Giáo trình toán ứng dụng trong môi trường phần 2

Chương ĐÁNH GlA CHÁT LƯỢNG MÕI TRƯỜNG KHÕNG KH Í, N ước VÀ ĐẤT BẰNG CHÌ SỐ ĐƠN LẺ VA CHÌ s ố TỔNG HOP C hư ng irinh bày c sờ khoa học (cách tiếp cận phương p háp) đánh giá ô nhiễm môi trường bàng chi số đơn lé tông hợp kèm theo vi dụ minh họa - Các thành phấn môi trường giới hạn !à không khí, nước ttấl - Các tài liệu trích dẫn dư ới từ [1-77] ứng vứi chưưng 5.1 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ Ị NHIÈM/CHÁT LƯỢNG K H Ơ N G KHÍ Cách tiốp cận: Các chi thị, chi số ô nhiềm dem iè lống họp - Phương pháp: Mơ hình hóa tốn học ứng dụ ng nghiên cứu môi trường 5.1.1 Phưong pháp đánh giá ô nhiễm không khí bằnịỉ chi số đơn lé / / C h ỉ số ô nhiễm k h ô n g k h i đơn tẻ - Đánh giá chất lirợng m ịi trường khơng khí đ eu bát đầu từ việc x ây d ự n g cơng thức tốn học đánh giá đơn le đổi với thòng số (chất) kháo sát dựa số liệu quan trắc bầng c h i số ỏ nhiễm đơn ìé A P Ỉ^A Q Ỉ, (hay gọi c h i s ố p h ụ cũa chất /'), xác dịnli công thức sau: 134 TOAN ỮNG DỤNG ĨRONG MÕI TRƯỜNG c\ (5.1) A P ! , = - L x ]00 i AP!, sở đê tích hợp thành chi số tỏng hợp [2.4.17 Trong cơng thức (5 ì): c , - N ồng độ cùa thông số (chắt) / quan trắc thực tế tính tốn tìt mơ hinh, c * - Giá trị giới hạn cho phép chắt i theo tiêu chuẩn quy chuân cua mồi quốc gia 100 công thức (5.1) đ ề chi APỈi linh theo % Đối với mồi chi sổ đơn lẻ (chì số phụ) A P l, đirợc quy định thang đánh giá chi tiết gọi thang đánh giá iheo chi số đưii ié (3 cấp, cấp, cấp cấp 10 cấp tùy theo quy định cùa nước) Ỉ.I.2 Các v ỉ tỉuẹ diển hình c h ỉ sổ ó nhiẽM don Ic a Chỉ số Iihiẽm chn M ỹ (Pollutaní Standards Index - PSỈi [6]) - C òng thức tinh tốn (cơng thức (5.1)) Bàng phân cấp đánh giá PSỈ, (bảng 5-1); B ả n g B ảng phân cáp m ứ c độ ô nhiễm không củ a PSl, P SỈi M ứ c ô n h iễ m k h ô n g kh í -5 Tơt -100 T ntng bình 101-150 Có hại cho nhóin nhạy cám 151-200 C ỏ hại cho sức khỏe -3 0 Rât có hại cho sức khóe 01-500 N guy hiêm b Chi số ò nhiễm đơn [èA P Ii N hật Bản - Cơng thức tính tốn (công thức (5.1)) - Phân cấp đánh giá g 5.2: OnKJng5.ỉ)ANHGIÁCHẪTLƯỢN6MỖIĨRƯƠ^G KHỔNG KHỈ B n g 5.2 Phân cấ p đánh giá c ủ a API, (JÌCA) [7] A P Ii M ứ c ô n h iễ m k h n g kh í -7 Tôt 71 - 100 Trung binh >100 Bị ô nhiêm c Tại Việt Nam (T ôn e cục Mịi trường) C ng thức tinh tốn số chắt lượng khơng kh í đơn lé (tương tự n h còng thức 5.1): c,, = -1 x 0 , ' c, (5.2) C: c ’ có ý nghĩa cịng thức (5.1) - Phân cấp đánh giá g 5.3: B n g P h â n cáp đánh giá cù a AQh [19] AQh -5 C h ấ t lư ợ n g k h n g k hí -1 0 Trung bình 101 - 0 K-ém 201 X âu 300 >300 d Tôt Rât xâu Chi số chất lượng khơng khí đơn lẻ ỉp cua C ụ c Bao vệ Môi trường H oa K ỳ (E