Áp dụng công cụ mô hình để nghiên cứu đánh giá ô nhiễm không khí của khu công nghiệp hiệp phước đến sức khỏe của người dân xung quanh và đề xuất các giải pháp quản lý

LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, thu thập, tính toán và phân tích các số liệu, tôi đã hoàn thành luận văn: “Áp dụng công cụ mô hình để nghiên cứu đánh giá ô nhiễm không khí của

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA: MÔI TRƯỜNG

BỘ MÔN: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ÁP DỤNG CÔNG CỤ MÔ HÌNH ĐỂ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ CỦA KHU CÔNG NGHIỆP HIỆP PHƯỚC ĐẾN SỨC KHỎE CỦA NGƯỜI DÂN XUNG QUANH VÀ ĐỀ XUẤT

CÁC GIẢI PHÁP QUẢN LÝ

GVHD: TS Lê Hoàng Nghiêm HVTH: Lê Thị Bảo Trâm MSHV: 02608650

Trang 2

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, thu thập, tính toán và phân tích các số liệu, tôi đã

hoàn thành luận văn: “Áp dụng công cụ mô hình để nghiên cứu đánh giá ô nhiễm

không khí của Khu công nghiệp Hiệp Phước đến sức khỏe của người dân xung quanh và đề xuất các giải pháp quản lý”

Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy, cô khoa Môi Trường, trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã hết lòng truyền đạt kiến thức cho tôi trong những năm học vừa qua

Đặc biệt, tôi chân thành cảm ơn TS Lê Hoàng Nghiêm - người thầy đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn, bổ sung kiến thức, động viên kịp thời và đóng góp những ý kiến quý báu cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin chân thành cảm ơn các cán bộ của phòng Quản lý môi trường thuộc Công ty

Cổ phần đầu tư Hiệp Phước, Ủy ban nhân dân xã Hiệp Phước, Ủy ban nhân dân xã Long Thới, Bệnh viện huyện Nhà Bè, Trung tâm y tế xã Hiệp Phước, Trung tâm y tế xã Long Thới đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thu thập tài liệu cho luận văn

Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè và cơ quan công tác đã quan tâm và luôn bên cạnh chia sẻ những khó khăn và động viên giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Trong luận văn này không tránh khỏi những sai sót, tôi mong nhận được sự góp ý

và bổ sung của thầy cô và bạn bè để luận văn ngày càng hoàn thiện

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2010

Học viên

Lê Thị Bảo Trâm

Trang 3

TÓM TẮT

Trong luận văn này, mô hình không khí CALPUFF được sử dụng để dự báo nồng

độ của sulfur dioxide (SO2), bụi PM10 trong phạm vi khu công nghiệp Hiệp Phước cũng như khu vực lân cận Đề tài nghiên cứu các nguồn thải trong phạm vi ảnh hưởng (lưới tính) là 10 km x 10 km, với nguồn thải chủ yếu là các nguổn điểm như các ống khói phát thải trong khu công nghiệp Hiệp Phước Dữ liệu phát thải của các nhà máy trong khu công nghiệp Hiệp Phước được thu thập bằng phiếu khảo sát điều tra Dữ liệu tình hình khám chữa bệnh hô hấp của người dân trong khu vực nghiên cứu được thu thập từ các trung tâm y tế xã và bệnh viện huyện Nhà Bè Mục đích chính của đề tài là nghiên cứu, đánh giá và dự báo kết quả phân bố nồng độ các chất ô nhiễm của mô hình CALPUFF trong năm 2008 và 2009 Từ kết quả đó đánh giá những ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân sống trong khu vực bao gồm sự gia tăng tỷ lệ tử vong và mắc các bệnh hô hấp cho các lứa tuổi dựa trên công thức quan hệ giữa nồng độ chất ô nhiễm và số ca mắc bệnh, tử vong từ các nghiên cứu đã được thực hiện trên thế giới

Kết quả tính toán của mô hình chỉ ra rằng, SO2 chính là chất ô nhiễm đáng quan tâm nhất Hầu hết các giá trị SO2 trung bình 24h đều vượt quá tiêu chuẩn chất lượng không khí của Việt Nam, tuy nhiên nồng độ PM10 trong 2 năm 2008 và 2009 đều nằm trong giới hạn cho phép Và cũng từ đó, tỷ lệ tử vong và mắc bệnh hô hấp được ước tính dựa trên ô nhiễm SO2 Tỷ lệ này của năm 2009 cao hơn năm 2008

Bên cạnh đó, luận văn còn đánh giá mức độ tương quan giữa tỷ lệ mắc bệnh hô hấp, tỷ lệ tử vong ước tính và tỷ lệ từ kết quả điều tra thực tế Hệ số tương quan của bệnh

hô hấp là rất cao Từ đó cho thấy, phương pháp mô hình hóa có thể được áp dụng để dự báo tình hình ô nhiễm không khí và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe người dân xung quanh trong điều kiện hiện nay không có sẵn các dữ liệu quan trắc và không có nhiều nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến sức khỏe người dân, đặc biệt

là ảnh hưởng của khí thải KCN

Trang 4

ABSTRACT

In this study, the CALPUFF model was adopted to predict the concentration of sulfur dioxide (SO2), particulate matter <10µm (PM10) in and around Hiep Phuoc Industrial Park We used emission inventories with a resolution of 10 km x 10 km, which includes the major point sources located in Hiep Phuoc Industrial Park The Hiep Phuoc Industrial Park’s emission data for model was collected by the survey Habitants’ respiratory treatment data was collected from Commune Health Centers and Nha Be District Hospital The main purpose of this study was examining the performance of CALPUFF model in predicting pollutant concentration in 2008 and 2009 We also assessed respiratory morbidity and mortality as ages through the relational formula between pollution concentration and respiratory morbidity and mortality from studies have been done in the world

The output of model showed that SO2 was the main pollutant in this study Almost hourly average SO2 concentrations were found to me over than the Viet Nam ambient air quality standard Besides, the PM10 concentrations were lower than the standard Therefore, mortality and respiratory morbidity was evaluated on SO2 pollutant This rate

in 2009 was higher than 2008

Besides, this study also evaluated the correlation between the estimation respiratory morbidity rate, estimation mortality rate and the actual rate from the survey Correlation coefficient of the respiratory morbidity was very high So modeling method can be applied to forecast air pollution and evaluate health impact in case of lacking available monitoring data and studies on evaluating impact of air pollition on health, especially the impact of Industrial Park emissions as current

Trang 5

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG xi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 TÊN ĐỀ TÀI 1

1.2 TÍNH CẤP THIẾT 1

1.3 TÍNH MỚI 3

1.4 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 3

1.5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 4

1.6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4

1.7 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 4

1.8 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

1.8.1 Thu thập số liệu và tài liệu 5

1.8.2 Điều tra thực địa 5

1.8.3 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe 6

1.8.4 Phương pháp mô hình hóa 7

1.8.5 Phương pháp xử lý số liệu, thống kê, đánh giá 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 13

2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH 13

2.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG 14

2.3 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 15

2.3.1 Những khái niệm cơ bản 15

2.3.2 Phân loại 16

2.3.3 Phương trình cơ bản để tính nồng độ chất ô nhiễm trong khí quyển 17

Trang 6

2.3.4 Công thức xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân phối

chuẩn Gauss 21

2.4 MÔ HÌNH CALPUFF 30

2.4.1 Tổng quan về mô hình CALPUFF 30

2.4.2 Công thức mô hình CALPUFF 31

2.4.3 Hệ tọa độ 31

2.5 TỔNG QUAN VỀ BỆNH HÔ HẤP 31

2.5.1 Một số bệnh hô hấp thường gặp 31

2.5.2 Các phương pháp nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến sức khỏe 34

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN, HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG CỦA KHU CÔNG NGHIỆP HIỆP PHƯỚC 36

3.1 TỔNG QUAN VỀ KCN HIỆP PHƯỚC 36

3.1.1 Điều kiện tự nhiên 36

3.1.2 Cơ sở hạ tầng 38

3.1.3 Các ngành nghề công nghiệp và danh sách các nhà máy đang hoạt động 39

3.2 MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TẠI KCN HIỆP PHƯỚC 46

3.2.1 Hiện trạng môi trường không khí 46

3.2.2 Các nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng không khí 50

3.2.3 Các biện pháp quản lý hiện nay của KCN Hiệp Phước 52

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG MÔ HÌNH CALPUFF CHO KHU CÔNG NGHIỆP HIỆP PHƯỚC 54

4.1 CÁC THÔNG SỐ ĐẦU VÀO MÔ HÌNH (INPUT DATA) 54

4.1.1 Dữ liệu khí tượng TP.HCM (Meteologory Data) 54

4.1.2 Dữ liệu các nguồn thải trong KCN Hiệp Phước 68

4.1.3 Điểm nhạy cảm (Receptor Data) của khu vực nghiên cứu 76

4.2 MÔ TẢ QUÁ TRÌNH CHẠY MÔ HÌNH 76

4.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN MÔ HÌNH (OUTPUT DATA) 82

4.3.1 Kết quả tính toán mô hình 82

4.3.2 Đánh giá kết quả tính toán của mô hình 89

4.3.3 Đánh giá bản đồ phân bố ô nhiễm 94

4.4 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ MỐI TƯƠNG QUAN GIỮA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ SỨC KHỎE CỦA CƯ DÂN 120

Trang 7

4.4.1 Dữ liệu sức khỏe của bệnh viện Nhà Bè 120

4.3.4 Đánh giá kết quả ước tính 128

CHƯƠNG 5: ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ CHO KCN HIỆP PHƯỚC 132

5.1 QUY HOẠCH HỢP LÝ NHẰM KIỂM SOÁT Ô NHIỄM 132

5.2 XÂY DỰNG HỆ THỐNG QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TẠI KCN HIỆP PHƯỚC 134

5.3 CÁC BIỆN PHÁP QUẢN LÝ CHUNG 134

5.4 BIỆN PHÁP KỸ THUẬT KHỐNG CHẾ Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ 135

5.5 VỀ GIẢM ẢNH HƯỞNG CỦA Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ ĐẾN SỨC KHỎE 137

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 139

6.1 KẾT LUẬN 139

6.2 KIẾN NGHỊ 141

TÀI LIỆU THAM KHẢO 142

Trang 8

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Ảnh 3-D về phát tán ô nhiễm của mô hình CALPUFF 10

Hình 1.2: Sơ đồ mô hình vệt khói Gauss 11

Hình 2.1: Các bước quá trình mô hình hóa 13

Hình 2.2: Tổng quan các loại mô hình khuếch tán ô nhiễm không khí 17

Hình 2.3: Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của vận tốc gió đến nồng độ chất ô nhiễm do nguồn phát thải liên tục và hằng số gây ra 23

Hình 3.1: Vị trí khu công nghiệp Hiệp Phước trong mối quan hệ vùng 37

Hình 3.2: Diễn biến nồng độ bụi tại các vị trí giám sát năm 2009 49

Hình 3.3: Diễn biến nồng độ SO2 tại các vị trí giám sát năm 2009 50

Hình 4.1: Website của Trung tâm dữ liệu khí tượng quốc gia Hoa Kỳ (National Climatic Data Center) 54

Hình 4.2: Quy trình xử lý dữ liệu khí tượng 55

Hình 4.3: File số liệu khí tượng mặt đất 1/2h 56

Hình 4.4: File số liệu khí tượng mặt đất 1h 57

Hình 4.5: File số liệu khí tượng trên cao 58

Hình 4.6: File số liệu chiều cao xáo trộn 58

Hình 4.7: File số liệu khí tượng chạy mô hình CALPUFF 59

Hình 4.8: Hoa gió tháng 1/2008 60

Trang 9

Hình 4.32: Khởi động CALPUFF 77

Hình 4.33: Tạo file Gird 78

Hình 4.34: Cửa sổ làm việc của CALPUFF 79

Hình 4.35: Cửa sổ lựa chọn chạy mô hình CALPUFF 80

Hình 4.36: Cửa sổ làm việc của CALPOST 81

Hình 4.37: Kết quả mô hình được xuất ra bằng CALPOST 81

Hình 4.38: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 trung bình 24h cực đại các tháng năm 2008 89

Hình 4.39: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 trung bình 24h cực đại các tháng năm 2009 90

Hình 4.40: Đồ thị biểu diễn nồng độ PM10 trung bình 24h cực đại các tháng năm 200890 Hình 4.41: Đồ thị biểu diễn nồng độ PM10 trung bình 24h cực đại các tháng năm 200991 Hình 4.42: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 cực đại tại các điểm nhạy cảm năm 2008 92

Hình 4.43: Đồ thị biểu diễn nồng độ SO2 cực đại tại các điểm nhạy cảm năm 2009 92

Hình 4.44: Đồ thị biểu diễn nồng độ PM10 cực đại tại các điểm nhạy cảm năm 2008 93

Hình 4.45: Đồ thị biểu diễn nồng độ PM10 cực đại tại các điểm nhạy cảm năm 2009 93

Hình 4.46: Bản đồ phân bố nồng độ SO2 trung bình 1h tháng 1/2008 94

Trang 10

Trang 11

Hình 4.92: Bản đồ phân bố nồng độ SO2 trung bình 24h cực đại năm 2007 118

Hình 4.95: Bản đồ phân bố sự gia tăng số ca tử vong năm 2008 125

Hình 4.96: Bản đồ phân bố sự gia tăng số ca mắc bệnh hô hấp ở mọi độ tuổi năm 2008 126

Hình 4.97: Bản đồ phân bố sự gia tăng số ca tử vong năm 2009 126

Hình 4.98: Bản đồ phân bố sự gia tăng số ca mắc bệnh hô hấp ở độ tuổi 15-64 năm 2009 127

Hình 4.99: Bản đồ phân bố sự gia tăng số ca mắc bệnh hô hấp ở độ tuổi trên 64 năm 2009 127

Hình 4.100: Bản đồ phân bố sự gia tăng số ca mắc bệnh hô hấp ở mọi độ tuổi năm 2009 128

Hình 4.101: Đồ thị tương quan số ca tử vong giữa kết quả điều tra và kết quả ước tính 129

Hình 4.102: Đồ thị tương quan số ca mắc bệnh hô hấp ở độ tuổi 15-64 giữa kết quả điều tra và kết quả ước tính 129

Hình 4.103: Đồ thị tương quan số ca mắc bệnh hô hấp ở độ tuổi trên 64 giữa kết quả điều tra và kết quả ước tính 130

Hình 4.104: Đồ thị tương quan số ca mắc bệnh hô hấp chung giữa kết quả điều tra và kết quả ước tính 130

Trang 12

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Hệ số (CR) của SO2 và PM10 đối với một số bệnh hô hấp và tỷ lệ tử vong 6

Bảng 1.2: Dữ liệu cần điều tra và phương pháp thực hiện 7

Bảng 1.3: Các đặc điểm kỹ thuật của mô hình CALPUFF 10

Bảng 2.1: Phân loại độ bền vững khí quyển 26

Bảng 2.2: Công thức tính σy và σz cho vùng nông thôn 27

Bảng 2.3: Công thức tính σy và σzcho vùng thành thị 27

Bảng 2.4: Hệ số a,b,c,d 27

Bảng 2.5: Hệ số p 28

Bảng 2.6: Các phương pháp khoa học đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe 34

Bảng 3.1: Danh sách các doanh nghiệp và loại hình sản xuất đầu tư trong KCN 40

Bảng 3.2: Vị trí lấy mẫu khí khu công nghiệp Hiệp Phước 47

Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu không khí 47

Bảng 4.1: Thống kê chế độ gió qua các tháng năm 2008 64

Bảng 4.2: Thống kê chế độ gió qua các tháng năm 2009 66

Bảng 4.3: Các nguồn phát sinh khí thải do đốt nhiên liệu 69

Bảng 4.4: Các nguồn thải phát sinh bụi trong sản xuất 70

Bảng 4.5: Hệ số phát thải đối với các loại nhiên liệu 71

Bảng 4.6: Tổng hợp dữ liệu các nguồn thải điểm KCN Hiệp Phước 73

Bảng 4.7:Vị trí các điểm nhạy cảm trong phạm vi nghiên cứu 76

Bảng 4.8: Nồng độ SO2 trung bình 24h cực đại các tháng năm 2009 82

Bảng 4.9: Nồng độ SO2 trung bình 24h cực đại các tháng năm 2008 83

Bảng 4.10: Nồng độ PM10 trung bình 24h cực đại các tháng năm 2009 83

Bảng 4.11: Nồng độ PM10 trung bình 24h cực đại các tháng năm 2008 84

Bảng 4.12: Nồng độ SO2 và PM10 cực đại tại các điểm nhạy cảm 84

Bảng 4.13: Thống kê tình hình khám chữa bệnh hô hấp tại bệnh viện Nhà Bè năm 2008 và 2009 120

