Khu vực nghiên cứu
KVNC của đề tài này nằm ở vùng Đông Nam Bộ (ĐNB) của Việt Nam, với các giới hạn tọa độ địa lý phần đất liền được xác định theo hệ quy chiếu Latitude-Longitude, sử dụng datum WGS 1984 (EPSG:4326).
- Tọa độ điểm cực bắc: φ = 12°17'51,18"N, λ = 107°12'07,50"E.N, λ = 107°12'07,50"N, λ = 107°12'07,50"E.E.
- Tọa độ điểm cực nam: φ = 10°19'19,84"N, λ = 107°12'07,50"E.N, λ = 107°04'59,42"N, λ = 107°12'07,50"E.E.
- Tọa độ điểm cực tây: φ = 11°37'06,60"N, λ = 107°12'07,50"E.N, λ = 105°48'35,49"N, λ = 107°12'07,50"E.E.
- Tọa độ điểm cực đông: φ = 10°35'38,36"N, λ = 107°12'07,50"E.N, λ = 107°34'56,06"N, λ = 107°12'07,50"E.E.
Khu vực này bao gồm năm tỉnh và một thành phố, cụ thể là thành phố Hồ Chí Minh, tỉnh Bà Rịa – Vũng Tàu, tỉnh Bình Dương, tỉnh Bình Phước, tỉnh Đồng Nai và tỉnh Tây Ninh.
Hình 1.1 Sơ đồ khu vực nghiên cứu [50]
(Nguồn: vẽ lại từ WebGIS Bản đồ hành chính, trang web Cổng Thông tin điện tử Chính phủ Việt
Nam, 2012, http://gis.chinhphu.vn/)
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5
Tác giả chia toàn bộ quá trình nghiên cứu thành tám nội dung nghiên cứu chính sau:
- Nội dung 1: thu thập và tổng hợp dữ liệu quan trắc về KT, CLKK của
- Nội dung 2: thu thập và tổng hợp dữ liệu KT và dữ liệu phát thải làm dữ liệu đầu vào cho các mô hình KT và CLKK.
Để tính toán các yếu tố kinh tế và nồng độ các chất gây ô nhiễm tại khu vực nội địa, cần cài đặt và vận hành các mô hình kinh tế (KT) và mô hình chất lượng không khí (CLKK) Việc này không chỉ giúp đánh giá chính xác tình trạng ô nhiễm mà còn hỗ trợ trong việc đưa ra các giải pháp cải thiện môi trường.
- Nội dung 4: hiệu chỉnh các mô hình KT và các mô hình CLKK, xử lý dữ liệu đầu ra, xuất kết quả tính toán từ các mô hình trên.
- Nội dung 5: so sánh và nhận xét kết quả tính toán từ các mô hình KT và các mô hình CLKK.
- Nội dung 6: tính giá trị AQI dựa vào các kết quả tính nồng độ các chất CO,
NO, NO2, O3, SO2 từ các mô hình CLKK.
Sử dụng các công cụ GIS để trực quan hóa kết quả các yếu tố kinh tế, nồng độ các chất ô nhiễm và giá trị chỉ số chất lượng không khí (AQI) trên các bản đồ chuyên đề giúp nâng cao khả năng phân tích và quản lý môi trường.
- Nội dung 8: xây dựng trang web “Dự báo Chất lượng không khí vùng Đông
Nam Bộ” để biểu diễn kết quả dự báo CLKK từ các mô hình CLKK.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN 5
Ý nghĩa khoa học
Xét về mặt khoa học, đề tài này có hai ý nghĩa khoa học chính:
Đề tài này sẽ cung cấp cơ sở phương pháp luận và định hướng cho các nghiên cứu sâu hơn về dự báo chất lượng không khí (CLKK) thông qua các mô hình quang hóa tại khu vực miền Nam Việt Nam, cũng như áp dụng cho các khu vực khác trên toàn quốc.
Đề tài này sẽ cung cấp cơ sở khoa học quan trọng cho việc phát triển các phương tiện truyền thông môi trường hiệu quả, nhằm truyền tải thông tin về chất lượng môi trường nước và không khí đến cộng đồng.
Ý nghĩa thực tiễn
Xét về mặt thực tiễn, đề tài này có ba ý nghĩa thực tiễn chính:
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, đề tài sẽ thu thập và tổng hợp dữ liệu liên quan đến kinh tế, sử dụng đất, nguồn phát thải, nồng độ chất ô nhiễm và chỉ số chất lượng không khí (AQI) Bộ dữ liệu này sẽ trở thành nguồn tham khảo quý giá cho các nghiên cứu môi trường tiếp theo tại khu vực miền Bắc Việt Nam.
Với dữ liệu đầu vào đáng tin cậy và các phương pháp chọn lọc cùng với xử lý số liệu khoa học, tác giả tin rằng thông tin và số liệu về chất lượng không khí (CLKK) tại khu vực ven biển miền Bắc Việt Nam (KVNC) sẽ trở thành nguồn dữ liệu quan trọng, hỗ trợ hiệu quả cho công tác quản lý môi trường tại khu vực này.
Một trong những mục tiêu chính của đề tài là phát triển một trang web chuyên dự báo tình hình khí hậu khu vực Đông Nam Bộ Trang web này sẽ đóng vai trò là một công cụ truyền thông môi trường hiệu quả, cung cấp thông tin kịp thời và chính xác về biến đổi khí hậu cho cộng đồng dân cư trong khu vực.
TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI 6 CHƯƠNG II 8
Qua việc xác định đối tượng, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, cùng với việc tham khảo tài liệu liên quan, tác giả nhận thấy đề tài này có ba điểm mới so với các nghiên cứu trước đây.
Đề tài này đánh dấu lần đầu tiên ứng dụng mô hình quang hóa để mô phỏng và dự báo chất lượng không khí khu vực Đông Nam Bộ (ĐNB) của Việt Nam, khắc phục những hạn chế của các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Với độ phân giải ô lưới phù hợp và dữ liệu đầu vào đáng tin cậy, kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp nguồn dữ liệu quý giá cho công tác nghiên cứu và quản lý môi trường tại ĐNB.
Nét mới thứ hai của đề tài là việc tính giá trị AQI từ kết quả nồng độ chất gây ô nhiễm qua mô hình CLKK AQI là chỉ số định lượng CLKK khoa học, dễ hiểu và có tính khái quát cao Sử dụng giá trị AQI để thông tin diễn biến CLKK sẽ giúp cộng đồng tiếp cận thông tin hiệu quả hơn, đồng thời giúp người dân nhận biết được ảnh hưởng của CLKK đối với sức khỏe, từ đó có biện pháp phòng tránh phù hợp.
Việc thử nghiệm biểu diễn kết quả dự báo chất lượng không khí (CLKK) trên một trang web chính thức là điểm mới thứ ba của đề tài Như đã nêu, Việt Nam cần một trang web dự báo CLKK để cập nhật thông tin cho cộng đồng Do đó, đề tài này có thể được coi là bước khởi đầu quan trọng trong việc xây dựng trang web dự báo CLKK.
CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Khi nghiên cứu ô nhiễm môi trường không khí, việc nắm vững kiến thức cơ sở là rất quan trọng Chương này sẽ giới thiệu những kiến thức nền tảng về ô nhiễm không khí và mô hình hóa chất lượng không khí (CLKK) Nội dung của chương 2 bao gồm bốn phần chính.
- Giới thiệu một số kiến thức cơ bản về ô nhiễm môi trường không khí.
- Giới thiệu khái quát về hai loại Chỉ số Chất lượng Không khí (AQI) của Hoa
- Giới thiệu một số kiến thức cơ bản về mô hình KT.
- Giới thiệu một số kiến thức cơ bản về mô hình CLKK.
Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 8
Khái niệm ô nhiễm môi trường không khí
Ở tiểu mục này, chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu về khái niệm ô nhiễm môi trường không khí, khái niệm cốt lõi của vấn đề nghiên cứu.
Tổ chức Y tế Thế Giới (WHO) định nghĩa ô nhiễm không khí là sự ô nhiễm môi trường trong nhà và ngoài trời do các hóa chất, tác nhân vật lý hoặc sinh học, làm thay đổi các đặc điểm tự nhiên của khí quyển.
Ô nhiễm môi trường không khí, theo Lưu Đức Hải trong tác phẩm “Cơ sở khoa học môi trường” (2005), được định nghĩa là sự hiện diện của các chất lạ hoặc sự biến đổi đáng kể trong thành phần không khí, dẫn đến không khí bị ô nhiễm, có mùi khó chịu và giảm khả năng quan sát xa do bụi.
