Ô nhiễm không khí là một vấn đề nghiệm trọng đối với các đô thị hiện nay nhất là đô thị lớn như Tp. Hồ Chí Minh. Các nguồn phát thải ô nhiễm không khí không chỉ đến từ hoạt động công nghiệp và còn từ hoạt động giao thông. Việc theo dõi diễn biến tình hình chất lượng không khí là một vấn đề cấp bách và cần thiết. Nghiên cứu đã tiến hành xây dựng quy trình dự báo PM2.5 bằng việc kết hợp các mô hình CMAQ, SMOKE, WRF.
Nghiên cứu tính tốn dự báo PM 2.5 cho khu vực TP Hồ Chí Minh Nguyễn Kỳ Phùng1, Nguyễn Quang Long2, Nguyễn Văn Tín3 Viện Khoa học Cơng nghệ Tính tốn Trường Khoa học Tự nhiên-TPHCM Tóm tắt: Ơ nhiễm khơng khí vấn đề nghiệm trọng đô thị thị lớn Tp Hồ Chí Minh với dân số 10 triệu người Các nguồn phát thải nhiễm khơng khí khơng đến từ hoạt động cơng nghiệp từ hoạt động giao thơng Việc theo dõi diễn biến tình hình chất lượng khơng khí vấn đề cấp bách cần thiết Nghiên cứu tiến hành xây dựng quy trình dự báo PM2.5 việc kết hợp mơ hình CMAQ, SMOKE, WRF Quá trình dự báo kết hợp phương pháp đồng với liệu vệ tinh MODIS để nâng cao độ xác dự báo Kết hiệu chỉnh kiểm định phương trình đạt R=0.8 cho thấy quy trình đề xuất đạt hiệu yêu cầu đề ra, đảm bảo theo dõi dự báo tình hình chất lượng khơng khí với độ xác cao Phân viện KH KTTV BĐKH Tp.Hồ Chí Minh có xu hướng Chỉ số AQI trung bình quý năm 2017 100.8 cao so với quý năm 2016 91.2 nồng độ PM2.5 trung bình đạt 35.8 µg/m q 12017 giai đoạn 2016 30.72 35.8 µg/m3 Hiện thơng tin chất lượng khơng khí cung cấp dạng Thông tin quan trắc từ trạm quan trắc tự động/bán tự động ( Ví dụ: Cổng thông tin quan trắc môi trường, Trạm quan trắc đại sứ quán Mỹ…) Số liệu mang giá trị đặc trưng cho điểm liên tục theo thời gian Tuy nhiên điểm quan trắc thường khơng liên tục Từ khóa: Ơ nhiễm khơng khí, Bụi PM2.5, mơ hình CMAQ Đặt vấn đề Theo số hiệu suất môi trường (Environmental Performance Index) công bố năm 2016 thực Đại Học Yale xếp hạng quốc giá vấn đề môi trường, Việt Nam đạt số điểm 54,75/100 chất lượng khơng khí với xếp hạng 170 số 180 quốc gia Cùng với phát triển nhanh Tp.Hồ Chí Minh 35 năm qua mặt trái nhiễm môi trường sống Mặc dù vài năm gần ý thức người dân thay đổi, có quan tâm với đến vấn đề bảo vệ môi trường hành động cụ thể thiếu… điều khiến tình trạng nhiễm mơi trường Tp.Hồ Chí Minh mức độ báo động Trong đô thị, ô nhiễm bụi PM2.5 vấn đề quan trọng sức khỏe người, đặc biệt người già trẻ em Một số nghiên cứu Pope phơi nhiễm PM2.5 với mức độ cao làm tăng nguy mắc bệnh ưng thu phổi tim (Pope et al., 2002, Pope and Dockery, 2006 [7]) Trong tháng đầu năm 2017 Tp Hồ Chí Minh, nồng độ trung bình PM 2.5 có ngày vượt quy chuẩn quốc gia (50 µg/m 3) 78 ngày cao so với tiêu chuẩn WHO (25 µg/m 3) So với kỳ năm 2016, chất lượng khơng khí Hình 1: Một số cơng cụ theo dõi chất lượng khơng khí Thơng tin dự báo chất lượng khơng khí dạng đồ viện khoa học khí tượng thủy văn biến đổi khí hậu Thơng tin diễn tả phân bố theo khơng gian cho tồn Việt Nam Do thiếu thông tin chất lượng không khí nên cần thiết có cơng cụ cung cấp thơng tin dự báo chất lượng khơng khí số PM 2.5 chi tiết theo thời gian khơng gian cho khu vực Tp.Hồ Chí Minh cho người dân quan ban ngành để cảnh báo trạng chất lượng khơng khí thực biện pháp bảo vệ sức khỏe Nghiên cứu tiến hành đưa quy trình dự báo sở xây dựng hệ thống dự báo nồng độ PM2.5 mơ hình