luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá hiện trạng ô nhiễm môi trường không khí NO2 ở một số khu vực điển hình của thành phố hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đào Tuấn Anh NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ NO2 Ở MỘT SỐ KHU VỰC ĐIỂN HÌNH CỦA THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội- 2021 BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đào Tuấn Anh NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG Ơ NHIỄM MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ NO2 Ở MỘT SỐ KHU VỰC ĐIỂN HÌNH CỦA THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 18812107 LUẬN VĂN THẠC SĨ : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: TS Lê Thanh Sơn Hà Nội- 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn đề tài “Nghiên cứu đánh giá trạng nhiễm mơi trường khơng khí NO2 số khu vực điển hình thành phố Hà Nội” q trình nghiên cứu tơi thời gian qua Mọi số liệu kết luận văn tự làm hướng dẫn thầy giáo TS Lê Thanh Sơn Tôi xin chịu hồn tồn trách nhiệm có khơng trung thực thông tin sử dụng luận văn Học viên thực Đào Tuấn Anh LỜI CẢM ƠN Bài luận văn hồn thành Viện Cơng Nghệ Mơi Trường, q trình nghiên cứu thực nhận nhiều giúp đỡ để hồn tất luận văn Trước hết tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn khoa học TS Lê Thanh Sơn tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm cho suốt trình thực đề tài luận văn tốt nghiệp Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô Khoa Môi Trường, học viện Khoa Học Công Nghệ người truyền đạt kiến thức quý báu cho em suốt thời gian học tập vừa qua giúp đỡ hỗ trợ em thực thủ tục q trình hồn thành luận văn Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục đích nghiên cứu Phạm vi đối tượng nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nhiễm khí NO2 1.1.1 Tính chất, đặc điểm khí NO2 1.1.2 Nguồn gốc phát sinh khí NO2 khơng khí 1.1.3 Hậu nhiễm khí NOx mơi trường sức khỏe người 1.2 Mơ hình nhiễm khơng khí 10 1.2.1 Mơ hình hồi quy đa biến 10 1.2.2 Mơ hình mạng neuron nhân tạo 14 1.3 Tình hình nghiên cứu nhiễm NOx tương quan với yếu tố khí tượng 19 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 19 1.3.2 Tình hình nghiên cứu Việt Nam 22 CHƯƠNG ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Số liệu nghiên cứu 24 2.2 Phương pháp nghiên cứu 24 2.2.1 Phương pháp thu thập, kế thừa liệu 24 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 24 2.2.3 Phương pháp phân tích, xử lý số liệu 27 2.2.4 Phương pháp mơ hình hóa 28 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Đánh giá trạng nhiễm khí NO2 số khu vực điển hình TP Hà Nội 31 3.2 Đánh giá phân bố nồng độ khí NO2 theo thời gian 34 3.2.1 Quy luật biến thiên nồng độ khí NO2 ngày 34 3.2.2 Quy luật biến thiên nồng độ NO2 ngày theo tháng 39 3.2.3 Diễn biến nồng độ NO2 theo mùa 41 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố khí tượng đến phân bố nồng độ NO2 TP Hà Nội 43 3.3.1 Ảnh hưởng tốc độ gió 44 3.3.2 Ảnh hưởng nhiệt độ không khí 46 3.3.3 Ảnh hưởng độ ẩm khơng khí 48 3.3.4 Ảnh hưởng lượng mưa 49 3.3.5 Xây dựng quan hệ hồi quy nồng độ NO biến khí tượng mơ hình ANN 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 Kết luận 53 Kiến nghị 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 59 