Sử dụng dữ liệu nhận dạng tự động (ais) ước tính lượng khí phát thải của tàu thuyền hoạt động tại thành phố hồ chí minh

Nghiên cứu khoa học công nghệ SỬ DỤNG DỮ LIỆU NHẬN DẠNG TỰ ĐỘNG (AIS) ƯỚC TÍNH LƯỢNG KHÍ PHÁT THẢI CỦA TÀU THUYỀN HOẠT ĐỘNG TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỖ PHONG LƯU (1) ĐẶT VẤN ĐỀ 90% khối lượng vận tải hàng hoá giới vận chuyển đường hàng hải Quá trình đốt cháy tạo lượng bên động diesel tàu thuyền tạo lượng chất ô nhiễm đáng kể, người ta ước tính có khoảng 450 loại chất gây ô nhiễm khác sản sinh từ trình đốt cháy bên động tàu thủy [1] Những chất nhiễm này, làm suy giảm tầng ôzôn, tăng cường hiệu ứng nhà kính, tạo mưa axit, gây hại cho sức khỏe người [2] Merk (2014) báo cáo lượng phát thải CO2, NOx, SOx PM10 cảng vận chuyển toàn cầu 18; 0,4; 0,2 0,03 triệu năm 2011 khoảng 85% lượng khí thải đến từ tàu container tàu chở dầu [1] Trong nghiên cứu Corbett (1999), tàu thương mại quốc tế đóng góp 30% lượng NOx tồn cầu 9% SOx [3] Thơng qua việc phân tích liệu từ Hệ thống nhận dạng tự động tàu (AIS), Deniz (2008) xác định 17% lượng khí thải eo biển Thổ Nhĩ Kỳ, 30% từ tàu cảnh qua Biển Marmara, 48% từ tàu đậu cảng Biển Marmara, 5% từ tàu cảnh Biển Marmara [4] Ở nước ta, có số báo cáo năm 2019 TS Hồ Quốc Bằng cs [5, 6], Vũ Hoàng Ngọc Khuê cs [7] nhằm xác định phát thải chất ô nhiễm hoạt động vận tải đường thuỷ hoạt động cảng biển thuộc Tp HCM tiến hành khuôn khổ Dự án "Phát triển bền vững cảng biển khu vực ASEAN" Tổ chức Hợp tác Kỹ thuật Đức (viết tắt GIZ) tài trợ Các nghiên cứu sử dụng mơ hình tính tốn từ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Mỹ (US EPA - 2009) phân tích liệu điều tra thực tế để ước tính phát thải số cảng tiêu biểu Tp HCM sau dựa quy mơ vận hành cảng lại để suy tổng lượng phát thải chất gây ô nhiễm hệ thống cảng Tp HCM năm 2019 tương ứng 4121, 750, 2005 NOx, CO SO2 Nghiên cứu tiến hành thời điểm với báo cáo dựa hướng tiếp cận khác thơng qua liệu nhận dạng tự động tàu (AIS) thiết lập sở liệu phát thải toàn hoạt động vận tải đường thuỷ vào khu vực Tp HCM tháng cuối năm 2019 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1 Cách tiếp cận Việc thống kê phát thải hoạt động vận tải đường thuỷ tiếp cận theo phương pháp Top-down Bottom-up [8] Để tính tốn lượng khí thải tàu, cách tiếp cận Top-down chủ yếu tập trung thống kê, phân tích số liệu sử dụng nhiên liệu hàng hải quốc tế Cơ quan Thông tin Năng lượng (EIA) cung cấp Cách tiếp cận Bottom-up, đề xuất Jalkanen (2009) ước tính lượng khí phát Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020 Nghiên cứu khoa học công nghệ thải từ hoạt động tàu dựa thông tin cung cấp liệu AIS [9] Phương pháp cho phép định danh, định vị tàu cách xác, từ tính tốn lượng