quang hóa CMAQ 5.2 kết hợp với mơ hình dự báo thời tiết WRF 3.9, mơ hình tính tốn phát thải SMOKE 4.5 Phương pháp nghiên cứu số liệu sử dụng 2.1 Phương pháp nghiên cứu Hệ thống mơ hình Chất lượng Khơng khí Cộng đồng Đa quy mơ (CMAQ) phát triển Trung tâm Hệ thống Mơ hình hóa Phân tích Cộng đồng (CMAS) Đại học Bắc Carolina đồi Chapel (Hill, 2014a) CMAQ dự án mã nguồn mở điều hành Cơ quan Khoa học Mơ hình hóa Khí U.S.EPA (Hill, 2014a) Đây loại mơ hình CLKK tổng thể thiết kế để tiếp cận với nhiều vấn đề liên quan đến CLKK, bao gồm ozone tầng đối lưu, loại bụi mịn, chất độc, lắng đọng acid suy giảm tầm nhìn Sự phát triển mơ hình CMAQ kết hợp kiến thức khoa học chuyên môn khả ứng dụng phép mơ hình sử dụng cộng đồng CMAQ phát triển dạng mơ hình đa quy mơ để tăng khả ứng dụng mơ hình cho nhiều khu vực khác Kích thước vùng tính tốn độ phân giải lưới mơ hình CMAQ xếp thành số mức độ định theo không gian thời gian Với linh hoạt thời gian mơ hình này, q trình mơ thực để đánh giá dài hạn (hàng năm nhiều năm) hay ngắn hạn (vài tuần đến vài tháng).( Hill, 2014b) [4] Hệ thống mơ hình CMAQ tiến hành mơ nhiều q trình vật lý hóa học đánh giá quan trọng cho hiểu biết phân phối biến đổi chất khí khí (Hill, 2014b) Hệ thống mơ hình CMAQ chứa ba thành phần mơ hình hóa chính: - Hệ thống mơ hình khí tượng mơ tả trạng thái chuyển động khí - Các mơ hình phát thải mơ tả nguồn thải tự nhiên nhân tạo đưa chất gây nhiễm vào bầu khí (Hill, 2014b) [4] - Hệ thống mơ hình vận chuyển hóa chất mô tả vận chuyển biến đổi chất gây nhiễm bầu khí (Hill, 2014b) Cơ chế phản ứng mơ hình quang hóa Cơ chế quang hóa thành phần quan trọng mơ hình quang hóa Theo tác giả Lê Hồng Nghiêm (2007), “cơ chế quang hóa cho chất hóa học tầng đối lưu mơ tả tốn học q trình quang hóa bầu khí tầng thấp thông qua chuỗi phản ứng xảy chất gây ô nhiễm sơ cấp thứ cấp” (Nghiem, 2007) Các chất hóa học liên quan chế quang hóa chia thành hai loại chất vô hữu (Nghiem, 2007) [6]: - Các chất vô cơ: NOx, Ox, HOx, SOx - Các chất hữu cơ: chủ yếu VOCs Cơ chế quang hóa sử dụng mơ hình CMAQ chế carbon bond phát triển sử dụng nghiên cứu mô hình khí EPA Cơ chế tích hợp cho CMAQ gọi CB05 phát triển vào năm 2005 CB05 chế rút gọn hóa học oxy hóa khí quyển, cung cấp tảng cho nghiên cứu mơ hình hóa máy tính nghiên cứu ozone, hạt bụi (PM), tầm nhìn, trình lắng đọng acid chất độc khơng khí Những điểm CB05 so với chế CB4 bao gồm (Yarwood et al., 2005) [9]: + Cập nhật số tốc độ phản ứng dựa đánh giá gần (2004-2005) IUPAC NASA + Một phản ứng mở rộng chất vô thiếp lập cho đô thị với điều kiện tầng đối lưu + Những phản ứng tái tạo NOx để đại diện cho chu trình NOx nhiều ngày + Làm rõ hóa học hữu methane ethane + Làm rõ gốc oxy hóa methylperosy, methyl hydroperoxide formic acid + Thu gọn higher organic peroxides, organic acids peracids + Thêm gốc internal olefin (R-HC=CH-R) hay gọi IOLE + Thêm chế lựa chọn có phán ứng clorine + Thêm chế mở rộng với phản ứng độc khơng khí + Mở rộng chế hóa học chlorine Cơ chế hóa học CB05 bao gồm 51 chất 156 phản ứng (Yarwood et al., 2005) Cơ chế CB05 kiểm chứng lại từ liệu smog chamber đại học Universities of North Carolina California Riverside Trong sở tốn học CMAQ diễn tả phương trình liên tục chất tọa độ tổng quát ˆ � � (i J s ) J V m2�g� i s2 s � t �m �� (i J s s&) J s Qi � � s � Trong φi nồng