Ô nhiễm môi trường không khí được định nghĩa là tình trạng trong đó bầu khí quyển bình thường chứa thêm các chất (dạng rắn, lỏng, khí) với nồng độ có hại hoặc có thể gây hại cho con người và môi trường, theo tác giả Đặng Mộng Lân và đồng sự trong “Từ điển Môi trường và Phát triển bền vững Anh-Việt và Việt-Anh” (2001).
Ô nhiễm môi trường không khí được hiểu đơn giản là sự biến đổi thành phần không khí theo hướng tiêu cực, có thể do sự xuất hiện của các chất lạ hoặc do các chất có sẵn trong tự nhiên, gây hại cho con người, sinh vật và môi trường.
Nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí
Theo nghiên cứu của Hoàng Thị Hiền và Bùi Sĩ Lý trong bài viết “Bảo vệ môi trường không khí” (2009), ô nhiễm không khí chủ yếu xuất phát từ hai nhóm nguồn chính.
- Nhóm các nguồn gây ô nhiễm tự nhiên:
Cháy rừng là hiện tượng thường xảy ra trong các khu rừng có thời tiết khô hanh, với nguyên nhân tự nhiên như sấm chớp, thực vật tự cháy và tia lửa do ma sát Các đám cháy này có thể lan rộng nhanh chóng trên diện tích lớn, phát thải bụi và khí ô nhiễm như CO và CO2 vào không khí.
Bão bụi là hiện tượng thường xảy ra ở các khu vực hoang mạc và bán hoang mạc, nơi mà các cơn bão với vận tốc gió lớn mang theo lượng lớn bụi cát Những cơn bão này không chỉ bào mòn lớp đất mặt mà còn đưa một khối lượng bụi cát đáng kể vào bầu khí quyển.
Sự phân hủy sinh học xác động thực vật là quá trình thối rữa và phân hủy chất hữu cơ từ xác động thực vật, đóng vai trò quan trọng trong tự nhiên Tuy nhiên, quá trình này cũng phát sinh một lượng lớn các chất khí gây ô nhiễm, như CH4 và NH3.
Hiện tượng sấm chớp là một hiện tượng tự nhiên phổ biến, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các chất ô nhiễm như acid nitric, NH3 và NO2.
Hiện tượng núi lửa phun trào xảy ra khi các núi lửa hoạt động, phun ra lượng lớn dung nham nóng chảy, bụi tro và các khí độc hại, gây ô nhiễm môi trường.
Khi hiện tượng ô nhiễm xảy ra, các chất như CH4, CO, SO2, và SO3 thường được phun lên cao và nhanh chóng lan tỏa ra xung quanh, gây ra ảnh hưởng rộng lớn đến môi trường.
- Nhóm các nguồn gây ô nhiễm nhân tạo:
Hoạt động giao thông vận tải là nguồn phát sinh chính các chất gây ô nhiễm, chủ yếu từ quá trình đốt nhiên liệu động cơ đốt trong Các chất ô nhiễm chủ yếu bao gồm bụi, cát, đất đá, và các khí như CH4, CO, CO2, NOx, SO2 Nguồn ô nhiễm này đặc biệt nghiêm trọng tại các khu đô thị đông dân cư với mật độ dân số cao Mặc dù nồng độ ô nhiễm từ từng phương tiện giao thông có thể nhỏ, nhưng khi mật độ giao thông lớn và quy hoạch địa hình, đường xá không hợp lý, sẽ dẫn đến ô nhiễm không khí nghiêm trọng.
Hoạt động sản xuất công nghiệp gây ra ô nhiễm không khí chủ yếu do quá trình đốt các nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt và than đá Các chất gây ô nhiễm từ nguồn này rất đa dạng và phụ thuộc vào từng ngành nghề, bao gồm bụi, muội than (chất rắn) và các khí như CO, CO2, NOx, SO2 Đây là nguồn ô nhiễm không khí nghiêm trọng, đặc biệt tại các trung tâm công nghiệp.
Hoạt động phục vụ nhu cầu sinh hoạt, như đun nấu và sưởi ấm, là nguồn phát sinh chính của các chất gây ô nhiễm, chủ yếu từ việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch Các chất ô nhiễm này bao gồm bụi và muội than, góp phần vào tình trạng ô nhiễm không khí.
CO và CO2 là những chất khí có khả năng gây ô nhiễm không khí Mặc dù mức độ ô nhiễm từ các nguồn này tương đối nhỏ, nhưng trong môi trường hộ gia đình hoặc khu vực lân cận, ô nhiễm không khí cục bộ lại trở nên đáng kể.
Phân loại các chất gây ô nhiễm môi trường không khí
Theo Hoàng Thị Hiền và Bùi Sĩ Lý trong tác phẩm "Bảo vệ môi trường không khí" (2009), các nhà khoa học môi trường phân loại chất ô nhiễm không khí thành hai nhóm chính: chất ô nhiễm sơ cấp và chất ô nhiễm thứ cấp.
- Nhóm các chất gây ô nhiễm sơ cấp:
Các chất phát thải trực tiếp từ các nguồn đã đề cập ở Tiểu Mục 2.1.2 chủ yếu được sinh ra từ các quá trình tự nhiên và quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt và than đá.
Một số chất gây ô nhiễm sơ cấp tiêu biểu [7]:
Dạng khí: CO, CO2, H2S, SO2, các hydrocarbon tạo dầu và các hydrocarbon thơm mạch vòng.
Dạng phần tử (hạt): bụi, bụi nước, khói, muội than, sương mù.
- Nhóm các chất gây ô nhiễm thứ cấp:
Các chất ô nhiễm được hình thành trong bầu khí quyển chủ yếu thông qua các phản ứng và tương tác giữa các chất gây ô nhiễm ban đầu, dưới tác động của các yếu tố khí quyển.
Một số chất gây ô nhiễm thứ cấp tiêu biểu [7]:
Dạng acid: acid sulfuric, acid nitric.
Dạng phần tử (hạt): sương mù quang hóa.
Giới thiệu sơ lược năm chất sẽ khảo sát
Trong đề tài này, tác giả sẽ nghiên cứu chủ yếu năm chất gây ô nhiễm sau:
- Tính chất vật lý của CO:
Carbon monoxide (CO) là một khí không màu, không mùi và không vị, có khối lượng riêng nhẹ hơn không khí, với khối lượng phân tử 28,010 g/mol và nhiệt độ hóa lỏng ở -191 oC Ở nhiệt độ 0 oC, 1 lít CO nặng 1,254 g CO ít tan trong nước, cụ thể ở 0 oC và 1 atm, 100 ml nước chỉ hòa tan được 3,54 ml CO, trong khi ở 25 oC và 1 atm, con số này giảm xuống còn 2,14 ml Đặc biệt, CO không bị hấp phụ bởi than hoạt tính.
- Tính chất hóa học của CO:
Khi cháy, ngọn lửa của CO có màu xanh và sản phẩm tạo thành là CO2 [3].
CO là một chất trơ về mặt hóa học ở điều kiện nhiệt độ và áp suất bình thường, nhưng khi nhiệt độ tăng cao, CO trở thành một chất khử mạnh Do tính chất này, CO thường được sử dụng làm chất khử trong công nghệ và phân tích.
Quá trình oxi hóa CO thành CO2 có thể được tăng cường khi sử dụng các chất xúc tác như Pd trên gel silic hoặc hỗn hợp oxit Mn và Cu.
CO được tạo ra từ các nguồn phát thải chủ yếu sau:
Quá trình đốt nhiên liệu của các loại động cơ đốt trong [3].
Khí thải tạo ra từ nhà máy nhiệt điện [3].
Các loại chất hữu cơ bị đốt cháy không hoàn toàn [3].
Sử dụng than cốc trong công nghiệp sản xuất gang – thép [3].
Sản xuất khí đốt từ than đá [3].
Sản xuất đất đèn (hay còn gọi là gió đá) làm nguyên liệu tạo ra acetylene (C2H2) [3].
Nạn nhân bị nhiễm độc siêu cấp tính CO có thể hôn mê và ngất xỉu ngay lập tức, dẫn đến nguy cơ tử vong Tuy nhiên, nếu được cấp cứu kịp thời, họ có khả năng sống sót, nhưng sẽ phải đối mặt với một số triệu chứng như co giật cơ, nhức đầu và chóng mặt.