Bảng 4.14: Tình hình nhập viện chữa bệnh hô hấp tại bệnh viện Nhà Bè năm 2008 và 2009 121

Bảng 4.15: Tỷ lệ mắc bệnh hô hấp các lứa tuổi và tỷ lệ tử vong các năm 123

Trang 13

Bảng 4.16: Kết quả đánh giá bản đồ vùng ô nhiễm SO2 trung bình 24h năm 2007, 2008,

2009 123

Bảng 4.17:Dân số phơi nhiễm trong vùng ô nhiễm được ước tính như sau 123

Bảng 4.18: Ước tính ảnh hưởng sức khỏe do ô nhiễm SO2 năm 2007 124

Bảng 4.19: Ước tính ảnh hưởng sức khỏe do ô nhiễm SO2 các tháng năm 2008 124

Bảng 4.20: Ước tính ảnh hưởng sức khỏe do ô nhiễm SO2 các tháng năm 2009 125

Bảng 4.21: Kết quả tính toán số ca mắc bệnh hô hấp và tử vong của khu vực nghiên cứu 128

Bảng 4.22: Kết quả điều tra số ca mắc bệnh hô hấp và tử vong của khu vực nghiên cứu 128

Trang 14

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ASEAN (Association of South East

Asia Nation)

: Hiệp hội các quốc gia Đông Nam Á

GIS (Geographic Information

System)

: Hệ thống thông tin địa lý

GPS (Global Positioning System) : Hệ thống định vị toàn cầu

ISCLT (Industrial Source Complex

PM10 (Particulate matter less than

10 µm in diameter)

: Bụi có kích thước < 10 µm

Trang 15

TNMT : Tài nguyên Môi trường

TSP (Total Suspended Particles) : Bụi lơ lửng

USEPA (United States

Environmental Protection Agency)

: Cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ

UTM (Universal Transverse

Mercator)

: Hệ quy chiếu toàn cầu

WHO (World Health Organization) : Tổ chức Y tế Thế giới

Trang 16

vệ môi trường không khí chiếm một vị trí quan trọng đặc biệt vì ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe, tuổi thọ của con người

Vấn đề ô nhiễm không khí đã được nghiên cứu từ lâu tại các nước phát triển như

Mỹ, Nhật, Đức, Anh, Pháp,… Các tổ chức quốc tế như WHO, WB, UNDP, WB, UNEP, JICA, SIDA, UNICEP,… hàng năm tài trợ nhiều kinh phí cho các nước đang phát triển (châu Phi, châu Á, …) để thực hiện các chương trình nghiên cứu nhằm hạn chế tác động

do ô nhiễm không khí Các hội nghị quốc tế về môi trường không khí toàn cầu được tổ chức thường niên nhằm xây dựng chương trình bảo vệ bầu khí quyển của trái đất Hiện nay Trung Quốc, Ấn Độ là các nước chịu tác động nhiều do ô nhiễm không khí Các quốc gia này đang tập trung khắc phục hậu quả do ngành công nghiệp gây ra đối với môi trường không khí trong lãnh thổ cũng như châu lục

Vấn đề ô nhiễm không khí gắn liền với hoạt động của con người Mỗi người vừa

là nạn nhân vừa là thủ phạm gây ô nhiễm không khí Bầu không khí bị ô nhiễm gây ảnh hưởng tới sức khoẻ con người, làm thay đổi khí hậu, thời tiết, làm giảm chất lượng nước, làm chua đất, làm cạn kiệt thuỷ sản, làm giảm diện tích rừng, phá huỷ các công trình xây dựng và vật liệu, gây ăn mòn kim loại, làm giảm mỹ quan Vì những tác hại nêu trên mà vấn đề ô nhiễm không khí không chỉ mang tính chất cục bộ mà là vấn đề có quy mô toàn cầu

Hội đồng các nước ASEAN đã chỉ ra rằng nguyên nhân gây ô nhiễm bầu khí quyển tại các vùng thành thị ở các nước trong khu vực là do sự gia tăng đột ngột nhu cầu

sử dụng nhiên liệu cùng với sự phát triển số lượng lớn các phương tiện giao thông (ASEAN, 2006) Giống với các thành phố lớn khác trong khu vực Châu Á, TP.HCM đang phải đối mặt với các vấn đề môi trường nghiêm trọng Tổ chức bảo vệ môi trường Việt Nam (VEPA) đã cảnh báo về các vấn nạn môi trường đáng quan tâm, đặc biệt là tại TP.HCM vốn được coi là thành phố lớn nhất, phát triển nhất tại Việt Nam (VEPA, 2005)

Trang 17

TP.HCM hiện có 11 khu công nghiệp và 03 khu chế xuất, tốc độ tăng trưởng giá trị sản xuất công nghiệp trung bình hàng năm đạt khoảng 15% Các khu công nghiệp hoạt động tạo ra một số lượng lớn các sản phẩm công nghiệp chiếm tỷ trọng cao trong toàn bộ sản phẩm của nền kinh tế quốc dân Tuy nhiên sản xuất công nghiệp đã gây nên nhiều ảnh hưởng xấu đến môi trường trong đó có môi trường không khí Ô nhiễm không khí do khí thải gây ra chủ yếu là bụi, SO2, NOx, CO,… Việc xả khí thải vượt tiêu chuẩn cho phép của các nhà máy gây ô nhiễm nội vi khu vực và ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng dân cư xung quanh ngày càng gia tăng Nếu không có biện pháp quản lý và xử lý thích đáng thì môi trường nói chung và môi trường không khí nói riêng xung quanh các khu công nghiệp tập trung sẽ đứng trước nguy cơ bị xấu đi trầm trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của người dân Ô nhiễm không khí do hoạt động công nghiệp vẫn đang

và sẽ là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nhất

Theo số liệu quan trắc môi trường hiện nay không khí ở các đô thị lớn ở nước ta

đã bị ô nhiễm bụi, khí CO, SO2,… trong đó hoạt động giao thông vận tải là nguồn thải chủ yếu gây ra ô nhiễm các chất độc hại, bụi hô hấp, CO, hơi xăng dầu và bụi chì Lượng thải khí CO, hơi xăng dầu chiếm tỉ lệ từ 70 – 90% tổng lượng thải ở đô thị, còn lượng thải các chất ô nhiễm do hoạt động công nghiệp, thủ công nghiệp, xây dựng và sinh hoạt đô thị chiếm tỉ lệ 10 – 30% Chính vì thế mà vấn đề tập trung nghiên cứu tìm ra những nguyên nhân, những ảnh hưởng của các chất ô nhiễm không khí đến các hệ sinh thái đặc biệt là ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người thì vô cùng bức thiết Qua đó mọi người sẽ có cái nhìn tổng quan hơn đối với vấn đề ô nhiễm không khí

Một trong những khu công nghiệp hiện đang có nhiều nhóm ngành ô nhiễm chưa được kiểm soát tốt là KCN Hiệp Phước Nằm dọc theo bờ kênh Soài Rạp (cách biển Đông khoảng 35 km) và theo chủ trương của UBND TP.Hồ Chí Minh, khu công nghiệp Hiệp Phước là nơi tiếp nhận một số doanh nghiệp sản xuất ô nhiễm di dời từ nội thành như: thuộc da, xi mạ, dệt nhuộm, giấy,… Đa số các doanh nghiệp này đều có quy mô vừa

và nhỏ, công nghệ sản xuất lạc hậu, phát sinh ô nhiễm cao đặc biệt là có nhiều doanh nghiệp sử dụng nhiên liệu đốt mà không có biện pháp kiểm soát hoặc biện pháp không hiệu quả nên tiềm năng gây tổn thất cho bầu khí quyển là khá cao