độ lồi theo đơn vị mật độ (ví dụ, kg m-3), Js Jacobian dọc tọa độ địa hình có ảnh hưởng, m yếu tố quy mô đồ, V^s s thành phần gió nằm ngang dọc tọa độ tổng quát, Qϕi thuật ngữ nguồn chìm CLKK Mozart ngày + 72h Dữ liệu MODIS Aqua/Terra + OBS CLKK Điều kiện biên, ban đầu Dữ liệu khí tượng WRF Đồng CMAQ Kết mô SMOKE Dữ liệu phát thải GT +CN Hình : Sơ đồ khối hệ thống mơ hình dự báo CLKK Hình trình bày sơ đồ tổng qt hệ thống mơ hình dự báo CLKK Dữ liệu điều kiện biên ban đầu lấy từ mơ hình Mozart đến hạn dự báo 72h, liệu khí tượng từ mơ hình dự báo thời tiết WRF Các liệu giao thông công nghiệp thông qua thư viện nguồn thải SMOKE tính tốn nguồn thải trước đưa vào CMAQ Ngoài đề tài sử dụng liệu quan trắc trạm đo từ vệ tính MODIS để đồng hóa số liệu nhằm nâng cao kết mô Phương pháp đánh giá sai số mơ hình CMAQ Sai số mơ hình CLKK (CMAQ) duợc dánh giá thơng qua ba tiêu thống kê sau: sai số hệ thống trung bình chuẩn hóa (MNBE), sai số tuyệt dối trung bình chuẩn hóa (MNGE), sai số giá trị cực dại không theo cặp (UPA) Sai số hệ thống trung bình chuẩn hóa (MNBE) Số liệu lưu lượng xe thu thập từ Ban quản lý Hầm Thủ Thiêm thuộc Sở Giao thông vận tải với 300 Camera quay liên tục liên tục 24 ngày ngày tuần Nhóm nghiên cứu tiến hành lựa chọn 55 vị trí camera (Hình 3) để tiến hành khảo sát lưu lượng giao thơng dựa theo tiêu chí: Phân bố quận huyện thành phố; Có chất lượng hình ảnh tốt góc quan sát rộng; Tránh chọn trùng nhiều camera tuyến đường hay trục giao đường Thời gian thu thập ghi camera thời gian 18-24/7/2017, thời gian 24h/ngày Ngoài ra, hệ thống camera tập trung chủ yếu tuyến đường lớn khu vực trung tâm Tp.Hồ Chí Minh, nhóm nghiên cứu tiến hành khảo thực tế sát số tuyến đường nằm ngoại vi Thành phố để đảm bảo số liệu phản ánh trạng lưu thông khu vực Tp.Hồ Chí Minh Bổ sung liệu thống kê lưu lượng 141 tuyến đường từ đề tài “Thiết lập đồ lan truyền nhiễm khơng khí hoạt động giao thông, sản xuất công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh” –Hồ Quốc Bằng [2] Sai số tuyệt dối trung bình chuẩn hóa (MNGE) Sai số giá trị cực dại không theo cặp (UPA) : giá trị mô hình vị trí i thứ t : giá trị quan trắc vị trí i thứ t : giá trị mơ hình lớn tất vị trí quan trắc tồn chuỗi thời gian : giá trị quan trắc lớn tất vị trí quan trắc tồn chuỗi thời gian 2.2 Số liệu sử dụng 2.2.1 Số liệu từ hoạt động giao thơng Hình 3: Vị trí Camera giao thơng Tp Hồ Chí Minh Phương pháp thống kê xe thực sau: Đếm số lượng loại hình di chuyển: xe máy, xe đạp, xe buýt, xe ô tô từ -16 chỗ, xe ô tô ≥ 24 chỗ, xe tải, xe container người Sử dụng bảng tổng hợp để ghi nhận số lượng loại phương tiện Cộng lại sau 15 phút Tính tốn phát thải khí nhà kính theo khoảng cách di chuyển (Tung et al., 2011) [8] mô tả công thức (4): Ei,m = Nm * EFi,m *VKTm (1) Ei,m : tải lượng phát thải khí i loại phương tiện m (g) Nm : số lượng phương tiện m 1km di chuyển (xe) Efi,m : hệ số phát thải khí i loại phương tiện m (g/km) VKTm : tổng chiều dài di chuyển phương tiện 2.2.2 Phát thải công nghiệp Quá trình điều tra khảo sát thực theo trình tự cập nhật thơng tin tình hình hoạt động doanh nghiệp thông qua báo cáo giám sát môi trường thuộc quản lý HEPZA Chi cục bảo vệ mơi trường Tp Hồ Chí Minh Các số liệu thu thập bao gồm: nguồn thải (các chất bụi, Sox, Nox, CO) từ ống khói lò hơi, loại hình sản