Nghiên cứu ứng dụng mô hình CMAQ đánh giá, dự báo chất lượng môi trường không khí tại một số khu vực thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía bắc

4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CMAQ Mô hình chất lượng không khí cộng đồng đa tỷ lệ Community Multiscale Air Quality model CCTM Mô hình lan truyền các chất hóa học CMAQ chemical transport

KHÔNG KHÍ TẠI MỘT SỐ KHU VỰC

THUỘC VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM PHÍA BẮC

Chuyên ngành: Khoa học Môi trường

Mã số: 62440301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS Mai Trọng Thông

Hà Nội - 2018

0

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực từ đề tài nghiên cứu của tôi Một số kết quả đã được chúng tôi công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của đồng tác giả phù hợp với các quy định hiện hành Các số liệu, thông tin tham khảo, chứng minh và so sánh từ các nguồn khác đã được trích dẫn theo đúng quy định Việc sử dụng các nguồn thông tin, số liệu này chỉ phục vụ cho mục đích học thuật

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả nghiên cứu trong luận án của mình

Nghiên cứu sinh

Đàm Duy Ân

Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn kiên nhẫn động viên, hỗ trợ tôi trong suốt quá trình học tập, làm việc và hoàn thành luận án

Lời cảm ơn sâu sắc nhất xin được gửi đến PGS.TS Mai Trọng Thông người thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án này

Trân trọng!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Nghiên cứu sinh

Đàm Duy Ân

1

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC BẢNG 5

DANH MỤC HÌNH 6

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 14

1.1 MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 14

1.1.1 Các mô hình chất lượng không khí thông dụng hiện nay 14

1.1.1.1 Mô hình nguồn điểm 14

1.1.1.2 Mô hình theo quy mô khu vực và diện rộng [13, 14] 15

1.1.1.3 Mô hình phát tán (Dispersion models) [21] 16

1.1.1.4 Mô hình quang hóa 16

1.1.2 Các mô hình khí tượng thông dụng 18

1.1.2.1 Mô hình MM5 18

1.1.2.2 Mô hình WRF 18

1.1.2.3 Mô hình CALMET 19

1.1.2.4 Mô hình RAMS 19

1.1.3 Mô hình kiểm kê phát thải 19

1.1.4 Mô hình dự báo thống kê (Statistical Models) 20

1.2 TỔNG QUAN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ TRONG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 20

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới 20

1.2.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam 22

1.3 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 26

1.3.1 Khái quát về Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc 26

1.3.2 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu 27

1.3.2.1 Điều kiện tự nhiên 27

1.3.2.2 Đặc điểm địa chất – địa hình [1] 28

1.3.2.3 Đặc điểm khí hậu, thủy văn 29

2

1.3.2.4 Khái quát đặc điểm kinh tế xã hội các tỉnh lựa chọn nghiên cứu 31

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.1.1 Mô hình WRF 34

2.1.2 Mô hình CMAQ và khả năng mô phỏng [25, 26, 37, 40] 37

2.1.3 Tính toán lắng đọng khô 42

2.1.4 Dữ liệu phát thải REAS v2.1 43

2.2 DỮ LIỆU ĐẦU VÀO PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN ÁN 45

2.2.1 Dữ liệu khí tượng 46

2.2.2 Dữ liệu phát thải và phương án tính toán 46

2.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DỮ LIỆU NGUỒN THẢI DỰA TRÊN NỀN TẢNG DỮ LIỆU REAS v2.1 46

2.3.1 Nghiên cứu dữ liệu REAS v2.1 46

2.3.2 Phương pháp tính toán dữ liệu phát thải sau năm 2008 từ nguồn dữ liệu REAS v2.1 48

2.4 MIỀN TÍNH VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 51

2.4.1 Miền tính 51

2.4.2 Phương án tính toán 52

2.4.3 Kiểm định mô hình 53

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 54

3.1 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ NĂM 2007 54

3.1.1 Dữ liệu phát thải khu vực nghiên cứu năm 2007 54

3.1.2 Kiểm định mô hình 56

3.1.3 Hiện trạng chất lượng môi trường không khí năm 2007 60

3.1.3.1 Đối với SO2 60

3.1.3.2 Đối với NO2 60

3.1.3.3 Đối với bụi PM10 61

3.2 HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ NĂM 2013 65

3.2.1 Dữ liệu phát thải 2013 65

3.2.2 Kiểm định mô hình 70

3.2.2.1 Kết quả kiểm định với dữ liệu quan trắc tự động 70

3.2.2.2 Kết quả kiểm định với dữ liệu ảnh vệ tinh (OMI) 74

3.2.3 Hiện trạng chất lượng môi trường không khí năm 2013 76

3

3.2.3.1 Hiện trạng SO2 76

3.2.3.2 Hiện trạng NO2 84

3.2.3.3 Hiện trạng PM10 92

3.2.3.4 Hiện trạng CO 99

3.3 LẮNG ĐỌNG KHÔ 103

3.3.1 Lắng đọng SO2 103

3.3.2 Lắng đọng NO2 106

3.3.3 Lắng đọng HNO3 109

3.4 ĐÓNG GÓP Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ CÁC DẠNG NGUỒN THẢI 112 3.4.1 Đối với SO2 112

3.4.2 Đối với NO2 116

3.4.3 Đối với PM10 119

3.5 ĐÁNH GIÁ PHÂN BỐ CHẤT Ô NHIỄM THEO CHIỀU CAO (PROFILE THẲNG ĐỨNG) 122

3.5.1 Phân bố nồng độ SO2 theo chiều cao 122

3.5.2 Phân bố nồng độ NO2 theo chiều cao 125

3.5.3 Phân bố nồng độ PM10, CO theo chiều cao 125

3.6 DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 127

3.6.1 Dữ liệu phát thải 127

3.6.2 Đối với SO2 129

3.6.3 Đối với NO2 131

3.6.4 Đối với PM10 133

3.6.5 Đối với CO 135

KẾT LUẬN 137

KIẾN NGHỊ 138

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 139

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 139

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CMAQ Mô hình chất lượng không khí cộng đồng đa tỷ lệ

(Community Multiscale Air Quality model)

CCTM Mô hình lan truyền các chất hóa học

(CMAQ chemical transport model) CLKK Chất lượng không khí

GIS Hệ thống thông tin địa lý

KTTĐ Kinh tế trọng điểm

MTQG Môi trường quốc gia

NCS Nghiên cứu sinh

REAS Dữ liệu kiểm kê phát thải cho khu vực châu Á WRF Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết

(Weather Research and Forecasting) QCVN Quy chuẩn Việt Nam

5

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Lượng mưa trung bình tháng và năm (mm) 30

Bảng 2.1 Gia tăng bình quân lượng thải theo năm từ dữ liệu REAS v2.1 48

Bảng 2.2 So sánh dự báo của Việt Nam về tăng trưởng phát thải với tính toán tăng trưởng phát thải từ REAS v2.1 50

Bảng 2.3 Đề xuất tỷ lệ tăng trưởng phát thải bình quân cho một số nguồn thải 51 Bảng 3.1 Bảng thống kê thời gian kiểm định và kết quả kiểm định mô hình CMAQ năm 2007 56

Bảng 3.2 Bảng tổng hợp các chỉ tiêu đánh giá tương quan giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán 74

Bảng 3.3 So sánh kết quả tổng cộng NO2 tầng đối lưu từ mô hình CMAQ và ảnh vệ tinh OMI (đơn vị 1015mol/cm2) 75

Bảng 3.4 Tốc độ lắng đọng SO2 tại khu vực Hà Nội (cm/s) 103

Bảng 3.5 Tổng lắng đọng SO2 theo tháng tại các khu vực (kg/ha/tháng) 104

Bảng 3.6 Tổng lắng đọng NO2 theo tháng tại các khu vực (kg/ha/tháng) 107

Bảng 3.7 Tổng lắng đọng HNO3 theo tháng tại các khu vực 111

Bảng 3.8 Tỷ lệ phát thải SO2 từ các nguồn thải khác nhau năm 2013 112

Bảng 3.9 Tỷ lệ phát thải NO2 từ các nguồn thải khác nhau 116

Bảng 3.10 Tỷ lệ phát thải PM10 từ các nguồn thải lớn khu vực nghiên cứu 119

Bảng 3.11 Tỷ lệ thay đổi nồng độ SO2 trung bình của năm 2020/2013 129

Bảng 3.12 Tỷ lệ thay đổi nồng độ NO2 trung bình của năm 2020/2013 131

Bảng 3.13 Tỷ lệ thay đổi nồng độ PM10 trung bình của năm 2020/2013 133

Bảng 3.14 Tỷ lệ thay đổi nồng độ CO trung bình của năm 2020/2013 135

6

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ mô hình nguồn điểm 15

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả tổng thể hệ thống mô hình dự báo chất lượng không khí 17

Hình 1.3 Các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc [1] 27

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình WRF 35

Hình 2.2 Quan hệ giữa hệ thống mô hình CMAQ với các mô hình phát thải và khí tượng [10 - 14] 37

Hình 2.3 Hệ thống các module trong mô hình CMAQ [10-14, 72] 42

Hình 2.4 Biến thiên tổng lượng phát thải CO trên một ô lưới phát thải các tỉnh thuộc khu vực nghiên cứu từ nguồn thải công nghiệp 47

Hình 2.5 Biến thiên tổng lượng phát thải PM10 trên một ô lưới phát thải thuộc khu vực nghiên cứu từ nguồn thải công nghiệp 47

Hình 2.6 Biến thiên tổng lượng phát thải NO2 trên một ô lưới thuộc khu vực nghiên cứu từ nguồn dân sinh 47

Hình 2.7 Lưới tính mô hình CMAQ 52

Hình 3.1 Bản đồ phát thải SO2, NO2 và bụi PM10 năm 2007 khu vực nghiên cứu 55

Hình 3.2a So sánh nồng độ SO2 giữa kết quả tính toán và thực đo năm 2007 57

Hình 3.2b So sánh nồng độ NO2 giữa kết quả tính toán và thực đo năm 2007 58

Hình 3.2c So sánh nồng độ PM10 giữa kết quả tính toán và thực đo năm 2007 59 Hình 3.3 Bản đồ nồng độ SO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 62

Hình 3.4 Bản đồ nồng độ NO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 63

Hình 3.5 Bản đồ nồng độ PM10 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 64

Hình 3.6 Phát thải SO2 từ các nguồn thải khác nhau và tổng phát thải SO2 năm 2013 67

Hình 3.7 Phát thải bụi PM10 từ các nguồn thải khác nhau và tổng phát thải PM10 năm 2013 68

Hình 3.8 Phát thải NO2 từ các nguồn thải khác nhau và tổng phát thải NO2 năm 2013 69

Hình 3.9 So sánh nồng độ PM10 giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán năm 2013 71

Hình 3.10 So sánh nồng độ NO2 giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán năm 2013 72

7

Hình 3.11 So sánh nồng độ COgiữa số liệu thực đo và kết quả tính toán năm 2013 73 Hình 3.12 Tổng cột NO2 tầng đối lưu CMAQ (bên trái) và OMI (bên phải) 74 Hình 3.13 Bản đồ nồng độ SO2 một số thời điểm tháng 1, 4, 7 và tháng 10 năm

2013 77 Hình 3.14 Diễn biến nồng độ SO2 theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 79 Hình 3.15 Diễn biến nồng độ trung bình ngày của SO2 tại các khu vực vào tháng

1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 80 Hình 3.16 Bản đồ nồng độ SO2 trung bình tháng 1, 4, 7 và 10 năm 2013 82 Hình 3.17 Diễn biến nồng độ trung bình tháng của SO2 tại các khu vực vào tháng

1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 83 Hình 3.18 Nồng độ SO2 trung bình năm khu vực nghiên cứu 84 Hình 3.19 Bản đồ nồng độ NO2 một số thời điểm tháng 1, 4, 7 và 10 năm

2013 85 Hình 3.20 Diễn biến nồng độ NO2 theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 87 Hình 3.21 Diễn biến nồng độ NO2 theo ngày tại các khu vực vào tháng 1, tháng

4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 88 Hình 3.22 Bản đồ nồng độ NO2 trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 90 Hình 3.23 Diễn biến nồng độ trung bình tháng của NO2 tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 91 Hình 3.24 Nồng độ NO2 trung bình năm tại một số khu vực 91 Hình 3.25 Bản đồ nồng độ PM10 tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 92 Hình 3.26 Diễn biến nồng độ PM10 theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng

4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 94 Hình 3.27 Nồng độ trung bình ngày của PM10 tại các khu vực tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 95 Hình 3.28 Bản đồ phân bố nồng độ bụi PM10 trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm

2013 97 Hình 3.29 Diễn biến nồng độ trung bình tháng của PM10 tại các khu vực vào tháng

1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 98 Hình 3.30 Nồng độ PM10 trung bình năm tại một số khu vực 98

8

Hình 3.31 Diễn biến nồng độ CO theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng 4,

tháng 7, tháng 10 năm 2013 99

Hình 3.32 Bản đồ nồng độ CO một số thời điểm tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 101

Hình 3.33 Bản đồ nồng độ CO trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 102

Hình 3.34 Tổng lắng đọng khô SO2 tháng 1, 4, 7 và 10 năm 2013 105

Hình 3.35 Tốc độ lắng đọng NO2 trung bình các tháng khu vực Hà Nội 106

Hình 3.36 Tổng lắng đọng NO2 tháng 1, 4, 7 và tháng 10 năm 2013 108

Hình 3.38 Tổng lắng đọng HNO3 12 tháng năm 2013 109

Hình 3.37 Tổng lắng đọng HNO3 các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 110

Hình 3.39 Bản đồ nồng độ trung bình SO2 tháng 1 do ảnh hưởng từ các nguồn thải khác nhau 114

Hình 3.41 Bản đồ nồng độ trung bình NO2 tháng 1 do ảnh hưởng từ các nguồn thải khác nhau 117

Hình 3.43 Bản đồ nồng độ PM10 trung bình tháng 1 do ảnh hưởng từ các nguồn thải khác nhau 120

Hình 3.44 Tỷ lệ đóng góp PM10 từ các nguồn thải khác nhau 121

Hình 3.45 Profile nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc gió tại khu vực nghiên cứu 123

Hình 3.46 Phân bố nồng độ SO2 theo chiều cao tại khu vực nghiên cứu 124

Hình 3.47 Phân bố nồng độ NO2 theo chiều cao tại khu vực nghiên cứu 125

Hình 3.48 Phân bố nồng độ PM10 và CO theo chiều cao tại khu vực Hà Nội 126

Hình 3.49 Bản đồ phát thải PM10, NO2, SO2, CO năm 2020 128

Hình 3.50 Phân bố nồng độ SO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 130

Hình 3.51 Phân bố nồng độ NO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 132

Hình 3.52 Phân bố nồng độ PM10 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 134

Hình 3.53 Phân bố nồng độ CO trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 136

9

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Không khí là một trong những thành phần môi trường quan trọng, có ý nghĩa sống còn để duy trì sự sống trên Trái đất Chất lượng không khí liên quan mật thiết đến các quá trình hô hấp (hoặc quang hợp) của hầu hết các sinh vật trên Trái đất Do vậy sự thay đổi chất lượng môi trường không khí tác động trực tiếp đến con người, các sinh vật cũng như sự phát triển kinh tế xã hội của một khu vực, một quốc gia hay trên phạm vi toàn cầu

Không khí khi đã bị ô nhiễm sẽ rất khó kiểm soát do đặc tính dễ lan truyền từ khu vực này đến khu vực khác Vì vậy ô nhiễm không khí được coi là dạng ô nhiễm

“không biên giới” vì quy mô tác động của chúng hoàn toàn có thể vượt ra khỏi phạm

vi kiểm soát, ngăn chặn của mỗi vùng, mỗi quốc gia

Hiện tượng mưa axit, hiệu ứng nhà kính, suy thoái tầng Ozone (có nguyên nhân từ việc ô nhiễm không khí) đang là vấn đề cấp bách, được nghiên cứu, bàn luận liên tục giữa các nhà khoa học cũng như chính phủ của nhiều quốc gia trên Thế giới Hiện nay, chính phủ và nhiều tổ chức quốc tế cũng như các tổ chức thuộc các quốc gia khác nhau đã và đang thảo luận, bàn bạc để đưa ra những giải pháp nhằm giảm thiểu và kiểm soát lượng khí thải vào khí quyển

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm và có nhiều động thái kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng môi trường Đến thời điểm này, ô nhiễm không khí là dạng ô nhiễm có xu hướng gia tăng mạnh ở các quốc gia đang phát triển trong những năm gần đây Nguyên nhân có thể nhận thấy rõ rệt từ sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, tăng trưởng và phát triển giao thông cũng như từ quá trình đô thị hóa Tuy nhiên, song song với việc phát triển kinh tế và các hoạt động phát triển khác (giao thông, cơ sở hạ tầng, đô thị hóa…) cũng làm gia tăng nguồn phát thải gây ra ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường không khí nói riêng Chính vì vậy, nghiên cứu đánh giá và dự báo chất lượng môi trường không khí ở tất cả các khu vực có thể nói là rất quan trọng trong giai đoạn hiện nay cũng như trong tương lai Để đánh giá chất lượng môi trường

10

không khí, thông thường sử dụng hai phương pháp bao gồm: phương pháp thực nghiệm và phương pháp mô hình hóa Đối với phương pháp thực nghiệm, kết quả đo đạc các thông số đặc trưng cho chất lượng môi trường không khí nói chung thường

là giá trị cuối cùng tại điểm tiếp nhận Tuy nhiên, nếu số điểm đo ít hoặc số lần đo không nhiều, tần suất đo thấp thì đánh giá dựa vào giá trị quan trắc khó cho thấy bức tranh tổng quát về chất lượng không khí (CLKK) tại một khu vực lớn Mặt khác, chi phí tài chính cũng như nhân lực dành cho phương pháp quan trắc, đo đạc chất lượng không khí thường rất lớn Phương pháp mô hình hóa có thể khắc phục được những nhược điểm này Việc nghiên cứu đánh giá chất lượng môi trường không khí bằng phương pháp mô hình hóa có thể giải quyết được một số vấn đề mà phương pháp quan trắc, đo đạc thực tế chưa giải quyết được, như:

 Phục vụ cho việc nghiên cứu, xem xét xác định các vị trí đánh giá (quan trắc) chất lượng môi trường

 Dễ dàng thay đổi các thông số/tham số đầu vào nhằm xem xét diễn biến chất lượng môi trường trong các điều kiện khác nhau phục vụ cho nghiên cứu dự báo chất lượng môi trường

 Ứng dụng mô hình có thể sản sinh ra một lượng lớn thông tin thứ cấp trên

cơ sở những thông tin hữu hạn đầu vào

 Cho phép tính toán được những giá trị của các tham số/thông số ở những nơi không thể có (hoặc quá khó khăn để thực hiện phép đo) số liệu quan trắc

 Thời gian tính toán ngắn và dễ dàng thay đổi các phương án tính toán thông

qua việc sửa đổi các số liệu đầu vào cũng là điểm mạnh của phương pháp mô hình

Xuất phát từ quan điểm này, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa chọn đề tài luận

án: Nghiên cứu ứng dụng mô hình CMAQ đánh giá, dự báo chất lượng môi trường không khí tại một số khu vực thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Đánh giá khả năng sử dụng mô hình CMAQ với số liệu khí tượng đầu vào được tính toán từ mô hình WRF và nguồn dữ liệu kiểm kê phát thải cho khu vực châu