Việc giảm ô nhiễm đến mức chấp nhận được là một bài toán phức tạp mang ý nghĩa quan trọng về mọi mặt môi trường cũng như kinh tế Sự hình thành, thủy phân, tích lũy và lan truyền của chất ô nhiễm trong các điều kiện khí tượng khác nhau là một hiện tượng phức tạp Trong trường hợp này, mô hình quản lý chất lượng không khí là một công cụ hiệu quả để nghiên cứu Trong nhiều thập kỷ qua, vai trò của các mô hình ngày càng biết đến rộng rãi đặc biệt là mô hình lan truyền các chất trong không khí ở nhiều cấp

độ khác nhau được phát triển nhằm hỗ trợ cho việc nghiên cứu, dự báo và kiểm soát ô nhiễm Các mô hình dự báo chất lượng không khí thật sự là một công cụ hữu ích và hiệu quả, đã được áp dụng thành công ở nhiều thành phố và khu vực trên thế giới Do vậy việc lựa chọn mô hình phát tán chất ô nhiễm không khí phù hợp, có độ tin cậy cao để dự báo

và đánh giá chất lượng không khí tại KCN Hiệp Phước và khu vực phụ cận là hết sức cần

Trang 18

Trước yêu cầu đó, đề tài “Áp dụng công cụ mô hình để nghiên cứu đánh giá mức

độ ô nhiễm không khí của Khu công nghiệp Hiệp Phước đến sức khỏe của người dân khu vực xung quanh và đề xuất các giải pháp quản lý” được thực hiện và mô hình CALPUFF được lựa chọn để nghiên cứu và áp dụng đạt được mục tiêu của đề tài

1.3 TÍNH MỚI

Ngày càng có nhiều bằng chứng chứng minh mối quan hệ giữa ô nhiễm không khí

và sức khỏe của con người Vì vậy, giám sát chất lượng môi trường không khí xung quanh và xác định ngưỡng phơi nhiễm đối với từng chất ô nhiễm của con người trở nên càng quan trọng

Nghiên cứu ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến sức khỏe đã được thực hiện nhiều bằng các phương pháp khác nhau như nghiên cứu dịch tễ học, phương pháp phòng thí nghiệm Trong điều kiện Việt Nam, việc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe bằng các phương pháp trên sẽ tốn kém chi phí và đòi hỏi thời gian thực hiện lớn Trong nghiên cứu này, cách tiếp cận và giải quyết vấn đề trên bằng công cụ mô hình sẽ khắc phục được các nhược điểm trên và bước đầu cung cấp các thông tin, dữ liệu về bệnh nhân mắc bệnh hô hấp trong khu vực nhạy cảm, từ đó sẽ đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe người dân trong khu vực bằng các công thức mô tả mối quan hệ

1.4 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của chất ô nhiễm không khí đối với sức khỏe con người Nghiên cứu ảnh hưởng của ô nhiễm ozon bề mặt đến sức khỏe người dân tại nước Anh vào các năm 1995, 2003 và 2005 đã ước tính các ảnh hưởng của sức khỏe có liên quan đến ô nhiễm ozon dựa trên bản đồ phân bố nồng đô ô nhiễm và phụ thuộc nhiều vào các dữ liệu đã chọn, theo đó thì năm ảnh hưởng nhiều nhất cũng được ước tính và xác định cụ thể Một nghiên cứu khác ở Cuba nhằm ước tính ảnh hưởng đến sức khỏe người dân khu vưc xung quanh từ phát thải nhà máy phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch Các ảnh hưởng đến sức khỏe được nghiên cứu bao gồm số ca

tử vong và mắc các bệnh có liên quan đến nồng độ ô nhiễm phát sinh từ hoạt động của nhà máy phát điện mà chủ yếu là các chất có chứa lưu huỳnh Nghiên cứu đã ước tính phí tổn ngoại bộ cho 3 nhà máy đươc lựa chọn ở Cuba và chi phí ảnh hưởng sức khỏe từ các nhà máy, từ đó đưa ra các so sánh và giải pháp quản lý

Nghiên cứu đánh giá rủi ro sức khỏe do NO2, SPM và SO2 ở Delhi (Ấn Độ) được thực hiện vào năm 2005 đã đánh giá rủi ro sức khỏe cho 3 lứa tuổi: trẻ sơ sinh, trẻ em, và người lớn lần lượt với 3 chất ô nhiễm Nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng do SO2 là thấp nhất, tiếp theo là bụi và cuối cùng là NO2 Nghiên cứu này giúp cảnh báo người dân về ảnh hưởng sức khỏe từ ô nhiễm không khí đồng thời đưa ra các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí và các tác động đến sức khỏe

Một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí thành phố Hồ Chí Minh là từ hoạt động của các khu chế xuất – khu công nghiệp Trong đề tài này, tác giả

Trang 19

tập trung đánh giá tác động của ô nhiễm không khí từ khu công nghiệp đến sức khỏe người dân khu vực xung quanh Để đánh giá của đề tài được khách quan, tác giả chọn đối tượng nghiên cứu là khu công nghiệp Hiệp Phước, vì lý do khu công nghiệp này nằm cách xa mạng lưới giao thông thành phố Hồ Chí Minh nên có thể loại bỏ các tác động của

ô nhiễm không khí từ giao thông đến khu vực dân cư xung quanh

1.5 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Áp dụng công cụ mô hình để nghiên cứu đánh giá mức độ ô nhiễm không khí của khu công nghiệp Hiệp Phước đến sức khỏe của người dân khu vực xung quanh và đề xuất các giải pháp quản lý

1.6 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Ảnh hưởng của ô nhiễm không khí do khu công nghiệp Hiệp Phước đến khu vực xung quanh bao gồm xã Hiệp Phước, xã Long Thới, huyện Nhà Bè

Không gian: Đề tài giới hạn trong phạm vi KCN Hiệp Phước và khu vực lân cận

Xây dựng vùng tính toán 10km x 10km với 2500 điểm trên lưới tính và 10 điểm nhạy

cảm

Thời gian: Năm 2008 và 2009, số liệu khí tượng trung bình 1h

Nội dung: Mô hình CALPUFF (CALPUFF Professional Standard Version 6.4) Đối tượng:

 Các nguồn thải chất ô nhiễm không khí: Ống khói của các nhà máy có phát

sinh khí thải gây ô nhiễm

 Các thông số: PM10, SO2

1.7 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:

- Tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội thành phố Hồ Chí Minh và vị trí địa lý, điều kiện tự nhiên và đặc điểm của khu công nghiệp Hiệp Phước

- Xây dựng cơ sở dữ liệu khí tượng: Thu thập các số liệu khí tượng khu vực thành phố Hồ Chí Minh

- Thu thập và xây dựng cơ sở dữ liệu phát thải chất ô nhiễm không khí của các nhà máy trong khu công nghiệp Hiệp Phước

- Thu thập và xây dựng cơ sở dữ liệu về người bệnh, trường hợp nhập viện vì các bệnh hô hấp trong khu vực

- Khảo sát hiện trạng bệnh liên quan đến đường hô hấp trong khu vực nghiên cứu

Trang 20

- Áp dụng mô hình CALPUFF đánh giá mức độ ô nhiễm bụi, SO2 do các nhà máy trong khu công nghiệp Hiệp Phước gây ra ảnh hưởng đến sức khỏe người dân trong khu vực

- Ước tính, phân tích đánh giá ảnh hưởng ô nhiễm không khí KCN đến sức khỏe của người dân xung quanh

- Đề xuất các giải pháp quản lý nhằm đảm bảo các nguồn thải từ khu công nghiệp Hiệp Phước không ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân

1.8 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

1.8.1 Thu thập số liệu và tài liệu

Tổng hợp các tài liệu, số liệu đã có từ những đề tài nghiên cứu, kết quả điều tra thiết lập quy hoạch, khảo sát đánh giá hiện trạng, các báo cáo tổng hợp,… đúc kết các thông tin tin cậy để tổng hợp ra những diễn biến của việc thay đổi chất lượng môi trường

do các tác động của nguồn thải gây ra

Thu thập các số liệu về khí tượng, chất lượng không khí, dữ liệu nguồn thải (chiều cao, đường kính, lưu lượng, diện tích miệng ống khói, vận tốc phụt khói, nhiệt độ khí thải) và số ca mắc bệnh hô hấp trong khu vực nghiên cứu

