Nghiên cứu xây dựng chỉ số chất lượng không khí để phục vụ cho công tác quản lý chất lượng không khí

NGUYỄN THÀNH DƯƠNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THÀNH DƯƠNG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ ĐỂ PHỤC VỤ CHO CƠNG TÁC QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG 2009 - 2011 Hà Nội – Năm 2011 Luận văn cao học MỤC LỤC MỤC LỤC T 38T DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT T T LỜI MỞ ĐẦU T 38T CHƯƠNG I TỔNG QUAN T 38T 1.Khái niệm số chất lượng khơng khí T T Lịch sử phát triển AQI T 38T Xu hướng AQI T T 3.1 AQI Mỹ T 38T 3.2 AQI Anh 12 T 38T 3.2.1 Phương pháp xây dựng AQI Anh 12 T T 3.2.2 So sánh phương pháp xây dựng AQI Mỹ Anh 13 T T 3.3 AQI số nước khác 14 T T Một số nghiên cứu phát triển AQI 17 T T AQI Việt Nam 19 T 38T CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 T T Lựa chọn thơng số tính tốn AQI 22 T T Lựa chọn cách tính AQI phương pháp chọn AQI đại diện 23 T T 3 Đề xuất điểm giới hạn 26 T 38T Xây dựng phần mềm tính tốn hình thức thể 29 T T CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 T T Công thức tính tốn lựa chọn AQI đại diện 31 T T 1.1 Cơng thức tính tốn AQI cho thông số 31 T T 1.2.Phương pháp lựa chọn AQI đại diện 31 T T 1.3 Bảng điểm giới hạn 31 T 38T 1.4 Màu sắc thể 32 T 38T 1.5 Xử lý số liệu đầu vào cho AQI 32 T T Phần mềm tính tốn AQI Hà Nội 35 T T 3 Hiện trạng xu hướng diễn biến chất lượng khơng khí Hà Nội 35 T T KẾT LUẬN 42 T 38T TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 T 38T Phụ lục 46 T 38T Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học & Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AQI (Air Quality Index): Chỉ số chất lượng khơng khí ANN (Artificial Neural Network): Mạng thần kinh nhân tạo API (Air Pollution Index): Chỉ số ô nhiễm khơng khí CAQI (Common air quality index): Chỉ số chất lượng khơng khí chung CAA (Clean Air Act): Đạo luật khơng khí PSI (Pollution Standard Index): Chỉ số tiêu chuẩn ô nhiễm US EPA (United State Environmental Protection Agency): Cục bảo vệ môi trường Mỹ NAAQS: Tiêu chuẩn Quốc gia chất lượng khơng khí ngồi trời MLP (Multiple Layer Perceptron): Mơ hình mạng đa lớp RAQI (Revised Air Quality Index): Chỉ số chất lượng khơng khí sửa đổi Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học & Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các giá trị AQI nội dung biểu thị tương ứng 10 T T Bảng 2: Bảng giới hạn chất ô nhiễm ứng với mức AQI 11 T T Bảng 3: Giá trị API khuyến cáo sức khỏe Anh 12 T T Bảng 4: Giá trị giới hạn nồng độ tương ứng với API Anh 13 T T Bảng 5: Giá trị nồng độ giới hạn tương ứng AQI Pháp 14 T T Bảng 6: Thang điểm AQI khuyến cáo ảnh hưởng tới sức khỏe Pháp 15 T T Bảng 7: Đề xuất số phụ nồng độ giới hạn chất ô nhiễm cho Ấn Độ 16 T T Bảng 8: Giá trị AQI tương ứng với nồng độ chất ô nhiễm Thái lan 16 T T Bảng 9: Giá trị API Tại Malaysia 17 T T Bảng 10: Thông số để đánh giá AQI số nước 22 T T Bảng 11: Hệ số số thông số môi trường tương ứng với bệnh thường gặp nghiên cứu pháp 24 T T Bảng 12: phân loại mức độ độc hại số chất nghiên cứu Nga 24 T T Bảng 13: Mức độ ảnh hưởng số thông số tới sức khỏe 25 T T Bảng 14: So sánh Quy chuẩn 05-2009/BTNMT, TCVN:5937-2005 với US-EPA, EEU, WHO 26 T 38T Bảng 15: Điểm giới hạn AQI tương đương QCVN 05/BTNMT 27 T T Bảng 16: Hình thức thể AQI 29 T T Bảng 17: Điểm giới hạn AQI tương đương QCVN 05/BTNMT 31 T T Bảng 18 Số liệu thu thập từ trạm mơi trường khơng khí Láng – Hà nội 33 T T Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học & Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học DANH MỤC HÌNH Hình 1: Tác động có trọng số nồng độ chất ô nhiễm lên Ip 28 T T Hình 2: Tác động có trọng số nồng độ CO lên IpCO 28 T T Hình 2: Giao diện tính tốn AQI Hà Nội 35 T T Hình 