Nghiên cứu ứng dụng mô hình CMAQ đánh giá, dự báo chất lượng môi trường không khí tại một số khu vực thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía bắc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đàm Duy Ân NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CMAQ ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ TẠI MỘT SỐ KHU VỰC THUỘC VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM PHÍA BẮC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đàm Duy Ân NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CMAQ ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ TẠI MỘT SỐ KHU VỰC THUỘC VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM PHÍA BẮC Chun ngành: Khoa học Mơi trường Mã số: 62440301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Mai Trọng Thông Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực từ đề tài nghiên cứu Một số kết chúng tơi cơng bố tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý đồng tác giả phù hợp với quy định hành Các số liệu, thông tin tham khảo, chứng minh so sánh từ nguồn khác trích dẫn theo quy định Việc sử dụng nguồn thông tin, số liệu phục vụ cho mục đích học thuật Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan kết nghiên cứu luận án Nghiên cứu sinh Đàm Duy Ân LỜI CẢM ƠN Trong s��������������vàhồn thành l����này, tơi đ������c s� ����������tn tình ������ơ, đồng nghiệ�����nhv�������è ��i�����nh��ng ���ơn sâu ��tôi xin ��c bày ����c��ơn chân thành ���Ban ���hiệu, ���gĐào ��oSau ������Khoa Môi trường Trường �� ���Khoa h�c T�nhiên, Đ�i h�c Qu�c gia Hà Nội; Các th�y cô giáo, nhà khoa h�c �������kiện ��������tơi q��t������t hồn thành ������y; Tôi xin chân thành ��mơn gia ����luôn kiên nh�n động viên, hỗ tr�tơi su�t q trình ��������iệcvà hồn������� Lời c�m ơn sâu s�c xin đư�c gửi đ�n PGS.TS Mai Tr�ng Thông người ��������������l�������,��h lệ ��t������hh�c t�p th�c hiệ�����nnày Trân tr�ng! Hà Nội, ngày ��� năm 2018 Nghiên cứu sinh Đàm Duy Ân MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 14 1.1 MƠ HÌNH HĨA CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ 14 1.1.1 Các mơ hình chất lượng khơng khí thơng dụng 14 1.1.1.1 Mơ hình nguồn điểm 14 1.1.1.2 Mô hình theo quy mơ khu vực diện rộng [13, 14] 15 1.1.1.3 Mơ hình phát tán (Dispersion models) [21] 16 1.1.1.4 Mơ hình quang hóa 16 1.1.2 Các mô hình khí tượng thơng dụng 18 1.1.2.1 Mơ hình MM5 18 1.1.2.2 Mơ hình WRF 18 1.1.2.3 Mơ hình CALMET 19 1.1.2.4 Mơ hình RAMS 19 1.1.3 Mơ hình kiểm kê phát thải 19 1.1.4 Mơ hình dự báo thống kê (Statistical Models) 20 1.2 TỔNG QUAN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CMAQ TRONG NGHIÊN CỨU CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 20 1.2.1 Các nghiên cứu giới 20 1.2.2 Các nghiên cứu Việt Nam 22 1.3 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 26 1.3.1 Khái quát Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc 26 1.3.2 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu 27 1.3.2.1 Điều kiện tự nhiên 27 1.3.2.2 Đặc điểm địa chất – địa hình [1] 28 1.3.2.3 Đặc điểm khí hậu, thủy văn 29 1.3.2.4 Khái quát đặc điểm kinh tế xã hội tỉnh lựa chọn nghiên cứu CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.1 Mơ hình WRF 2.1.2 Mơ hình CMAQ khả mơ [25, 26, 37, 40] 2.1.3 Tính tốn lắng đọng khô 2.1.4 Dữ liệu phát thải REAS v2.1 2.2 DỮ LIỆU ĐẦU VÀO PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN ÁN 2.2.1 Dữ liệu khí tượng 2.2.2 Dữ liệu phát thải phương án tính tốn 2.