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Tương quan Spearman nồng độ NO2 yếu tố khí tượng DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Ơ nhiễm khơng khí làm gia tăng mưa axit Hình 1.2 Lỗ thủng ozon lớn Nam Cực từ trước đến (tháng năm 2000) Hình 1.3 Minh họa mối quan hệ tuyến tính (phải) phi tuyến tính (trái) Hình 1.4 Minh họa phương sai thay đổi liệu Hình 1.5 Mơ hình neuron nhân tạo với đầu k Hình 1.6 Đồ thị hàm logistic sigmoid Hình 1.7 Đồ thị hàm hyperbolic tangent Hình 2.1 Thiết bị đo NOx APNA-370 Horiba, Nhật Bản Hình 2.2 Bản đồ vị trí lấy mẫu Hình 3.1 Kết đo NO2 số khu vực TP Hà Nội tháng 3/2020 Hình 3.2 Diễn biến nồng độ NO2 trung bình ngày năm 2016 TP Hà Nội Hình 3.3 Diễn biến nồng độ NO2 trung bình ngày mùa xuân (a), mùa hè (b), mùa thu (c) mùa đông (d) TP Hà Nội năm 2016 Hình 3.4 Diễn biến nồng độ NO2 ngày theo tháng năm 2016 TP Hà Nội Hình 3.5 Lượng mưa trung bình tháng năm 2016 TP Hà Nội Hình 3.6 Diễn biến nồng độ NO2 mùa năm 2016 TP Hà Nội Hình 3.7 Diễn biến tốc độ gió trung bình ngày tháng năm 2016 TP Hà Nội Hình 3.8 Diễn biến nhiệt độ trung bình ngày tháng năm 2016 TP Hà Nội Hình 3.9 Diễn biến độ ẩm trung bình ngày tháng năm 2016 TP Hà Nội Hình 3.10 Sơ đồ mơ mạng ANN sử dụng luận văn Hình 3.11 So sánh kết dự báo nồng độ NO2 kết thực đo tính tốn tập số liệu huấn luyện (a) kiểm định DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ANN Artificial Neural network Mạng thần kinh nhân tạo BTNMT Bộ tài nguyên mơi trường CLD Phương pháp phát sáng hóa học EC Cacbon nguyên tố GD Gradient descent Khu công nghiệp KCN MLR MSE Thuật toán tối ưu lặp Multiple Linear Regression Hồi quy tuyến tính đa biến Mean square error Sai số bình phương trung bình OC Cacbon hữu ONKK Ơ nhiễm khơng khí PCA Principal Components Analysis Phép phân tích thành phần Quy chuẩn Việt Nam QCVN SPSS Statistical Package for Social Sciences TSP Natri photphat 50 Tuy nhiên, nghiên cứu trên, cách định tính, vào tháng mùa mưa (mưa nhiều), nồng độ NO2 thường thấp vào tháng mùa khơ (mưa ít), hay nói khác lượng mưa tăng lên nồng độ NO2 giảm ngược lại Nguyên nhân có mưa, hạt mưa hịa tan, kéo theo phân tử khí NO2 rơi xuống mặt đất (hiệu ứng rửa trôi hay hiệu ứng thu gom), làm cho nồng độ khí NO2 thường thấp sau mưa Vào thời kỳ mùa khơ, mưa ít, NO2 khơng khí bị rửa trơi nên nồng độ thường cao quan sát thấy Do đó, mưa hoạt động lọc tự nhiên mùa mưa làm giảm mức độ nhiễm xói mịn pha lỗng khuếch tán mưa Ngồi ra, thực tế mùa mưa, bầu khí ổn định so với thời kỳ khô, dẫn đến phân tán chất ô nhiễm nhiều [40] Như vậy, dù không định lượng tương quan lượng mưa nồng độ NO2, tiên đoán sau trận mưa, vào mùa mưa, nồng độ NO2 khơng khí giảm đáng kể so với thời kỳ không mưa 3.3.5 Xây dựng quan hệ hồi quy nồng độ NO2 biến khí tượng mơ hình ANN Trong luận văn mơ hình ANN sử dụng để xây dựng mối quan hệ hồi quy yếu tố khí tượng nồng độ NO2 khơng khí TP Hà Nội Sau tiến hành thử sai hàng loạt lựa chọn khác số lớp, số nút lớp, nghiên cứu lựa chọn cấu trúc mơ hình mạng thần kinh nhân tạo hình 3.10 đây: sơ đồ gồm nút đầu vào; lớp ẩn, lớp ẩn thứ gồm 20 nút lớp ẩn thứ hai gồm 30 nút; nút lớp đầu đầu Mơ hình có biến đầu nồng độ NO2 20 30 Hình 3.10 Sơ đồ mơ mạng ANN sử dụng luận văn Để tránh tượng ‘quá tốt’ (overfitting) phương pháp này, nghiên cứu chia chuỗi số liệu thành tập số liệu