2.1.3.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu, đề xuất xây dựng quy hoạch các điểm thu gom tập kết rác thải sinh hoạt Quận Ba Đình, góp phần bảo vệ môi trường thủ đô, hướng tới phát triển bền vững đất nước.
2.1.3.2. Mục tiêu cụ thể
a. Điều tra, đánh giá hiện trạng quản lý rác thải sinh hoạt trên địa bàn Quận Ba Đình.
b. Xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp luận cho việc quy hoạch các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt đô thị quận Ba Đình. c. Xây dựng mô hình quản lý CTR sinh hoạt trên địa bàn quận Ba Đình. d. Đề xuất quy hoạch các điểm tập kết, thu gom rác thải trên địa bàn
Quận Ba Đình.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu thứ cấp
Việc thu thập, phân tích và xử lý những tài liệu, số liệu và những đề tài nghiên cứu liên quan đến nội dung nghiên cứu của luận văn có ý nghĩa quan trọng. Nó giúp cho học viên có thể nắm vững và hiểu rõ hơn về phương pháp luận, phương pháp nghiên cứu một vấn đề. Đồng thời qua đó có cái nhìn tổng quan hơn về khu vực, nội dung nghiên cứu của đề tài. Trong luận văn đã sử dụng các tài liệu:
kinh tế xã hội quận Ba Đình; các sách, giáo trình, khóa luận, luận văn và các báo cáo nghiên cứu quản lý chất thải rắn sinh hoạt đô thị; các thông tin trên các tạp chí và các báo điện tử. Ngoài ra để xử lý số liệu tác giả đã sử dụng phần mềm Excel, công cụ GIS, Map Info.
2.2.2. Phương pháp điều tra, khảo sát tại hiện trường
Việc khảo sát thực địa nhằm nắm rõ hơn khu vực nghiên cứu. Làm sáng rõ những tài liệu thứ cấp đã thu thập trước đó về điều kiện tự nhiên, xã hội của khu vực nghiên cứu, đồng thời cũng loại bỏ những thông tin không sát thực tế, bổ sung thêm những thông tin còn thiếu hay những thông tin mới trong quá trình khảo sát khu vực nghiên cứu. Khảo sát thực địa ở đây không chỉ dừng lại ở việc quan sát thực tế khu vực nghiên cứu mà còn phải ghi chép lại những thông tin cần thiết trong quá trình quan sát; trao đổi, thảo luận với các đối tượng về vấn đề còn chưa nắm rõ.
Trong quá trình thực hiện đề tài, học viên đã tham gia với đoàn kiểm tra của Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, phòng Tài nguyên và Môi trường quận Ba Đình để đi kiểm tra hiện trạng hạ tầng kỹ thuật môi trường, các điểm thu gom rác thải sinh hoạt phục vụ công tác quản lý môi trường trên địa bàn quận Ba Đình.
2.2.3. Phương pháp mô hình hóa toán học
Phương pháp mô hình hóa toán học cho phép xác định vị trí nhất định trong không gian và theo các khoảng thời gian khác nhau. Dựa vào phương pháp này sẽ đặt các vị trí các điểm thu gom rác thải phù hợp với quy hoạch, giản tiện được nhiều vị trí điểm không cần thiết.
2.2.4. Ứng dụng GIS và tin học môi trường để xây dựng bản đồ khoanh vùng các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt vùng các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt
Việc sử dụng công cụ GIS và tin học môi trường để xây dựng các bản đồ chuyên đề, tổng hợp về việc phân bố mạng lưới các điểm thu gom, bản đồ phân vùng môi trường, các biểu đồ, đồ thị cho đối tượng nghiên cứu là CTR sinh hoạt đô thị.