P A [5]) Hoa kỳ quốc gia có m ạng lưới quan trắc mơi tru n g nói chung, m n g lưới quan trắc khơng khí nói riêng hồn chỉnh đồn g Đ â y sớ đé xây dựng loại chi so, chi thị đ a cánh báo kịp thời trạng diễn biến môi trường không C L K K cúa Hoa Kỳ đà công b ố theo thời gian thực hầu khắp lãnh thơ Ip tính tốn từ chất co, O 3, N O 2, SO : P M | PM2.5 có thang đánh giả từ - 500 C ụ m ức Ip v ý nghĩa m ứ c đu ợ c cho bảng 5.4 toAnứngdụngĩronõmoitrườnc C ơng thức tinh tốn chi sổ C L K K chất đơn lé Ip cùa H oa K \ n h sau: _ /„ = ‘ l/i P -R P oRrỊỊị + ’’ (5.3: đó: / p - C h i sổ chất lượng môi trường khơng khí cúa chẩt nhiồm p: Cp - N ồng độ chẩt ỏ nhiềm p; B P h, - Giá trị cùa nồn g độ Cp (Ihe breakpoint > c BPu, - G iá trị cua nồ ng độ Cp (the breakpoint < c ); ); Iiii - Chi số A Q ! ứng với nồ ng độ irên BPm\ ỉio - Chi số A Q Ỉ ímg với nồng độ dưói BPị,„ B ả n g C ả c gỉá trj d i vả trén (breakpoỉnts) dùng để tinh số ch t lượng khống khí /pđơn lẻ C h ì sổ G iá (r ị dirói Irên thông sổ đơn lé 0, 0, PM „ (ppiỉi) 8h (ppuv Ih ÍMg/m') 24h 24h CO (ppm) S(>2 íppiìi) NO: (chì (ppm) sơ 8h 24h 24h phụ) í V n^hĩa Ip 00,059 0.060(),()75 • 0-54 - 55-154 0-15,4 0-4,4 15,540,4 4.594 40,565,4 ^.512.4 0-50 ĩồ\ 0.0350,224 51100 Trung hìnli 0,145- 101- hướn^ dcn 0.224 150 nhóm 0,034 Anh 0,076(1,095 0.1250,164 155-254 nhọy cám 0.0960,115 0,1650,204 0,116- 0.205- 0.374 0,404 0,4050.504 0,5050,604 255-354 355-424 425-504 505-604 151200 Tác động 65.5150.4 12,5 15.4 0,2250,304 150,5- 15.5- 0.605- 1.25- 201- 250,4 30.4 im u ỉ,64 300 250.5- 0.605- U25 301 Nguv 350.4 30,540,4 0,804 1,64 400 bỉcm 350.5500.4 40.550.4 0.8051.004 L6 401- Rầ\ nguy 2.04 500 hỉcnì xẩu tới sức khoe Tác dộriụ rả( xâu lới sức khoe 137 QiUO ngS.ĐÁNHGIÁCHẤTLƯỢ NGM Ơ ITRƯỈÍ^GKHÕNGKHÍ Đ ẽ x ây dự ng bang giá trị nông độ phải cãn vào liêu chuấn quốc gia giới hạn nồng độ chất ô nhiềm mơi trư n g khơng khí xung quanh B an g trinh bày tiêu chuấn khơng khí xung quanh cua Hoa Kỷ (b an g 5.5): B ả n g 5 Tié u chuẩn không khí xung quanh cù a H oa Kỳ L oại tiêu c h u ấ n T iêu chuấn* Trung bình ° ppm (lOmg/m'*) T m n g bình ^ 35 ppm {40mg/m'’) Pb Trung bình quý l,5ng/m ^ NO2 T rung bình nãm 0,053ppm (lOO^g/m^) T rung binh cao nhất'^ 0,12ppm {235^g/m'’) lân truiìg binh cao ngày^* 0,08ppm (I75|ig/m ^) Trung bình n ám ' 50|ig/m'* T rung binh 24 giờ‘' 150^1g/nr* T rung binh n ãm ' 15Ịag/m‘’ T m n g binh giờ^ óSng/nr^ T rung bỉnh năm 0,03ppm (80ng/m^) Trưng bình 24 giờ'' ,l4 p p m (365Ịag/m'’) C h ấ t n h iễ m CO PM P M 2.5 SO2 iroHị* đ ó : ũ - (iiả tn iroiig n ụ o ặ c giá ưi tương đươiig: b - K hông vưựt mội lần irong lìăin; c - K hơng Virợt q lẩn ưong nẫm; d • K h n g v ir ợ t q u ià n t r