nhỏ hơn: tập số liệu huấn luyện 51 tập số liệu kiểm định Nhiệm vụ tập số liệu huấn luyện xác định trọng số nút mạng ANN Tập số liệu kiểm định sử dụng để hạn chế đến mức thấp tượng overfitting đầu thực đo tính tốn Tập số liệu không hiệu chỉnh trọng số nút mà sử dụng để đảm bảo gia tăng độ xác tập số liệu huấn luyện tạo gia tăng độ xác tập số liệu chưa huấn luyện, trước hết tập số liệu kiểm định Nếu độ xác tập số liệu huấn luyện gia tăng độ xác tập số liệu kiểm định giữ nguyên giảm tượng overfitting xảy trình huấn luyện phải ngừng lại Hai tập số liệu chọn ngẫu nhiên theo tỷ lệ 70% cho chuỗi số liệu huấn luyện 30% cho chuỗi số liệu kiểm định Nghiên cứu cho mơ hình chạy lặp 1000 lần tương ứng với 1000 lần lấy mẫu chuỗi số liệu huấn luyện kiểm định Cách phân chia cho kết tốt 1000 lần lấy mẫu lựa chọn mơ hình mạng thần kinh nhân tạo cuối Trong hình 3.11 so sánh kết dự báo kết thực đo tính tốn tập số liệu huấn luyện kiểm định trường hợp tối ưu (a) (b) Hình 3.11 So sánh kết dự báo nồng độ NO2 kết thực đo tính tốn tập số liệu huấn luyện (a) kiểm định (b) Kết thu cho thấy hệ số tương quan R nghiên cứu có giá trị mức chấp nhận (R = 0,61376 với tập số liệu training, R = 0,50128 với tập số liệu kiểm định) (chi tiết đoạn code lập trình xem phụ lục) Do 52 đó, mơ hình thần kinh nhân tạo sử dụng để dự báo nồng độ NO2 khơng khí dựa vào biến khí tượng giá trị nồng độ NO2 ngày hôm trước 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Tại TP Hà Nội, hàm lượng NO2 hầu hết khu vực thấp quy chuẩn cho phép (QCVN05:2013/BTNMT), khu vực dân cư, trung tâm thương mại có hàm lượng thấp nhất, khu vực nút giao thơng lớn, bến tàu, xe có hàm lượng cao số thời điểm, nồng độ NO khu vực vượt quy chuẩn Quốc gia Các khu vực khu, cụm công nghiệp, làng nghề có nồng độ NO2 mức trung bình Nồng độ NO2 vào tháng mùa hè thấp nhất, tiếp đến mùa thu, mùa xuân cao mùa đông Trong ngày, thời điểm 10h sáng nồng độ NO2 thường tăng cao nhất, sau gần ổn định, đến 15h lại tiếp tục tăng đạt đỉnh thứ hai ngày vào khoảng 19h, sau giảm dần đêm Hệ số tương quan Spearman cho thấy yếu tố khí tượng độ ẩm, nhiệt độ, tốc độ gió có ảnh hưởng đến phân bố NO2, tốc độ gió nhiệt độ có tương quan nghịch cịn độ ẩm có tương quan thuận với nồng độ NO2 Riêng lượng mưa, có hệ số Sig cao, khơng thể mối tương quan chặt chẽ với nồng độ NO2 nhiên có ảnh hưởng định tính định Nồng độ NO2 dự báo dựa vào biến khí tượng nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, tốc độ gió, tổ hợp tích biến nồng độ NO2 ngày hôm trước thơng qua mơ hình thần kinh nhân tạo ANN với hệ số tương quan mức chấp nhận được, R = 0,61376 Kiến nghị Do khuôn khổ nghiên cứu luận văn có hạn, kết luận văn nghiên cứu dựa số liệu trạm quan trắc liệu năm 2016 Để áp dụng thực tiễn, cần đánh giá với số liệu dày sử dụng số liệu nhiều trạm quan trắc (nên phân bố khu vực TP Hà Nội) 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wang, X.K., Lu, W.Z (2006) Seasonal variation of air pollution index: Hong Kong case study Chemosphere., 63(8):1261-72 [2] Cục Y tế, Bộ Giao thông Vận tải, 2010, Đề tài “Nghiên cứu đánh giá tổng thể sức khỏe thiệt hại kinh tế nhiễm khơng khí gây ra” [3] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2010, Báo cáo môi trường quốc gia năm 2009 – Môi trường Khu công nghiệp Việt Nam [4] Cục Kiểm sốt Ơ nhiễm, Tổng cục Mơi trường, 2013, Dự án “ Kiểm sốt nhiễm môi trường làng nghề” [5] Bộ Tài nguyên Môi trường, 2014, Báo cáo môi trường quốc gia 2013 – Mơi trường khơng khí [6] Cục Y tế, Bộ Giao thông Vận tải, 2010, Đề tài “Nghiên cứu đánh giá tổng thể sức khỏe thiệt hại kinh tế ô nhiễm không khí gây ra” [7] Viện Khoa học Quản lý môi trường 2012, Tổng cục Môi trường, Đề tài “ Ảnh hưởng nhiễm khơng khí đến sức khỏe người dân” [8] Ngo Tho Hung (2010) Urban Air Quality Modeliling and Management in Hanoi, Vietjnam PhD Thesis National Environmental Research Institute, Aarhus University [9] Fine, T.L (1999) Feedforward neural network methodology Spinger [10] Rumelhart, D.E., Hinton, G.E., William, R.J (1986) Learning representation by back-propagating errors, Nature, 323: 533-536 [11] Fruin, S., Urman, R., Lurmann, F., McConnell, R., Gauderman, J., Rappaport, E., Franklin, M., Gilliland, F.D., Shafe, M., Gorski, P., Avol, E (2014) Spatial Variation in Particulate Matter Components over a Large Urban Area Atmos Environ., 83:211-219 [12] Zhang, H., Wang, Y., Hu, J., Ying, Q., Hu, X.M (2015) Relationships between meteorological parameters and criteria air pollutants in three megacities in China Environ Res., 140: 242-254 55 [13] Duo, B., Cui, L., Wang, Z., Li, R., Zhang, L., Fu ; H., Chen, J., Zhang, H., Qiong, A (2018) Observations of atmospheric pollutants at Lhasa during 2014–2015: pollution status and the influence of meteorological factors J Environ Sci., 63:28–42 [14] Miao, Y., Hu, X.M., Liu, S., Qian, T., Xue, M., Zheng, Y., Wang, S (2015) Seasonal variation of local atmospheric circulations and boundary layer structure in the Beijing‐Tianjin‐Hebei region and implications for air quality Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 7(4): 1602-1626 [15] Oji, S., Adamu, H (2020) Correlation between air pollutants concentration and meteorological factors on seasonal air quality variation Journal of Air Pollution and Health, 5(1):11-32 [16] Seo, J., Park, D.S.R., Kim, J.Y, Youn, D., Lim, Y.B and Kim, Y (2018) Effects of meteorology and emissions on urban air quality: aquantitative statistical approach to long-term records (1999–2016) in Seoul, South Korea Atmos Chem Phys., 18, 16121–16137 [17] Hadei, M., Yarahmadi, M., Jafari, A.J., Farhadi, M., Nazari, S.S.H., Emam, B., Namvar, Z., Shahsavani, A (2019) Effects of meteorological variables and holidays on the concentrations of PM 10, PM2.5, O3, NO2, SO2, and CO in Tehran (2014-2018) Journal of Air Pollution and Health, 4(1): 1-14 [18] KovaI-Andric, E., Radanovic, T., Topalovic,I , Markovic, B and Sakac, N (2013) Temporal Variations in Concentrations of Ozon, Nitrogen Dioxide, and Carbon Monoxide at Osijek, Croatia Advances in Meteorology, 2:1-7 [19] Ngo Tho Hung (2010) Urban Air Quality Modelling and Management in Hanoi, Vietnam PhD Thesis, National Environmental Research Institute, Aarhus University [20] Cao Dung Hai and Nguyen Thi Kim Oanh (2013) Effect of local, regional meteorology and emission sources on mass and compositions of particulate matter in Hanoi Atmos.Environ., 78: 105-122 56 [21] Nguyen Anh Dung, Duong Hong Son, Nguyen The Duc Hanh, Doan Quang Tri (2019) Effect of Meteorological Factors on PM10 Concentration in Hanoi Vietnam Journal of Geoscience and Environment