Á - REAS để tính toán đánh giá chất lượng môi trường không khí, đánh giá khả năng

từ năm 2000 đến năm 2008 và báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2007

- Đánh giá mức độ đóng góp chất ô nhiễm không khí từ các nguồn thải lớn: công nghiệp, giao thông và dân sinh tại khu vực lựa chọn nghiên cứu

- Đánh giá phân bố chất ô nhiễm theo chiều cao (profile thẳng đứng) một số chất gây ô nhiễm môi trường không khí lớp biên khí quyển dựa trên kết quả từ mô hình CMAQ

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu ứng dụng mô hình CMAQ; nguồn dữ liệu kiểm kê phát thải cho khu vực châu Á (REAS v2.1 thực hiện bởi Trung tâm Nghiên cứu biến đổi toàn cầu (FRCGC) và Cục khoa học kỹ thuật Biển - Địa cầu Nhật Bản); đưa ra phương pháp tính toán xu thế phát thải trong tương lai và áp dụng tính toán cho khu vực lựa chọn nghiên cứu

- Nghiên cứu ứng dụng, xây dựng các bản đồ phát thải chất gây ô nhiễm môi trường không khí cho khu vực lựa chọn nghiên cứu

- Đánh giá sự ảnh hưởng, mức đóng góp của các nguồn thải khác nhau tới chất lượng môi trường không khí (áp dụng với các chất SO2, NO2 và bụi PM10 cho khu vực lựa chọn nghiên cứu)

- Đánh giá được sự phân bố và tổng lắng đọng khô các chất SO2, NO2 và HNO3cho khu vực lựa chọn nghiên cứu

- Đánh giá sự phân bố một số chất ô nhiễm (cụ thể là SO2, NO2, CO và bụi

PM10) cho khu vực lựa chọn nghiên cứu

- Nghiên cứu, dự báo chất lượng môi trường không khí cho các chất SO2, NO2,

CO và bụi PM10 thông qua kịch bản phát thải trong tương lai

12

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:

- Nguồn dữ liệu phát thải khu vực châu Á (REAS v2.1) được sử dụng làm đầu vào cho mô hình tính toán chất lượng không khí (CMAQ)

- Diễn biến chất lượng môi trường không khí (nghiên cứu đối với các chất SO2,

NO2 và bụi PM10 theo không gian và thời gian) và xem xét tỷ lệ đóng góp chất ô nhiễm từ các nguồn thải lớn (giao thông, công nghiệp và dân sinh) thông qua kết quả tính toán từ mô hình

- Tính toán tổng lắng đọng khô một số chất dựa trên các kết quả thu được từ

mô hình WRF, CMAQ

- Nghiên cứu biến thiên theo chiều cao (profile thẳng đứng) một số chất gây ô nhiễm môi trường không khí

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được lựa chọn gồm 04 tỉnh thành phố, cụ thể: Hà Nội, Bắc Ninh, Hưng Yên, Vĩnh Phúc Đây là các tỉnh thuộc Vùng kinh tế trọng điểm (KTTĐ) phía Bắc và nằm sát nhau, giao thương giữa các tỉnh khá thuận lợi và là các tỉnh có xu thế phát triển khá tương đồng nhau

5 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp mô hình hóa là phương pháp chủ đạo thực hiện trong luận án

Cụ thể: bộ mô hình khí tượng – mô hình chất lượng không khí (WRF- CMAQ) được lựa chọn phục vụ cho nghiên cứu của luận án

- Phương pháp thu thập dữ liệu, phương pháp ảnh vệ tinh, bản đồ và hệ thống thông tin địa lý (GIS) cũng được sử dụng nhằm xây dựng các bản đồ phát thải; kiểm định kết quả của mô hình CMAQ; mô phỏng các kết quả tính toán

6 Những đóng góp mới của luận án

- Lần đầu tiên nghiên cứu ứng dụng chuỗi dữ liệu phát thải REAS v2.1 với kích thước lưới phát thải 0.25o x 0.25o để xây dựng bản đồ phát thải, tính toán chất lượng không khí và sự đóng góp của các nguồn thải lớn (nguồn thải từ giao thông,

13

công nghiệp, dân sinh, các nguồn khác)

- Lần đầu tiên nghiên cứu sự biến thiên theo chiều cao một số chất ô nhiễm không khí tại khu vực lựa chọn nghiên cứu

- Lần đầu tiên tính toán tổng lắng đọng khô một số chất trong khu vực lựa chọn nghiên cứu dựa trên các kết quả của mô hình

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Hiện nay, rất nhiều tổ chức quốc tế, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã đánh giá và đưa ra các công bố về chất lượng môi trường không khí cho khu vực Việt Nam thông qua các tính toán dựa trên các dạng dữ liệu phát thải đã được công bố quốc tế Tuy nhiên việc đánh giá tính chính xác của các kết quả này hiện còn nhiều khó khăn do việc tiếp cận dữ liệu và phương pháp tính toán trong nước còn nhiều hạn chế Vì vậy, nghiên cứu của luận án có thể góp phần mở ra một hướng nghiên cứu mới trong đánh giá chất lượng môi trường không khí bằng việc sử dụng các dạng dữ liệu có quy mô khu vực, toàn cầu

- Cung cấp một số kết quả ban đầu của việc nghiên cứu đánh giá biến thiên nồng độ chất ô nhiễm theo chiều cao bằng mô hình CMAQ

- Có thể ứng dụng mô hình CMAQ đánh giá chất lượng môi trường không khí, cảnh báo ô nhiễm và quản lý chất lượng không khí vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc

và 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, tài liệu tham khảo và phụ lục

Chương 1 Tổng quan tài liệu và khu vực nghiên cứu

Chương 2 Phương pháp nghiên cứu

Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết luận

Tài liệu tham khảo

14

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ

Mô hình hóa CLKK đóng một vai trò quan trọng trong quá trình xây dựng và đánh giá các chính sách về môi trường nói chung và môi trường không khí nói riêng Phương pháp mô hình hóa cũng là phương tiện hỗ trợ giúp tiết kiệm đáng kể cho các đơn

vị quản lý nhà nước về môi trường trong việc giảm các chương trình quan trắc tốn kém theo quy trình thông thường

Mô hình hóa còn cho phép đánh giá CLKK tại những khu vực khó có khả năng tiếp cận để quan trắc hoặc trong những điều kiện về địa lý, địa hình, khí hậu, thời tiết đặc biệt [21, 22, 36, 37]

Ngoài ra, bằng việc sử dụng mô hình còn có thể xem xét, đánh giá được các quá trình ảnh hưởng xuyên biên giới do ô nhiễm không khí gây ra hoặc có thể dự báo được các nhân tố gây axit hóa (lắng đọng axit) và những ảnh hưởng từ hoạt động của con người như sự gia tăng dân số, công nghiệp hóa, hoạt động giao thông, các hoạt động xây dựng…[3, 71] Điểm đặc biệt của mô hình hóa là khả năng bao quát về cả không gian và thời gian - đây chính là nhân tố quan trọng giúp cho việc xây dựng và ứng dụng mô hình CLKK ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới đã và đang xuất hiện ngày càng nhiều các công trình nghiên cứu, phát triển mô hình CLKK cũng như ứng dụng mô hình vào dự báo nghiệp vụ hàng ngày của các cơ quan quản lý môi trường ở các nước có nền kinh tế và khoa học phát triển mạnh (như ở Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Đức…) [65] Ở Việt Nam, trong khoảng 15 năm trở lại đây, việc ứng dụng các dạng/loại mô hình trong nghiên cứu môi trường không khí ngày càng phổ biến hơn do tính ưu việt của mô hình trong các dự báo chất lượng môi trường ngắn hạn và dài hạn

1.1.1 Các mô hình chất lượng không khí thông dụng hiện nay

1.1.1.1 Mô hình nguồn điểm

Một trong những mô hình đầu tiên phải kể đến là mô hình Sutton (1932), Bosanquet (1936) Đó là những mô hình khuếch tán (diffusion) chất ô nhiễm từ ống khói của các nhà máy công nghiệp lớn Các mô hình này được xây dựng trên cơ sở phương

15

pháp Gaussian (Gaussian Plume Model) và nó cho phép tính toán phân bố nồng độ phát thải từ nguồn điểm và khoảng cách tác động tính từ nguồn thải [13, 21]

Hình 1.1 Sơ đồ mô hình nguồn điểm

Mô hình ống khói Gausian được mô tả trên Hình 1.1 Mô hình này được xây dựng dựa trên thực nghiệm đo đạc độ trải rộng của vệt ống khói theo chiều dọc và ngang và

đo nồng độ theo độ lệch chuẩn của ống khói [16, 18, 21, 22, 24]

Gần đây nhiều các nghiên cứu còn dựa vào nền tảng mô hình này để ứng dụng tính toán ô nhiễm và lan truyền chất ô nhiễm không khí từ các nguồn tức thời chẳng hạn như các sự cố từ nhà máy nhiệt điện, cháy dầu hoặc vụ phóng tàu vũ trụ… (Arystanbekova, 2004) [17]

1.1.1.2 Mô hình theo quy mô khu vực và diện rộng [13, 14]

Từ sau 1970, các nhà khoa học nhận ra rằng ô nhiễm không khí không chỉ nằm trong một khu vực địa phương nhỏ hẹp mà còn có thể bị tác động từ một vùng khác rộng lớn hơn Các nghiên cứu ở khu vực châu Âu đã chỉ ra rằng SO2 và NOx phát thải từ những ống khói cao và phát tán đi rất xa từ nguồn thải và gây ra hiện tượng mưa axit ở nhiều khu vực Ở Mỹ người ta cũng quan sát thấy hiện tượng nồng độ Ozone cao ở các khu vực đô thị và khu công nghiệp Các hiện tượng này rõ ràng là những hệ quả từ các phát thải quy mô lớn và không thể giải thích đơn giản bằng mô hình nguồn điểm Mô hình theo quy mô đô thị và diện rộng đã ra đời trên nền tảng đó nhằm giải quyết các bài toán theo quy mô khu vực và diện rộng