ArcGIS [39]: là hệ thống GIS hàng đầu hiện nay, cung cấp một giải pháp toàn diện từ thu thập/nhập số liệu, chỉnh lý, phân tích và phân phối thông tin trên
mạng Internet tới các cấp độ khác nhau như CSDL địa lý cá nhân hay CSDL của các doanh nghiệp. Về mặt công nghệ, hiện nay các chuyên gia GIS coi công nghệ ESRI là một giải pháp mang tính chất mở, tổng thể và hoàn chỉnh, có khả năng khai thác hết các chức năng của GIS trên các ứng dụng khác nhau như: desktop (ArcGIS Desktop), máy chủ (ArcGIS Server), các ứng dụng Web (ArcIMS, ArcGIS Online), hoặc hệ thống thiết bị di động (ArcPAD). và có khả năng tương tích cao đối với nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau.
ArcGIS Desktop (với phiên bản ArcGIS 10.1) bao gồm những công cụ rất mạnh để quản lý, cập nhật, phân tích thông tin và xuất bản tạo nên một hệ thống thông tin địa lý (GIS) hoàn chỉnh, cho phép:
- Tạo và chỉnh sửa dữ liệu tích hợp (dữ liệu không gian tích hợp với dữ liệu thuộc tính) - cho phép sử dụng nhiều loại định dạng dữ liệu khác nhau thậm chí cả những dữ liệu lấy từ Internet;
- Truy vấn dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính từ nhiều nguồn và bằng nhiều cách khác nhau;
- Hiển thị, truy vấn và phân tích dữ liệu không gian kết hợp với dữ liệu thuộc tính;
- Thành lập bản đồ chuyên đề và các bản in có chất lượng trình bày chuyên nghiệp.
ArcGIS Desktop là một bộ phần mềm ứng dụng gồm: ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox, ModelBuilder, ArcScene và ArcGlobe. Khi sử dụng các ứng dụng này đồng thời có thể thực hiện được các bài toán ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành lập bản đồ, phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập dữ liệu, quản lý dữ liệu, hiển thị và xử lý dữ liệu.
Phân tích không gian bằng chức năng Buffer
Đề tài ứng dụng phép toán phân tích không gian Buffer của ArcGIS. Kết quả đánh giá nhanh và theo dõi diễn biến rác trong các thùng rác là cơ sở xác định Buffer giới hạn (phạm vi chịu tải đáp ứng) cho mỗi thùng rác theo tiểu vùng. Khi
thực hiện phép toán phân tích không gian, lớp Buffer của toàn bộ các thùng rác trong khu vực sắp xếp được chồng ghép lên bản đồ hiện trạng. Buffer hay còn gọi là truy vấn không gian trên cơ sở các quan hệ không gian giữa các đối tượng. Các quan hệ này thông thường nói lên vị trí tương đối của đối tượng này với đối tượng kia. Phương pháp buffer được chia làm nhiều loại (phép toán) khác nhau, nhưng cách thức xử lý thì luôn tuân theo các bước cơ bản sau đây:
Chọn ra một hay nhiều đối tượng trên bản đồ, gọi là các đối tượng gốc. Áp dụng một quan hệ không gian để tìm ra các đối tượng khác mà có quan hệ đặc biệt với các đối tượng gốc.
Hiển thị tập đối tượng tìm thấy cả trên dữ liệu không gian và thuộc tính. Dễ dàng đối chiếu giữa thực tế và khả năng đáp ứng của thùng để xác định phạm vi gây ra tình trạng quá tải và những vị trí đặt thùng không hợp lí. Xác định phạm vi không gian không có sự phục vụ của thùng rác. Xác định tình trạng phân bố của hệ thống thùng rác.
2.2.5. Phương pháp chuyên gia
Trong quá trình thực hiện Luận văn, học viên thường xuyên trao đổi với thầy hướng dẫn và tiến hànhSeminar tại khoa Môi trường - Trường đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội để xin ý kiến. Đồng thời sau khi Luận văn được hoàn thành sẽ tiến hành báo cáo tại Bộ môn Quản lý Môi trường để các thầy cô Bộ môn, các chuyên gia góp ý kiến chỉnh sửa Luận văn trước khi bảo vệ chính thức. Đây là những ý kiến đóng góp quý báu giúp cho học viên có thể hoàn thiện tốt hơn Luận văn khi ra bảo vệ chính thức.