Trong trường hợp cấp tính thể nặng do nhiễm độc carbon monoxide (CO), nạn nhân có thể gặp phải suy giảm khả năng phán đoán, rối loạn hệ vận động và hô hấp, mất phản xạ co giật, dẫn đến hôn mê và có nguy cơ tử vong Nếu được cấp cứu kịp thời, nạn nhân có thể sống sót, nhưng vẫn có thể trải qua các triệu chứng như nhức đầu, rối loạn tâm thần, khó phát âm, nói ngọng và rối loạn hệ thị giác.
Trường hợp cấp tính thể nhẹ: nạn nhân bị nhiễm độc cấp tính thể nhẹ
Khi tiếp xúc với khí CO, người bị ảnh hưởng có thể trải qua các triệu chứng như nhức đầu, buồn nôn, mệt mỏi và rối loạn hệ thị giác Tuy nhiên, nếu ngừng tiếp xúc với khí CO, những triệu chứng này sẽ dần biến mất.
Nạn nhân bị nhiễm độc cấp tính CO trong thời gian dài có thể gặp phải nhiều di chứng nghiêm trọng, bao gồm tổn thương tim như rối loạn điện tim và nhồi máu cơ tim, tổn thương hệ thần kinh dẫn đến giảm trí nhớ, cùng với các vấn đề về da như ban, trứng cá và hoại thư.
Nạn nhân bị nhiễm độc mãn tính CO có thể trải qua nhiều triệu chứng như nhức đầu, chóng mặt, mệt mỏi, suy nhược, khó thở, dễ cáu gắt, cảm giác buồn ngủ khi tập trung, cũng như rối loạn hệ thị giác và tiêu hóa.
- Tính chất vật lý của NO:
Nitrogen monoxide (NO) là một chất khí độc, không màu, không mùi [3].
NO có khối lượng phân tử 30,006 g/mol, chủ yếu hình thành từ quá trình cháy nhiên liệu không hoàn toàn ở nhiệt độ cao, với nhiệt độ càng cao thì lượng NO càng tăng NO là thành phần quan trọng trong việc hình thành sương mù quang hóa, một hợp chất gây ô nhiễm môi trường rất độc hại.
- Tính chất hóa học của NO:
NO không phản ứng với nước và kiềm Chất này không bền trong không khí và có khả năng bị oxi hóa thành NO2, tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra khi hàm lượng NO cao; nếu hàm lượng thấp, phản ứng này khó xảy ra.
NO được tạo ra từ các nguồn phát thải chủ yếu sau:
Các quá trình sinh học trong tự nhiên, dưới tác động của vi khuẩn [3].
Quá trình đốt nhiên liệu của các loại động cơ đốt trong [3].
Quá trình đốt nhiên liệu của lò đốt than, lò đốt dầu F.O, turbine khí [3].
Nhiễm độc NO có thể dẫn đến suy giảm khả năng vận chuyển oxy trong cơ thể, gây ra bệnh thiếu máu do tác động của NO lên hồng cầu Ở nồng độ cao, nhiễm độc NO còn có thể gây tổn thương nghiêm trọng đến hệ thần kinh trung ương.
- Tính chất vật lý của NO 2 :
Nitrogen dioxide (NO2) là một khí độc, có màu nâu nhạt hoặc nâu đỏ, với mùi có thể phát hiện ở nồng độ 0,12 ppm Khối lượng phân tử của NO2 là 46,055 g/mol, nó dễ hấp thụ bức xạ tử ngoại và hòa tan trong nước Ở nhiệt độ thường, NO2 tồn tại dưới dạng hỗn hợp cân bằng giữa NO2 và N2O4 Khi nhiệt độ tăng, N2O4 sẽ phân ly thành NO2, dẫn đến sự gia tăng hàm lượng NO2 trong hỗn hợp.
- Tính chất hóa học của NO 2 :
NO2 là một chất khí quan trọng trong phản ứng quang hóa, góp phần hình thành sương mù quang hóa (smog) Khi phản ứng với nước, NO2 tạo ra hai loại axit: HNO2 và HNO3 Ngoài ra, NO2 cũng có khả năng phản ứng với kiềm để tạo ra các muối nitrite và nitrate.
NO2 được tạo ra từ các nguồn phát thải chủ yếu sau:
Quá trình đốt nhiên liệu của các loại động cơ đốt trong, các loại lò đốt [3].
Quá trình sản xuất acid HNO3 và các muối nitrate trong công nghiệp hóa chất [3].
Quá trình hàn điện, cắt sắt thép bằng điện, đúc điện [3].
Nổ mìn trong hầm mỏ, phá đá [3].
Các ngành in ấn, dệt (tẩy trắng), thực phẩm, thổi thủy tinh cũng phát sinh một lượng NO2 đáng kể [3].
Trong trường hợp cấp tính thể nặng do nhiễm độc NO2, nạn nhân có thể gặp phải các triệu chứng như khó chịu ở ngực, nhức đầu, mệt mỏi, khó thở và đau bụng Sau giai đoạn nhiễm độc tiềm tàng, những triệu chứng nghiêm trọng hơn sẽ xuất hiện, bao gồm phù phổi cấp, tím tái, hôn mê và co giật.
Trường hợp cấp tính thể nhẹ: nạn nhân bị nhiễm độc cấp tính thể nhẹ
NO2 có thể bị ho nhẹ, mắt và thanh quản bị kích thích, trong một số trường hợp có thể dẫn đến phù phổi và nhiễm trùng phổi [3].
Nạn nhân nhiễm độc mãn tính NO2 có thể trải qua nhiều triệu chứng như kích thích mắt, rối loạn tiêu hóa, viêm phế quản và tổn thương răng.
- Tính chất vật lý của O 3 :
Chỉ số AQI theo U.S EPA
2.2.1.1 Giới thiệu chỉ số AQI theo U.S EPA
Chỉ số AQI, do Cơ quan Bảo vệ Môi trường Liên bang Hoa Kỳ (U.S EPA) thiết lập, là công cụ quan trọng để báo cáo chất lượng không khí hàng ngày Giá trị AQI giúp người dân nhận biết mức độ ô nhiễm không khí và ảnh hưởng của nó đến sức khỏe trong thời gian ngắn Chỉ số này tập trung vào việc dự báo các tác động sức khỏe mà người dân có thể gặp phải sau khi hít thở không khí ô nhiễm U.S EPA xác định giá trị AQI dựa trên năm thông số môi trường chính: nồng độ O3 mặt đất, ô nhiễm bụi, ô nhiễm CO, ô nhiễm SO2 và ô nhiễm NO2.
Năm thông số quan trọng trong việc đánh giá chất lượng không khí đã được quy định trong Đạo luật Không khí Sạch (Clean Air Act) của Quốc hội Liên bang Hoa Kỳ vào năm 1967.
2.2.1.2 Thang đo chỉ số AQI theo U.S EPA
Chỉ số AQI theo tiêu chuẩn của U.S EPA có thang đo từ 0 đến 500, với giá trị AQI cao hơn tương ứng với mức độ ô nhiễm không khí gia tăng Khi chỉ số AQI tăng, ảnh hưởng của ô nhiễm không khí đến sức khỏe cộng đồng sẽ trở nên nghiêm trọng hơn.
Giá trị AQI 50 cho thấy chất lượng không khí (CLKK) tốt, ít ảnh hưởng đến sức khỏe con người, trong khi giá trị AQI từ 300 đến 500 cho thấy CLKK ở mức độc hại.
Giá trị AQI 100 trên thang đo của U.S EPA tương ứng với Tiêu chuẩn Chất lượng Không khí Quốc gia của Hoa Kỳ, nhằm bảo vệ sức khỏe cộng đồng AQI dưới 100 được xem là mức an toàn và được khuyến khích duy trì, trong khi giá trị AQI trên 100 cho thấy chất lượng không khí không lành mạnh, có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe Thang đo AQI theo U.S EPA được trình bày trong Bảng 2.1.
2.2.1.3 Cách tính chỉ số AQI theo U.S EPA
Theo tài liệu "Hướng dẫn Báo cáo Chất lượng Không khí Hàng ngày - Chỉ số Chất lượng Không khí" (U.S EPA, 2006), giá trị AQI được xác định thông qua Công thức 2.1 và các thông số liên quan được trình bày trong Bảng 2.2.