o n g nàm : c - Sử dụng lừ bách phần 98 irờ xuồng Đ ẻ hiểu rõ cơng thức tính tốn íp H oa Kỳ, ta tính tốn cho vi dụ cụ thê Ví dụ nồng độ O trung bình 0.087 ppm, xem bảng 5.4 {bảng giá trị giá trị trên) ta ihấy giá trị 0,087 ppm nằm số ỉpứng với nồng độ 0,087 khoảng (0,076 đến 0,095) Vì nằm khoảng từ 101 - 150, ỉ,^ tinh sau: -1 - ,0 - ,0 ( , - , ) + 101 = 129 138 TOAN ứ n g d ụ n g ĨRONG m i TRƯỠIiG N h giá trị ỈỊ, ứng với nồng độ Ọ ỉ = 0.087 ppm ]à 129 (anh hường đển nhóm nhạy cám - bảng 5.4) M ột số nước khác sử đụng công thức (5.3) đế đánh siá chắt lượng khõng A Q Ị/A P l,, nhim g ụr xây dụng giá trị ứ ng với chi số phụ tương ứ n g dựa vào cách chiiân hóa hàm Ui\ền tính phân đoạn (segmentcd) theo p hư ơng pháp cua Mỹ 5.1.2 Phưoiig pháp đánh giá nhiễm/chất lưọìtg khơng kbí ngày v n ă m b ằ n g ch í số tố n g h ọ p C ó cách tiếp cận y ếu để đánh giá ỏ nhiễm /chẩt lượng khõng ngày chi số tông hợp: lấy giá trị lớn từ chi số đơn lé; lấy tổng chi số đơn lè; lấy trung bình cộng trung bình tihân từ chí số đơn lé trung binh nhân kết hợp với tồng 5.1.2.Ỉ L ấ y g iá trị lớn n h ấ t củ a c h i số A P I/A Q Iị đơn l é (CƠHỊỊ th ú c (I)/(2/(3)) tính cho tổ h ợ p tiêu chuắn đồng th i /*, s'', 24“' ilé xú y dự ng c h i sổ lốnỊỊ h ọ p n g y - Chí số nhicm chuắn tổng hợp ngày cùa Mỹ (Pollutant Standard Index - PSÍ) [6]; - C ơng thức: r a „ = m a x (^ P /), (5.4) írong đó: APIi chi số đ n lẻ chất i tinh cho tổ hợ p tiêu chuấn Irung bìnli 1^', 8^', 24^' từ số liệu quan irác liên tực (công thức 5.1) - Bảng phân cấp đánh g iá Ỏ N K K bàng chi số tống hợp trình bày đây, B n g Bảng phân c ấ p nhiễm khơng khí củ a PSIơ [6] P S Ij M ứ c ô n h iễ m k h ô n g k h í (5.5) đ ó; Ị/, tính theo cơng thức {5.3) dựa trẽn bàng giá trị bang 5.4 ỉ/, tinh cho tố hợp tiêu chuẩn; 1^' 8^' 24* ngày T hang đánh giá quy định sau; B ả n g Phân cấp chắt lượng khơng khí theo số tổng hợp ngày AOIa củ a Hoa K ỳ (6 cấ p ) [5] K h o n g g iá t r ị AQ Id C ả n h b o cho cộ n g đ ổ n g c h ấ t lư ợ n g k h ô n g k hí -5 Tơt -1 0 101-150 T m n g bình A nh hướng xâu đên nhóm Iihày câm 151-200 Ả nh hưởng xẩu đen sức khóe -3 0 Anh huờng rât xâu đẻn sức khoe -5 0 Nguy hiêm - Chi số ò nhiễm tống h ọ p theo ngày cua n n g K ơng APỈ.Ì, Cơng thức: A P I j - m ux(A P i,), (5,6) íronị’ íỉỏ: APIi chi số đưn lé cùa chất i tính theo phương pháp chiiấn hóa hàm iuyến tinh phân đoạn cùa M ỹ đê xây dựng giá trị ch o chấi H ồng Kòng Phân cấp đánh giá cúa A P Ỉd h n g 5.8: B ả n g 5.8 Phân cấp nhiễm khơng khí số APIdờ Hồng Kông [2j APIj M ứ c ô n h iễ m k h n g khí -2 nhiêm thâp -5 0 nhiêm trung bình 51 - 100 nhiêm cao 101 - 0 nhiêm ràt cao 201 - 0 õ nhiễm nặng 140 ĨO AN ỨNG DỤNG TRONG MÕI TflưỜNG - Chỉ số ô nhiễm tống hợp ngày cua Tiaing Q uốc [4 API C a quan Bao vệ Môi tnrờng N hà nước (SEPA) Tning Quốc tiến liành tính tốn iheo s ố liệu đo đ c h ù n g ngàv 86 thành phố lớn APĨ, tính tốn d ự a m ức độ gây ô nhicm khỏniỉ chất, cụ thể !