1.8.2 Điều tra thực địa

Dựa trên kết quả nghiên cứu của đề tài “Áp dụng công cụ mô hình để dự báo và quản lý chất lượng không khí cho khu công nghiệp Hiệp Phước”, vùng nhạy cảm được xác định bao gồm:

- Cụm dân cư xã Hiệp Phước

- Trường cấp 1 Long Thới

- Trường THPT Long Thới

- Ủy ban Nhân dân xã Long Thới

- Khu nhà chuyên gia Nhà máy điện Hiệp Phước

Đầu tiên là thu thập cơ sở dữ liệu về dân số trong vùng nhạy cảm

Tiếp theo chọn ngẫu nhiên 100 hộ dân trong vùng để điều tra, khảo sát bằng phiếu điều tra được soạn sẵn 100 hộ điều tra này được gọi là mẫu điều tra

Nội dung điều tra chủ yếu tập trung vào tình hình sức khỏe của người dân trong thời gian từ 2005 đến 2009 với các số liệu về số ca khám bệnh, nhập viện vì các bệnh hô hấp của người dân trong khu vực

Khảo sát thực tế tại các phòng khám, trung tâm y tế, bệnh viện xung quanh khu vực nghiên cứu

Trang 21

1.8.3 Phương pháp đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đối với sức khỏe

Để đánh giá ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến sức khỏe người dân, cần dựa vào 4 yếu tố sau đây:

1 Hiện trạng nồng độ chất ô nhiễm bụi, SO2 và nồng độ quy định của quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với các chất ô nhiễm;

2 Xác định số dân trong khu vực chịu ảnh hưởng và các bệnh hô hấp có liên quan đến ô nhiễm không khí;

3 Tỷ lệ chết và tỷ lệ mắc bệnh hô hấp trong khu vực;

4 Hệ số nồng độ - đáp ứng của các chất ô nhiễm từ kết quả của các nghiên cứu dịch

tễ học

Công thức tính toán ảnh hưởng:

cases = Iref x POP x x C Trong đó:

cases: Số lượng tăng ca mắc bệnh/ tử vong khi thay đổi nồng độ (trường hợp)

Iref: tỷ lệ chết hay mắc bệnh hô hấp của khu vực nghiên cứu

POP: dân số khu vực nghiên cứu (người)

Trang 22

Do đó, các dữ liệu cần điều tra, khảo sát, thu thập bao gồm:

Bảng 1.2: Dữ liệu cần điều tra và phương pháp thực hiện

STT Dữ liệu điều tra, thu thập Phương pháp điều tra, thu thập

1 Số dân trong khu vực nghiên cứu Thu thập từ các Ủy ban nhân dân xã bị ảnh

3 Hiện trạng nồng độ chất ô nhiễm

trong khu vực nghiên cứu

Thu thập, tổng hợp từ các báo cáo quan trắc môi trường trong khu vực

Mô hình hóa tính toán nồng độ phát tán chất

Các báo cáo nghiên cứu tương tự trên thế giới

1.8.4 Phương pháp mô hình hóa

CALPUFF là một mô hình phát tán luồng khói ở trạng thái không ổn định với nhiều lớp và hình thái khác nhau, có thể tạo mô hình ảnh hưởng của thời gian, không gian khác nhau về điều kiện khí tượng đến sự phát tán, biến đổi của chất ô nhiễm CALPUFF còn có thể sử dụng dữ liệu khí tượng thực tế theo mô hình 3 chiều của CALMET, hay đơn giản chỉ là các dữ liệu khí tượng dùng để chạy mô hình ISCST3 (EPA, 1995), AUSPLUM (Lorimer, 1986), hay CTDMPLUS (Perry et al., 1989) các mô hình trạng thái

ổn định Gaussian Tuy nhiên, khi sử dụng các dữ liệu khí tượng thông thường cho ISCST3, CTDMPLUS, hay AUSPLUME cần lưu ý vì các dữ liệu đó không cho phép CALPUFF phát huy các ưu điểm về khả năng xử lý dữ liệu khí tượng thay đổi theo không gian

Trang 23

CALPUFF bao hàm các thuật toán về các hiệu ứng nguồn gần như gia tăng chuyển đổi của luồng khói, xuyên qua của một phần luồng khói, các tương tác địa hình cũng như các hiệu ứng nhiều hơn như loại bỏ các chất ô nhiễm (lắng đọng ướt và lắng đọng khô), chuyển đổi hóa học, dịch chuyển gió theo phương dọc, và các hiệu ứng tương tác ven biển Nó có thể cung cấp các mã nguồn thải điểm và vùng khác nhau Hầu hết các thuật toán có chứa các lựa chọn để xử lý các quá trình vật lý với mức độ chi tiết khác nhau tùy vào khả năng ứng dụng của mô hình

a Các đặc trưng chính của CALPUFF

 Loại nguồn

o Nguồn điểm (phát thải không đổi hay biến thiên)

o Nguồn đường (phát thải không đổi hay biến thiên)

o Nguồn thể tích (phát thải không đổi hay biến thiên)

o Nguồn vùng (phát thải không đổi hay biến thiên)

 Điều kiện khí tượng và trạng thái phát thải không ổn định

o Lưới 3 chiều về dữ liệu khí tượng biến thiên (gió, nhiệt độ)

o Sự biến thiên về không gian như xáo trộn chiều cao, vận tốc ma sát, vận tốc

đối lưu, chiều dài Moninobukhov, lượng mưa

o Xáo trộn theo phương dọc và ngang khác nhau cùng với tỷ lệ phát tán

o Nguồn phụ thuộc vào thời gian và dữ liệu phát thải

 Chức năng lấy mấu hiệu quả

o Thống nhất công thức hóa phát thải ống khói

o Công thức hóa các ống khói thon dài

 Các lựa chọn hệ số phát tán (σ y ,σ z )

o Đo trực tiếp σy và σz

o Ước tính giá trị của σv và σw dựa trên các mô hình tương tự

o Hệ số phát tán Pasquill-Gifford (PG) (vùng nông thôn)

o Hệ số phát tán McElroy-Pooler (MP) (vùng đô thị)

o Hệ số phát tán CTDM (trung tính/ổn định)

 Chuyển dịch gió theo phương thẳng đứng

o Phân cắt luồng khói

o Vi phân bình lưu và phát tán

 Gia tăng luồng khói

o Sự thấm qua một phần

Trang 24

o Gia tăng động lượng và nổi lên bề mặt

o Hiệu ứng đầu ống khói

o Chuyển dịch gió theo phương thẳng đứng

o Các hiệu ứng building downwash

 Building downwash

o Phương pháp Huber-Snyder

o Phương pháp Schulman-Scire

 Địa hình phức tạp

Phân chia luồng khí, Hd:

- Hd phía trên, luồng khói qua đồi và tỷ lệ phát tán thay đổi

- Hd phía dưới, luồng khói xung quanh đồi

 Overwater và các tác động ven biển

o Những tham số lớp biên Overwater

o Sự thay đổi đột ngột điều kiện khí tượng, sự phát tán khói ở vùng ven biển

o Sự phụt khói

 Lựa chọn chuyển đổi hóa học

o Cơ chế hóa học giả định ban đầu cho SO2, SO4, NOx, HNO3, và NO3

(phương pháp MESOPUFF II)

o Sử dụng chu trình 1 ngày đêm cho tốc độ chuyển đổi

o Không có sự chuyển đổi hóa học

 Di chuyển ướt

o Phương pháp hệ số lọc

o Tốc độ di chuyển chức năng của lượng mưa và loại mưa

o Thiết lập mô hình và dữ liệu đầu vào bằng cách chọn và nhấp

o Tăng cưởng kiểm tra lỗi mô hình đầu vào

Trang 25

o Tập tin trợ giúp trực tuyến

b Đặc điểm kỹ thuật

Bảng 1.3: Các đặc điểm kỹ thuật của mô hình CALPUFF

Loại mô hình Mô hình phát tán khói Gaussian ở trạng

thái không ổn định

Thời gian tính toán 1 giờ (version 5.8) và thay đổi theo từng

giây (version 6.0)