3: Diễn biến AQI năm 2002 36 T T Hình 4: Diễn biến AQI năm 2003 36 T T Hình 5: Diễn biến AQI năm 2004 37 T T Hình 6: Diễn biến AQI năm 2005 37 T T Hình 7: Diễn biến AQI năm 2006 38 T T Hình 8: Diến biến AQI năm 2007 38 T T Hình 9: Diễn biến AQI năm 2008 39 T T Hình 10: Diễn biến AQI năm 2009 39 T T Hình 11: Diễn biến AQI năm 2010 40 T T Hình 12: So sánh diễn biến Ip NO O năm 2003 41 T R R R R T Hình 13: So sánh diễn biến Ip NO O năm 2007 41 T R R R R T Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học & Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học LỜI MỞ ĐẦU Chất lượng khơng khí đánh giá qua nhiều thơng số như: bụi, CO, SO ,…Do việc đánh giá chất lượng khơng khí phức tạp khó khăn R R cho người dân, người chun mơn lĩnh vực mơi trường Thậm chí người dân có đầy đủ thơng tin thông số họ không nhận định chất lượng khơng khí mức độ Chính thế, nhiều quốc gia giới nghiên cứu ứng dụng loại số với tên gọi chung “Chỉ số chất lượng khơng khí” nhằm giúp cộng đồng dễ dàng nhận biết chất lượng không khí tác hại Tuy nhiên Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu số Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng số chất lượng môi trường (AQI) phục vụ công tác quản lý chất lượng khơng khí Hà Nội”đã chọn làm nội dung nghiên cứu cho mục tiêu Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.Khái niệm số chất lượng khơng khí Thơng tin chất lượng khơng khí có giá trị với cộng đồng thơng tin thời tiết Một cơng cụ mà nhiều quốc gia sử dụng số chất lượng khơng khí (Air Quality Index - AQI) Cục bảo vệ môi trường Mỹ (US Environmental Protection Agency - US EPA) sử dụng AQI để cung cấp cho cộng đồng thông tin hàng chất lượng khơng khí khu vực mức độ nhiễm khơng khí gây sức khỏe Những hướng dẫn giúp cho cộng đồng hiểu AQI thông tin tác động đến sức khỏe chất nhiễm có khơng khí với mục đích khuyến cáo người dân Từ họ tự điều chỉnh hoạt động nhằm bảo vệ sức khỏe thân[27] P AQI số thơng báo chất lượng khơng khí Nó cho bạn biết bầu khơng khí sống hay ô nhiễm lo lắng sức khỏe có liên quan mà bạn nên biết AQI trọng đến tác động chất ô nhiễm xảy vài phút vài ngày sau hít thở bầu khơng khí AQI tính tốn dựa chất nhiễm quy định Bộ Tiêu chuẩn Khơng khí Sạch Mỹ (Clean Air Act - CAA) tiêu chuẩn khơng khí bao gồm Ozone mặt đất, bụi, CO, SO NO Với chất ô nhiễm, US R R R R EPA thiết lập tiêu chuẩn chất lượng khơng khí quốc gia nhằm khuyến cáo cộng đồng có biện pháp bảo vệ sức khỏe Lịch sử phát triển AQI Lần 1970, AQI biết đến số Cục quản lý nhiễm khơng khí thuộc Bộ bảo vệ môi trường bang New Jersey, Mỹ cơng bố [29] Mục đích P P việc đưa số mang lại thông tin cần thiết cho người dân thường chất lượng không khí mà họ hít thở Ngồi cịn số nghiên cứu khác chưa thực thơng tin sở việc hình thành nhận biết số chất lượng khơng khí như: + Năm 1970, Shenfeld đánh giá chất lượng khơng khí bao gồm tổ hợp yếu tố SO COH xác định theo công thức sau [1]: R R P P I(TOR) số chất lượng khơng khí Toronto COH (Coefficen of haze): hệ số tầm nhìn Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học + Năm 1971, Thomas, Babcock Schult lại tính tốn dựa tỷ lệ nồng độ quan trắc giá trị tiêu chuẩn tương ứng [1] P Trong đó: C i - nồng độ trung bình 24h chất nhiễm thứ i R R C s - nồng độ trung bình 24h tiêu chuẩn ô nhiễm thứ i R R + Chỉ số xem có tính đến tác động cộng hưởng chất ô nhiễm tác giả Babcock 1970 số PINDEX (chỉ số P) Phương pháp số P dựa tiêu chuẩn chất lượng khơng khí ngun lý thừa nhận khác môn khoa học nghiên cứu ô nhiễm không khí Chỉ số P gộp thành phần nhiễm khơng khí bụi, SO , CO, HC, chất ơxy hóa quang hóa, R R xạ mặt trời tác động cộng hưởng bụi-SO Với phương pháp số P, thành R R phần oxy hóa tạo tổng hợp từ NO HC nguyên khai, mức độ R R biến đổi chi phối giới hạn xạ mặt trời Tiếp theo, yếu