à lưu huỳnh điôxit (SO ), nitơ điôxit (N O ) hạt bụi lơ lừng (PMio) carbon m ônôxit (CO), ôzôn (O i) đư ợc đo liên tục trạm quan trẳc m ồi thành phố- C òng xh\scAPI,{ A P lj= m ax (APỈi) (5.7) o n g đỏ ; A P /, chi số đơn lè tinh toán theo p h n g pháp chuân hóa hàm phân đoạn M ỹ đề xây dự n g giá trị cho T rung Quốc, - Bàng phân cấp đánh giá cùa chi số tồng hợp API.I trình bày đây: B ả n g Phản cấp m ứ c độ ỏ nhiẻm khống khí ch ỉ số APIri Trung Q uốc (7 cấp ) [4] APId M ứ c ô n h iễ m k h n g khí -5 R â t tơt 51 - 100 Tót 10! - 150 C hóm nhiêm 151 - 200 nhiêm nhẹ 201 - 250 nhiểm tRing binh 251 - 0 nhiêm nặng >300 nhiêm nghiêm trọng - Tại Việt Nam C h í s A Q Ỉ j tổng hợp ng ày cua Tống cục M ôi lrư n g [1 Công thức đánh giá CLKK bàng chi số tổng hợ p AQ ỈJ (d - ngày) theo bưóc sau: a Tính tốn g iá trị A Q Ỉ* ' theỡ ỵ iờ + Tinh giá trị A Q ì‘' ihco chất 141 ClH Rm g s đ A n h g iá c h ấ t l ọ k g m õ i t r n g k h õ n g KHI G iá trị A Q V ‘ theo củ a íừng chất X tính tốn theo cơng thức sau đây: rc = -^ x lO O , ỔC, (5.8) ; A Q I ^.: G iá irị A Q I theo chất X (được làm tròn thành số nauyên); TS/ G iá trị quan trắc trung binh chất x; QC\\ G iá trị quy chuẩn trung bình cùa chất L u ỷ : Đối với thông số PMio' khơng có quy chiián trung bỉnh giờ, lấy quy chuần TSP trung bình ửiay cho PMìi) + Sau có giá trị A Q i'' th e o g iờ củ a m ỗ i ch ấ t, chọn giá trị A Q ỉ'' lớn 05 chất m ột thời gian (01 giờ) để lấy làm giá trị theo giờ: A Q I ‘’ ^ i m x ị A Q l ' ; ) , (5.9) b T ín h tốn A Q Id th eo n g y Tính giá trị AQ Ì'*'' theo ngày cúa tìm g chất Đ ầu tiên tinh giá trị trung gian AQỉl*'' Xr\iĩ\^ bình 24 từ n g chất theo công thức sau đây; (5,10) ' ỔC, ; r s , ; giá trị quan trắc trung bình 24 chất x\ QC^ : giá trị quy chuẩn trung binh 24 cùa chất x; A Q Ị^ '* '': tính b ằ n g g iá trị tru n g bình c ủ a chất làin tròn thành số nguyên) L u ý : không tinh giá trị A Q Ị^ ^ X (được TOAN lÌNG đ ụ n g ĨRO N GM OI t r n g + Giá trị A Q ĩ j theo ngày củ a từ ng chắt X xác định giá trị lớn số giá tri AQỉ'1 theo cùa chấl 01 ngàv giá trị AQ Ị'*'' trung binh 24 g iờ chất đ ó bời cơng thức; A ọ r l = m a x (A Q Ỉ:^ ‘\ A Q ỉ ‘[ ) L u ỷ : Giá trị A Q ỉị^ = m a x ( / í ộ / / ' ngày (5.11) A Q Ỉ‘‘ giá trị chất X + Tính giá trị AQli! theo ngày Sau đà có giá trị A Q Ư theo ngày cùa chất, giá trị A Ọ r ' lỡn cùa chất lấy làm chi số tổng hợp choA Q Ỉ,! theo ngày cùa trạm quan trấc đó: AQỈj=m