tình hình nghiên cứu về chất lượng môi trường không khí trên Thế giới và ở Việt nam

b Nghiên cứu, xây dựng phương pháp đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí có tính đến các yếu tố giảm nhẹ ô nhiễm độ che phủ của cây xanh, mặt nước, làm cơ sở cho việc phân hạ

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Ô nhiễm không khí là một trong những vấn đề nghiêm trọng nhất ở các

đô thị, đặc biệt là tại các nước đang phát triển Theo những nghiên cứu gần đây, việc phơi nhiễm bụi có nồng độ trung bình năm vượt quá 50 µg/m3tại

126 thành phố trên thế giới có thể là nguyên nhân của khoảng 130 nghìn ca

tử vong sớm

Chất lượng không khí nói chung và không khí đô thị nói riêng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố Các nguồn khí thải trong đô thị như công nghiệp, giao thông, sinh hoạt, xây dựng có thể làm suy giảm chất lượng không khí Tuy nhiên, nếu trong thành phố có nhiều cây xanh, và diện tích mặt nước (hồ, ao, sông) lớn thì chất lượng không khí cũng được cải thiện phần nào

Để đánh giá chất lượng môi trường không khí, hai phương pháp vẫn được thực hiện là phương pháp thực nghiệm và mô hình hóa Đối với phương pháp thực nghiệm, kết quả đo đạc các thông số đặc trưng cho môi trường không khí nói chung và TSP nói riêng chính là giá trị cuối cùng tại điểm tiếp nhận Giá trị này đã tính đến tác động tổng hợp từ các nguồn phát thải có thể ảnh hưởng đến điểm tiếp nhận và khả năng lọc giữ bụi của cây xanh, mặt nước Tuy nhiên thực tế số điểm đo ít hoặc số lần đo không nhiều, tần suất đo thấp thì đánh giá dựa vào giá trị quan trắc chưa cho thấy bức tranh tổng quát về chất lượng không khí vùng nghiên cứu Phương pháp mô hình hóa có thể khắc phục được điều này, song, kết quả tính toán được tại một điểm tiếp nhận nào đó mới cho thấy giá trị nồng độ chất ô nhiễm do các nguồn thải chất ô

nhiễm gây ra mà chưa tính đến khả năng làm sạch không khí của các tác nhân khác trong đó có cây xanh và mặt nước Vì vậy, giá trị nồng độ tính được theo mô hình sẽ có sự sai khác ít nhiều so với thực tế, phụ thuộc vào

độ che phủ của cây xanh và diện tích mặt nước trong khu vực nghiên cứu

1

Ngoại trừ TSP, Hà Nội chưa bị ô nhiễm không khí nghiêm trọng bởi các chất

ô nhiễm khác Tuy nhiên chất lượng môi trường không khí ở Hà Nội có thể

bị suy giảm dưới các áp lực về dân số, công nghiệp, giao thông Các nghiên

cứu về chất lượng không khí ở Hà Nội trên cơ sở ứng dụng phương pháp mô hình hóa mới chỉ dừng ở mức đánh giá thông qua giá trị của các yếu tố gây

ô nhiễm từ các loại nguồn thải khác nhau Trong khi đó, một số yếu tố môi trường có ảnh hưởng tốt đến chất lượng không khí như cây xanh, mặt nước chưa được đưa vào trong các bài toán đánh giá định lượng cụ thể Vì vậy việc nghiên cứu, đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí cho khu vực Hà Nội có tính đến tổng hợp các yếu tố trên là cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

a) Đánh giá chất lượng môi trường không khí do ảnh hưởng của các loại nguồn thải gây ra cho vực nội thành Hà Nội theo các kịch bản khác nhau b) Nghiên cứu, xây dựng phương pháp đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí có tính đến các yếu tố giảm nhẹ ô nhiễm (độ che phủ của cây xanh, mặt nước), làm cơ sở cho việc phân hạng chất lượng môi trường không khí khu vực Hà Nội (cũ)

3 Nội dung nghiên cứu:

• Nghiên cứu tổng quan về chất lượng môi trường không khí, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí, các phương pháp đánh giá chất lượng không khí và hiện trạng chất lượng môi trường không khí ở Hà Nội

• Lập sơ đồ phân vùng mức độ ô nhiễm cho môi trường không khí Hà Nội (tính cho TSP) dựa vào mô hình ISC 3

• Nghiên cứu, xây dựng qui trình đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí có tính đến các yếu tố giảm nhẹ ô nhiễm (độ che phủ cây xanh, diện tích mặt nước)