Protection, 7(11): 138-150 [22] Hien, P.D., Bac, V.T., Tham, H.C., Nhan, N.N., Vinh, L.D (2002) Influence of meteorological conditions on PM2.5 andPM 2.510 concentrations during the monsoon season in Hanoi, Vietnam Atmospheric Environment 36 (2002) 3473–3484 [23] Azmi, S.Z., Latif, M.T., Ismail, A.S., Juneng, L., Jemain, A.A (2010) Trend and status of air quality at three different monitoring stations in the Klang Valley, Malaysia Air Quality, Atmosphere & Health 3(1):53-64 [24] Yorifuji, T., Kawachi, I., Kaneda, M., Takao, S., Kashima, S and Doi, H (2011) Diesel vehicle emission and death rates in Tokyo, Japan: a natural experiment Science of the Total Environment, 409(19): 3620–3627, [25] Bradley, K S., Stedman, D H and Bishop, G A (1999) A global inventory of carbon monoxide emissions from motor vehicles Chemosphere, 1(1–3): 65–72 [26] Notario, A., Bravo, I., Adame, J.A., Diaz-de-Mera, Y., Aranda, A., Rodriguez, A., Rodriguez, D (2012) Analysis of NO, NO2, NOx, O3 and oxidant (OX = O3 + NO2) levels measured in a metropolitan area in the southwest of Iberian Peninsula Atmospheric Research, 104–105: 217–226 [27] Butler, C.D., Whelan, J (2018) Air pollution and climate change in Australia: a triple burden Climate change and air pollution Springer, Berlin, 7(23):131-149 [28] Wang, L., Wang, J., Tan, X and Fang, C (2020) Analysis of NOx Pollution Characteristics in the Atmospheric Environment in Changchun City Atmosphere, 11(1): 30 [29] Adame, J.A., Hernández-Ceballos, M.Á., Sorribas, M., Lozano, A & De la Morena, B.A (2014) Weekend-weekday effect assessment for O3, NOx, 57 CO and PM10 in Andalusia, Spain (2003-2008) Aerosol and Air Quality Research, 14: 1862–1874 [30] Han, S., Bian, H., Feng, Y., Liu, A., Li, X., Zeng, F., Zhang, X (2011) Analysis of the relationship between O3, NO and NO2 in Tianjin, China Aerosol and Air Quality Research, 11: 128–139 [31] Agudelo-Castaneda, D.M., Teixeira, E.C and Pereira, F.N (2014) Timeseries analysis of surface ozon and nitrogen oxides concentrations in an urban area at Brazil Atmospheric Pollution Research, 5: 411–42 [32] Delaney, C.and Dowding, P.(1998) The Relationship between Extreme Nitrogen Oxide (NOx) Concentrations in Dublin's Atmosphere and Meteorological Conditions Environmental Monitoring and Assessment, 52: 159–172 [33] Thủy, T.T., Hạnh, N.T.Đ., Thư, N.T.A., Thắm, T.T (2013) Nghiên cứu ảnh hưởng tượng nghịch nhiệt đến hàm lượng bụi PM2.5 môi trường không khí Hà Nội Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất Môi trường, 34(3), 1-9 [34] Khoder, M.I (2002) Atmospheric conversion of sulfur dioxide to particulate sulfate and nitrogen dioxide to particulate nitrate and gaseous nitric acid in an urban area Chemosphere, 49: 675–684 [35] Roberts–Semple, D., Song, F., Gao, Y (2012) Seasonal characteristics of ambient nitrogen oxides and ground–level ozon in metropolitan northeastern New Jersey Atmospheric Pollution Research, 3(2): 247-257 [36] Jones, A.M., Harrison, R.M & Baker, J (2010) The wind speed dependence of the concentrations of airborne particulate matter and NOx Atmospheric Environment, 44:1682–1690 [37] Gasmi, K., Aljalal, A., Al-Basheer, W., Abdulahi, M (2017) Analysis of NOx, NO and NO2 ambient levels in Dhahran, Saudi Arabia Urban Climate 21: 232-242 58 [38] Gamo, M., Goyal, P., Kumari, M., Mohanty, U.C (1994) Singh MP Mixed-layer characteristics as related to the monsoon climate of New Delhi, India Boundary-layer meteorology, 67(3):213-27 [39] Pearce, J L., Beringer, J., Nicholls, N., Hyndman, R J., & Tapper, N J (2011) Quantifying the influence of local meteorology on air quality using generalized additive models Atmospheric Environment, 45(6): 1328-1336 [40] Elminir, H.K (2005) Dependence of urban air pollutants on meteorology Science of the Total Environment, 350: 204–211 [41] Mavroidis, I & Ilia, M (2012) Trends of NOx, NO2 and O3 concentrations at three different types of air quality monitoring stations in Athens, Greece Atmospheric Environment, 63: 135–147 [42] Wallace, J & Kanaroglou, P (2009) The effect of temperature inversions on ground-level nitrogen dioxide (NO2) and fine particulate matter (PM2.5) using temperature profiles from the Atmospheric infrared sounder (AIRS) Science of the Total Environment, 407: 5085–5095 [43] Gvozdic, V., Kovaˇc-Andric, E and Brana, J (2011) Influence of meteorological factors NO2, SO2, CO and PM10 on the concentration of O3 in the urban atmosphere of Eastern Croatia Environmental Modeling and Assessment, 16(5): 491–501 [44] Kovaˇc-Andric, E., Brana, J and Gvozdic, V (2009) Impact of meteorological factors on ozon concentrations modelled by time series analysis and multivariate statistical methods Ecological Informatics, 4(2): 117–122 59 PHỤ LỤC Đoạn code lập trình chạy mơ hình ANN: # Import library import pandas as pd import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt import os from numpy import array from sklearn.model_selection import GridSearchCV from sklearn.model_selection import TimeSeriesSplit from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler from sklearn.preprocessing import StandardScaler from sklearn.neural_network import MLPRegressor # Set main working direction os.chdir("J:\DOCUMENTS\WRI\Year2020\OnhiemKK_VienHanLam") # RMSE function def rmse(pred, targ): differences = pred - targ differences_squared = differences ** mean_of_differences_squared = differences_squared.mean() rmse_val = np.sqrt(mean_of_differences_squared) return rmse_val # NSE function def nse(pred, obs): error = (obs - pred) ** 60 obs_avg = obs.mean() obs_diff = (obs - obs_avg) ** nse_val = - np.sum(error) / np.sum(obs_diff) return nse_val # IMPORT DATA dat_raw = pd.read_csv('Input.csv') X = dat_raw.drop(["Date", "NO2"], axis=1) # Drop unused cols X.describe() # Check input Y = dat_raw[["NO2"]] # Extract NO2 col as output Y.describe() # Check output # Standardize data the split X_scaler = StandardScaler() Y_scaler = StandardScaler() X_scaled = X_scaler.fit_transform(X) Y_scaled = Y_scaler.fit_transform(Y) splitPoint = 280 # 75% of data X_train_scaled, Y_train_scaled = array(X_scaled[0:splitPoint]), array(Y_scaled[0:splitPoint]) X_test_scaled = array(X_scaled[splitPoint:]) Y_test = array(Y[splitPoint:]) Y_train_scaled = np.ravel(Y_train_scaled) my_cv = TimeSeriesSplit(n_splits=5) # folds # region MODEL DEVELOPMENT NETWORK # Implement model np.random.seed(0) 61 mlp = MLPRegressor(shuffle=False, alpha=0.0001) param_grid = {'hidden_layer_sizes': [20, 30], 'activation': ['logistic'], 'solver': ['adam'], 'learning_rate': ['adaptive'], 