Dữ liệu khí tượng Hàng giờ, mặt đất, lượng mưa, những dự

Trang 26

Phương pháp tương tự như vậy đã được Cơ quan bảo vệ môi trường liên bang của

Mỹ khuyến cáo cho các tính toán mang tính quy phạm

Các mô hình dạng này thích hợp cả đối với những dự báo ngắn hạn lẫn dài hạn Các dự báo ngắn hạn được thực hiện với sự trợ giúp của các mô hình tính toán vẽ bản đồ

ô nhiễm của vùng đối với một giai đoạn tương ứng với các điều kiện tương đối ổn định Các mô hình này cũng có thể được sử dụng cho các dự báo dài hạn nếu khoảng thời gian

dự báo có thể được chia ra thành các dự báo dài hạn nếu khoảng thời gian dự báo có thể được sử dụng cho các khoảng thời gian tựa dừng (gần với điều kiện dừng) của điều kiện khí tượng Phương pháp tiếp cận như vậy là cần thiết để đánh giá nồng độ trung bình năm cho một số lượng lớn các nguồn phân tán

Phương trình Gauss cơ bản dùng để tính nồng độ chất ô nhiễm dọc theo trục luồng khói Phương trình sử dụng hệ số phân tán và dự báo nồng độ chất ô nhiễm quanh nguồn điểm hay nguồn vùng với các dữ liệu nhập vào mô hình là tốc độ phát thải và các dữ liệu

về khí tượng

Mô hình vệt khói Gauss xét cho nguồn thải điểm (ví dụ như ống khói nhà máy, thực sự đây không phải là nguồn thải điểm nhưng một diện tích nhỏ so với không gian rộng lớn có thể xấp xỉ như 1 điểm) và tính nồng độ dọc theo chiều gió do nguồn này thải

ra Sơ đồ biểu diễn và tên gọi được chỉ ra trong hình vẽ 1.2, ở đó góc tọa độ được đặt tại gốc của ống khói với hướng x là hướng dọc theo chiều gió

Công thức đầu tiên trong điều kiện hướng gió không đổi tính cho nguồn điểm liên tục được đưa ra bởi Pasquill (1962) Trong đó, nồng độ dọc theo trục luồng khói được biểu diễn bằng phương trình Gauss, và luồng khói di chuyển với vận tốc u theo hướng gió

Hình 1.2: Sơ đồ mô hình vệt khói Gauss

Trang 27

Dòng khí ô nhiễm thoát ra từ ống khói và sau đó di chuyển theo hướng x và lan tỏa theo hướng y và z Các vệt khói như vậy thường bay lên cao so với ống khói bởi chúng thoát ra với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh và với một vận tốc đứng Đối với mô hình này, vệt khói được giả thiết thoát ra từ điểm có tọa độ (0,0,H) ở

dó H được gọi là độ cao hữu dụng, độ cao này là tổng độ cao vật lý của ống khói và vệt nâng ống khói

1.8.5 Phương pháp xử lý số liệu, thống kê, đánh giá

- Phương pháp xử lý số liệu: Nhập, xử lý các số liệu điều tra, các số liệu phân tích bằng EXCEL, WORD Nhập các kết quả thống kê điều tra được thực hiện trên các kết quả phân tích mẫu và xử lý để đưa ra nhận định

- Phương pháp thống kê: sử dụng trong phân tích, xử lý số liệu, truy vấn dữ liệu trong đánh giá công tác quản lý môi trường

- Phương pháp so sánh: Thu thập những thông tin liên quan và những qui định, tiêu chuẩn hiện có của Nhà nước về quản lý môi trường để so sánh và phát hiện những vấn đề không phù hợp

- Phương pháp đánh giá nhanh: sử dụng những hệ số phát thải môi trường để đánh giá nhanh tải lượng ô nhiễm môi trường từ các nguồn thải

Trang 28

số các ngành khác mô hình được hiểu như một dạng mẫu tương tự

Mô hình là một khái niệm cơ bản của khoa học và đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong khoa học môi trường nơi mà các phép thí nghiệm rất khó tiến hành Thuật ngữ mô hình cũng được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau

- Theo “The American Heritage Dictionary of the English Language, New

York: Houghton Miffin 1969”: “Mô hình là một đối tượng nhỏ, thường được

xây dựng theo tỷ lệ, nó mô tả một vài đối tượng thực tế trong tự nhiên”;

- Theo Stehr: “Mô hình là công cụ giúp dự báo cũng như tính toán trước hậu quả có thể thực thi trong các dự án kinh tế và phát triển xã hội Dự báo này được xây dựng trên nhưng tri thức về đặc trưng của các quá trình xảy ra trong thiên nhiên, quy luật phát triển của xã hội và sự ảnh hưởng lẫn nhau trong mối quan hệ tương hỗ này”

Quá trình mô hình hóa được thể hiện qua các bước trong hình 2.1

Hình 2.1: Các bước quá trình mô hình hóa

Mô hình đóng vai trò ngày càng quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề hóa học, sinh học, năng lượng và môi trường Tuy nhiên việc mô phỏng quá trình vẫn còn gặp một số hạn chế như:

- Việc thu thập được đầy đủ các dữ kiện và kiến thức về cơ chế của quá trình là rất khó đạt được nên tính chính xác của mô hình phụ thuộc nhiều vào kiến thức cơ sở của người mô phỏng;

- Đặc tính của các công cụ tính toán: có nhiều loại phương trình khác nhau dẫn đến các phương pháp giải quyết vấn đề khác nhau Những phương trình này bao gồm vài phương trình đại số phi tuyến và tập hợp các phương trình vi phân riêng phần;

Xác định

vấn đề

Mô hình toán học của quá trình

Xây dựng phương trình

Tính toán Phân tích kết

quả thu được

Trang 29

- Mô hình không khi nào chứa tất cả các đặc điểm của hệ thực mà nó mô phỏng Nếu các giả thiết được đặt ra trong mô hình không đầy đủ thì có thể dẫn đến những thay đổi quan trọng trong kết quả Hoặc mô hình có thể sai sót

từ việc đơn giản hóa, sự cắt bỏ đi nhiều thành phần ảnh hưởng trong thực tế

2.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

Mô hình hóa môi trường là một phần của mô hình hóa tự nhiên – xã hội Vấn đề ô nhiễm môi trường đặt ra đòi hỏi các quốc gia phải giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Xây dựng các phương pháp đánh giá sự bền vững của hệ sinh thái;

- Nghiên cứu các quy luật biến đổi theo thời gian của chúng;

- Hoàn thành các phương pháp đánh giá định lượng tác động lên môi trường do các hoạt động kinh tế - xã hội

Để giải quyết các nhiệm vụ trên, cần thiết phải phát triển lý thuyết hệ thống và mô hình hóa, coi đây là công cụ chính để nghiên cứu môi trường vì ưu điểm:

- Các thông tin ghi có thể được phân tích;

- Việc phân tích thông tin có thể khám phá các tính chất không thể phát hiện khi khảo sát;

- Phát hiện những thiếu sót trong tri thức và đưa ra các ưu tiên trong nghiên cứu;

- Mô hình có thể tối ưu các phép đo bổ sung cho nhau;

- Kiểm tra các giả thuyết khoa học;

Theo cục bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (USEPA): “Các mô hình môi trường

(Environmental Models) được sử dụng để tái tạo lại các quá trình môi trường xảy ra trong một khoảng thời gian nào đó Ngày nay loài người đã hiểu rõ việc tiến hành những thí nghiệm trực tiếp đối với sinh quyển của trái đất là không thể Do vậy xây dựng mô hình

là phương tiện quan trọng để nhận thông tin về tình trạng của sinh quyển khi chịu tác động của con người.”