phát thải NOx, SOx, CO2, CO cho đối tượng tàu biển Baltic Đây cơng trình sử dụng AIS để thiết lập mơ hình ước tính phát thải tàu, sau phát triển với tên gọi Mơ hình đánh giá phát thải giao thông tàu thủy (STEAM) Theo Miola Ciuffo (2011) kết thu từ cách tiếp cận Bottomup coi có độ tin cậy cao cách tiếp cận Top-down [10] Trong nghiên cứu này, lượng phát thải hoạt động tàu khu vực Tp HCM tính tốn theo cách tiếp cận Bottom-up dựa mơ hình STEAM kết hợp với liệu AIS cung cấp cơng ty theo dõi kiểm sốt hàng hải Marinetraffic Do để thuận tiện cho trình phân phối hàng hoá cảng khu vực Tp HCM nằm bên nội địa, mơ hình STEAM nghiên cứu sửa đổi đơn giản hóa cách bỏ qua tác động sóng biển đến trình di chuyển tàu Dựa ước tính phát thải loại tàu so sánh với nguồn khí thải từ cảng khác, biện pháp giảm phát thải hoạt động vận tải đường thuỷ đề xuất Các phương pháp kết luận nghiên cứu cung cấp sở phù hợp cho việc kiểm kê kiểm sốt khí thải tàu cảng nội địa 2.2 Phương pháp 2.2.1 Ước tính phát thải dựa STEAM-AIS Quy trình xử lí liệu AIS dựa mơ hình STEAM phát triển Jalkanen cs [9] mô tả hình giai đoạn trình phân tích Sơ đồ nghiên cứu bắt đầu việc phân tách liệu thô AIS thành liệu “tĩnh” ‘động” Dữ liệu “tĩnh” gồm thông tin kĩ thuật liên quan đến đối tượng tàu cụ thể từ ước tính cơng suất phát thải Pm động Pa động phụ ứng với đối tượng tàu thuyền Dữ liệu “động” gồm thông tin liên quan đến tốc độ, toạ độ tàu thuyền (kinh vĩ độ) sử dụng để xác định chế độ vận hành tàu Từ nguồn liệu tĩnh động kể xác Hình Một sơ đồ nguyên lý thành định Hệ số tải thực tế (LF) tàu phần mơ hình STEAM mối quan hệ tương tác chúng trình hoạt động khu vực nghiên cứu Từ lượng phát thải CO, CO2, NOx, SOx ước tính cho hành trình đối tượng tàu Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020 Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 2.2.2 Ước tính cơng suất động tàu thuyền Theo mơ hình STEAM, cơng suất vận hành động liệu quan trọng để tính tốn lượng phát thải tàu thuyền Tuy nhiên liệu cụ thể Pm Pa cho đối tượng tàu riêng lẻ khó để tiếp cận thu thập hạn chế quản lý thơng tin tàu thuyền Do cơng suất vận hành tàu ước tính hàm thực nghiệm trước tính lượng phát thải Trong nghiên cứu này, Pm tính tốn theo phương pháp Kristensen [11] Chiều dài đăng ký Lwl tính theo mét tàu thu thập thơng qua phân tích liệu AIS, chiều dài chuyên chở hay gọi chiều dài thuỷ trực Lpp (Length between perpendiculars) tính sau: Lpp = Lwl /1,01 (1) Trọng tải (DW) tính theo tàu ước tính thơng qua phương trình (2)-(3), phương trình (4)-(5) sử dụng để tính cơng suất đẩy động DW(Lpp  286,93 m) =  0,00591Lpp3  3,44776 Lpp2  341,6925 Lpp  10265 (2) DW(Lpp  286,93 m) = 3,66734 Lpp2  1383,89 Lpp  175999 (3) Pm (DW  64000t) = 8,446  10(-15)DW4  