2

• Nghiên cứu thử nghiệm lập bản đồ đánh giá tổng hợp chất lượng không khí theo qui trình trên cho khu vực nội thành Hà Nội (cũ), phục vụ công tác quản lý, giám sát chất lượng môi trường thành phố Hà Nội

• Đề xuất một số giải pháp cải thiện chất lượng không khí ở Hà Nội

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Luận án tập trung làm rõ chất lượng môi trường không khí ở Hà Nội do ảnh hưởng đồng thời của các nguồn gây ô nhiễm như nguồn công nghiệp, giao thông, sinh hoạt và các yếu tố có vai trò làm sạch không khí như cây xanh, mặt nước Thông số được lựa chọn để nghiên cứu và tính toán là TSP

• Phạm vi nghiên cứu: Khu vực nội thành Hà Nội cũ Kích thước vùng nghiên cứu trong phạm vi 20km x20km

5 Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp mô hình hóa với phần mềm có bản quyền ISC và phương pháp tính tần suất vượt chuẩn để đánh giá mức độ ô nhiễm không khí

• Phương pháp bản đồ và hệ thông tin địa lý (GIS) để tính mật độ che phủ của cây xanh, diện tích mặt nước, mật độ đường giao thông và xây dựng các bản đồ chuyên đề, bản đồ tổng hợp

• Phương pháp chập bản đồ môi trường và công cụ GIS: Ứng dụng trong xây dựng chỉ số đánh giá tổng hợp và bản đồ tổng hợp

7 Những đóng góp mới của luận án

a) Lần đầu tiên các yếu tố có lợi cho môi trường không khí như độ che phủ của cây xanh và diện tích mặt nước được tính đến trong bài toán đánh giá chất lượng không khí ở Việt Nam một cách định lượng

b) Lần đầu tiên đưa ra qui trình đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí có tính đến tác động tổng hợp của cả các yếu tố gây ô nhiễm (nguồn phát thải chất ô nhiễm) và yếu tố cải thiện chất lượng môi trường không khí (cây xanh, mặt nước)

3

c) Kết hợp hệ phương pháp mô hình hóa, công cụ GIS, phương pháp chập bản đồ môi trường để xây dựng chỉ số tổng hợp và bản đồ đánh giá chất lượng môi trường không khí cho một khu vực đô thị

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a) Góp phần mở ra một hướng nghiên cứu mới trong đánh giá tổng hợp chất lượng môi trường không khí, trong đó có tính đến yếu tố cây xanh, mặt nước – yếu tố có thể giảm thiểu ô nhiễm hữu hiệu

b) Cung cấp cơ sở khoa học trong thiết kế khu vực bảo tồn, trồng cây xanh, bảo tồn diện tích mặt nước tăng cường loại bỏ các chất ô nhiễm nhằm cải thiện sức khỏe của cộng đồng

c) Có thể ứng dụng phương pháp đánh giá tổng hợp vào giải quyết các bài toán thực tiễn đối với môi trường không khí như: Đánh giá tác động môi trường, qui hoạch môi trường, qui hoạch mạng lưới điểm quan trắc, qui hoạch không gian phân bố vùng cách ly vệ sinh công nghiệp, phục vụ công tác giám sát, cảnh báo ô nhiễm và quản lý chất lượng không khí trên địa bàn thành phố Hà Nội và mở rộng cho các tỉnh thành khác trên phạm vi cả nước

8 Cấu trúc luận án

Luận án được bố cục làm 3 chương chính cùng với phần mở đầu, kết luận

và tài liệu tham khảo

NỘI DUNG LUẬN ÁN Chương 1

Trong chương này, luận án đã nghiên cứu tổng quan về các vấn đề chung liên quan đến chất lượng không khí như các khái niệm về chất lượng không khí, ô nhiễm không khí, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí như yếu tố khí tượng, độ che phủ của cây xanh và diện tích mặt nước; khái quát về các phương pháp đánh giá chất lượng môi

4

trường không khí, tình hình nghiên cứu về chất lượng môi trường không khí trên Thế giới và ở Việt nam; hiện trạng chất lượng không khí ở Hà

Nội

Chương 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng của luận án tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí ở Hà Nội là các nguồn gây ô nhiễm như công nghiệp, giao thông

và các yếu tố có vai trò làm sạch không khí như cây xanh, mặt nước TSP được lựa chọn là chất ô nhiễm để nghiên cứu và tính toán trong luận án Phạm vi nghiên cứu: Phạm vi nghiên cứu của luận án là khu vực thành phố Hà Nội cũ và xung quanh với các nguồn thải có khả năng ảnh hưởng đến chất lượng không khí trên địa bàn thành phố Khu vực nghiên cứu được khoanh vùng bởi một lưới ô vuông, mỗi ô có kích thước 250 m x 250 m, tương đương với diện tích vùng nghiên cứu 20km x 20km