ax(AQ Ỉ'l) (5.12) c P h â n cấp đ n h giá C l K K Sau tinh toán chi số CLK K , sừ dụng báng 5.10 đế xác định giá trị AQ!,i tưcmg ứng với m ức cánh báo CL K K m ức độ ãnh hưỡng tới sức khóe người để so sánh, đánh giá B n g Bảng phân cấ p chất lượng khỏng củ a AQIa [19] K hoảng giá trị CLKK Á n h h n g sứ c khóc M àu AQId -5 Tổt 51 - 100 Trung bình 1 -2 0 Kém K g ảnh hường đên sức khịe N hóm nhạy cảm nên hạn chế thời gian bên N h óm nhạy cảm cân hạn chế thời gian bên ngồi Xanh Vàng Da cam N hóm nhạy cám tránh 201 - 300 Xấu N hững người khác Đó hạn chế bên ngồi Trẽn 300 N guy hiêm M ọi người nên ỡ nhà N âu Chi ckủ: Nliỏm nhạy cảm bao gồm : trẻ em ngưịi gíầ nhừn^ người m ắc bệnh hỏ hấp 246 TOÁN ỨN6 DỤNG TRONG MỖI TRƯỜNG Do đó, tác giá tiếp lục tiến TEQ Ị thành chi sổ chắt lư ợ ng mòi trường tương đối RH Ọ / vào năm 2014 R E Q Ỉ đíì điỉợc kiẻm nghiệm thực tế thơng qua đè lài/dụ án cho thấy chi số R E Ọ Ỉ cho kết qua phii hợp với thực té Chi số đ ã đuợc côna bo tạp chí quốc tể nước nàm 2014 Tác gia đă áp dụng R E Q l đc xây d ự ng chi số ô nhiễm không klii urơiig đối ịR A P I) [12], đỏ KAPỈJ (ngày) sư dụng đề đánli giá inirt; dộ ô nhiễm ngây theo số liệu quan trắc liên tục R A P Ỉ ị, đê đánh giá theo từ số liệu quan trắc định kỳ Phương pháp línli trọng số cQa RAPI,i (ngày) RAPỈI, (giờ) bàn g lý thuyết khẩc phục dược phương pháp tinh trọng số bàng cách cho điềm theo ý kiến chù quan cùa chuyên gia (xem mục 5-1-6) T ương tự đánh giá ciiấl lượne nước [28] {nước inặt nước ngầm , nước biển ven bờ v.v.) R eịV Q Ị (nước mặt) RGỌJ (nước ngẩm) R C o Q l (nước bicn ven bờ) R S eQ I (nước bién) có nliicu ưu điẽni thuận lợi việc áp dụng vào thực tá Đối với mói trường đ ất xây dựng chi số chất iirợng đất tương đổi iR SỌ Ỉ) [73,75]- Đây chi số đưực đồ xuất đc dánh giá l'L D thay vi trước dây vấn dồ cịn bị ngó Các chi số RAPI ReW Q l, RCỈỌỈ R coQ Ỉ R S Ọ I kiểm nghiệm lừ chuỗi số liệu quan trắc liên lục định k ỳ cho kếí phù h(;p vứi thực lế [13.16.30.31.74] MỘI Irong chi số nèu trẽn cỏiig bồ ircn lạp chi quốc tc [26.75] U u điểm CI R E Q I áp dụng để xây dự n g chí sổ cho thành phần inôi trirờiig: không khi, tnrởc đất Phạm Ngọc Hồ đề xuất đirực tóm tắt nliư sau; - Trọng số tính đến mối quan hệ (mối lưưng quan) tìmg thơng số so với thơng số k h t đánh giá tống hợp đư ợc tliíết lập bang lý thuyết dựa việc vó th ứ nguvén hóa TC mơi trườiig quy định bời nước, khơng tự cho điểm theo tiêu chí quan eúa chuyên gia pliư 2); - Các chi số khơng RA PI, nước R eW Q Ị, v.v đất R SQ Ỉ tích họp Irực tiếp từ số đơn lẽ (chi số phụ qi tính tốn đơn O iiíơngS.ĐÂIiHGlÁCHÃĨLƯƠ N GM Ơ ITRƯỠ N GKHƠ N GKHĨ 247 giàn) thành chí số tống hợp cuối phụ thuộc v tỷ >Yíí lu'