1,0035  10(-9)DW3  3,745  10(-5)DW2  1,24DW  2503 (4) Pm (DW  64000t) =  3,092  10(-6)DW2  1,11DW  14816 (5) Cơng suất động phụ Pa tính cách sử dụng tỷ lệ trung bình động động phụ (Pa/ Pm) dựa nghiên cứu Trozzi [12] bảng Việc xác định loại tàu nhóm tàu dựa vào liệu AIS Bảng Tỷ lệ trung bình Động phụ / Động theo loại tàu Loại tàu Tàu hàng Tàu Tàu khô dầu Container Tàu chở khách Tàu Tàu lai dắt cá Tàu khác Hạm đội giới 1997 0,3 0,3 0,25 0,16 0,1 0,39 0,35 Hạm đội địa trung hải 2006 0,39 0,35 0,27 0,27 - 0,47 0,18 2.2.3 Ước tính phát thải tàu điều kiện tải khác Mơ hình STEAM cho thấy liên quan mật thiết phát thải trạng thái vận hành tàu thuyền Theo nghiên cứu Trozzi [12], Hệ số tải động LF(%) thay đổi theo ba trạng thái tàu, thuyền: cảng/neo đậu, chuyển bến chế độ hành trình Trạng thái hoạt động tàu dựa tỷ lệ vận tốc thực vận tốc thiết kế cực đại, thể bảng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020 Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Hệ số tải động chính/phụ theo trạng thái hoạt động tàu % tải động % thời gian tất máy hoạt động % tải động phụ Hành trình (0,8-1,0] 80 100 30 Chuyển bến (0,2-0,8] 20 100 50 Neo đậu (trừ tàu dầu) (0-0,2] 40 Neo đậu tàu dầu 20 100 60 Pha vận hành (Vmean/Vmax) Khi tàu xác định đậu cảng, động phụ coi động làm việc [13] Công suất động phụ tàu sử dụng để tính tốn lượng phát thải với hệ số tải hệ số phát thải theo phương trình (6): Eij = Pa,i  T  LFj  EFij (6) Trong E lượng phát thải tính gram, Pai công suất động phụ ứng với loại tàu i, tính kilowatt, T thời gian làm việc động phụ (thời gian neo đậu cảng) tính theo giờ, LF hệ số tải động phụ, EF hệ số phát thải, i loại tàu, j loại chất gây ô nhiễm (NOX, SOX, CO2…) Ở chế độ chuyển bến hành trình, động phụ tàu hoạt động, theo hệ số tải khác (bảng 2), phát thải tàu chế độ hoạt động tính tốn theo phương trình (7): Eij = Pm,i  Tm  LFm,j  EFm,ij  Pa,i  Ta  LFa,j  EFa,ij (7) 2.2.4 Hệ số phát thải Trong nghiên cứu này, Hệ số phát thải sử dụng theo nghiên cứu Fan cs 2016 [14] Các Hệ số phát thải cho loại chất gây ô nhiễm tương ứng với loại máy, loại động loại nhiên liệu thể bảng Các hệ số phát thải SO2 phụ thuộc vào loại nhiên liệu mà tàu sử dụng Trong nghiên cứu này, hàm lượng lưu huỳnh RO (Dầu nhiên liệu nặng) 2,7% MD (Dầu nhiên liệu chưng cất) 0,5% dựa mức trung bình toàn giới năm 2007 từ nghiên cứu IMO báo cáo Tập đoàn tư vấn Starcrest [15, 16] Bảng Các Hệ số phát thải loại nhiên liệu cho động (g/kWh) Loại máy Loại động Loại nhiên liệu SO2 NOx CO CO2 Động SSD RO 10,30 18,10 0,5 622 Động MSD RO 11,31 14,00 1,1 686 Động HSD RO 11,31 12,70 1,1 686 Động phụ MSD MD 2,12 13,90 1,1 692 Ghi chú: SSD: Động diesel tốc độ chậm; MSD: Động diesel tốc độ trung bình; HSD: Động diesel tốc