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp mô hình hóa trong đánh giá chất lượng môi trường không khí

2.2.1.1 Cơ sở lý thuyết về lan truyền chất ô nhiễm trong không khí

Trong trường hợp tổng quát, trị số trung bình nồng độ chất ô nhiễm trong không khí phân bố theo thời gian và không gian được mô tả từ phương trình xuất phát của vận chuyển, khuyếch tán rối và biến đổi hóa học đầy đủ như sau:

C C z

C K z y

C K y x

C K x z

C V y

x z

đã đưa ra được các công thức tính nồng độ chất ô nhiễm phân bố trong không

5

gian và các công thức tính nồng độ cực đại cũng như các khoảng cách đạt cực đại tương ứng

2.2.1.2 Mô hình lan truyền chất ô nhiễm ISC 3

Mô hình lan truyền chất ô nhiễm ISC 3 là một mô hình dạng Gauss Nồng

độ chất ô nhiễm tại điểm có tọa độ x, y, z được tính theo công thức sau:

−σ

σπ

=

χ

2

y z

y s

y5.0expu

Q: Lượng phát thải của chất ô nhiễm ở điều kiện tiêu chuẩn (g/s);

K: Hệ số chuyển đổi, giá trị mặc định K= 1.106 nếu Q là g/s và nồng độ chất

−

= 2− exp 21− 22 22

.

2 0

,

,

z y n n

z

H C

y x x

C C u

M y

u: Tốc độ gió trung bình tại mặt đất (m/s)

C(x,y,0): Nồng độ chất ô nhiễm (mg/m3)

Cy, Cz: Các hệ số khuếch tán rối suy rộng của Sutton

n: liên quan đến chỉ số tầng kết nhiệt

2.2.2 Phương pháp tính tần suất vượt chuẩn

Nội dung chính của phương pháp tần suất vượt chuẩn là tính tần suất những ngày xuất hiện nồng độ chất ô nhiễm lớn hơn nồng độ cho phép để xác định mức ô nhiễm do các nguồn thải công nghiệp gây nên trong một chu

kỳ thời gian Trong phương pháp này, nồng độ chất ô nhiễm được tính từ mô hình Sutton hay Berliand theo từng kỳ quan trắc khí tượng 4 obs (4 kỳ một ngày) với một chuỗi số liệu đủ dài trong vòng 1 đến 5 năm Ở mỗi kì quan trắc, ứng với các giá trị như tốc độ gió, nhiệt độ, lượng mây đo được ta sẽ ước lượng được các thông số Cy, Cz, n trong mô hình Sutton hay k0, k1, n của mô hình Berliand dựa vào bảng phân loại cấp ổn định của Tunner, được phát triển bởi Passquil Từ đó, có thể tính được giá trị nồng độ chất ô nhiễm tại mặt đất C(x,y,0) theo từng kỳ quan trắc Giá trị nồng độ trung bình ngày bằng trung bình cộng của giá trị nồng độ tính theo 4 kì quan trắc So sánh giá trị này với tiêu chuẩn cho phép ta sẽ tính được tần suất số ngày có nồng độ vượt tiêu chuẩn trong một chu kì thời gian nào đó (có thể là năm hoặc mùa) tại một địa điểm xác định Kết quả tính toán được thể hiện dưới dạng sơ đồ hoặc bản đồ sẽ cho ta một bức tranh tổng quát về sự phân bố ô nhiễm đối với khu vực nghiên cứu

2.2.3 Phương pháp tính toán và xây dựng bản đồ chuyên đề bằng công cụ GIS

• Xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình tính toán lan truyền ô nhiễm

• Xây dựng bản đồ phân bố ô nhiễm

• Xây dựng các bản đồ chuyên đề và bản đồ đánh giá tổng hợp chất lượng không khí

7

2.2.4 Phương pháp chập bản đồ môi trường

Phương pháp này được sử dụng trong luận án để xây dựng qui trình đánh giá chất lượng không khí tổng hợp có tính đến các yếu tố ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng không khí ở Hà Nội (ô nhiễm do nguồn thải công nghiệp và giao thông) cũng như các yếu tố có ảnh hưởng tốt đến chất lượng không khí (cây xanh, mặt nước)

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.1 Kết quả ứng dụng mô hình ISC 3 để đánh giá chất lượng môi trường không khí khu vực Hà Nội (tính cho TSP)