'learning_rate_init': [0.0001], 'max_iter': [10000], } ann = GridSearchCV(mlp, param_grid, cv=my_cv, scoring='r2') ann.fit(X_train_scaled, Y_train_scaled) # fit model ann.out_activation_ = 'logistic' # change activation function for output layer ann_pred = ann.predict(X_test_scaled) # apply model to test set ann_pred = ann_pred.reshape(-1, 1) # reshape ann_pred_inv = Y_scaler.inverse_transform(ann_pred) # transform # Quick test of results print('RMSE = ', rmse(ann_pred_inv, Y_test)) print('NSE = ', nse(ann_pred_inv, Y_test)) print(ann.best_params_) plt.scatter(ann_pred_inv, Y_test, marker='.') plt.show() # plt.plot(Y_test) # plt.plot(ann_pred_inv) # plt.show() # endregion 62 # region PLOTTING os.chdir("J:\DOCUMENTS\WRI\Year2020\OnhiemKK_VienHanLam") # Change saving direction # Scatter plot coeff_test = np.polyfit(np.ravel(ann_pred_inv), np.ravel(Y_test), 1) # calculate slope and intercept Fit_line = np.poly1d(coeff_test) # create trend line plt.scatter(ann_pred_inv, Y_test, color='black', s=15) plt.plot(ann_pred_inv, Fit_line(ann_pred_inv), "k ") plt.xlim(10, 60), plt.ylim(10, 60) plt.xlabel("Prediction [$\mu$g/m3]") plt.ylabel("Observation [$\mu$g/m3]") plt.title('ANN - Daily NO2, fontweight="bold") plt.savefig('ANN_daily_NO2.png', dpi=150) plt.show() plt.close() # endregion # region Export training results Y_train_scaled = Y_train_scaled.reshape(-1, 1) y_train_inv = Y_scaler.inverse_transform(Y_train_scaled) y_train_inv = y_train_inv.reshape(-1, 1) ann_train_pred = ann.predict(X_train_scaled) ann_train_pred = ann_train_pred.reshape(-1, 1) ann_train_inv = Y_scaler.inverse_transform(ann_train_pred) 63 rmse(ann_train_inv, y_train_inv), nse(ann_train_inv, y_train_inv) coeff_train = np.polyfit(np.ravel(ann_train_inv), np.ravel(y_train_inv), 1) # calculate slope and intercept FitLine_train = np.poly1d(coeff_train) # create trend line plt.scatter(ann_train_inv, y_train_inv, color='black', s=15) plt.plot(ann_train_inv, FitLine_train(ann_train_inv), "k ") plt.xlim(0, 70), plt.ylim(0, 70) plt.xlabel("Prediction [$\mu$g/m3]") plt.ylabel("Observation [$\mu$g/m3]") plt.title('ANN - Daily NO2 - Training Result', fontweight="bold") plt.savefig('ANN_Daily_NO2_Train.png', dpi=150) plt.close() # # end region # region EXPORT & SEASONAL ANALYSIS # Export testing simulation data pred_df = pd.DataFrame({'NO2_Sim': ann_pred_inv[:, 0], 'NO2_Obs': Y_test[:, 0]}) # convert to data frame pred_df.to_csv('ANN_daily_NO2_Test.csv', index=False) # Export training simulation data sim_df = pd.DataFrame({'NO2_train': ann_train_inv[:, 0], 'NO2_obs': y_train_inv[:, 0]}) # convert to data frame sim_df.to_csv('ANN_daily_NO2_Train.csv', index=False) # end region 64 ... ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá trạng ô nhiễm môi trường khơng khí NO2 số khu vực điển hình thành phố Hà Nội? ?? trình nghiên cứu thời gian qua Mọi số liệu kết luận văn. .. giúp đánh giá, kiểm soát chất lượng khơng khí đưa dự báo, cảnh báo nhiễm khí NO2 khơng khí thủ Hà Nội Trên sở đó, đề tài ? ?Nghiên cứu đánh giá trạng nhiễm khí NO2 số khu vực điển hình thành phố Hà. .. MỘT SỐ KHU VỰC ĐIỂN HÌNH CỦA THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường Mã số: 18812107 LUẬN VĂN THẠC SĨ : KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hướng dẫn 1: TS Lê Thanh Sơn Hà Nội-