16

1.1.1.3 Mô hình phát tán (Dispersion models) [21]

Mô hình phát tán là mô hình phục vụ cho việc tính toán quá trình phát tán (lan truyền) chất ô nhiễm từ một hoặc nhiều dạng nguồn thải khác nhau tới các khu vực xung quanh

Một số mô hình phát tán đã và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trên thế giới

có thể nêu ra như sau:

 Mô hình AERMOD: là mô hình phát tán chất ô nhiễm không khí với tính toán dựa vào hiện tượng khuếch tán rối ở lớp biên hành tinh từ thấp lên cao theo địa hình từ đơn giản đến phức tạp Mô hình này là phiên bản sau của mô hình ISC trước đó Mô hình AERMOD là một mô hình giải theo phương pháp Gausian có các thông số đầu vào là trường khí tượng (gió), dữ liệu độ cao địa hình, dữ liệu sử dụng đất, các thông số ống khói

 Mô hình CALPUFF: là mô hình phát tán chất ô nhiễm trong khí quyển bất ổn định mô phỏng tác động của các điều kiện khí tượng theo không gian và thời gian tới quá trình vận chuyển, biến đổi và loại bỏ chất ô nhiễm Mô hình CALPUFF có thể được ứng dụng cho nghiên cứu vận chuyển đường dài và địa hình phức tạp

 Các loại mô hình khác: một số loại mô hình phát tán khác bao gồm: BLP, CALINE3, CAL3QHC/CAL3QHCR, CTDMPLUS và OCD

 Tại Việt Nam, nhiều nhóm nghiên cứu đã tự xây dựng các phần mềm tính toán lan truyền chất ô nhiễm dựa trên nền tảng các hệ phương trình của Gauss, Berlian và Sutton

1.1.1.4 Mô hình quang hóa [39, 41, 42]

Các mô hình quang hóa đa chỉ tiêu, đa quy mô, đa chiều là mô hình thế hệ thứ 3 (3rd Generation hay Models-3) trong sự phát triển của hệ thống các mô hình CLKK Các

hệ thống mô hình quang hóa CLKK hiện nay là công cụ thường được sử dụng trong các phân tích đánh giá tác động của các chính sách kiểm soát ô nhiễm môi trường Các phương pháp giải Lagran và Euler là các phương pháp đang được sử dụng rộng rãi nhất trong các mô hình quang hóa

17

Các mô hình quang hóa dù giải theo phương pháp nào thì cũng phải giải phương trình bảo toàn chứa các thành phần của quá trình hình thành, vận chuyển và biến đổi hay phản ứng của các chất ô nhiễm trong không khí Nhìn chung các mô hình dạng này thường sẽ có các thành phần phát thải (emissions), khí tượng, địa hình, thành phần xử lý hóa học (McRae, Goodin & Seinfeld, 1982; Russell & Dennis, 2000) [10, 31, 63]

Các mô hình quang hóa thường đòi hỏi phải có số liệu khí tượng từng giờ theo lưới thẳng đứng và ngang như các trường gió, nhiệt độ, độ ẩm, độ dày lớp xáo trộn, bức

xạ mặt trời Ngoài ra, một số thông số khác như khuếch tán thẳng đứng, đặc tính mây (liên quan pha lỏng, vi vật lý mây, kích thước hạt nước…), lượng mưa được tính toán trong mô hình khí tượng cũng cần thiết và được sử dụng trong mô hình quang hóa

Hình 1.2 Sơ đồ mô tả tổng thể hệ thống mô hình dự báo chất lượng không khí

Các mô hình quang hóa sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay gồm:

 Mô hình CMAQ (EPA, 1998), Community Multiscale Air Quality model là mô hình quy mô khu vực có thể sử dụng lưới lồng

 Mô hình CALGRID (Yamartino, 1992) - California Grid Model là mô hình với quy mô đô thị, kích thước lưới thường từ 4 – 5 km

 Mô hình UAM-AERO – Urban Airshed Model with Aerosols (Lurmann, 2000, Lurmann 1997) là mô hình sử dụng cơ chế xử lý sol khí với phương pháp tiếp cận phân đoạn

18

 Mô hình UAM-IV – Urban Airshed Model with Carbon Bond IV (Morris và nnk, 1990) là mô hình lưới lồng đa quy mô, kích thước ô lưới từ 4 – 50km và sử dụng

cơ chế hóa học CBM-IV

 WRF/Chem là một modun trong mô hình WRF với sự kết hợp đầy đủ các môđun hóa học bên trong mô hình khí tượng WRF

1.1.2 Các mô hình khí tượng thông dụng

1.1.2.1 Mô hình MM5

Mô hình quy mô vừa của PSU/NCAR (được biết đến như là MM5) là mô hình khu vực giới hạn, phi thủy tĩnh, tọa độ thích ứng địa hình dùng để mô phỏng hoặc dự đoán hoàn lưu khí quyển quy mô vừa Mô hình này được hỗ trợ bởi một số chương trình tiền xử lý và hậu xử lý, được gọi chung là hệ thống mô hình MM5 Mô hình MM5 được viết chủ yếu bằng ngôn ngữ Fortran, được phát triển tại đại học Tổng hợp Peen State và NCAR như là một mô hình cộng đồng quy mô vừa Nó được phát triển nhờ sự đóng góp

từ nhiều người dùng trên toàn thế giới [29, 37, 51]

1.1.2.2 Mô hình WRF

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Weather Research and Forecasting)

là mô hình được phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mô hình MM5 với sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới như: Phòng nghiên cứu Khí tượng qui mô nhỏ và vừa của Trung tâm quốc gia nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR/MMM), Trung tâm quốc gia dự báo môi trường (NOAA/NCEP), Phòng thí nghiệm phương pháp

dự báo (NOAA/FSL), Trung tâm phân tích và dự báo bão của trường đại học Oklahoma (CAPS), Cơ quan thời tiết hàng không Hoa Kỳ (AFWA) và các Trung tâm khí tượng quốc tế như Học viện khoa học khí tượng của Trung Quốc CAMS, Cơ quan thời tiết trung ương của Đài Loan, Cơ quan khí tượng Hàn Quốc KMA [9, 10, 14, 15, 40, 54,

58, 59]

Hiện nay, mô hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết nghiệp

vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới, cụ thể: tại Mỹ, mô hình WRF đang được chạy nghiệp vụ tại NCEP (từ năm 2004) và AFWA (từ tháng 7/2006)

Mô hình này cũng đang được chạy nghiệp vụ tại KMA (2006), tại Ấn Độ, Đài Loan và

19

Israel (từ năm 2007) Ngoài ra một số nước khác đang sử dụng WRF trong nghiên cứu

và dự định sử dụng mô hình này trong nghiệp vụ như Trung Quốc, New Zealand, Braxin [58, 59, 61, 76]

WRF là một hệ thống bao gồm nhiều module khác nhau, linh hoạt và tối ưu cho

cả mục đích nghiên cứu cũng như chạy nghiệp vụ, cho phép sử dụng các tùy chọn khác nhau đối với tham số hóa các quá trình vật lý và thường xuyên được cập nhật các phiên bản mới [10,13, 32]

1.1.2.4 Mô hình RAMS

RAMS là mô hình có mã nguồn rất linh hoạt được phát triển bởi các nhà khoa học tại Bang Colorado (Mỹ) nhằm mô phỏng và dự báo hiện tượng thời tiết và khí tượng Các thành phần chính của nó là: mô hình khí quyển mô phỏng thực tế, phần mềm phân tích số liệu khí tượng để chuẩn bị dữ liệu ban đầu cho mô hình, các phần mềm hậu xử lý phục vụ phân tích dữ liệu một cách trực quan [10, 13, 14, 29]

1.1.3 Mô hình kiểm kê phát thải

Thông tin nền trong toàn miền dự báo/mô phỏng CLKK là vô cùng quan trọng phục vụ cho việc tính toán và dự báo Đặc trưng cho thông tin nền chính là số liệu phát thải - đây là một yếu tố cực kỳ quan trọng trong việc đánh giá mức độ chính xác của mô hình CLKK [21, 22, 26]

Số liệu phát thải được chuẩn bị phải phù hợp với mô hình CLKK, phù hợp về cơ chế hóa học, độ phân giải đứng và ngang của mô hình Số liệu phát thải thường được chuẩn bị theo từng giờ, theo lưới không gian của các chất ô nhiễm

Mô số mô hình thông dụng về kiểm kê phát thải có thể liệt kê như sau:

20

 FREDS (Flexible Regional Emission Data System)

 EMS (Emission Modeling System), EPS (Emission Preprocessor System)

 SMOKE (Sparse Matrix Operator Kernel Emissions)

1.1.4 Mô hình dự báo thống kê (Statistical Models)

Các mô hình thống kê chủ yếu dựa trên phân tích dữ liệu thống kê của nồng độ môi trường không khí xung quanh Đây là những mô hình bất định, theo nghĩa chúng không thể thiết lập và cũng không mô phỏng mối quan hệ vật lý hay nhân quả giữa phát thải và nồng độ môi trường không khí xung quanh Hai loại chính của mô hình thống kê là:

Hệ thống dự báo và cảnh báo CLKK: Các kỹ thuật thống kê đã được sử dụng để

dự báo xu hướng ô nhiễm không khí trước một vài giờ cho mục đích cảnh báo cho cộng đồng dân cư, ví dụ, hạn chế giao thông cơ giới

