì vị trí của chúng được xác định trong các thông báo định kỳ Nguồn điểm thường được chia nhỏ hơn thành các nguồn do nhà máy phát điện (EGU) và không do nhà máy phát điện (non-EGU), đặc biệt là trong các kiểm kê chuẩn ở đó nhà máy phát điện là nguồn

nhà máy hoá chất và gia công nội thất Nguồn thải điểm bao gồm cả các kiểm kê chuẩn lẫn độc tố

Xử lý phát thải nguồn điểm trong SMOKE tập trung vào việc chuyển đổi các phát thải theo năm, tháng, ngày hoặc giờ thành phát thải sẵn sàng cho mô hình theo giờ và ô lưới của các chất hoá học sử dụng bởi mô hình chất lượng không khí

4 Nguồn diện

Nguồn diện là nguồn không di chuyển được, được dự tính cho một vùng rộng (thường là quận/huyện hay khoảng không gian) mà số liệu không thể thu thập được tại mỗi điểm: nguồn xây dựng (dân dụng và dân cư), nguồn đun nấu từ các hộ gia đình

Thông tin đun nấu của các hộ

dân: Số hộ dân trong một đơn vị hành

chính, tỷ lệ số hộ gia đình sử dụng

nhiên liệu (củi, gas và than) để đun

nấu, loại than (hệ số các chất ô nhiễm

trong than), thói quen, thời gian sử

dụng nhiên liệu để đun nấu của người

dân ở hai khu vực nông thôn và thành

thị

Trong chương trình xử lý

nguồn diện, SMOKE đọc các dữ liệu

thô (dữ liệu đầu vào dạng tấn/năm) xử

lý và biến đổi chúng về dạng phát thải

hàng giờ phù hợp với định dạng dữ

liệu của mô hình lan truyền ô nhiễm

Nhập kiểm kê

Phân loại

Sát nhập

Chương trình Hướng trao đổi số liệu

Chia lưới

Cấp phát thời gian

Hình 4 Các bước xử lý nguồn diện

5 Kết quả tính toán

Trong Smoke, các hoạt động xử lý không gian, hoặc lưới hóa xác định lưới tính cho miền mô hình hóa chất lượng không khí với các vị trí nguồn file kiểm kê trong Smoke Để phù hợp với không gian của Smoke, mã quốc gia được gán cho khu vực Đông Nam Á là 0, cài đặt mã bang được gán cho Việt Nam là 84, mã hạt được gán cho các tỉnh thành ở khu Kinh tế Trọng điểm Bắc Bộ từ 001, 002, 003, và ấn định GMT cho thời gian địa phương

Miền lưới tính toán cho khu kinh

tế trọng điểm Bắc Bộ với bước lưới là

2km x 2km, tọa độ ô lưới trung tâm là

210N và 1060E, bao gồm 156 ô lưới

theo trục x và 156 ô lưới theo trục y

Kết quả ma trận lưới tính là một

ma trận thưa, miêu tả sự phát thải cho

mỗi nguồn trong các ô lưới được đưa ra

trong miền tính Ma trận lưới tính được

ứng dụng cho kiểm kê phát thải để

chuyển đổi kiểm kê phát thải cơ bản

của nguồn tới phát thải lưới tính

Hình 5 Sơ đồ miền tính

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng số liệu điều tra khảo sát năm 2007 và được bổ sung số liệu vào năm 2010 với kết quả kiểm kê phát thải cho một số tỉnh, thành phố như sau:

Bảng 3 Tổng lượng phát thải một số tỉnh, thành phố khu kinh tế trọng điểm Bắc bộ

Hà Nội

Hải Phòng

Hải Dương

Có thể thấy rằng số liệu kiểm kê đưa ra bảng trên là thấp so với thực tế, do việc kiểm kê số liệu phát thải gặp rất nhiều khó khăn như thiếu cơ sở dữ liệu phát thải các nguồn, cần một số lượng lớn nhân lực tham gia trong điều tra khảo sát các khu dân cư, trên tất cả các tuyến đường, tất cả các nhà máy, các khu công nghiệp, Tuy nhiên qua điều tra khảo sát và ứng dụng mô hình Smoke các kết quả đạt được rất khả quan Qua kết quả chúng ta thấy được phần trăm đóng góp từ các nguồn như sau: Tỷ lệ đóng góp phát thải giao thông của các chất trong tổng lượng phát thải các nguồn là CO (29%),

bụi (89,6%)