Giá trị AQI cho chất gây ô nhiễm P được xác định dựa trên nồng độ làm tròn của chất này Mốc giá trị nồng độ được phân chia thành hai loại: lớn hơn hoặc bằng và nhỏ hơn hoặc bằng Giá trị AQI sẽ được tính toán tại các mốc giá trị nồng độ này để đánh giá mức độ ô nhiễm không khí.
Ví dụ về cách tính AQI [35]: giả sử nếu có một bộ số liệu quan trắc như sau:
O3 0,077 ppm; PM2.5 54,4 àg/m 3 ; CO 8,4 ppm Chỳng ta sẽ tớnh AQI như sau:
Trong trường hợp có ba giá trị AQI là 81, 82 và 87, chúng ta sẽ chọn giá trị AQI lớn nhất là 87 Điều này là do dự báo chất lượng không khí (CLKK) luôn tính đến khả năng rủi ro cao nhất.
AQI KHÔNG KHÍ MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG SỨC KHỎE NGƯỜI DÂN
Chỉ số chất lượng không khí (CLKK) từ 0 đến 50 được xem là tốt, cho thấy mức độ ô nhiễm không khí không gây ra rủi ro đáng kể cho sức khỏe con người, hoặc chỉ gây ra ít rủi ro.
Mức CLKK hiện tại được coi là chấp nhận được, tuy nhiên, một số chất ô nhiễm có thể ảnh hưởng trung bình đến sức khỏe của một nhóm dân cư nhỏ, đặc biệt là những người nhạy cảm với ô nhiễm không khí.
Có hại đến sức khỏe đối với đối tượng nhạy cảm
Một nhóm dân cư nhạy cảm với ô nhiễm môi trường có thể trải qua ảnh hưởng sức khỏe nghiêm trọng, trong khi công chúng nói chung lại chưa bị tác động rõ rệt.
Mức độ ô nhiễm không khí từ 151-200 có thể gây hại nghiêm trọng đến sức khỏe của tất cả mọi người, đặc biệt là những nhóm dân cư nhạy cảm Những người này có nguy cơ cao gặp phải các vấn đề sức khỏe nghiêm trọng do tác động của ô nhiễm không khí.
201-300 Rất có hại đến sức khỏe
Mức độ báo động về sức khỏe, mọi người dân có thể bị những ảnh hưởng nghiêm trọng về sức khỏe Đỏ tía (tím)
Mức độ 301-500 được coi là mức nguy hại nghiêm trọng, cảnh báo sức khỏe đã được đặt ở mức khẩn cấp Toàn bộ dân số sẽ bị ảnh hưởng một cách nghiêm trọng, đây là cấp độ nguy hiểm nhất.
0,224 ( 2 ) 101-150 Có hại đến sức khỏe đối với đối tượng nhạy cảm
0,225- 0,304 ( 2 ) 151-200 Có hại đến sức khỏe
1,24 201-300 Rất có hại đến sức khỏe
Các khu vực cần tính chỉ số AQI dựa trên giá trị ozone 8 giờ, tuy nhiên, vẫn chấp nhận các khu vực sử dụng giá trị ozone 1 giờ Trong trường hợp này, cả giá trị ozone 1 giờ và 8 giờ đều có thể được sử dụng để xác định AQI tối đa.
2 Chỉ số NO2 không có NAAQS và chỉ tạo ra giá trị AQI trên 200.
3 Giá trị ozone 8 giờ không thể xác định được giá trị AQI ≥ 301 Các giá trị AQI ≥ 301, chỉ có thể xác định với giá trị ozone 1 giờ
4 Các giá trị trong ngoặc liên quan đến giá trị 1 giờ và chỉ được dùng để khớp dữ liệu.
Chỉ số AQI của Quyết định 878/QĐ-TCMT
2.2.2.1 Giới thiệu chỉ số AQI theo Quyết định 878/QĐ-TCMT
Vào ngày 01/07/2011, Tổng cục Môi trường Việt Nam đã ban hành Quyết định số 878/QĐ-TCMT, trong đó có Sổ tay hướng dẫn tính toán Chỉ số Chất lượng Không khí (AQI) AQI được định nghĩa là chỉ số phản ánh tình trạng chất lượng không khí và ảnh hưởng đến sức khỏe con người, được tính toán từ các thông số ô nhiễm Sổ tay này hướng dẫn cho các cơ quan quản lý nhà nước về môi trường và các tổ chức, cá nhân tham gia vào mạng lưới quan trắc môi trường Theo hướng dẫn, AQI được phân loại thành chỉ số theo giờ và chỉ số theo ngày.
Hai loại chỉ số AQI được xác định dựa trên năm thông số môi trường cơ bản: bụi (PM10 hay TSP), khí CO, khí NOx, khí O3 và khí SO2 Mức quy định nồng độ của các thông số này được lấy từ “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh” hiện hành, cụ thể là QCVN 05:2009/BTNMT.
2.2.2.2 Thang đo chỉ số AQI theo Quyết định 878/QĐ-TCMT
Chỉ số AQI, theo Quyết định 878/QĐ-TCMT, có thang đo bắt đầu từ giá trị thấp nhất là 0 và không quy định giá trị cao nhất, nhưng giá trị 300 được sử dụng làm mốc so sánh cao nhất.
Chỉ số AQI theo Quyết định 878/QĐ-TCMT tương tự như chỉ số AQI của U.S EPA, cho thấy rằng giá trị AQI càng cao thì mức độ ô nhiễm không khí càng lớn và ảnh hưởng đến sức khỏe con người cũng tăng theo Thang đo AQI được chia thành năm mức, trong đó mức đầu tiên có giá trị từ 0-50 tương ứng với chất lượng không khí tốt, và mức cuối cùng có giá trị lớn hơn 300 tương ứng với chất lượng không khí nguy hại.
Giá trị AQI 100 được coi là giá trị chuẩn, phản ánh mức nồng độ cho phép của năm thông số cơ bản theo “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh” QCVN 05:2009/BTNMT Thang đo AQI được quy định trong Quyết định 878/QĐ-TCMT và được trình bày trong Bảng 2.3.
Bảng 2.3 Thang đo giá trị AQI theo Quyết định 878/QĐ-TCMT và mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe con người [12 ]
Chất lượng không khí Ảnh hưởng sức khỏe Màu
0 – 50 Tốt Không ảnh hưởng đến sức khỏe Xanh
51 – 100 Trung bình Nhóm nhạy cảm nên hạn chế thời gian ở bên ngoài Vàng
101 – 200 Kém Nhóm nhạy cảm cần hạn chế thời gian ở bên ngoài Da cam
201 – 300 Xấu Nhóm nhạy cảm tránh ra ngoài Những người khác hạn chế ở bên ngoài Đỏ
Trên 300 Nguy hại Mọi người nên ở trong nhà Nâu
Ghi chú: Nhóm nhạy cảm bao gồm: trẻ em, người già và những người mắc bệnh hô hấp
(Nguồn: Quyết định 878/QĐ-TCMT, Tổng cục Môi trường Việt Nam, 2011)
2.2.2.3 Cách tính chỉ số AQI theo Quyết định 878/QĐ-TCMT
Theo "Sổ tay hướng dẫn tính toán Chỉ số Chất lượng Không khí (AQI)" do Tổng cục Môi trường Việt Nam ban hành kèm theo Quyết định 878/QĐ-TCMT năm 2011, chỉ số AQI được phân loại thành hai dạng: chỉ số AQI theo giờ và chỉ số AQI theo ngày.
[12] Mỗi loại chỉ số AQI này có một cách tính riêng được quy định cụ thể trong Sổ tay.
- Tính toán giá trị AQI theo giờ:
Giá trị AQI theo giờ của từng thông số được xác định dựa vào Công Thức 2.2 và các thông số liên quan trong Bảng 2.4 [12] Giá trị này được tính từ giá trị quan trắc trung bình 1 giờ của thông số x và giá trị quy chuẩn trung bình 1 giờ của thông số x, được lấy từ QCVN 05:2009/BTNMT Cuối cùng, giá trị AQI theo giờ của thông số x sẽ được làm tròn thành số nguyên.
Lưu ý: do không có quy chuẩn trung bình 1 giờ cho thông số PM10, vì vậy lấy quy chuẩn của TSP trung bình 1 giờ thay thế cho PM10 [12].