Mô hình tiếp nhận: Các mô hình tiếp nhận sử dụng các phương trình toán học hay thống kê để xác định và định lượng nguồn gây ô nhiễm không khí tại vị trí tiếp nhận Không giống như các mô hình CLKK quang hóa hay phân tán, mô hình tiếp nhận không

sử dụng số liệu phát thải ô nhiễm, số liệu khí tượng và cơ chế biến đổi hóa học để ước tính sự đóng góp của nguồn thải đến nơi tiếp nhận Thay vào đó, các mô hình tiếp nhận

sử dụng các đặc tính hóa học và vật lý của chất khí và các vật chất được đo tại nguồn thải và nơi nhận nhằm xác định cả sự hiện diện cũng như định lượng khả năng đóng góp của nguồn thải tới nồng độ nơi tiếp nhận

1.2 TỔNG QUAN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ TRONG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Mô hình CMAQ đang được Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ sử dụng để dự báo CLKK hàng ngày Đã có nhiều nước sử dụng mô hình này trong dự báo CLKK và cũng

có nhiều nghiên cứu về đánh giá mức độ chính xác cũng như phương pháp hiệu chỉnh

mô hình này D.W Byun và Ching (1999) đã trình bày các thuật toán sử dụng trong mô hình này [20] CMAQ có thể được sử dụng để mô phỏng CLKK ở quy mô đô thị và khu vực với nhiều chất ô nhiễm như O3, SO2, NOx, lắng đọng axit, tầm nhìn, bụi (PM2,5 và

21

PM10) Mô hình này có thể sử dụng số liệu khí tượng đầu vào và số liệu phát thải từ nhiều

mô hình khí tượng khác nhau [25, 26, 27, 37]

CMAQ là thế hệ mô hình thứ 3 (Dennis et al., 1996), với sự phát triển trong thuật toán và cả hệ thống phần cứng như các hệ thống máy tính hiệu năng cao (HPC- High Performance Computer) để mô phỏng hầu hết mọi quá trình liên quan đến quá trình vận chuyển (transport) cả bình lưu và khuếch tán thẳng đứng và khuếch tán ngang; quá trình biến đổi hóa học, quá trình hóa học pha khí, quá trình phát thải ống khói trong ô lưới, quá trình xon-khí, quá trình động lực và hóa học mây (giáng thủy, hơi nước…) [29, 35]

X.Li và Rappengluck (2014) đã trình bày nghiên cứu về cấu trúc thẳng đứng của Ozone tại khu vực bang Texas của Mỹ Nghiên cứu này sử dụng CMAQ phiên bản v4.7.1

là mô hình mô phỏng chính CLKK kết hợp mô hình WRF phiên bản v3.4.1 và SMOKE bản v2 CMAQ được chạy với 23 lớp độ cao và độ dày lớp dưới cùng là khoảng 34m

Bộ xử lý hóa học - khí tượng MCIP được sử dụng phiên bản v3.6.1 Dữ liệu phát thải cho SMOKE được lấy từ NEI2002 (National Emission Inventory 2002) và TEI (Texas Emission Inventory) Số liệu NEI2002 được sử dụng cho miền tính 36 km và TEI được dùng cho các miền lưới lồng nhỏ hơn là 12 km và 4 km Tuy nhiên, những nơi không có

dữ liệu TEI cho lưới 12 km và 4 km thì số liệu NEI2002 được sử dụng [48, 54]

CMAQ được ứng dụng mô phỏng CLKK cho khoảng thời gian từ 08/05/2009 tới 30/05/2009 tại khu vực Texas, Mỹ Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình CMAQ dự báo tốt cho Ozone ở độ cao dưới 8 km, thể hiện bằng đường profile dự báo từ mô hình gần sát với đường profile quan trắc [64, 69, 70]

Tại Hội nghị CMAS lần thứ 8, diễn ra từ ngày 19 đến ngày 21 tháng 10 năm 2009 tại Bắc Carolina, nhóm tác giả M A Muntaseer Billah Ibn Azkar, Satoru Chatani and Kengo Sudo (trường Đại học Nagoya, Furo-Cho, Chikusa-Ku, Nagoya, Nhật Bản) đã đưa ra các kết quả tính toán từ hệ thống mô hình WRF-CMAQ nhằm đánh giá ô nhiễm không khí tại thủ đô Dhaka và khu vực lân cận ở Banglađesh [50] Nhóm tác giả đã sử dụng số liệu quan trắc, và các số liệu ảnh vệ tinh vào tháng 1 năm 2014 để so sánh phân tích và đánh giá kết quả từ mô hình Hệ thống mô hình WRF-CMAQ đã mô phỏng khá tốt ảnh hưởng của ô nhiễm không khí xuyên biên giới từ Ấn Độ sang Bangladesh cũng

22

như quỹ đạo di chuyển của các chất gây ô nhiễm không khí Nhóm tác giả đã tiến hành

so sánh kết quả NO2 tổng cột tầng đối lưu từ mô hình CMAQ với ảnh có được từ vệ tinh SCIAMACHY Kết quả so sánh cho thấy việc sử dụng mô hình CMAQ trong việc đánh giá CLKK là khá tốt

Nghiên cứu của Boris Chen đã đánh giá sự biến đổi Ozone phía trên trung tâm Tien-Shan ở Trung Á và những ảnh hưởng đối với chiến lược giảm phát thải khu vực Nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh để đánh giá sự biến đổi của tổng cột Ozone và tổng cột Ozone trong tầng đối lưu tại Trung Á Các phép đo được thực hiện tại trạm Lidar ở Teplokluchenka thuộc miền đông Kyrgyzstan trong 1 năm, từ tháng 7/2008 đến tháng 7/2009 Boris Chen đã sử dụng ảnh vệ tinh AURA với 2 sensor OMI và MLS cùng với thiết bị đo Ozone cầm tay để đánh giá sự tương quan giữa 2 giá trị Kết quả cho thấy sự tương quan giữa ảnh vệ tinh và thiết bị đo đạc lên tới 93% Nghiên cứu cũng chỉ ra sự đóng góp của Ozone trong tầng đối lưu có tỷ lệ từ 5% - 15% trong năm, trung bình năm vào khoảng 9,5% [19]

1.2.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam

Các nghiên cứu ứng dụng CMAQ ở Việt Nam đã có từ khá sớm, tuy nhiên số lượng các nghiên cứu này ở Việt Nam chưa có nhiều Một số dự án, công trình nghiên cứu điển hình được trình bày ở phần sau:

Dương Hồng Sơn và nnk (2015) nghiên cứu Ứng dụng ảnh vệ tinh AURA với cảm biến OMI để đánh giá sự thay đổi tổng cột NO 2 tầng đối lưu theo không gian và thời gian từ tháng 12 năm 2009 đến tháng 5 năm 2011 tại Việt Nam Nghiên cứu này cũng

sử dụng mô hình CMAQ để tính toán tổng cột NO2 Kết quả nghiên cứu cho biết biến trình tổng cột NO2 tầng đối lưu trung bình theo các tháng tại 3 thành phố Hồ Chí Minh,

Hà Nội, Đà Nẵng Tại Hà Nội biến trình NO2 cao vào tháng 3, 4 và thấp nhất vào tháng

6, 7, 8 Tại Đà Nẵng và TP Hồ Chí Minh thì không thấy có sự thay đổi tổng cột NO2một cách rõ rệt

Tuy nhiên nghiên cứu này sử dụng dữ liệu phát thải REAS v1.11, độ phân giải 0.5ox0.5o và chưa nghiên cứu sự đóng góp của các dạng nguồn thải tới chất lượng không

khí, biến thiên nồng độ chất ô nhiễm theo chiều cao, lắng đọng khô

PM10 Kết quả của đề tài cho thấy việc sử dụng mô hình CMAQ trong đánh giá và dự báo chất lượng môi trường không khí ở Việt Nam nói chung và các vùng KTTĐ của Việt Nam nói riêng là tốt và hợp lý Đề tài cũng đã đưa ra các kết quả kiểm định khá tốt của

mô hình CMAQ với các số liệu đo đạc thực tế tại Việt Nam Với các kết quả kiểm định

về SO2 hệ số tương quan R từ 0,45 đến 0,62; với NO2 hệ số tương quan từ 0,36 đến 0,52; với CO hệ số tương quan đạt từ 0,47 đến 0,59 Tuy nhiên, đề tài chưa xem xét đến các vấn đề về lắng đọng khô của vùng nghiên cứu như: tốc độ lắng đọng, khả năng lắng đọng

và phân bố lắng đọng khô [14]

Đề tài “Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí xuyên biên giới đến miền Bắc Việt Nam, ứng dụng công nghệ tiên tiến” của Viện Khí tượng Thủy văn

và Môi trường thực hiện năm 2013 kế tiếp của đề tài nghiên cứu cơ sở năm 2006 - 2007

Đề tài đã sử dụng các phương pháp quan trắc truyền thống và hệ thống mô hình CMAQ

để đánh giá ảnh hưởng của lan truyền xuyên biên giới đến miền Bắc Việt Nam Số liệu phát thải sử dụng trong nghiên cứu này được cung cấp từ nguồn số liệu kiểm kê phát thải cho khu vực châu Á (REAS) v1.11 được thực hiện bởi Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi Toàn cầu (FRCGC) và Cục khoa học kỹ thuật Biển - Địa cầu Nhật Bản Cơ sở dữ liệu này có độ phân giải 0,50 x 0,50 bao gồm các chất như: SO2, NOx, NH3, CO, NMVOC,

BC từ các nguồn đốt và NOx, NH3, N2O, CH4 từ nguồn sinh học [12, 13] Kết quả nghiên cứu của đề tài này cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng mô hình CMAQ cho các nghiên cứu dự báo CLKK ở Việt Nam và đã cho thấy sự phù hợp giữa tính toán và thực đo

Tuy nhiên nghiên cứu này chưa nghiên cứu sự đóng góp của các dạng nguồn thải tới chất lượng không khí, biến thiên nồng độ chất ô nhiễm theo chiều cao, lắng đọng khô