3.1.1 Các kịch bản tính toán

- Kịch bản 1: Trường hợp tính cho năm 2007 (năm cơ sở)

Tính toán sự phân bố nồng chất chất ô nhiễm cho thành phố Hà Nội (cũ) với số liệu phát thải năm 2007 được xem như là năm cơ sở để tính toán: Các nguồn gây ô nhiễm giai đoạn này chủ yếu là nguồn công nghiệp, nguồn giao thông và nguồn sinh hoạt Trong đó, các nguồn thải công nghiệp (trên địa bàn Hà Nội cũ) được xem là những nguồn gây ô nhiễm chính

- Kịch bản 2: Trường hợp tính cho năm 2010

Các nguồn phát thải giai đoạn này bao gồm: nguồn điểm công nghiệp, nguồn giao thông (nguồn đường), nguồn sinh hoạt và xây dựng (nguồn mặt) Năm 2010, các nhà máy hướng tới mục tiêu giảm lượng thải 50%, di chuyển toàn bộ các cơ sở công nghiệp gây ô nhiễm nghiêm trọng ra khỏi thành phố theo quyết định của UBND thành phố Hà Nội

- Kịch bản 3: Dự báo mức độ ô nhiễm TSP cho năm 2020

Jica đã đã đưa ra dự báo về lượng thải chất ô nhiễm không khí cho năm

2020 theo hai kịch bản là phát thải thấp và phát thải cao Phát thải thấp là trường hợp có biện pháp giảm phát thải, kiểm soát được mức phát thải Phát thải cao là trường hợp có thể xảy ra khi không kiểm soát được quá trình phát thải chất ô nhiễm Dựa vào dự báo của JICA và coi nguồn điểm không tác

8

động đáng kể đến chất lượng không khí, dự án AIRPET đã mã hóa nguồn thải chính thành 3 dạng và ước tính công suất phát thải cho từng loại nguồn:

• Nguồn mặt do phát thải từ sinh hoạt, giao thông phân tán, xây dựng;

• Nguồn mặt do phát thải từ các khu, cụm công nghiệp lớn;

• Nguồn đường tập trung từ các đường giao thông mật độ cao;

Luận án đã sử dụng những số liệu ước tính nguồn phát thải của AIRPET

để dự báo mức độ ô nhiễm không khí khu vực nghiên cứu ở Hà Nội cho năm

2020

3.1.2 Kết quả tính toán và nhận xét

• Kết quả tính theo kịch bản 1: Trong giai đoạn 2007, khu vực Hà

Nội cũ đã bị ô nhiễm TSP trên diện rộng, đặc biệt là các vùng xung quanh khu công nghiệp Thượng Đình (quận Thanh Xuân), Vĩnh Tuy – Mai Động (Hai Bà Trưng), thị trấn Văn Điển (H Thanh Trì)… Giá trị cực đại

của TSP ở những khu vực này tương đối cao, có thể >2- 3 lần Qui chuẩn cho phép và vùng ô nhiễm rộng Một trong những nguyên nhân chính gây nên mức độ ô nhiễm TSP cao là do những khu vực này chịu ảnh hưởng mạnh nhất và chịu tác động tổng hợp của nhiều nguồn từ các khu công nghiệp nêu trên - đây là những khu, cụm công nghiệp cũ, phần lớn công nghệ lạc hậu,

hiệu suất đổi mới thiết bị thấp Khu vực khu phố cổ cũng có dấu hiệu ô nhiễm TSP do hoạt động đun nấu kinh doanh, sinh hoạt với mức độ cao

• Kết quả tính theo kịch bản 2: Nhìn chung trong năm 2010, mức độ

ô nhiễm TSP giảm đi nhiều so với năm 2007 Vùng ô nhiễm quanh các khu công nghiệp đã giảm đi đáng kể do một số nguồn thải công nghiệp đã ngừng hoạt động Một số vùng ô nhiễm mới xuất hiện do phát thải nguồn mặt nhưng mức độ không cao

• Kết quả tính theo kịch bản 3 Kết quả tính phân bố nồng độ TSP vào năm 2020 theo hai trường hợp phát thải thấp và phát thải cao cho thấy: Nhìn chung, khả năng ô nhiễm TSP đã giảm nhiều cả về diện tích và mức độ ô