Sau khi tính toán giá trị AQI theo giờ cho từng thông số, chúng ta sẽ chọn giá trị AQI cao nhất trong số năm thông số tại cùng một thời điểm (1 giờ) để xác định giá trị AQI theo giờ Phương pháp tính toán này được thể hiện trong Công Thức 2.3 [12].
Sổ tay quy định rằng mỗi ngày có thể tính toán 24 giá trị trung bình cho mỗi thông số, tổng cộng là 120 giá trị cho năm thông số, tương ứng với việc tính toán 24 giá trị AQI theo giờ.
- Tính toán giá trị AQI theo ngày:
Trước khi tính toán chỉ số AQI theo ngày cho từng thông số, cần xác định giá trị AQI trung bình 24 giờ của từng thông số Giá trị này được tính dựa trên Công Thức 2.4 và các thông số liên quan trong Bảng 2.4 Để tính AQI trung bình 24 giờ, cần sử dụng giá trị quan trắc trung bình 24 giờ của thông số x và giá trị quy chuẩn trung bình 24 giờ của thông số x theo QCVN 05:2009/BTNMT Cuối cùng, giá trị AQI sẽ được làm tròn thành số nguyên.
Lưu ý: không tính giá trị [12].
Sau khi tính toán giá trị AQI trung bình trong 24 giờ cho từng thông số, chúng ta sẽ sử dụng giá trị này để xác định AQI theo ngày cho từng thông số Giá trị AQI theo ngày được tính dựa trên Công Thức 2.5 và sẽ được làm tròn thành số nguyên.
Theo Công Thức 2.5, giá trị AQI theo ngày của mỗi thông số được xác định là giá trị lớn nhất trong số các giá trị AQI theo giờ trong một ngày và giá trị AQI trung bình trong 24 giờ của thông số đó.
Sau khi tính toán giá trị AQI hàng ngày cho từng thông số, giá trị AQI cao nhất trong ngày của các thông số chính sẽ được coi là giá trị AQI hàng ngày của trạm quan trắc.
[12] Giá trị AQI theo ngày được xác định theo Công Thức 2.6 [12].
Bảng 2.4 Các giá trị QC x lấy ra từ QCVN 05:2009/BTNMT [1] Đơn vị tớnh: àg/m 3
STT Thông số Trung bình
Ghi chú: Dấu (-) là không quy định.
(Nguồn: QCVN 05:2009/BTNMT, Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam, 2009)
MÔ HÌNH KHÍ TƯỢNG 26
Khái niệm về mô hình khí tượng
Theo Ủy ban về Chất lượng Môi trường Texas (TCEQ, 2010), mô hình KT được định nghĩa là tập hợp các phương trình toán học nhằm mô phỏng và tính toán các yếu tố kinh tế Bảy yếu tố kinh tế thường được tính toán trong mô hình này bao gồm.
- Các thông số về gió: hướng gió, vận tốc gió.
- Các thông số về nhiệt độ không khí và nhiệt độ mặt đất.
- Các thông số về độ ẩm không khí.
- Các thông số về áp suất khí quyển.
- Các thông số về mây.
- Các thông số về lượng mưa.
- Các thông số về sự chuyển động dòng khí: sự xáo trộn theo phương ngang, phương dọc hay mức độ ổn định khí quyển.
Trong bài viết này, tác giả áp dụng mô hình KT để tạo ra tập dữ liệu liên quan đến các điều kiện KT tại KVNC, nhằm cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình CLKK Hai mô hình này được sử dụng để phân tích và đánh giá hiệu quả trong nghiên cứu.
KT mà tác giả sử dụng là mô hình PSU/NCAR mesoscale model 5 (MM5) và mô hình Weather Research and Forecasting (WRF).
Lưới tính mô hình khí tượng
Các mô hình khí tượng dạng số dự đoán kết quả bằng cách giải các phương trình tại các điểm nút lưới Quá trình này chia bầu khí quyển thành nhiều ô lưới nhỏ, từ đó tính toán giá trị dự báo trung bình cho từng ô lưới.
W Glendening, 2007) [74] Thông thường khoảng cách các ô lưới theo chiều ngang được lấy đều nhau nhưng khoảng cách các ô lưới theo chiều dọc thì lại không đều nhau, sự không đều này có đặc điểm là khoảng cách các ô lưới theo chiều dọc sẽ nhỏ hơn khi xuống độ cao gần mặt đất hơn [74] Sở dĩ các nhà khoa học KT phải chia như vậy vì tại những độ cao gần mặt đất diễn ra sự thay đổi nhanh chóng của các điều kiện khí quyển [74] Tương tự như vậy, độ phân giải của các ô lưới theo chiều dọc cũng nhỏ hơn độ phân giải của các ô lưới theo chiều ngang vì các điều kiện thay đổi theo chiều dọc diễn ra nhanh hơn nhiều so với theo chiều ngang [74].
Các phương trình chuyển động trong mô hình khí tượng
Theo John W Glendening (2007), mô hình KT là tập hợp các "phương trình chuyển động" cơ bản của dòng vật chất Việc tính toán và dự báo trong mô hình KT thực chất là giải quyết các "phương trình chuyển động" này, có nguồn gốc từ ba định luật vật chất cơ bản.
- Định luật bảo toàn khối lượng (dòng không khí và độ ẩm).
- Định luật bảo toàn động lượng (các định luật của Newton).
- Định luật bảo toàn năng lượng nhiệt (nhiệt động lực học).
Các phương trình này dự đoán sự thay đổi của các biến số như nhiệt độ và vận tốc, do các hiện tượng vật lý tác động đến chúng.
Các phương trình liên quan đến nhiệt độ, mật độ không khí và áp suất không khí có sự tương tác mạnh mẽ với nhau Sự thay đổi năng lượng nhiệt sẽ ảnh hưởng đến mật độ và áp suất không khí, dẫn đến các tác động phản hồi hình thành sự thay đổi bắt buộc, như quá trình làm giảm sự nóng lên của không khí Khi sự bắt buộc này được duy trì liên tục, nó tạo ra một trạng thái “cân bằng”, tuy nhiên, do lượng nhiệt từ mặt trời không ổn định, bầu khí quyển chỉ đạt trạng thái “gần như cân bằng”.
Phương pháp tính của mô hình khí tượng
Các mô hình kinh tế tính toán các yếu tố kinh tế thông qua việc giải một tập hợp các phương trình vi phân từng phần Những phương trình này tính toán sự thay đổi theo thời gian của các biên dựa trên các điều kiện tại ô lưới trung tâm và các ô lân cận Thường thì, các phương trình này được giải bằng phương pháp sai phân hữu hạn Quá trình tính toán diễn ra theo kiểu mà kết quả của ô lưới phía trước trở thành điều kiện biên cho ô lưới phía sau, bắt đầu từ các điều kiện biên ban đầu và dự đoán sự thay đổi của các biến tại mỗi bước thời gian và mỗi điểm nút lưới Tất cả các phương trình đều liên quan đến nhau, vì vậy nếu một phương trình xảy ra sai số, điều này sẽ dẫn đến sai số cho toàn bộ mô hình, được gọi là sai số hệ thống.
Dữ liệu đầu vào mô hình khí tượng
Mô hình kinh tế cần một bộ dữ liệu đầu vào ban đầu để thực hiện tính toán dự báo, và bộ dữ liệu này được thu thập từ hệ thống các trạm quan trắc cùng với các thiết bị quan trắc kinh tế.
- Dữ liệu trạm quan trắc.
- Dữ liệu bóng thám không.
Dữ liệu ban đầu cần được hiệu chỉnh và xử lý trước khi được đưa vào mô hình, qua đó sẽ được tính toán và nội suy để hình thành một tập dữ liệu KT 3D.
Mô hình PSU/NCAR mesoscale model 5 (MM5)
Mô hình KT PSU/NCAR quy mô vừa được thiết kế để mô phỏng và dự báo lưu thông không khí trên quy mô mesoscale và regional-scale Phát triển tại Đại học Bang Pennsylvania và Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Hoa Kỳ, mô hình này là một sản phẩm cộng đồng, cải tiến dần qua phản hồi từ người dùng tại các trường đại học và phòng thí nghiệm của chính phủ Mô hình chia thành hai nhánh: thủy tĩnh – hydrostatic và phi thủy tĩnh – nonhydrostatic, với đặc điểm hệ tọa độ lớp sigma dựa trên bề mặt địa hình, giúp tăng tính chính xác trong mô phỏng Tuy nhiên, mô hình này cũng có hạn chế về phạm vi tính toán.