Năm 2009, Lê Hoàng Nghiêm và Nguyễn Thị Kim Oanh đã công bố công trình

nghiên cứu “Mô hình hóa chất lượng không khí nồng độ ozone mặt đất cho khu vực lục

24

địa Đông Nam Á” trên Tạp chí phát triển Khoa học và Công nghệ [45].Công trình này

trình bày kết quả nghiên cứu áp dụng công cụ mô hình xác định sự phân bố Ozone cho khu vực lục địa Đông Nam Á bao gồm Thái Lan, Miến Điện, Campuchia, Lào và Việt Nam Hệ thống mô hình CLKK CMAQ – MM5 được sử dụng trong nghiên cứu này Khu vực mô hình hóa trải dài từ kinh độ 91o Đông đến 111o Đông và từ vĩ độ 5o Bắc đến

25o Bắc Hai kịch bản ô nhiễm Ozone nồng độ cao từ 24 đến 26 tháng 3 năm 2004 và từ

2 đến 5 tháng 1 năm 2005 xảy ra trong điều kiện khí tượng điển hình của khu vực Đông Nam Á được lựa chọn để mô hình hóa Các kịch bản lựa chọn trong nghiên cứu này có nồng độ Ozone trung bình giờ ở các trạm quan trắc vượt quá giá trị cho phép 100 ppb của tiêu chuẩn CLKK xung quanh của Thái Lan và Việt Nam Nồng độ Ozone mặt đất lớn nhất cho kịch bản tháng 3 năm 2004 là 173 ppb và cho kịch bản tháng 1 năm 2005

là 157 ppb Hệ thống mô hình được thực hiện với dữ liệu phát thải 0,5o × 0,5o thu thập

từ Trung tâm Nghiên cứu Môi trường vùng và toàn cầu (CGRER) của Đại học Iowa Kết quả mô hình minh họa trong bản đồ ô nhiễm Ozone mặt đất cho thấy nồng độ Ozone cao tại các khu vực dưới hướng gió của các thành phố lớn như Băng Cốc và thành phố Hồ Chí Minh Kết quả mô phỏng của mô hình được so sánh, đánh giá với các số liệu Ozone

đo đạc được tại các trạm quan trắc với hệ số tương quan rất tốt, hệ số tương quan đạt 0,87 và 0,85 cho khu vực nghiên cứu Các chỉ số thống kê đánh giá kết quả mô hình như MNBE, NGE và UPA nằm trong giới hạn cho phép theo hướng dẫn của USEPA và phù hợp với các nghiên cứu khác cho các khu vực khác nhau trên thế giới Điều này chứng

tỏ rằng hệ thống mô hình CMAQ là công cụ thích hợp cho việc mô hình hóa Ozone mặt

đất cho khu vực Đông Nam Á

Đề tài nghiên cứu độc lập cấp Nhà nước (2000 - 2002) của TS Nguyễn Hồng

Khánh "Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng dự báo xu thế diễn biến và đề xuất các giải pháp kiểm soát mưa axit ở miền Bắc Việt Nam" Công trình nghiên cứu khoa học này đã

đi sâu tìm hiểu nguyên nhân, nguồn gốc gây mưa axit Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa

đi sâu vào việc đánh giá mức độ ảnh hưởng và tần suất do ô nhiễm xuyên biên giới gây

ra [13, 14] Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân sử dụng Mô hình tiếp nhận PMF để nghiên cứu phân bố bụi mịn và thô trong khối không khí ảnh hưởng đến các điều kiện gió mùa

25

ở Hà Nội, Bắc Việt Nam Kết quả nghiên cứu đã đề cập đến các vấn đề của những mẫu bụi ô nhiễm trong môi trường không khí Các mẫu PM10 mịn và thô thu thập ở Hà Nội

từ năm 1991 đến 2001 được phân tích về bụi than (BC) và ion hoà tan trong nước (WSI)

và dữ liệu đo không được tổng hợp theo 3 loại hướng đi ngược lại là (1) về phía Bắc, bao trùm nội địa Trung Quốc, (2) Đông Bắc, bao trùm Biển Đông, (3) Tây Nam, bao trùm bán đảo Đông Dương Hướng thứ nhất phổ biến trong tháng 9/10 đến tháng 12, hướng 2 phổ biến trong tháng 2, 3 đến tháng 4 và hướng 3 phổ biến vào tháng 5 đến tháng 8 Mô hình tiếp nhận nguồn được thực hiện cho mỗi loại hướng đi riêng lẻ sử dụng phương pháp kỹ thuật PMF (Positive Matrix Factorization) Sáu hoặc bảy nguồn được phát tán

từ mỗi loại hướng đi bao gồm bụi đất, nguồn phát thải sơ cấp và thứ cấp từ các nguồn đốt cháy cục bộ (LB), bụi đường, muối biển và bụi do các phương tiện vận chuyển đường dài

Đề tài “Áp dụng mô hình toán nghiên cứu CLKK vùng Đồng bằng sông Hồng”

(PGS.TS.Trần Thục, 1999, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường) đã đưa

ra được bức tranh tổng quan cũng như cơ chế lan truyền ô nhiễm của các chất ô nhiễm

từ ống khói của các nhà máy trong vùng Đồng bằng sông Hồng cho hai mùa khô và mùa mưa

Đề tài Khoa học và Công nghệ thành phố Hà Nội do PGS TS Hoàng Xuân Cơ

chủ trì (2004): “ Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm bụi ở thành phố Hà Nội và đề xuất các giải pháp khắc phục” đã khái quát tương đối đầy đủ các kết quả nghiên cứu bụi ở Hà

Nội, từ đó khẳng định ô nhiễm bụi đã xẩy ra ở mức độ nghiêm trọng trên diện rộng thuộc địa bàn Hà Nội Kết quả của đề tài cũng đã nêu ra các kế hoạch giảm thiểu bụi đến năm

2010, trên cơ sở xem xét đến các dự án trước mắt mang tính cục bộ và các dự án mang tính chiến lược và lâu dài

Chuyên đề “Kiểm kê phát thải thí điểm ở Hà Nội” thuộc hợp phần của chương

trình không khí sạch Việt Nam – Thụy Sỹ do Trung tâm quan trắc và phân tích tài nguyên môi trường Hà Nội kết hợp với Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường thực hiện 3/2008 Chuyên đề đã tiến hành kiểm kê phát thải và xây dựng quy trình quản lý dữ liệu (HEIDARS) một cách chi tiết cho các nguồn phát thải chính ở quận

1.3 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU

1.3.1 Khái quát về Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc

Phía Bắc Việt Nam chỉ có 1 vùng KTTĐ là Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc (còn gọi là vùng KTTĐ phía Bắc) Trong luận án này việc gọi tên là Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc hay vùng KTTĐ phía Bắc đều được hiểu theo một nghĩa thống nhất và giống hệt nhau

Vùng KTTĐ này gồm bảy tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hải Phòng, Quảng Ninh, Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh và Vĩnh Phúc Vùng KTTĐ phía Bắc là trung tâm đầu não về chính trị, kinh tế, văn hóa và khoa học - công nghệ của cả nước, nơi tập trung các cơ quan trung ương, các trung tâm điều hành của nhiều tổ chức kinh tế lớn,

cơ sở đào tạo, nghiên cứu và triển khai khoa học - công nghệ của quốc gia Ðây được đánh giá là vùng hạt nhân tạo động lực phát triển của vùng đồng bằng sông Hồng

Về vị trí địa lý, bảy tỉnh, thành phố thuộc vùng kinh tế này đều nằm trên trục kết nối giao thông đường bộ, đường biển và đường hàng không

Cả bảy tỉnh/thành phố trong vùng đều có trình độ phát triển kinh tế - xã hội ở thứ hạng cao trong cả nước, đặc biệt là thủ đô Hà Nội Cơ sở hạ tầng trong khu vực được đầu tư đáng kể, nhất là hạ tầng giao thông với các trục kết nối chính gồm: quốc

lộ 5, quốc lộ 18 và quốc lộ 10; cảng hàng không Nội Bài, Cát Bi; cảng biển Hải Phòng, Lạch Huyện… Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc cũng là nơi có ưu thế lớn

về trình độ nguồn nhân lực trình độ cao, đào tạo khá bài bản, là nơi có tỷ lệ sinh viên trên đầu người cao nhất cả nước [1]

27

1.3.2 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu

1.3.2.1 Điều kiện tự nhiên

Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc thuộc phía Bắc của vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, ngoại trừ một số huyện miền núi của tỉnh Quảng Ninh (toàn bộ sườn núi Đông Bắc của dãy núi Yên Tử) Vùng có kinh độ trong khoảng 105o32’15’’ tới

107o30’45’’ và vĩ độ 21o29’00’’ tới 21o31’00’’, tiếp giáp với vùng trung du và miền núi phía Bắc ở phía Tây Bắc (tỉnh Tuyên Quang, Thái Nguyên, Bắc Giang), với các tỉnh Hà Nam, Thái Bình, Hòa Bình ở phía Nam và Tây Nam, với nước Cộng hòa nhân dân Trung Hoa ở phía Đông Bắc (có 132,8 km đường biên giới và có cửa khẩu quốc tế Móng Cái) và tiếp giáp với Biển Đông (cụ thể là vùng Vịnh Bắc Bộ) ở phía Đông với

375 km bờ biển [1]

Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc có vị trí trung tâm của sự giao lưu giữa vùng Đông Bắc với vùng Tây Bắc, giữa vùng núi phía Bắc với miền Trung, giữa các tỉnh phía Nam và các tỉnh phía Bắc Do vị trí tự nhiên, Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc trở thành nơi ra biển, cửa ngõ “vào - ra” của các tỉnh phía Bắc Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc bao gồm thủ đô Hà Nội, là trung tâm chính trị, kinh tế, văn hoá, khoa học - công nghệ của cả nước; là một trong bốn vùng trọng điểm phát triển kinh tế của quốc gia; có hai hành lang và một vành đai kinh tế trong quan hệ Việt Nam - Trung Quốc