xuất, kích thước, chiều cao ống khói, tọa độ ống khói, nhiên liệu hoạt động, thời gian hoạt động Cơng ty khơng có số liệu đo nhóm nghiên cứu tính tốn tải lượng phát thải chất dựa nhiên liệu sử dụng Bảng 1: Các khu cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh [1] STT KCN STT An hạ Bình Chiểu Bình Tân 10 11 Cát Lát 1-2 12 Đông Nam 13 Hiệp Phước 14 Lê Minh Xuân Tân Phú trung 15 KCN KCX Linh Trung 1-2 Tân Bình Tân Tạo Tân Thới Hiệp Tân Thuận Tây Bắc Củ Chi Vĩnh lộc Hình 4: đồ vị trí ống khói ngồi khu cơng nghiệp Bên cạnh phát thải từ ống khói khu cơng nghiệp, nghiên cứu sử dụng thêm liệu phát thải ống khói sở nằm ngồi khu cơng nghiệp (Hình 4) Đây nguồn phát thải quan trọng Nghiên cứu sử dụng số liệu kế thừa từ kết đề tài “Mô nồng độ PM10 khu vực Tp Hồ Chí Minh đánh giá tác động tới sức khỏe người“ Tác giả Hồ Quốc Bằng [3] Trong nghiên cứu nhóm tác giả Hồ Quốc Bằng đo đạc số liệu phát thải sở sản xuất ngồi khu cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh, từ bổ sung sở liệu đầy đủ nguồn thải hoạt động công nghiệp TP Hồ Chí Minh 2.3 Số liệu điều kiện biên điều kiện ban đầu CMAQ Để xây dựng quy trình dự báo hồn chỉnh, nghiên cứu trọng việc xây dựng điều kiện biên ban đầu yếu tố ảnh hưởng lớn để kết mô Nghiên cứu chọn lọc nhiều kết mơ hình chất lượng khơng khí tồn cầu nhận thấy kết từ mơ hình MOZART trung tâm nghiên cứu khí quyểnNational Center for Atmospheric Research (NCAR) - phù hợp với yêu cầu đặt với độ xác cao, mơ hình có kết mô với R dao động khoảng 0.7-0.9 (Emmons et al., 2010) Mơ hình Mozart kết hợp với liệu vệ tinh MOPITT số liệu đo đạc trạm mặt đất nên kết kuả mô cho giá trị sát với thực tế 3 Kết nghiên cứu Kết sau chạy mô ngày 12-14/7/2017 Giá trị mô hiệu chỉnh dựa kết quan trắc vị trí đường Nguyễn Văn Cừ thực tế Sau hiệu chỉnh, kết mô đánh giá theo số thống kê bảng Kết mô thỏa mãn có số thỏa mãn điều kiện MNGE UPA Kết mô hiệu chịnh diễn tả xu dao động nồng độ PM2.5 ngày với R=0.84 Bảng 2: Kết đánh giá sai số PM2.5 mơ hình vị trí đường Nguyễn Văn Cừ Chỉ số thống kê Giá trị Giá trị chuẩn MNBE -27.23% ± 15 % MNGE 27.22% ≤ 35 % UPA -18.23% ± 20% Hình cho thấy kết mô diễn tả xu hướng lên xuống nhiên có thời điểm dao động qua lớn giữ Giá trị PM2.5 lớn mơ đạt 30-34 µg/m thấp 5-10 µg/m3 Xu hướng phù hợp với trạng chung thành phố Hồ Chí Minh Hình 6: Kết dự báo PM2.5 vào thời điểm 19h ngày 15/7/2017 Hình cho thấy kết mơ PM2.5 vào thời điểm 19h ngày 15/7/2017 Nồng độ phân bố tập trung hướng đông bắc thành phố khu vực thuộc Tp Biên Hòa, Đồng Nai với nồng độ dao động từ 47-57 µg/m3, khu vực có PM2.5 cao gần trung tâm thành phố với nồng độc cực đại đạt 80 µg/m3 cao so với quy chuẩn Việt Nam 50 µg/m3 PM2.5 tập trung nhiều khoảng 38-47 µg/m3 Kết luận Trong ô nhiễm không khí, số PM 2.5 số quan trọng tác động lớn tới sức khỏe người Với kết chạy kiểm định hiệu chỉnh chứng tỏ mơ hình CMAQ kết hợp với q trình đồng hóa liệu vệ tinh công cụ tốt cho vấn đề dự báo chất lượng khơng khí PM 2.5 cho khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh Hệ thống tiếp tục phát triển dự báo cho nhiều chất khác Kết dự báo cho thấy vào cao điểm PM2.5 cao khu vực trung tâm TP Hồ Chí Minh, thời điểm có mật độ giao thơng đơng trung tâm thành phố Tài liệu tham khảo Hình 5: So sánh mô quan trắc Nguyễn Văn Cừ từ ngày 12-13-14/7/2017 [1] Hepza, 