Mô hình KT PSU/NCAR quy mô vừa thế hệ thứ năm (MM5) là phiên bản mới nhất trong chuỗi mô hình phát triển từ mô hình gốc của tác giả Anthes tại PSU vào những năm 70 Được chứng minh và cải tiến bởi Anthes và Warner (1978), mô hình này đã trải qua nhiều thay đổi quan trọng nhằm nâng cao khả năng ứng dụng của nó Trong số các cải tiến, năm thay đổi đáng chú ý nhất đã được thực hiện để tối ưu hóa hiệu suất của mô hình.
- Khả năng tính toán kết hợp nhiều lưới và lưới lồng [92].
- Nguyên lý động lực phi thủy tĩnh, cho phép mô hình mở rộng phạm vi tính toán ra vài km [92].
- Khả năng đa nhiệm trên bộ nhớ chia sẻ và bộ nhớ phân phối [92].
- Tích hợp khả năng đồng hóa dữ liệu bốn chiều [92].
- Phản ánh nhiều hiện tượng vật lý hơn [92].
Phiên bản mới nhất của mô hình MM5 là phiên bản 3.7, ra đời vào cuối năm
2004 Đến nay thì cả PSU và NCAR đã không còn hỗ trợ và cũng không tiếp tục phát triển mô hình này nữa [92].
Trang web giới thiệu, cung cấp tài liệu và hỗ trợ về mô hình MM5:
Mô hình Weather Research and Forecasting (WRF)
Mô hình Nghiên cứu và Dự báo Thời tiết (WRF) là một hệ thống mô hình dự báo khí tượng quy mô vừa, được phát triển nhằm phục vụ nhu cầu nghiên cứu khí quyển và dự báo thời tiết Sự phát triển của WRF là kết quả của sự hợp tác giữa nhiều cơ quan tại Hoa Kỳ, bao gồm NCAR, NCEP, FSL, AFWA, và các tổ chức khác Mô hình này cho phép các nhà nghiên cứu thực hiện các mô phỏng dựa trên dữ liệu thực tế và điều kiện lý tưởng, đồng thời tích hợp nhiều tiến bộ trong vật lý, toán học và dữ liệu từ cộng đồng người dùng, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cao.
Cộng đồng người dùng mô hình WRF đang phát triển nhanh chóng, với các hội thảo và buổi tập huấn được tổ chức hàng năm tại NCAR Hiện nay, mô hình WRF được áp dụng tại NCEP, AFWA và nhiều cơ quan khác trên toàn nước Mỹ.
Mô hình WRF hiện nay đã được phát triển tới phiên bản 3.4 (tháng 4 năm 2012) [91].
Trang web giới thiệu, cung cấp tài liệu và hỗ trợ về mô hình WRF:
MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ 31
Giới thiệu về mô hình chất lượng không khí
2.4.1.1 Khái niệm mô hình chất lượng không khí
Các mô hình CLKK, theo Lê Hoàng Nghiêm (2007), là công cụ toán học dùng để mô tả sự vận chuyển, khuếch tán, loại bỏ và phản ứng hóa học của các chất ô nhiễm trong không khí Chúng áp dụng các kỹ thuật giải tích và số để mô phỏng các quá trình vật lý và hóa học ảnh hưởng đến chất ô nhiễm trong môi trường không khí (U.S EPA, 2012) Dựa trên dữ liệu đầu vào như thông tin về nguồn phát thải và hệ số phát thải, các mô hình này được thiết kế để mô tả các chất ô nhiễm chính thải vào không khí, cũng như các chất ô nhiễm thứ cấp phát sinh từ các phản ứng hóa học phức tạp trong môi trường này.
2.4.1.2 Ứng dụng của mô hình chất lượng không khí
Mô hình CLKK đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ các nhà hoạch định chính sách và quản lý môi trường, đặc biệt trong năm nhóm công việc chính theo U.S EPA (2012).
- Xác định và nhận diện các nguồn gây ô nhiễm không khí chính [100].
- Kiểm tra, giám sát CLKK tại một khu vực [100].
- Xây dựng các tiêu chuẩn về CLKK cho từng khu vực đặc trưng [100].
- Đánh giá hiệu quả của quá trình quản lý môi trường hiện tại [100].
- Cung cấp thông tin cho quá trình thiết kế các chiến lược môi trường hiệu quả [100].
2.4.1.3 Phân loại mô hình chất lượng không khí
U.S EPA (2012) chia các mô hình CLKK ra thành ba loại sau:
Mô hình khuếch tán (Dispersion Model) được sử dụng để ước tính nồng độ chất ô nhiễm ở các độ cao khác nhau xung quanh nguồn phát thải Các mô hình này đóng vai trò quan trọng trong việc cấp giấy phép phát thải.
Mô hình quang hóa (Photochemical Model) là công cụ quan trọng trong việc ước tính nồng độ và giá trị lắng đọng của các chất gây ô nhiễm, bao gồm cả các chất trơ và các chất có khả năng phản ứng hóa học, trên quy mô lớn Những mô hình này thường được áp dụng để đánh giá hiệu quả của các quy định và chính sách liên quan đến ô nhiễm môi trường.
Mô hình điểm nhạy cảm (Receptor Model) là kỹ thuật quan trắc sử dụng các đặc tính hóa học và vật lý của khí và hạt tại nguồn phát thải và điểm nhạy cảm Mục tiêu của mô hình này là xác định sự hiện diện của chất ô nhiễm và định lượng đóng góp của nguồn phát thải vào nồng độ chất ô nhiễm tại điểm nhạy cảm Các mô hình này được ứng dụng rộng rãi trong công tác quan trắc chất lượng không khí (CLKK).
Trong đề tài này, tác giả sẽ sử dụng các mô hình quang hóa để dự báo nồng độ các chất gây ô nhiễm.
Mô hình quang hóa
2.4.2.1 Khái niệm mô hình quang hóa
Các mô hình toán học mô tả sự ô nhiễm không khí quang hóa đã được phát triển từ những năm 1970 và vẫn tiếp tục được ứng dụng và đánh giá cho đến nay (Seinfeld, 1988; Roth và đồng sự, 1990) Những mô hình này đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các mô hình quang hóa chạy trên hệ thống máy vi tính Đồng thời, chúng cũng thể hiện các đặc điểm toán học quan trọng của các mô hình này.
KT được trình bày trong Tiểu Mục 2.3.4, cho thấy rằng các mô hình CLKK quang hóa bao gồm một tập hợp các phương trình vi phân Quá trình mô phỏng và dự báo của các mô hình này thực chất là việc giải quyết các phương trình vi phân đó.
Hiện nay, mô hình CLKK quang hóa đã được công nhận rộng rãi như một công cụ quan trọng trong việc phân tích quy định và đánh giá hiệu quả chiến lược kiểm soát ô nhiễm Những mô hình này hoạt động trên quy mô lớn, mô phỏng sự thay đổi nồng độ chất gây ô nhiễm trong không khí thông qua các phương trình toán học mô tả quá trình hóa học và vật lý trong khí quyển Chúng được áp dụng ở nhiều cấp độ không gian khác nhau, từ địa phương, khu vực, quốc gia đến toàn cầu.
Bảng 2.5 thể hiện các mô hình quang hóa đang được sử dụng để dự báo CLKK và các đặc điểm của chúng.
2.4.2.2 Phân loại mô hình quang hóa
Có hai loại mô hình CLKK quang hóa thường được sử dụng trong đánh giá CLKK [38]:
Mô hình quỹ đạo Lagrange là một phương pháp tính toán nồng độ các chất ô nhiễm dựa trên hệ tọa độ di động Hệ tọa độ này được thể hiện rõ trong Hình 2.1.
Hình 2.1 Hệ tọa độ tính toán của mô hình Lagrange [38]
Mô hình lưới Euler là một phương pháp tính toán nồng độ các chất ô nhiễm dựa trên hệ tọa độ cố định so với mặt đất Hệ tọa độ này được thể hiện rõ trong Hình 2.2.
Hình 2.2 Hệ tọa độ tính toán của mô hình Euler [38]
Các mô hình quang hóa ban đầu thường là mô hình Lagrange, nhưng chúng có hạn chế lớn là không mô tả đầy đủ các quá trình vật lý của chất gây ô nhiễm Hiện nay, các mô hình quang hóa thế hệ mới chủ yếu sử dụng mô hình lưới ba chiều Euler, nhờ vào ba ưu điểm vượt trội so với mô hình Lagrange.