Hình 1.3 Các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc [1]

và lấp đầy tạo ra đồng bằng châu thổ rộng lớn ngày nay

Đất đai trong Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc rất đa dạng, nhìn chung có 10 loại chủ yếu đó là: Đất phù sa sông Hồng, đất chiêm trũng Glây, đất chua mặn, đất mặn, đất bạc màu, đất đen, đất Feralit đỏ vàng, đất Feralit đỏ nâu trên đá vôi, đất Feralít đỏ vàng có mùn trên núi và đất mùn Alít trên núi cao Nhìn chung tất cả các loại đất đều có khả năng khai thác song cần chú ý là đất vùng đồi thường bị xói mòn mạnh, đất vùng trũng thường bị chua và đất ven biển bị chua mặn

b Địa hình

Phần lớn đất đai Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc thuộc đồng bằng và trung du Bắc Bộ của lưu vực sông Hồng - sông Thái Bình, ngoại trừ một số huyện, thành phố thuộc các lưu vực sông nhỏ ven biển của tỉnh Quảng Ninh Nếu lấy đoạn sông Hồng từ Việt Trì tới cửa Ba Lạt làm trục thì đồng bằng sông Hồng - sông Thái Bình có hai hướng dốc đó là: vùng đồng bằng tả ngạn sông Hồng có hướng dốc về phía Đông Nam

và vùng đồng bằng hữu ngạn sông Hồng có hướng dốc về phía Tây Nam

Địa hình của Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc có cả 3 dạng: đồng bằng, trung

du và miền núi Đất đai của vùng trọng điểm nằm trong khu vực đồng bằng châu thổ

có địa hình tương đối bằng phẳng có cao độ biến đổi từ 0,4 - 12,0 m Phần còn lại thuộc trung du và miền núi địa hình biến đổi và chia cắt mạnh như ở Hà Nội có dãy núi Ba

Vì và dãy Tam Đảo, Hải Dương và Quảng Ninh là dãy núi Yên Tử tạo ra địa hình trung

du có cao độ biến đổi từ 20 - 30 m Cùng với đồi tròn thấp còn sót lại và sau đó là vùng miền núi

29

* Địa hình đồng bằng: Theo thời gian và sự chi phối của hệ thống đê điều, địa hình đồng bằng được phân cắt thành các vùng sinh thái khác nhau bao gồm: địa hình rìa đồng bằng, địa hình trung tâm đồng bằng và địa hình đồng bằng ven biển

- Địa hình trung tâm đồng bằng: Khu trung tâm đồng bằng có nền địa hình tương đối bằng phẳng, phần lớn nằm ở độ cao từ 0,4 - 12 m và đạt trên mức nước biển trung bình Trung tâm đồng bằng là đất phù sa ngọt của 2 hệ thống sông Hồng

và Thái Bình, luôn luôn có các dải phù sa mới, độ phì tương đối cao Địa hình được cấu tạo bởi các loại đất phù sa glây và phù sa úng nước

- Địa hình đồng bằng ven biển: Địa hình đồng bằng ven biển chia làm 2 loại: (i) Đồng bằng ven biển cao: tập trung thành dải hẹp chạy dọc từ ven biển Quảng Yên tới Móng Cái, bề mặt nghiêng thoải có độ cao 10 - 15 m; (ii) Đồng bằng ven biển thấp: chiếm toàn bộ khu vực đồng bằng ven biển Hải Phòng, có độ cao tuyệt đối từ 0,5 - 3 m, bị chia cắt mạnh bởi hệ thống sông và cửa sông

* Địa hình vùng trung du: tạo ra nhiều hồ chứa nước lớn như: Đại Lải, Xạ Hương, Vân Trục, Liễn Sơn, Đầm Vạc vừa thuận lợi cho nuôi thuỷ sản, vừa cung cấp nước cho nông nghiệp, cải tạo môi sinh và phát triển du lịch

* Địa hình đáy biển ven bờ: Nằm ở phía Tây Bắc vịnh Bắc Bộ, khu vực biển Quảng Ninh, Hải Phòng với hệ thống núi đảo, địa hình đáy biển phức tạp, giữa các đảo thường phổ biến là các luồng lạch nước sâu, nhiều chỗ biểu hiện phân bậc với các vách cao 1 - 3 m

1.3.2.3 Đặc điểm khí hậu, thủy văn

a Khí hậu

Khí hậu của Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc nằm trong vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới gió mùa, chịu ảnh hưởng rất mạnh của gió mùa của vùng Đông Á - gió mùa Đông - Bắc (mùa đông) xuất hiện từ tháng 10 đến tháng 3 hoặc tháng 4 và gió mùa Đông - Nam (mùa hè) xuất hiện trong suốt thời gian còn lại của năm Mùa đông

có gió mùa Đông Bắc gây lạnh và ít mưa, mùa hè có gió mùa Tây Nam gây nóng ẩm

và mưa nhiều Tuy vậy do vị trí địa lý, cấu tạo địa hình nên khí hậu trong vùng cũng biến đổi khá phức tạp [1]

30

● Về nhiệt độ: Nhiệt độ bình quân trong vùng biến đổi từ 20oC đến 24oC; tuy vậy trong mùa hè nhất là từ tháng 5 đến tháng 9 nhiệt độ trung bình khá cao từ 27oC đến 29oC; song trong mùa đông nhiệt độ trung bình lại giảm xuống dưới 20oC ở các tháng 12 đến tháng 3, đặc biệt trong tháng 1 giảm xuống dưới 15,5oC [1]

● Về chế độ mưa: Mưa có biến động khá mạnh mẽ Những năm mưa nhiều có

thể vượt quá 2,500 mm/năm và những năm mưa ít chỉ đạt 1,000 mm/năm, chênh lệnh lượng mưa giữa năm cực đại và năm cực tiểu có thể đạt 1,500 mm Lượng mưa trung bình năm 1,600 - 1,800 mm, phân bố khá đồng đều theo không gian nhưng rất không đồng đều theo thời gian Sự phân bố lượng mưa không đều trong năm (kể cả trong tháng) gây rất nhiều khó khăn cho sản xuất nông nghiệp cũng như phát triển các ngành kinh tế Vùng biển Quảng Ninh - Hải Phòng có lượng mưa cao hơn Đồng bằng Bắc Bộ, mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào tháng 10, lượng mưa trung bình khoảng 1,800-2,000 mm, số ngày mưa trong năm 140 - 150 ngày Chế độ mưa chia làm 2 mùa rõ rệt [1]

Bảng 1.1 Lượng mưa trung bình tháng và năm (mm)

Hà Nội 18,5 27,2 44,5 91,0 191,5 243,7 290,9 316,3 258,7 135,6 53,1 17,5 1688,5 Hải Dương 19,6 26,6 42,8 94,3 197,9 222,2 234,6 285,0 216,8 144,9 45,1 19,0 1548,8 Hưng Yên 24,4 33,8 44,7 85,0 167,8 233,9 260,2 316,2 277,0 188,6 62,6 24,0 1718,2 Phù Liễn 25,1 34,5 46,7 88,6 203,7 241,2 270,9 346,2 288,2 150,6 47,7 21,8 1765,2

Nguồn: Viện Khí tượng Thủy văn (2013)

Mùa mưa từ tháng 5 - 10, chiếm 85 - 90% tổng lượng mưa cả năm, mưa lớn thường tập trung trong khoảng từ tháng 6 đến hết tháng 8 Lượng mưa tăng dần từ đầu mùa mưa tới giữa mùa mưa và đạt cực đại vào tháng 8, lượng mưa trung bình tháng khoảng 300 - 350 mm với 16 - 18 ngày mưa, lượng mưa cực đại trong 24 giờ có thể đạt

400 - 500 mm ở vùng ven biển và 300 - 400 mm ở đồng bằng và trung du Các tháng 6,

31

7 và 11 có lượng mưa trung bình đạt 250 - 300 mm với 12 - 15 ngày mưa Trung bình hàng năm, trong mùa mưa có từ 5 - 7 ngày đạt lượng mưa trên 50 mm và 1 - 2 ngày có lượng mưa trên 100 mm [1]

Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 có mưa ít, thường chiếm 10 - 15% tổng lượng mưa cả năm Những tháng đầu mùa đông là ít mưa nhất, mỗi tháng trung bình 6 - 8 ngày

có mưa nhỏ, có những đợt 15 - 20 ngày thậm chí hàng tháng liền không có mưa Tháng

1 có lượng mưa cực tiểu với 15 - 20 mm Nửa cuối mùa đông, là thời kỳ mưa phùn ẩm ướt Tuy lượng mưa không tăng nhiều so với đầu mùa (20 - 40 mm/tháng) song số ngày mưa nhiều hơn rõ rệt (khoảng 10 - 15 ngày/tháng)

Độ ẩm trung bình trong vùng khá cao thường biến động từ 75% đến 90% suốt cả năm

b Thủy văn

Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc nằm chủ yếu trong vùng hạ lưu của hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình và một số sông ven biển ở Quảng Ninh Hệ thống sông Hồng và sông Thái Bình là hệ thống sông lớn nhất miền Bắc nước ta Hệ thống sông này gồm có các sông lớn như sông Thao, sông Đà, sông Lô, sông Cầu, sông Đuống và gồm

767 con sông các cấp có chiều dài 10 km trở lên, bằng 32,4% số lượng sông trong toàn quốc, diện tích lưu vực khoảng 169,000 km2; tổng lượng nước trung bình hàng năm khoảng 133,7 tỷ m3 bằng khoảng 16% so với cả nước [1]