độ cao Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020 Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.3 Địa điểm nghiên cứu Dữ liệu hoạt động tàu thuyền AIS giới hạn từ khu vực trung tâm đến hết phía rìa Nam Tp HCM, chiếm khoảng ½ diện tích Tp HCM (2061 km2), từ 10°40'46"N -106°35'22"E đến 10°26'29"N -107°03'38"E (hình 2) Đây khu vực có tuyến luồn hàng hải vào cảng Tp HCM gồm luồng Soài Rạp - Hiệp Phước, luồng Sài Gòn - Vũng Tàu, luồng Đồng Nai luồng Thị Vải (Bà Rịa Vũng Tàu) Một liệu AIS gồm 987072 ghi (record) liên tục thời gian từ tháng đến tháng 11 năm 2019 mua từ công ty Marinetraffic xử lý cho kết phát thải 4948 tàu khách, 13808 tàu chở hàng khô, 58104 tàu container, 16686 tàu chở dầu, 5753 tàu cá, 8354 tàu lai dắt 12990 tàu khác (tàu Ro-Ro, tàu kỹ thuật thuyền buồm không thuộc sáu loại kể trên) Bến Cản Đường thuỷ Luồng Soài Luồng Sài GịnLuồng Luồng Khu vực thu thập Hình Khu vực thu thập liệu AIS KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tổng lượng phát thải Tổng lượng phát thải ước tính theo phương trình (1)-(7), từ tháng đến tháng 11/2019 cho tàu thuyền hoạt động khu vực nghiên cứu thể bảng Tổng lượng phát thải chất gây ô nhiễm tương ứng 2,69; 0,82; 1,134 x103 NOx, CO SO2 Kết cho thấy tổng lượng khí thải CO2 chiếm khối lượng lớn tổng lượng phát thải, ước tính khoảng 489,737 x103 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020 Nghiên cứu khoa học công nghệ Trong nghiên cứu này, tàu chia thành 07 loại: Tàu container, Tàu chở hàng khô, tàu chở dầu, tàu chở khách, tàu cá, tàu đẩy/tàu kéo, loại tàu khác Theo tỷ lệ tổng lượng khí thải tàu chở khách 6,2%, tàu chở hàng khô 16,62%, tàu container 41,89%, tàu chở dầu 14,89%, tàu lai dắt 5,67% tàu cá 7,93% tàu khác 6,8% Phù hợp với tỷ trọng ngành cảng biển nước ta, tàu container khu vực Cảng TP HCM chiếm tỷ lệ phát thải lớn lượng hàng hoá lớn vận chuyển liên tục loại tàu khu vực Bảng Tổng phát thải tàu khu vực quan sát từ tháng 6/2019 đến tháng 11/2019 (đơn vị: tấn) Loại tàu NOx CO2 CO SO2 % phát thải Tàu hàng khô 469,58 82698,45 227,46 240,72 16,62 Tàu dầu 355,54 74364,25 22,32 194,72 14,89 Tàu container 822,3 209326,36 239,12 439,34 41,89 Tàu khách 271,19 30836,5 31,89 68,7 6,2 Tàu lai dắt 265,81 28148,95 39,33 79,24 5,67 Tàu cá 220,59 39460,4 177,82 40,93 7,93 Tàu khác 284,87 33793,44 84,46 70,84 6,8 Tổng 2689,88 498628,35 822,4 1134,49 100 Lượng phát thải loại khí thải NOx, SO2, CO tính theo nghiên cứu cao so với báo cáo Vũ Hoàng Ngọc Khuê cs 2019 [6, 7] Hình cho thấy kết so sánh tổng phát thải bình quân theo năm nghiên cứu Trong báo cáo Vũ Hồng Ngọc Kh cs 2019, ước tính phát thải cảng thực cách khảo sát thơng tin neo đậu nhóm tàu thuyền phát thải chủ yếu bao gồm tàu container, tàu