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN DỮ LIỆU NGUỒN THẢI DỰA TRÊN NỀN TẢNG DỮ LIỆU REAS v2.1 2.3.1 Nghiên cứu liệu REAS v2.1 2.3.2 Phương pháp tính tốn liệu phát thải sau năm 2008 từ nguồn liệu REAS v2.1 2.4 MIỀN TÍNH VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH 2.4.1 Miền tính 2.4.2 Phương án tính tốn 2.4.3 Kiểm định mô hình CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ NĂM 2007 3.1.1 Dữ liệu phát thải khu vực nghiên cứu năm 2007 3.1.2 Kiểm định mơ hình 3.1.3 Hiện trạng chất lượng mơi trường khơng khí năm 2007 3.1.3.1 Đối với SO2 3.1.3.2 Đối với NO2 3.1.3.3 Đối với bụi PM10 3.2 HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ NĂM 2013 3.2.1 Dữ liệu phát thải 2013 3.2.2 Kiểm định mơ hình 3.2.2.1 Kết kiểm định với liệu quan trắc tự động 3.2.2.2 Kết kiểm định với liệu ảnh vệ tinh (OMI) 3.2.3 Hiện trạng chất lượng mơi trường khơng khí năm 2013 3.2.3.1 Hiện trạng SO2 76 3.2.3.2 Hiện trạng NO2 84 3.2.3.3 Hiện trạng PM10 92 3.2.3.4 Hiện trạng CO 99 3.3 LẮNG ĐỌNG KHÔ 103 3.3.1 Lắng đọng SO2 103 3.3.2 Lắng đọng NO2 106 3.3.3 Lắng đọng HNO3 109 3.4 ĐĨNG GĨP Ơ NHIỄM KHƠNG KHÍ TỪ CÁC DẠNG NGUỒN THẢI.112 3.4.1 Đối với SO2 112 3.4.2 Đối với NO2 116 3.4.3 Đối với PM10 119 3.5 ĐÁNH GIÁ PHÂN BỐ CHẤT Ô NHIỄM THEO CHIỀU CAO (PROFILE THẲNG ĐỨNG) 122 3.5.1 Phân bố nồng độ SO2 theo chiều cao 122 3.5.2 Phân bố nồng độ NO2 theo chiều cao 125 3.5.3 Phân bố nồng độ PM10, CO theo chiều cao 125 3.6 DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 127 3.6.1 Dữ liệu phát thải 127 3.6.2 Đối với SO2 129 3.6.3 Đối với NO2 131 3.6.4 Đối với PM10 133 3.6.5 Đối với CO 135 KẾT LUẬN 137 KIẾN NGHỊ 138 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ 139 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 139 TÀI LIỆU THAM KHẢO 140 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CMAQ CCTM CLKK GIS KTTĐ MTQG NCS REAS WRF QCVN DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Lượng mưa trung bình tháng năm (mm) 30 Bảng 2.1 Gia tăng bình quân lượng thải theo năm từ liệu REAS v2.1 48 Bảng 2.2 So sánh dự báo Việt Nam tăng trưởng phát thải với tính tốn tăng trưởng phát thải từ REAS v2.1 50 Bảng 2.3 Đề xuất tỷ lệ tăng trưởng phát thải bình quân cho số nguồn thải 51 Bảng 3.1 Bảng thống kê thời gian kiểm định kết kiểm định mô hình CMAQ năm 2007 56 Bảng 3.2 Bảng tổng hợp tiêu đánh giá tương quan số liệu thực đo kết tính tốn 74 Bảng 3.3 So sánh kết tổng cộng NO2 tầng đối lưu từ mơ hình CMAQ ảnh 15 vệ tinh OMI (đơn vị 10 mol/cm ) 75 Bảng 3.4 Tốc độ lắng đọng SO2 khu vực Hà Nội (cm/s) 103 Bảng 3.5 Tổng lắng đọng SO2 theo tháng khu vực (kg/ha/tháng) .104 Bảng 3.6 Tổng lắng đọng NO2 theo tháng khu vực (kg/ha/tháng) 107 Bảng 3.7 Tổng lắng đọng HNO3 theo tháng khu vực 111 Bảng 3.8 Tỷ lệ phát thải SO2 từ nguồn thải khác năm 2013 112 Bảng 3.9 Tỷ lệ phát thải NO2 từ nguồn thải khác 116 Bảng 3.10 Tỷ lệ phát thải PM10 từ nguồn thải lớn khu vực nghiên cứu 119 Bảng 3.11 Tỷ lệ thay đổi nồng độ SO2 trung bình năm 2020/2013 129 Bảng 3.12 Tỷ lệ thay đổi nồng độ NO2 trung bình năm 2020/2013 131 Bảng 3.13 Tỷ lệ thay đổi nồng độ PM10 trung bình năm 2020/2013 133 Bảng 3.14 Tỷ lệ thay đổi nồng độ CO trung bình năm 2020/2013 135 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ mơ hình nguồn điểm Hình 1.2 Sơ đồ mơ tả tổng thể hệ thống mơ hình dự báo chất lượng khơng khí Hình 1.3 Các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc [1] Hình 2.1 Cấu trúc mơ hình WRF Hình 2.2 Quan hệ hệ thống mơ hình CMAQ với mơ hình phát thải khí tượng [10 - 14] Hình 2.3 Hệ thống module mơ hình CMAQ [10-14, 72] Hình 2.4 Biến thiên tổng lượng phát thải CO ô lưới phát thải tỉnh thuộc khu vực nghiên cứu từ nguồn thải cơng nghiệp Hình 2.5 Biến thiên tổng lượng phát thải PM10 ô lưới phát thải thuộc khu vực nghiên cứu từ nguồn thải công nghiệp Hình 2.6 Biến thiên tổng lượng phát thải NO2 ô lưới thuộc khu vực nghiên cứu từ nguồn dân sinh Hình 2.7 Lưới tính mơ hình CMAQ Hình 3.1 Bản đồ phát thải SO2, NO2 bụi PM10 năm 2007 khu vực nghiên cứu Hình 3.2a So sánh nồng độ SO2 kết tính tốn thực đo năm 2007 Hình 3.2b So sánh nồng độ NO2 kết tính tốn thực đo năm 2007 Hình 3.2c So sánh nồng độ PM10 kết tính tốn thực đo năm 2007 59 Hình 3.3 Bản đồ nồng độ SO2 trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 Hình 3.4 Bản đồ nồng độ NO2 trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 Hình 3.5 Bản đồ nồng độ PM10 trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 Hình 3.6 Phát thải SO2 từ nguồn thải khác tổng phát thải SO2 năm 2013 Hình 3.7 Phát thải bụi PM10 từ nguồn thải khác tổng phát thải PM10 năm 2013 Hình 3.8 Phát thải NO2 từ nguồn thải khác tổng phát thải NO2 năm 2013 Hình 3.9 So sánh nồng độ PM10 số liệu thực đo kết tính tốn năm 2013 Hình 3.10 So sánh nồng độ NO2 số liệu thực đo kết tính tốn năm 2013 Hình PL2.2 B�n đồ phân b�nồng độ SO trung bình tháng từ nguồn th�i cơng nghiệp năm 2013 Hình PL2.3 B�n đồ phân b�nồng độ SO trung bình tháng từ nguồn th�i giao thơng năm 2013 2.2 Bản đồ NO2 Hình PL2.4 B�n đồ phân b�nồng độ NO trung bình tháng từ nguồn th�i dân sinh năm 2013 Hình PL2.5 B�n đồ phân b�nồng độ NO trung bình tháng từ nguồn th�i cơng nghiệp năm 2013 Hình PL2.6 B�n đồ phân b�nồng độ NO trung bình tháng từ nguồn th�i giao thơng năm 2013 2.3 Bản đồ PM10 Hình PL2.7 B�n đồ phân b�nồng độ PM10 trung bình tháng từ nguồn th�i dân sinh năm 2013 Hình PL2.8 B�n đồ phân b�nồng độ PM10 trung bình tháng từ nguồn cơng nghiệp năm 2013 Hình PL2.9 B�n đồ phân b�nồng độ PM10 trung bình tháng từ nguồn th�i giao thơng năm 2013 Tỷ lệ đóng góp nhiễm ngành năm 2013 B���PL3.1 Tỷ lệ ô nhiễm SO2 �����ngành������th Nguồn thải Dân sinh Tháng Công Nghiệp Giao Thông Khác Khu Vực Dân sinh Tháng Công Nghiệp Giao Thông Khác Khu Vực Tháng Dân sinh Công Nghiệp Giao Thông Khác Khu Vực Dân sinh tháng 10 Công Nghiệp Giao Thông Khác Nguồn thải Dân sinh Tháng Công Nghiệp Giao Thông Khác Tháng Dân sinh Công Nghiệp Giao Thông Khác Dân sinh Tháng Công Nghiệp Giao Thông Khác Dân sinh Tháng 10 Công Nghiệp Giao Thông Khác ���PL3.3 Tỷ lệ ô nhiễm PM10 c�����gà�������� Nguồn thải Dân sinh Tháng Công Nghiệp Giao Thông Khác Dân sinh Tháng Công Nghiệp Giao Thông Khác Dân sinh Tháng Công Nghiệp Giao Thông Khác Dân sinh Tháng 10 Công Nghiệp Giao Thông Khác ... VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1.3.1 Khái quát Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc Phía Bắc Việt Nam có vùng KTTĐ Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc (cịn gọi vùng KTTĐ phía Bắc) Trong luận án việc gọi tên Vùng. .. độ chất nhiễm theo chiều cao mơ hình CMAQ - Có thể ứng dụng mơ hình CMAQ đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí, cảnh báo nhiễm quản lý chất lượng khơng khí vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc. .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đàm Duy Ân NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CMAQ ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ TẠI MỘT SỐ KHU VỰC THUỘC VÙNG KINH