tố chịu đựng dựa vào tiêu chuẩn chất lượng khơng khí (là giá trị giới hạn chất ô nhiễm quy định tiêu chuẩn hành) dùng để rút gọn từ mức ô nhiễm nhiều chất thành thông số tương đương Các yếu tố chịu đựng biến thiên từ 214 chất oxy hóa quang hóa đến 40000 CO Độ cộng hưởng tính giá trị nhỏ nồng độ quy đổi chất phản ứng( bụi SO ) Cuối cùng, giá trị nồng độ quy đổi với giá trị tính tốn độ cộng R R hưởng tính tổng thành số P[15]: P P Năm 1976, US EPA thành lập dạng số chất lượng khơng khí gọi PSI (Pollution Standards Index) Nó sử dụng phủ tổ chức địa phương Dạng số hình thành theo đề tài nghiên cứu US EPA CEQ (President’s Council on Environmental Quality) chủ trì Đề tài 55 khu vưc đô thị Mỹ Canada báo cáo số chất lượng khơng khí mà sử dụng tới 14 số khác, liên hệ với cảnh báo khác mà chất 55 số nội dung báo cáo chất lượng khơng khí Do phức tạp số gây khó hiểu cho cơng chúng Điều dẫn đến [12] P P nhu cầu tất yếu cần thống số thành số đáp ứng yêu cầu đầy đủ thơng tin, dễ hiểu, rõ ràng Chỉ số có sở khoa học NAAQS (National Ambient Air Quality Standards) SHL (Significant Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học Harm Level), tảng khoa học liên quan đến chất lượng không khí sức khỏe cộng đồng, đơn giản công chúng hiểu cách dễ dàng Đến năm 1999, số đổi tên thành AQI sử dụng để thông báo chất lượng khơng khí cho thành phố USA Đồng thời với thay đổi tên gọi thêm vào hạng mục chất lượng khơng khí mức tiêu chuẩn (mức từ 101 trở lên) thêm vào tiêu chuẩn cho O 8h thay PM 10 R R R R PM 2,5 Khi chất lượng khơng khí khơng tốt cho nhóm nhạy cảm, EPA thêm R R vào mục tương ứng dành cho nhóm dân số chịu rủi ro lớn chất ô nhiễm đặc biệt Ngồi cịn phương thức xác định số chất lượng khơng khí theo hệ thống API (Air Pollution Index) UK (United Kingdom) công bố lần vào năm 1990 gồm bốn nhóm xác định mức độ nhiễm khơng khí thấp, trung bình, cao cao Đến năm 1997 hệ thống cải biến thành thang số từ đến 10 với giới hạn cho mức độ ô nhiễm giá thang gồm ba mức số từ đến với giá trị lớn mức cao cao quy cho giá trị 10 [7] P P Xu hướng AQI Hiện nhiều nước giới như: Anh, Mỹ, Pháp, Bỉ, Canada, Australia, Newzeland, Hongkong, Singapor, Malaysia, Thailand, Trung Quốc, Indonesia, Đailoan xây dựng cho số chất lượng khơng khí AQI hay API Thông số để xây dựng số chất lượng khơng khí chất mơi trường khơng khí SO , NO , Bụi, O vài nơi có thêm thơng số đặc trưng R R R R R R khu vực Phương pháp xây dựng dựa hệ thống Anh Mỹ [7] P P 3.1 AQI Mỹ Chỉ số chất lượng khơng khí dựa thơng số CO, SO ,PM , NO , R R R R R R O công thức tính tốn AQI cho chất sau[28]: R R P P Trong đó: I P : Chỉ số chất lượng khơng khí (AQI) chất nhiễm p R R (p: O , SO , NO x , CO, PM 10 ) R R R R R R R R Nguyễn Thành Dương - Viện Khoa học Công nghệ Môi trường (INEST) - ĐHBK HN Luận văn cao học :Nồng độ đo thực tế chất ô nhiễm p Cp R R BP Hi : Là giới hạn nồng độ chất ô nhiễm p ứng với C p R R R BP Lo : Là giới hạn nồng độ chất ô nhiễm p ứng với C p R R R I Hi : Giới hạn AQI (Tra bảng) ứng với nồng độ C p R R R I Lo : Giới hạn AQI (Tra bảng) ứng với nồng độ C p R R R + Hình thức thể hiện: Nguồn[27] P AQI chia thành mức độ bao gồm: chất lượng tốt (0-50); chất lượng khơng khí chấp nhận (51-100); khơng khí có hại cho đối tượng nhạy cảm (những người mắc số bệnh bệnh tim, phổi,…) (101-150); khơng khí có hại cho sức khỏe (151-200); khơng khí nguy hiểm cho sức khỏe (201-300); Chất lượng khơng khí nguy hiểm cho sức khỏe (300-500) AQI tập trung vào ảnh hưởng đến sức khỏe bạn hít thở khơng khí nhiễm vài nhiều ngày US EPA tính AQI cho chất nhiễm chủ yếu, quy định Clean Air Act( CAA): Ozon mặt đất, bụi, CO, SO , NO Với chất nhiễm đó, US EPA thiết lập tiêu chuẩn chất lượng R R R R khơng khí quốc gia để bảo vệ sức khỏe cộng đồng Ozon mặt đất bụi có kích thước