Mô hình hóa môi trường là xây dựng các mô hình toán học nhằm đánh giá sự

xuất hiện, tồn tại và chuyển động của các chất ô nhiễm trong nguồn nước, khí quyển và đất

Mô hình toán học là mô hình biểu diễn toán học của những mặt chủ yếu của một

nguyên bản theo một nhiệm vụ nào đó, trong một phạm vi giới hạn, với mật độ chính xác vừa đủ và trong dạng thích hợp cho sử dụng Cụ thể hơn mô hình toán học là các công thức để tính toán các quá trình hóa học, vật lý, sinh học được mô phỏng từ hệ thống thực Hiện nay, có nhiều loại mô hình toán học được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu lĩnh vực môi trường từ các hệ sinh thái, nước, không khí và đất bao gồm:

Trang 30

- Mô hình toán sinh thái: Mô hình nghiên cứu sự biến đổi trạng thái của hệ và

sự dẫn tới các trạng thái bền vững;

- Mô hình chất lượng nước mặt: Mô hình hóa sự thay đổi của BOD và DO trong dòng sông và hồ chứa; sự phú dưỡng hóa, sự phân bố các chất độc hại

và kim loại nặng trong nguồn nước mặt;

- Mô hình khuếch tán các chất ô nhiễm trong nước ngầm;

- Mô hình khuếch tán ô nhiễm không khí theo phân bố Gausian;

- Mô hình hóa ô nhiễm không khí theo phương pháp Beriland

2.3 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ

Có nhiều mô hình toán học đã được phát triển để phục vụ cho nhu cầu tính toán ô nhiễm không khí Các mô hình này đã được sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế ống khói thải, lựa chọn vị trí xây dựng nhà máy và đánh giá tác động môi trường nhằm mục đích làm giảm thiểu các ảnh hưởng có hại của các dự án mới, quản lý chất lượng không khí ngắn hạn và kiểm soát sự cố môi trường Các yếu tố được mô hình hóa là vận chuyển chất ô nhiễm của gió, khuếch tán xáo trộn rối; độ nâng cao vệt khói (plume rise), sự biến đổi hóa học các chất ô nhiễm, sự lắng đọng cũng như ảnh hưởng khí động của địa hình

Cơ sở dữ liệu đầu vào mô hình bao gồm dữ liệu nguồn thải, dữ liệu về khí tượng như tốc

độ gió, chiều cao xáo trộn, hệ số khuếch tán… và đặc điểm địa hình của khu vực

2.3.1 Những khái niệm cơ bản

Các khái niệm cơ bản liên quan tới mô hình ô nhiễm không khí bao gồm:

- Phát thải (Emission): Trong giai đoạn đầu tiên, các chất ô nhiễm tỏa vào khí

quyển từ các nguồn thải khác nhau, có thể là nguồn mặt (area source): nguồn thải thấp, đám cháy; nguồn thải đường (line source): đường giao thông; nguồn điểm (point source): ống khói

- Quá trình tải (Advection): Là sự di chuyển của khối không khí trong khí

quyển theo một dòng và đi từ điểm này đến điểm khác Đối với một tạp chất

di chuyển trong khí quyển thì sự tải là sản phẩm của vận tốc khối thể tích khí Tác nhân gây ra hiện tượng tải là gió

- Khuếch tán (Difusion): Là sự di chuyển của các chất ô nhiễm không khí

trong khí quyển theo cả chiều ngang và chiều đứng

- Sự phân tán (Dispersion): Sự tương tác giữa khuếch tán rối với gradient vận

tốc do lực dịch chuyển trong khối không khí tạo ra sự phân tán Sự di chuyển các tạp chất trong khí quyển trong trường hợp có gió (>1m/s) chủ yếu bởi quá trình tải, nhưng sự di chuyển của tạp chất trong trường hợp lặng gió thường là

do sự phân tán

Trang 31

- Biến đổi hóa học (Chemical transformation): Có nhiều phản ứng hóa học

xảy ra trong suốt quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong không khí Kết quả của các phản ứng hóa học này là nhiều chất ô nhiễm thứ cấp (secondary pollutant) được tạo ra Các chất ô nhiễm thải trực tiếp từ các nguồn thải trong không khí được gọi là chất ô nhiễm cơ bản (primary pollutant)

- Lắng đọng ướt (Wet deposition): Là một trong những cơ chế làm sạch khí

quyển hiệu quả nhất Tuy nhiên, trong khi khí quyển được làm sạch thì đất có thể bị axit hóa và điều này có thể gây hại đối với một số khu vực nhạy cảm

- Lắng đọng khô (Dry deposition): Là quá trình diễn ra trong quá trình lan

truyền chất ô nhiễm Cơ chế gây ra quá trình lắng đọng khô là do lực trọng trường, cây cối, quá trình hút hoặc phản ứng của bề mặt trái đất

2.3.2 Phân loại

Tất cả các mô hình ô nhiễm không khí có thể chia thành 4 loại dựa trên cấu trúc và

cơ sở tiếp cận để giải quyết bài toán phát tán ô nhiễm Chúng bao gồm: mô hình giải tích (mô hình Gauss), mô hình số, mô hình thống kê và mô hình vật lý

- Mô hình giải tích và mô hình số là mô hình tất định (Deterministic model)

được thiết lập trên cơ sở các biểu diễn toán học của các dữ liệu đầu vào đã

biết trước (nguồn thải, tốc độ phát thải)

- Mô hình giải tích được thiết lập dựa trên cơ sở cách giải phương trình phát

tán và đòi hỏi một lượng lớn cơ sở dữ liệu

- Mô hình số được thiết lập trên cơ sở các quá trình trong khí quyển, trong đó

kết quả có được từ nguyên nhân tác động ban đầu, kết quả chạy mô hình sẽ

cho ra một tập các giá trị nồng độ chất ô nhiễm

- Ngược lại với mô hình tất định, mô hình thống kê được xây dựng căn cứ trên

mối quan hệ thống kê và bán thực nghiệm giữa các dữ liệu và số liệu thực nghiệm có sẵn Ví dụ, mô hình thống kê được sử dụng để dự đoán nồng độ chất ô nhiễm trong một vài giờ tới ở một vùng này, đó được căn cứ vào các hàm thống kê của các số liệu có sẵn và quan hệ giữa các số liệu này và xu

hướng diễn biến nồng độ trong thời gian trước đây

- Mô hình Euler và mô hình Largrang là hai loại thông dụng của mô hình số

Tuy nhiên, trong trường hợp trạng thái ổn định, thì sử dụng phương pháp giải tích giải quyết bài toán phát tán được chấp nhận Phương pháp này được biết đến như là mô hình khuếch tán Gauss Phương trình khuếch tán Gauss có thể nhận được từ cả hai mô hình Euler và Largrang và là lời giải đặc biệt của mô

hình Euler và Largrang

Trang 32

Hình 2.2: Tổng quan các loại mô hình khuếch tán ô nhiễm không khí

2.3.3 Phương trình cơ bản để tính nồng độ chất ô nhiễm trong khí quyển

Khi mô tả quá trình khuếch tán chất ô nhiễm trong không khí bằng mô hình toán học thì mức độ ô nhiễm không khí thường được đặc trưng bằng trị số nồng độ chất ô

nhiễm phân bố trong không gian và biến đổi theo thời gian

Trong trường hợp tổng quát, trị số trung bình của nồng độ ô nhiễm trong không khí phân bố theo thời gian và không gian được mô tả từ phương trình chuyển tải vật chất (hay là phương trình truyền nhiệt) và biến đổi hóa học đầy đủ như sau:

Mô hình khuếch tán ô nhiễm không khí

Trang 33

C – Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí

x,y,z – Các thành phần tọa độ theo trục Ox, Oy, Oz

t – Thời gian

, ,

x y z

u, v, w – Các thành phần vận tốc gió theo trục Ox, Oy, Oz

Tuy nhiên phương trình (2.1) trên rất phức tạp và nó chỉ là một hình thức mô hình

mô phỏng sự lan truyền ô nhiễm Trên thực tế để giải phương trình này người ta phải tiến hành đơn giản hóa trên cơ sở thừa nhận một số điều kiện gần đúng bằng cách đưa ra các giả thuyết phù hợp với điều kiện cụ thể sau:

- Nếu hướng gió trùng với trục Ox thì thành phần tốc độ gió chiếu lên trục Oy

sẽ bằng 0, có nghĩa là v=0;