- Khả năng tính toán tốt hơn, thời gian tính toán được rút ngắn [101].
- Mô tả đầy đủ hơn các quá trình vật lý xảy ra trong môi trường không khí [101].
- Có khả năng tính toán nồng độ các chất gây ô nhiễm trên toàn miền tính toán [101].
The author will utilize Euler models for this study, specifically the Community Multiscale Air Quality Model (CMAQ) and the Chemistry-transport Multiscale Model (CHIMERE).
Tên mô hình (1) Tên nguyên gốc/Tác giả (2) Loại mô hình (3)
Cơ chế hóa học (chủ yếu, hay có thể dùng nhiều cơ chế) (4)
Kích thước lưới, tính năng, ý kiến
(5) biểu (Vị trí/Chất gây ô nhiễm/Nghiên cứu hay chính sách) (6)
UAM-IV Urban Airshed Model, phiên bản 4 (Reynolds và đồng sự, 1973)
Euler, đa lớp, lưới không lồng nhau
CBM-IV Kích thước lưới theo chiều ngang có thể thay đổi (thường khoảng 5 km)
Bắc Mỹ, Châu Âu/Mô hình quy định của Hoa Kỳ
CIT California/Carnegie Institute of Technology Model
(Harley và đồng sự, 1992; McRae và Seinfeld,1983)
Euler, đa lớp, lưới không lồng nhau (dạng quỹ đạo sẵn có)
SAPRC90/93 (thay đổi dễ dàng)
Kích thước lưới có thể thay đổi (thường khoảng 4-5 km), các quá trình mây, lắng đọng khô, động lực sol khí, phân tích độ nhạy
Hoa Kỳ, Châu Âu, Châu Á, Australia/ Ozone, PM và lắng đọng/Nghiên cứu và lập chính sách
CALGRID California Air Resources Board Grid Model (Yamartino và đồng sự, 1992)
Euler, đa lớp, lưới không lồng nhau
CBM-IV, SAPRC90/93 (thay đổi dễ dàng)
Kích thước lưới có thể thay đổi (thường khoảng 4-5 km), các quá trình mây, lắng đọng khô
PM và lắng đọng/Nghiên cứu và lập chính sách
GATOR Gas And Aerosol Transport And Reaction (Lu và đồng sự, 1997)
Euler, đa lớp, lưới không lồng nhau
Mở rộng từ nghiên cứu của Atkinson và đồng sự (1982)
Lưới 5 km, tích hợp mô hình hóa học và
KT, có cả cơ chế phản hồi (ví dụ sự phản xạ ánh sáng của bụi PM dựa trên các biến KT)
Khu vực Los Angeles/Ozone và PM/Nghiên cứu
EKMA Empirical Kinetics Modeling Approach (NRC, 1991) Mô hình hộp chữ nhật (bao gồm dạng quỹ đạo)
Hay thay đổi (CBM-IV, SAPRC, RADM )
Các cơ chế vật lý đơn giản, không chi tiết.
Sử dụng trong nghiên cứu động lực hóa học.
Mô hình lịch sử được sử dụng trước đây tại Hoa
Kỳ dùng nghiên cứu và lập chính sách Chủ yếu dùng để nghiên cứu về hóa học
Sulfur Transport And Emissions Model (Carmichael và đồng sự, 1991)
Euler, đa lớp, lưới không lồng nhau
Kích thước lưới theo chiều ngang có thể thay đổi (thường khoảng 50 km), các quá trình mây, lắng đọng khô, lắng đọng ướt
Hoa Kỳ, Châu Á/Lắng đọng acid/Nghiên cứu
RADM Regional Acid Deposition Model (Chang và đồng sự,
Euler, đa lớp, lưới không lồng nhau
RADM2 Kích thước lưới có thể thay đổi (thường khoảng 80 km), các quá trình mây, lắng đọng khô, lắng đọng ướt
Hoa Kỳ/Lắng đọng acid và ozone/Nghiên cứu và lập chính sách
ROM Regional Oxidant Model (Lamb, 1983) Euler, ba lớp, lưới không lồng nhau
Kích thước lưới theo chiều ngang khoảng 18 km
Hoa Kỳ/Ozone/Nghiên cứu và lập chính sách
European Monitoring And Evaluation Programme Sulfur
Model (Eliassen và đồng sự, 1982)
EMEP Độ phân giải 150 km Châu Âu/Ozone/
Nghiên cứu và lập chính sách
European Monitoring And Evaluation Programme
EMEP Độ phân giải 150 km Châu Âu/Ozone/
Nghiên cứu và lập chính sách
EURAD European Air Dispersion Model (Hass, 1991) Euler, đa lớp, có thể chạy lưới lồng
RADM2 Giống với RADM/SAQM Châu Âu/Lắng động acid và ozone/Nghiên cứu LOTUS Long Term Ozone Simulation Model (Builtjes, 1992) Euler, ba lớp, lưới không lồng nhau
Kích thước lưới 0,5 o vĩ độ × 1,0 o kinh độ
Châu Âu/Ozone/ Nghiên cứu
(Sillman và đồng sự, 1990) Euler, đa lớp Harvard Hoa
NOAA National Oceanic And Atmospheric Administration
REM-3 Regional Eulerian Model With 3 Chemistry Schemes
Kích thước lưới 0,25 o vĩ độ × 0,5 o kinh độ
Châu Âu/Ozone/ Nghiên cứu và lập chính sách
ADOM Acid Deposition And Oxidant Model (Venkatram và đồng sự, 1988)
Có nhiều kích thước lưới Bắc
Mỹ/Ozone/Lập chính sách
(c) Mô hình lưới lồng đa quy mô
SAQM SARMAP Air Quality Model (Chang và đồng sự, 1997) Euler, đa lớp, lưới lồng
CBM-IV Kích thước lưới từ 4-80 km Hoa
Kỳ/Ozone/Lập chính sách MAQSIP Multiscale Air Quality Simulation Program (Odman và
Euler, đa lớp, lưới lồng
CBM-IV Kích thước lưới từ 4-80 km Hoa Kỳ/Ozone và
EURAD European Air Dispersion Model (Hass, 1991; Hass và đồng sự, 1993)
Euler, đa lớp, có thể chạy lưới lồng
RADM2 Giống với RADM/SAQM Châu Âu/Lắng động acid và ozone/Nghiên cứu
UAM-V The Variable Grid Urban Airshed Model (Morris và đồng sự, 1973)
Euler, đa lớp, lưới lồng
CBM-IV Kích thước lưới từ 4-50 km, vệt chất nằm trong lưới
Hoa Kỳ/Ozone/Lập chính sách URM Urban To Regional Multiscale Model (Kumar và đồng sự, 1994)
Euler, đa lớp, đa quy mô
Kích thước lưới từ 4-200 km, vệt chất nằm trong lưới, động lực sol khí, lắng đọng khô và ướt
HoaKỳ/Ozone/Nghiên cứu và lập chính sách
MODELS-3/CMAQ Community Multiscale Air Quality Model (Byun và
Euler, đa lớp, lưới lồng
Kích thước lưới từ 4- 36 km (và 108 km), vệt chất nằm trong lưới, động lực sol khí, lắng đọng khô và ướt, quá trình mây
PM và lắng đọng acid/Nghiên cứu và lập chính sách
(d) Các mô hình quang hóa với các hàm động lực sol khí
UAM-AERO Urban Airshed Model, Aerosol (Lurmann và đồng sự,
Xử lý sol khí: phương pháp tiếp cận phân đoạn
CIT-AERO California/Carnegie Institute of Technology Model,
Xử lý sol khí: phương pháp tiếp cận phân đoạn
Regional Particulate Model (Binkowski và Shankar, 1995)
Xử lý sol khí: phương pháp tiếp cận mô thái
SAQM-AERO SARMAP Air Quality Mode, Aerosol Xử lý sol khí: phương pháp tiếp cận phân đoạn
GATOR Gas And Aerosol Transport And Reaction Xử lý sol khí: phương pháp tiếp cận phân đoạn URM Urban To Regional Multiscale Model (Kumar và đồng sự, 1994)
Xử lý sol khí: phương pháp tiếp cận phân đoạn
MODELS-3/CMAQ Community Multiscale Air Quality Model (Byun và
Ching, 1999) Xử lý sol khí: phương pháp tiếp cận mô thái
Lưới tính mô hình quang hóa
Mô hình quang hóa cũng có đặc điểm lưới tính tương tự như mô hình KT, với hệ thống các ô lưới ba chiều (3D) được phân chia từ khu vực thực hiện tính toán Khoảng cách giữa các ô lưới có sự khác biệt giữa chiều ngang và chiều dọc của miền tính toán.