chở hàng khơ, tàu chở hàng đóng kiện, tàu khách thiết bị bốc dỡ hàng hóa hệ thống cảng Sài Gịn, sau tính tốn phát thải sử dụng công thức theo hướng dẫn US EPA theo phương trình (8) E = N  P  LF  A  EF (8) Trong đó: E: Tải lượng phát thải (g); P: Cơng suất máy (kW); LF: Hệ số tải động (%); N: Số thiết bị; EF: Hệ số phát thải (g/kWh); A: Thời gian hoạt động (giờ) Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020 Nghiên cứu khoa học công nghệ 6000 5000 4000 3000 2000 1000 NOx Nghiên cứu SO2 CO Báo cáo Vũ Hồng Ngọc Kh cs, 2019 Hình So sánh phát thải bình qn theo năm loại khí thải NOx, SO2, CO Từ phát thải cảng đại diện, Khuê cs tính phát thải cho cảng cịn lại dựa vào cơng suất bốc dỡ hàng hóa hàng năm cho hệ thống cảng thành phố Lượng phát thải nghiên cứu cao so với báo cáo Khuê cs 2019 lí giải nghiên cứu sử dụng liệu AIS, nên tồn tàu có trọng tải 300 (quy định công ước luật biển yêu cầu tất phương tiện đường thuỷ 300 phải lắp đặt thiết bị nhằm đảm bảo an toàn) thống kê phát thải Bên cạnh cơng thức theo hướng dẫn US EPA chưa tính tốn đến phát thải động máy phụ tàu việc sử dụng công suất bốc dỡ cảng để nội suy phát thải cho số cảng tồn sai số Bỏ qua khác biệt kết cách tiếp cận khác nhau, phương pháp Khuê cs phân tích hoạt động cảng ước lượng phát thải tổng số cho yếu tố ô nhiễm mà không thu thập liệu hoạt động thực tế tàu thuyền tuyến luồng vào thành phố, khơng phân tích tỷ lệ phát thải từ nhóm tàu khác để đề xuất giải pháp quản lý nhằm giải vấn đề ô nhiễm liên quan Tuy nhiên qua nghiên cứu Vũ Hoàng Ngọc Khuê cs 2019 cho thấy mặt hạn chế đề tài chưa ước tính phát thải thiết bị bốc dỡ hàng hoá cảng Cũng theo báo cáo Vũ Hoàng Ngọc Khuê cs 2019, tổng lượng phát thải hàng năm hoạt động giao thông Tp HCM cho loại khí thải NOx, CO, SO2 47048; 3499354; 10114 Khi đối chiếu với kết tính tốn đề tài cho thấy hoạt động vận tải đường thuỷ chiếm 11,23%; 0,045% 22,44% tổng lượng phát thải hoạt động giao thông cho loại khí thải NOx, CO, SO2 Tỷ lệ hoạt động tàu thuyền khu vực đóng góp lượng lớn NOx SO2 cho phát thải tồn thành phố Tạp chí Khoa học Công nghệ nhiệt đới, Số 21, 12-2020 ... AIS thành liệu “tĩnh” ? ?động? ?? Dữ liệu “tĩnh” gồm thông tin kĩ thuật liên quan đến đối tượng tàu cụ thể từ ước tính cơng suất phát thải Pm động Pa động phụ ứng với đối tượng tàu thuyền Dữ liệu ? ?động? ??... tích hoạt động cảng ước lượng phát thải tổng số cho yếu tố ô nhiễm mà không thu thập liệu hoạt động thực tế tàu thuyền tuyến luồng vào thành phố, khơng phân tích tỷ lệ phát thải từ nhóm tàu khác... nghệ 2.2.2 Ước tính cơng suất động tàu thuyền Theo mơ hình STEAM, cơng suất vận hành động liệu quan trọng để tính tốn lượng phát thải tàu thuyền Tuy nhiên liệu cụ thể Pm Pa cho đối tượng tàu riêng