- Tốc độ gió thẳng đứng thường nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ gió nên có thể

bỏ qua, có nghĩa w = 0 Trong nhiều trường hợp, nếu xét bụi nhẹ thì Ws = 0 (trong trường hợp bụi nặng thì lúc đó ta sẽ cho Ws  0);

- Nếu bỏ qua hiện tượng chuyển pha (biến đổi hóa học) của chất ô nhiễm cũng như không xét đến chất ô nhiễm được bổ sung trong quá trình khuếch tán thì

=0

Như vậy sau các giả thuyết và chấp nhận 1 số điều kiện gần đúng thì phương trình

ban đầu được viết dưới dạng phương trình (2.1):

Trang 34

Trong trường hợp không tính đến thành phần phi tuyến u C

x



 thì phương trình (2.3) được viết là:

Ta thấy phương trình (2.4) là dạng phương trình truyền nhiệt 2 chiều Tùy theo

điều kiện ban đầu và điều kiện biên mà ta có các nghiệm giải tích khác nhau

Để tìm nghiệm giải tích phương trình (2.4), đầu tiên xét bài toán truyền nhiệt 1

chiều có dạng sau:

2 2 2

2 2

Nếu các đạo hàm của phương trình (2.5) có thể tính được bằng cách vi phân thành phần

dưới dấu tích phân (2.10) thì có nghĩa phương trình (2.10) sẽ thỏa mãn phương trình (2.5)

Trang 35

Ngoài ra ta còn phải thỏa mãn điều kiện ban đầu t=0 Khi đó ta có:

( ) 4 2

1 ( , , )

Hàm số G x( , , ) t được gọi là nghiệm cơ sở của phương trình truyền nhiệt

Hàm số này thỏa mãn phương trình truyền nhiệt theo các biến (x,t) và có thể kiểm tra trực tiếp bằng cách lấy đạo hàm:

Trang 36

1 2

( , )

t k x

x e

Đối với bài toán 2 chiều ta có phương trình tương tự:

1 4 1 2

Q – Lượng phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời, g hoặc kg

2.3.4 Công thức xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân phối

chuẩn Gauss

2.3.4.1 Công thức cơ sở

Lượng chất ô nhiễm trong luồng khói có thể được xem như tổng hợp của vô số khói phụt tức thời, những khói phụt đó được gió mang đi và dần dần nở rộng ra khí ra xa ống khói giống như 1 ổ bánh mì được cắt ra thành nhiều lát mỏng và xếp chồng kề mép lên nhau

Lượng chất ô nhiễm trong từng lát mỏng trong luồng khói có thể được xem như nhau, tức là bỏ qua sự trao đổi chất từ lát này sang lát nọ kề bên nhau trên trục x Từ cách lập luận đó, bài toán lan truyền chất ô nhiễm ở đây là bài toán hai chiều và do đó ta chọn công thức (2.17) để áp dụng cho trường hợp này

Trang 37

Nếu ta thiết lập sự cân bằng vật chất trong từng “lát” khói có bề dày 1m theo chiều

x và các chiều y, z là vô cực khi các lát khói chuyển động cùng với vận tốc gió u thì thời gian để từng lát đi qua ống khói là 1m/u và do đó lượng chất ô nhiễm chứa trong “lát” khói sẽ là Q= Mx1/u

Ngoài ra cần lưu ý rằng bài toán hai chiều ở đây là chiều y và z thay vì cho chiều x

và y trong công thức (2.17) Khi đó công thức (2.17) sẽ trở thành:

1 4 1 2

Công thức (2.23) còn có thể diễn giải bằng phương pháp phân tích thứ nguyên:

Từ miệng ống khói chất ô nhiễm được gió mang đi theo trục x trùng với hướng gió với vận tốc bằng vận tốc gió u (m/s) Nếu lượng phát thải chất ô nhiễm M (g/s) là không đổi theo thời gian thì mật độ của chất ô nhiễm trên tất cả các mặt cắt trực giao với trục gió (cũng là trục luồng khói) sẽ bằng M/u (g/m)

Cường độ phát thải M = 4 đơn vị/s

Trang 38

Khoảng cách dọc theo trục gió (x), m

Hình 2.3: Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của vận tốc gió đến nồng độ chất ô nhiễm do

nguồn phát thải liên tục và hằng số gây ra

Nếu giả thuyết chất ô nhiễm không có phản ứng hóa học với không khí xung quanh tức không sản sinh ra cũng như không phân hủy đi, thì mật độ chất ô nhiễm trên tất

cả các mặt cắt trực giao với trục gió ở mọi khoảng cách x đều như nhau Nhưng nồng độ chất ô nhiễm trong luồng khói thì giảm dần khi khoảng cách x tăng do có hiện tượng khuếch tán theo phương ngang (trục y) và theo phương đứng (trục z) chính vì vậy mà luồng khói lan rộng ra xung quanh trục luồng Càng ra xa khỏi trục luồng theo phương y

và z nồng độ càng giảm nhỏ, tức là nồng độ nghịch biến với khoảng cách y và z

1( )

của khoảng cách x kể từ nguồn đến mặt cắt xem xét Các hệ số này được xác định bằng thực nghiệm phụ thuộc vào khoảng cách x với các điều kiện khác nhau Chính vì vậy tỉ lệ trong biểu thức (2.24) được thay bằng dấu “=” ở đẳng thức (2.26) Biểu thức (2.26) cũng chính là nghiệm của cách giải phương trình vi phân đạo hàm riêng của quá tình khuếch tán

Trang 39

2.3.4.3 Sự biến dạng của mô hình Gauss cơ sở

Điều cần lưu ý trước tiên là trong các công thức (2.19), (2.23), (2.26) các tọa độ y

và z đều tính từ trục của luồng khói

Xét mô hình vệt khói Gauss cho nguồn thải điểm (ví dụ như ống khói nhà máy, thực sự đây không phải là nguồn thải điểm nhưng một diện tích nhỏ so với không gian rộng lớn thì có thể xấp xỉ như 1 điểm) Sơ đồ biểu diễn và tên gọi được chỉ ra trong hình 2.14, ở đó góc tọa độ được đặt tại gốc của ông khói với hướng x là hướng dọc theo chiều gió Nồng độ dọc theo trục luồng khói được biểu diễn bằng phương trình Gauss, và luồng khói di chuyển với vận tốc u theo hướng gió

Dòng khí ô nhiễm thoát ra từ ống khói và sau đó di chuyển theo hướng x và lan tỏa theo hướng y và z Các vệt khói như vậy thường bay lên cao so với ống khói bởi chúng thoát ra với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí xung quanh và với một vận tốc đứng Đối với mô hình này, vệt khói được giả thuyết thoát ra từ điểm cao có tọa độ (0,0,H) ở đó H được coi là độ cao hữu dụng, độ cao này là tổng độ cao vật lý của ống khói và vệt nâng ống khói

Khi chuyển về hệ trục (x,y,z) mà gốc O trùng với chân ống khói trên mặt đất thì y không thay đổi nhưng z phải được thay thế bằng z – H hoặc H – z, do đó công thức (2.26)

và mặt đất được xem như tấm gương phản chiếu

Để kể đến ảnh hưởng của mặt đất phản xạ khuếch tán, nồng độ tại các điểm bất kỳ

A, B được giả thuyết như do hai nguồn giống hệt nhau gây ra, trong đó có một nguồn thực và một nguồn ảo hoàn toàn đối xứng với nhau qua mặt đất Nồng độ tại điểm xem xét (A hoặc B) do nguồn thực gây ra được tính bằng công thức (2.27), còn do nguồn ảo gây ra được tính bằng công thức:

Trang 40

Đây chính là công thức tính toán khuếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao liên tục

Phương trình vệt khói Gauss (2.29) chỉ sử dụng cho thời gian lấy mẫu khoảng vài phút Vì vậy, công thức sau đây dùng để tính toán cho nguồn điểm trong khoảng thời gian lâu hơn:

p k

Nhưng mô hình thời đoạn ngắn (short – term models) được sử dụng tính toán nồng

độ chất ô nhiễm trong thời gian 30 phút trong 1 ngày Khi tính toán nồng độ ô nhiễm trên mặt đất thì z = 0 và công thức (2.29) trở thành:

22

Định dạng
Số trang	172
Dung lượng	11,49 MB