2016 Báo cáo giám sát môi trường định kỳ [2] Hồ Quốc Bằng (2011) Thiết lập đồ lan truyền ô nhiễm khơng khí hoạt động giao thơng, sản xuất cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh [3] HO, B Q 2017 Modeling PM10 in Ho Chi Minh City, Vietnam and evaluation of its impact on human health Sustainable Environment Research, 27, 95-102 [4] HILL, I F T E U N C C 2014a Community Modeling and Analysis (CMAS) CMAQ [5] HUNG, N T., KETZEL, M., JENSEN, S S & OANH, N T K 2010 Air Pollution Modeling at Road Sides Using the Operational Street Pollution Model—A Case Study in Hanoi, Vietnam Journal of the Air & Waste Management Association, 60, 13151326 [6] NGHIEM, L H 2007 Photochemical modeling for prediction of ground-level ozone over the continental Southeast Asian region to assess impacts on rice crop yield Ph.D theis, Asian Institute of Technology [7] POPE, I C., BURNETT, R T., THUN, M J & ET AL 2002 Lung cancer, cardiopulmonary mortality, and long-term exposure to fine particulate air pollution JAMA, 287, 1132-1141 [8] TUNG, H D., TONG, H Y., HUNG, W T & ANH, N T N 2011 Development of emission factors and emission inventories for motorcycles and light duty vehicles in the urban region in Vietnam Science of The Total Environment, 409, 2761-2767 [9] YARWOOD, G., RAO, S., YOCKE, M & WHITTEN, G 2005 Updates to the Carbon Bond chemical mechanism: CB05 Final report to the US EPA, RT-0400675, Study calculate and forecast PM2.5 for Ho Chi Minh City Nguyen Ky Phung1, Nguyen Quang Long2, Nguyen Van Tin3 Institute of Computational Science and Technology University of Science - HCMC Sub-Institute of hydrometeorology and climate change Summary: Air pollution has been an important issue for urban areas today, especially in large cities like Ho Chi Minh City, which has a population of more than 10 million people, and sources ofemission are not only from industrial parks but most of them come from traffic Monitoring the quality of air quality has become an urgent and necessary issue in Ho Chi Minh City The study has developed the PM2.5 forecasting process using the CMAQ, SMOKE, WRF model The forecast process combines the synchronized method with MODIS satellite data to improve forecast accuracy The calibration and validation results of the equation is R = 0.8, show that the proposed procedure achieves the requirement, ensuring the tracking and predictability of the air quality with high accuracy The trend of PM2.5 increases in the morning from 5AM when the people start working and reach to the peak value 34 µg/m3 at 9AM in rush hour The trend of PM25 is same in the period of evening but it go down when it was raining Keyword: Emission inventory, CMAQ, PM2.5 ... học Mơ hình hóa Khí U.S.EPA (Hill, 2014a) Đây loại mơ hình CLKK tổng thể thiết kế để tiếp cận với nhiều vấn đề liên quan đến CLKK, bao gồm ozone tầng đối lưu, loại bụi mịn, chất độc, lắng đọng... Giá trị PM2 .5 lớn mô đạt 30-34 µg/m thấp 5-10 µg/m3 Xu hướng phù hợp với trạng chung thành phố Hồ Chí Minh Hình 6: Kết dự báo PM2 .5 vào thời điểm 19h ngày 15/7/2017 Hình cho thấy kết mô PM2 .5 vào... vực có PM2 .5 cao gần trung tâm thành phố với nồng độc cực đại đạt 80 µg/m3 cao so với quy chuẩn Việt Nam 50 µg/m3 PM2 .5 tập trung nhiều khoảng 38-47 µg/m3 Kết luận Trong nhiễm khơng khí, số PM 2.5