- Khoảng cách theo chiều ngang thông thường được chia đều nhau.
- Khoảng cách theo chiều dọc thì được chia theo giá trị áp suất tương ứng với các lớp đặc trưng của tầng không khí.
Cơ chế phản ứng của mô hình quang hóa
Cơ chế quang hóa đóng vai trò then chốt trong mô hình quang hóa, như tác giả Lê Hoàng Nghiêm (2007) đã chỉ ra, là "mô tả toán học của các quá trình quang hóa ở bầu khí quyển tầng thấp thông qua chuỗi phản ứng với các chất gây ô nhiễm sơ cấp và thứ cấp" Các chất hóa học trong cơ chế này được phân loại thành hai nhóm chính: chất vô cơ và chất hữu cơ.
- Các chất vô cơ: NOx, Ox, HOx, SOx.
- Các chất hữu cơ: chủ yếu là VOCs.
Trong hai thập kỷ qua, các nhà khoa học đã phát triển nhiều cơ chế quang hóa nhằm nghiên cứu các chất hóa học trong tầng đối lưu Sự khác biệt giữa các cơ chế này chủ yếu nằm ở kỹ thuật gộp để phân chia các chất hữu cơ thành các nhóm thay thế Các cơ chế quang hóa hiện đang được áp dụng trong các mô hình quang hóa sẽ được trình bày trong Bảng 2.6.
Carbon Bond Mechanism, Version IV
Regional Acid Deposition Model, version 2
European Monitoring And Evaluation Programme
Statewide Air Pollution Research Center, version 99
Tác giả Lurmann và đồng sự, 1987
Stockwell và đồng sự, 1990 Simpson, 1992 Stockwell và đồng sự, 1997 Carter, 2000 Griffin và đồng sự, 2002
Mô hình sử dụng CIT Models-3/CMAQ Models-3/CMAQ EMEP MSC-W EURAD Models-3/CMAQ CIT
Kiểu LM a LS b LM a LM a LM a LM a LM a
Các chất vô cơ bền vững 12 9 14 11 13 14 15
Các chất vô cơ trung gian tồn tại ngắn 3 5 4 4 4 6 2
Các chất hữu cơ ổn định 21 6 20 16 24 25 64
Các chất hữu cơ trung gian tồn tại ngắn
PAN và các chất tương tự 4 1 2 1 2 4 10
Các chất thơm bền vững 9 4 3 2 3 4 24
Các chất có nguồn gốc sinh vật bền vững
6 1 1 2 3 1 3 a Cơ chế gộp theo cấu trúc b Cơ chế gộp theo phân tử
(Nguồn: Jimenez và đồng sự, 2003)
Dữ liệu đầu vào của mô hình quang hóa
Các mô hình quang hóa yêu cầu một bộ dữ liệu đầu vào ban đầu để thực hiện quá trình mô phỏng và dự báo chất lượng không khí (CLKK) Bộ dữ liệu này cung cấp các điều kiện biên, điều kiện ban đầu và thông số cho các phương trình vi phân của mô hình Để đảm bảo hiệu quả, bộ dữ liệu đầu vào tối thiểu cần có ít nhất bốn thành phần cơ bản.
- Dữ liệu KT đầu vào của KVNC.
- Dữ liệu địa hình của KVNC.
- Dữ liệu phát thải của KVNC.
- Các điều kiện ban đầu và điều kiện biên của KVNC.
Mô hình Community Multiscale Air Quality Model (CMAQ)
Hệ thống mô hình Chất lượng Không khí Cộng đồng Đa quy mô (CMAQ) được phát triển bởi Trung tâm Hệ thống Mô hình hóa và Phân tích Cộng đồng (CMAS) của Đại học Bắc Carolina tại đồi Chapel và được điều hành bởi Cơ quan Khoa học Mô hình hóa Khí quyển của U.S EPA Đây là một mô hình CLKK tổng thể, thiết kế để giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến chất lượng không khí như ozone tầng đối lưu, bụi mịn, chất độc, lắng đọng acid và suy giảm tầm nhìn CMAQ kết hợp kiến thức khoa học chuyên môn với khả năng ứng dụng thực tiễn, cho phép sử dụng trong cộng đồng Mô hình này có cấu trúc đa quy mô, giúp tăng khả năng ứng dụng cho nhiều khu vực khác nhau, với kích thước vùng tính toán và độ phân giải ô lưới được phân chia theo không gian và thời gian Với tính linh hoạt về thời gian, CMAQ cho phép thực hiện các mô phỏng đánh giá dài hạn (hàng năm đến nhiều năm) và ngắn hạn (vài tuần đến vài tháng).
Hệ thống mô hình CMAQ sẽ mô phỏng các quá trình vật lý và hóa học quan trọng để hiểu rõ hơn về sự phân phối và biến đổi các chất khí trong khí quyển Hệ thống này bao gồm ba thành phần mô hình hóa chính.
- Hệ thống mô hình KT mô tả trạng thái và sự chuyển động của khí quyển [52].
- Các mô hình phát thải mô tả các nguồn thải tự nhiên và nhân tạo đưa chất gây ô nhiễm vào bầu khí quyển [52].
- Hệ thống mô hình vận chuyển hóa chất mô tả sự vận chuyển và biến đổi của các chất gây ô nhiễm trong bầu khí quyển [52].
Hệ thống mô hình CMAQ, được phân phối và hỗ trợ bởi Trung tâm CMAS, đã đạt phiên bản 5.0 vào tháng 2 năm 2012.
Trang web giới thiệu, cung cấp tài liệu và hỗ trợ về mô hình CMAQ:
Mô hình Chemistry-transport Multiscale Model (CHIMERE)
Mô hình Vận chuyển Hóa chất Đa quy mô (CHIMERE) là một công cụ quan trọng trong nghiên cứu khí hậu và môi trường, được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Động lực KT (LMD) thuộc Học viện Pierre-Simon Laplace (IPSL), cùng với Viện Môi trường và Rủi ro Công nghiệp Quốc gia Pháp (INERIS) và Phòng thí nghiệm Liên trường đại học về Các hệ thống khí quyển (LISA) Mô hình này giúp phân tích và dự đoán sự vận chuyển của hóa chất trong không khí, đóng góp vào việc hiểu rõ hơn về tác động của ô nhiễm môi trường.
Mô hình CHIMERE được phát triển nhằm tính toán dự báo hàng ngày cho các thông số khí chất cơ bản như ozone, sol khí và các chất ô nhiễm khác, đồng thời thực hiện các mô phỏng dài hạn cho các kịch bản kiểm soát khí thải Mục tiêu chính của mô hình này là hỗ trợ các nhà quản lý môi trường và hoạch định chính sách trong quá trình ra quyết định CHIMERE là một mô hình đa quy mô, với độ phân giải từ 1-2 km đến 100 km, có khả năng hoạt động ở quy mô khu vực và đô thị Ngoài ra, mô hình còn hỗ trợ quá trình thử nghiệm thông số và đưa ra giả thuyết Trong các phiên bản đầu tiên, CHIMERE được thiết kế để chạy trên máy vi tính đơn, nhưng các phiên bản gần đây đã được tối ưu hóa để chạy song song trên nhiều máy trong cụm.
Hiện nay mô hình CHIMERE đã phát triển đến phiên bản chimere2011 (Ngày 23 tháng 8 năm 2011) [70].
Trang web giới thiệu, cung cấp tài liệu và hỗ trợ về mô hình CHIMERE:
CHƯƠNG III TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong chương này, tác giả sẽ tổng quan tình hình nghiên cứu dự báo chất lượng không khí (CLKK) và phương pháp nghiên cứu áp dụng trong đề tài Chương 3 bao gồm bốn nội dung chính, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phương pháp và kết quả nghiên cứu liên quan đến CLKK.
- Tổng quan về tình hình nghiên cứu dự báo CLKK trên thế giới và tại Việt Nam.
- Giới thiệu khái quát về phương pháp luận và quy trình thực hiện đề tài.
- Giới thiệu khái quát về các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài.
- Giới thiệu khái quát về các phần mềm sử dụng trong quá trình thực hiện đề tài.