9

nhiễm so với năm 2007 và 2010 Tuy nhiên, ô nhiễm TSP có thể vẫn xảy ra trên diện rộng khi thiếu các giải pháp kiểm soát Nếu kiểm soát phát thải tốt,

có thể giảm đáng kể vùng có chất lượng không khí kém

Hình 3.1 Phân bố nồng độ TSP trung bình 1 giờ cao nhất ở khu vực

thành phố Hà Nội (cũ) năm 2007

Nhận xét chung: Kết quả tính toán sự phân bố TSP theo mô hình ISC 3

theo 3 trường hợp khác nhau đã cho thấy bức tranh tổng quát về mức độ ô nhiễm TSP trong các giai đoạn khác nhau Diễn biến của TSP không tuân theo qui luật và phụ thuộc vào sự tăng giảm của các nguồn trong khu vực nghiên cứu Giá trị tính được chưa tính tới khả năng lọc giữ bụi của cây xanh

ô nhiễm nói chung và TSP nói riêng tính được tại điểm tiếp nhận chưa tính đến khả năng lọc giữ bụi của cây xanh và mặt nước Do vậy kết quả tính toán

10

sẽ có sự sai khác ít nhiều so với giá trị thực thế Để khắc phục hạn chế trên, chúng tôi đề xuất một phương án đánh giá tổng hợp chất lượng không khí (tính riêng cho TSP) Trong phương pháp này, các yếu tố gây ô nhiễm (nguồn thải công nghiệp, giao thông) và yếu tố cải thiện chất lượng môi trường không khí (cây xanh, mặt nước) đều đã được tính đến Các công cụ

và phương pháp được sử dụng để tính toán và đánh giá là mô hình hóa theo cách tính tần suất vượt chuẩn, GIS và chập bản đồ môi trường

3.2.2 Xây dựng qui trình đánh giá chất lượng môi trường không khí

có tính đến yếu tố giảm nhẹ ô nhiễm

Bước 1: Phân vùng khu vực nghiên cứu

Chia khu vực nghiên cứu thành mạng lưới các ô vuông, sao cho các yếu

tố cần xét được xem là có giá trị đồng nhất trong ô Kích thước mỗi ô có thể

• Chỉ tiêu tần suất vượt chuẩn P (%): là phần trăm số ngày có nồng độ chất

ô nhiễm vượt tiêu chuẩn cho phép trong một khoảng thời gian nhất định Chỉ tiêu này được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm do các nguồn thải công nghiệp gây ra

• Chỉ tiêu mật độ đường (km/km2): Sự phân bố nồng độ các chất ô nhiễm

do giao thông gây ra liên quan đến mức độ phát thải ô nhiễm từ các phương tiện tham gia giao thông trên các tuyến đường Những khu vực

có mật độ đường lớn có khả năng phát thải ô nhiễm cao

11

• Chỉ tiêu về tỉ lệ diện tích che phủ cây xanh và diện tích mặt nước (%) : Mật độ che phủ của cây xanh được tính bằng tổng diện tích che phủ của cây xanh trong mỗi ô trên diện tích toàn ô vuông (%) Tỷ lệ diện tích mặt nước được tính bằng tổng diện tích mặt nước trong mỗi ô trên diện tích toàn ô vuông (%)

Mật độ đường, độ che phủ của cây xanh và diện tích mặt nước có thể tính được nhờ một số phần mềm GIS như Arc GIS

Bước 3 Xây dựng các bản đồ chuyên đề theo các chỉ tiêu đã lựa chọn:

P, mật độ đường, mật độ che phủ cây xanh, tỉ lệ diện tích mặt nước

• Giá trị của các yếu tố (đặc trưng bởi các chỉ tiêu) được tính cho từng ô vuông và phân chia theo cấp độ

• Cho điểm theo mức độ ảnh hưởng tới môi trường không khí của các yếu

tố (cho điểm theo cấp độ)

• Xây dựng các bản đồ chuyên đề cho từng yếu tố

Bước 4: Xác định hệ số quan trọng (tầm quan trọng) của mỗi yếu tố môi trường

Bước 5: Xây dựng bản đồ tổng hợp

Bản đồ tổng hợp được xây dựng trên cơ sở tiến hành chồng xếp các bản

đồ chuyên đề của các yếu tố môi trường nói trên có tính đến tầm quan trọng của các yếu tố theo công thức:

(3.4) Trong đó: I là chỉ số tổng hợp đánh giá chất lượng môi trường không khí cho từng ô; Ri là cấp (hạng) tương ứng với chỉ tiêu (yếu tố) thứ i trong ô được tính; Wi là trọng số tương ứng với yếu tố i; n là số nhân tố ảnh hưởng Căn cứ vào chỉ số tính được cho từng ô của toàn bộ mạng lưới, tiến hành phân hạng chất lượng môi trường không khí của toàn khu vực nghiên cứu

i n

i

iR W