Trong mô hình Smoke, các nguồn phát thải được kiểm kê độc lập và sau đó các nguồn được sáp nhập thành một file thống nhất nhằm cung cấp đầu vào cho mô hình chất lượng không khí Mỗi chất phát thải là kết quả của sự tổng hợp nhiều nguồn phát thải khác nhau Kết quả của mô hình SMOKE là các file đầu ra dưới dạng netcdf và được thể hiện thông qua phần mền VERDI-4.1

(a) (b)

Phân bố phát thải chủ yếu tập trung tại các thành phố lớn như Hà Nội và Hải Phòng nơi có mật độ giao thông lớn (Hình 6) cho thấy phát thải chủ yếu tập trung trên dọc tuyến Hà Nội – Hưng Yên – Hải Dương – Hải Phòng, phát thải lớn tại các điểm có các khu công nghiệp (các chấm màu đỏ là những nới có phát thải lớn, tương ứng với

nó là các khu công nghiệp)

Hình 7 Biến trình phát thải trung bình ngày 01-07-2010

Biến trình phát thải trung bình tính toán cho ngày 01/07/2010 được thể hiện trong (Hình 7) cho kết quả hợp lý so với các hoạt động kinh tế, dân sinh Phát thải đạt giá trị lớn vào khoảng từ 16 giờ đến 20 giờ do thời điểm này số lượng hoạt động của các phương tiện giao thông là lớn nhất, đặc biệt là Thủ đô Hà Nội, và cũng là thời điểm các hoạt động dân sinh như đun nấu diễn ra với mật độ lớn Phát thải đạt giá trị thấp vào thời điểm đêm và rạng sáng

6 Kết luận và kiến nghị

Mô hình cho kết quả phát thải theo từng ô lưới phụ thuộc vào kích thước ô lưới lựa chọn tính toán Kết quả cho thấy, lượng phát thải tại khu kinh tế trọng điểm Bắc

Bộ tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn với mật độ giao thông lớn Với các tỉnh có mật độ giao thông nhỏ thì lượng phát tải tập trung tại các khu công nghiệp, nhà máy và các khu dân cư Kết quả phát thải theo ô lưới từ mô hình làm đầu vào thuận lợi cho các

mô hình chất lượng không khí hiện nay

Để tăng kết quả chính xác cho mô hình, chúng tôi có một số kiến nghị sau:

- Xây dựng đầy đủ bộ số liệu phát thải ở các nhà máy, khu công nghiệp, thống

kê đầy đủ về số liệu phương tiện giao thông tại khu kinh tế trọng điểm Bắc Bộ

- Xây dựng kiểm kê đầy đủ thông tin sử dụng nhiên liệu ở các khu dân cư

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Dương Hồng Sơn (2008), Xây dựng bản tin dự báo chất lượng không khí cho các vùng kinh tế trọng điểm Việt Nam, đề tài cấp Bộ TN&MT

2 Rafael Borge, Julio Lumbreras, Encarnacion Rodrı´guez (2008) Development of a high-resolution emission inventory for Spain using the SMOKE modelling system:

A case study for the years 2000 and 2010

3 SMOKE v3.0 User’s Manual

4 Zhining Tao (2005) Area, mobile, and point source contributions to ground level ozone: a summer simulation across the continental USA

APPLICATION OF SMOKE MODEL IN EMISSION INVENTORY FOR AIR QUALITY FORECAST FOR THE NORTHERN VIETNAM

FOCAL ECONOMIC ZONE

Duong Hong Son, Dam Duy Hung, Le Van Quy, Le Van Linh

Center for Environmental Research Vietnam Institute of Meteorology Hidrology and Environment

The Northern Vietnam Focal Economic Zone is an important region in the development of the country, where concentrates the most important works The river and sea ports, airports, large industrial parks are distributed homogeneous in the Zone’s provinces so that economic activities is always noisy and bustling Rapid economic development in the large and small industrial parks as well as urbanization speed are affecting seriously on air quality in the region Therefore, predicting air quality is necessary for the daily life as well as for scientific research In which, the emission inventory is an important stage aimed to ensure accurately in forecasting air quality

To solve this problem, our research group has applied SMOKE model to inventory the emission of sources of air pollution in the provinces belong to The Northern Vietnam Focal Economic Zone Results of emission inventory showed that traffic pollution emission sources (line source) is the main one causing air pollution in the urban areas The substances contribution from traffic emission against to total emission is CO (29%), NO X (26.3%), SO 2 (7%), and TSP (9.1%) Similar to the emissions in the residential areas (area source), the rate

of emission is CO (18.7%), NO X (2.6%), SO 2 (62%), TSP (1.3%), and point source (industrial parks) is CO (52.3%), NO X (71.1%), SO 2 (31%) and TSP (89.6%)