1.3.2.4 Khái quát đặc điểm kinh tế xã hội các tỉnh lựa chọn nghiên cứu [4,5,6,7,8] Thành phố Hà Nội:

Theo số liệu thống kê: Kinh tế Hà Nội năm 2016 tiếp tục duy trì mức tăng trưởng khá cao so với cùng kỳ các năm trước, tổng sản phẩm trên địa bàn (GRDP) tăng 8,2%; vốn đầu tư phát triển trên địa bàn tăng 10%; tổng mức lưu chuyển hàng hoá và doanh thu dịch vụ tiêu dùng xã hội tăng 10%; kim ngạch xuất khẩu tăng 1,3%

Dân số Hà Nội tính đến cuối năm 2014 là 7,265 triệu người, tăng 1,9% so với năm 2013 Tỷ lệ dân cư ở nông thôn chiếm 51,1% còn lại 48,9% là dân số ở thành thị

Tính đến năm 2015, tỷ lệ đất dành cho giao thông đạt 8,5% đất xây dựng đô thị; trong đó tỷ lệ đất dành cho giao thông tĩnh chiếm 5% quỹ đất So với năm 2011, khối

32

lượng hàng hóa vận chuyển tăng gấp 4,2 lần, khối lượng hàng hóa luân chuyển tăng 4,47 lần; doanh thu vận chuyển hàng hóa tăng 2,52 lần; lượng hành khách vận chuyển tăng 1,15 lần

Sự gia tăng các phương tiện giao thông trong điều kiện cơ sở hạ tầng có hạn gây

ra các hiện tượng ùn tắc giao thông trên các tuyến đường trọng yếu Tính đến năm 2016,

Hà Nội có khoảng 40 điểm thường xuyên xảy ra ùn tắc giao thông trong giờ cao điểm

Chỉ số sản xuất công nghiệp cả năm 2016 tăng 7,1% so với năm 2015, trong đó: công nghiệp khai khoáng giảm 53,6% ; công nghiệp chế biến, chế tạo tăng 7,5%; sản xuất, phân phối điện, khí đốt tăng 7,6%; cung cấp nước, xử lý nước thải và thu gom rác tăng 1,3% Một số ngành sản xuất công nghiệp chế biến, chế tạo có tốc độ tăng cao so với tốc độ tăng chung của toàn ngành như sản xuất chế biến thực phẩm tăng 21%, sản xuất trang phục tăng 20%, sản xuất thuốc, hóa dược và dược liệu tăng 30,1 %, sản xuất kim loại tăng 12,6%, sản xuất giường tủ bàn ghế tăng 64,9%

Tỉnh Bắc Ninh:

Dân số tỉnh Bắc Ninh tính đến năm 2016 vào khoảng 1,178 triệu người tăng 2,03% so với năm 2015 trong đó dân số thành thị chiếm 28,3%, dân số nông thôn chiếm 71,7%

Tổng sản phẩm trên địa bàn tỉnh (GRDP) tăng cao, bình quân giai đoạn 2011 -

2015 tăng 15,7%/năm, đây là mức tăng trưởng cao nhất từ khi tái lập tỉnh đến nay Năm

2016 tốc độ tăng trưởng kinh tế trên địa bàn tỉnh tăng 9,6% so với năm 2015

Cơ cấu kinh tế trong địa bàn tỉnh: Nông - Lâm - Thủy sản chiếm 5%; Công nghiệp

- Xây dựng chiếm 74,3%; dịch vụ chiếm 20,7%

Tỉnh Hưng Yên:

Tổng sản phẩm trong tỉnh (GRDP) năm 2016 tăng 8,1% so với năm 2015; giá trị sản xuất: Nông nghiệp - Thủy sản tăng 2,35%; thương mại và dịch vụ tăng 9,54%; chỉ

số sản xuất công nghiệp tăng 8,5%

Giá trị sản xuất nông nghiệp và thủy sản ước tính 11,319 tỷ đồng đạt 99,8% kế hoạch và tăng 2,53% so với năm 2015 Trong đó: nông nghiệp tăng 2,2%; thủy sản tăng 5,8%

33

Công nghiệp và xây dựng tăng 8,5%, trong đó: Ngành công nghiệp khai khoáng tăng 6,6%; ngành công nghiệp chế biến chế tạo tăng 8,5%; ngành sản xuất và phân phối điện, khí đốt, nước nóng, hơi nước và điều hòa không khí tăng 14,9%; ngành cấp nước,

hoạt động quản lý, xử lý nước thải, rác thải tăng 5,4%

Tỉnh Vĩnh Phúc:

Tổng sản phẩm trên địa bàn tỉnh (GRDP) năm 2016 theo giá so sánh dự kiến đạt 65,203 tỷ đồng, tăng 8,56% so với năm 2015 Trong đó: Giá trị tăng thêm ngành nông, lâm nghiệp và thuỷ sản đạt 4,547 tỷ đồng, tăng 3,15% so với năm 2015, đóng góp vào tăng trưởng chung của tỉnh là 0,23 điểm %; riêng ngành nông nghiệp đạt 4.256,5 tỷ đồng, tăng 3,61 %, đóng góp vào tăng trưởng chung của tỉnh là 0,25 điểm % Trong nông nghiệp cơ cấu cây trồng có sự chuyển biến rõ nét, các giống lúa chất lượng tiếp tục được duy trì và mở rộng diện tích; các loại cây trồng có giá trị kinh tế cao được phát triển theo hướng sản xuất hàng hóa

Tổng giá trị tăng thêm ngành công nghiệp, xây dựng đạt 31,860 tỷ đồng, tăng 9,94% so với năm 2015, đóng góp vào tăng trưởng chung của tỉnh là 4,80 điểm % Trong

đó, giá trị tăng thêm ngành công nghiệp đạt 29,773 tỷ đồng, tăng 9,49%

Tổng giá trị tăng thêm của các ngành dịch vụ đạt 12,420 tỷ đồng, tăng 6,26% so với năm 2015, đóng góp vào tăng trưởng chung của tỉnh là 1,19 điểm % Thuế sản phẩm đạt 16,645 tỷ đồng, tăng 9,23% so với cùng kỳ, đóng góp vào mức tăng trưởng chung của tỉnh là 2,34 điểm %

Cơ cấu kinh tế (cơ cấu giá trị tăng thêm) năm 2016 của tỉnh Vĩnh Phúc là: khu vực I (nông, lâm nghiệp và thủy sản) 10,41 %; khu vực II (công nghiệp, xây dựng) 61,97%; khu vực III (các ngành dịch vụ) 27,62%

34

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu đã áp dụng trong luận án gồm: phương pháp thu thập

và tổng quan tài liệu, phương pháp thu thập dữ liệu, ứng dụng phương pháp hệ thống thông tin địa lý (xây dựng bản đồ), phương pháp mô hình hóa…

 Phương pháp tổng quan tài liệu: thu thập tài liệu, tìm hiểu và tổng hợp, đánh

giá chung về tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam

 Phương pháp thu thập dữ liệu, số liệu: Phục vụ cho việc thu thập các dữ liệu

phát thải và dữ liệu khí tượng đã công bố quốc tế, dữ liệu vệ tinh, số liệu đo đạc thực

tế, các dữ liệu và số liệu liên quan đến khu vực lựa chọn nghiên cứu

 Phương pháp tính toán dữ liệu phát thải: Xử lý hệ thống hóa các thông tin dữ

liệu phát thải khu vực nghiên cứu phục vụ cho quá trình xây dựng cơ sở dữ liệu cho

bộ mô hình WRF-CMAQ

 Phương pháp GIS (ứng dụng GIS để xây dựng bản đồ): Phương pháp GIS

được sử dụng để biểu diễn đồ họa, bản đồ, hiển thị thông tin trực quan phục vụ nghiên cứu

 Phương pháp mô hình hóa: Mô hình hóa chất lượng môi trường không khí là

phương pháp chủ đạo trong luận án Cụ thể: Mô hình chất lượng không khí CMAQ

và mô hình khí tượng WRF là hai mô hình số được ứng dụng phục vụ nghiên cứu

2.1.1 Mô hình WRF

Mô hình WRF là một mô hình lớn được hình thành dựa trên sự cộng tác của nhiều cơ quan, tổ chức nhằm phát triển một hệ thống đồng hóa số liệu và dự báo thời tiết qui mô vừa, hiện đại, chính xác Mô hình này có thể ứng dụng nghiên cứu và dự báo các trường hợp như xoáy thuận nhiệt đới (tropical cyclones), bão (hurricanes), lũ quét (flash flood), lốc xoáy (tornadoes), dông (thunderstorms), giáng thủy lớn tại địa phương (heavy local precipitation) [9, 23, 28, 73]

Cấu trúc của mô hình WRF

Mô hình WRF được cấu tạo bởi hai bộ phận chính là bộ phận xử lý (tiền xử lý

và hậu xử lý), bộ phận mô phỏng Trong đó:

35

Bộ phận mô phỏng: chương trình chính của WRF( ARW solver)

Bộ phận tiền xử lý: gồm chương trình mô phỏng dữ liệu ban đầu (The WRF

Preprocessing System, WPS) và chương trình đồng hóa số liệu (WRF-Var)

Bộ phận hậu xử lý: Công cụ đồ họa xử lý sản phẩm của mô hình

(Post-processing & Visualization tools)

Hình 2.1 Cấu trúc mô hình WRF

Hệ phương trình động lực của mô hình

Các phương trình trong mô hình WRF được tính toán bằng việc sử dụng một

hệ tọa độ thẳng đứng áp suất thủy tĩnh theo địa hình ký hiệu là η (Laprise, 1992) và được xác định bởi:

là hệ tọa độ thẳng đứng theo khối lượng

Sử dụng các biến đã được xác định ở trên, các phương trình Euler dạng thông lượng có thể viết lại như sau:

γ = cp/cν = 1.4 là tỉ số nhiệt dung đối với không khí khô; Rd hằng số khí khô;

p0 áp suất so sánh chuẩn (thông thường là 105 Pascals); FU, FV, FW và FΘ là các thành phần cưỡng bức phát sinh từ quá trình vật lý: xáo trộn rối, phép chiếu cầu [9, 30]