2.3. Phƣơng pháp luận của việc thiết lập mạng lƣới các điểm thu gom, vận chuyển rác tối ƣu đối với khu vực nghiên cứu
2.3.1. Cơ sở khoa học
Khi đề cập tới quản lý rác thải nói chung, sáu hợp phần chính cần kể đến là: phát sinh, lưu trữ, thu gom, xử lý, vận chuyển và chôn rác. Quản lý rác thải một cách hiệu quả thường nhấn mạnh các hợp phần: thu gom, vận chuyển; xử lý, giảm thải – tái sử dụng – tái chế và xả thải [35], [37] và đặt thùng rác ở vị trí thích hợp.
Do vậy, thu gom và vận chuyển rác là một trong những hợp phần quan trọng của công tác quản lý chất thải rắn. Trong phạm vi dự án chỉ đề cập đến rác thải sinh hoạt đô thị. Việc thu gom và vận chuyển thường phải giải quyết theo từng trường hợp phụ thuộc vào lượng rác thải phát sinh, mạng lưới đường phố, nhân lực, phương tiện vận chuyển, phương pháp xử lý v.v
Hơn nữa, chi phí cho quá trình thu gom và vận chuyển thường chiếm tới 55- 79% tổng chi phí cho quản lý rác thải đối với các nước đang phát triển và chỉ có thể thu hồi 50-70% lượng rác [32-33]. Cho nên, thu gom và vận chuyển rác thải là một trong những bài toán điều hành phức tạp được đặt ra của lãnh đạo địa phương, đối với thành phố Ba Đình là công ty môi trường đô thị. Trong những năm gần đây, công ty không chỉ có mối quan tâm về kinh phí chi trả cho việc vận chuyển rác mà vấn đề về môi trường và sức khỏe cũng như môi trường trong việc thiết kế tuyến chuyên chở rác trong thành phố. Về công cụ hỗ trợ giải quyết bài toán này, trong 15 năm trở lại đây, trên thế giới đã phát triển nhiều thuật toán và phần mềm nhằm tự động tính toán tuyến đường tối ưu.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) kết hợp với các công cụ khác như đánh giá tác động môi trường, phân tích đa chỉ tiêu, hay mô hình tối ưu hóa đã chứng minh là một công cụ hữu hiệu trong xác định vị trí thích hợp xây dựng bãi rác [38-39], [43], [45], xác định vị trí đặt thùng rác [46], ước tính lượng rác phát sinh [44] hay mô hình tính toán tối ưu thu gom rác thải sinh hoạt đô thị [41].
Hình 2.1: Thu gom rác qua trạm trung chuyển
Rác từ nguồn thải (WTS): Node nguồn i:
1 chiều đi tới Trạm trung chuyển / Bãi
chôn lấp;
Trạm trung chuyển (WTS): Node chuyển giao j: nhiều chiều tới từ 1 hoặc nhiều WTS và 1 chiều đi tới bãi chôn lấp;
Bãi chôn lấp: Node đích k: nhiều chiều tới từ 1 hoặc nhiều nguồn thải WPN và 1 hoặc
nhiều trạm trung
Do rác ở quận Ba Đình được chuyển tới các trạm trung chuyển trước khi đưa tới bãi rác ở Đông Anh, nên công tác thu gom ở đây được kể đến là thu gom rác thải tới trạm trung chuyển trước khi vận chuyển rác đã được ép tới bãi rác Đông Anh. Để phân tích giải pháp cho việc nâng cao chất lượng công tác thu gom và vận chuyển rác, hai khối công việc này được tách biệt theo thứ tự để thuận tiện cho việc lập mô hình và không gian hóa. Hơn nữa, công việc điều phối xe chuyên chở rác và thu gom rác được quản lý bởi công ty TNHH Một thành viên Môi trường Đô thị Hà Nội nên việc tách biệt hai hợp phần này tạo thuận lợi cho công tác quản lý sau này.
Nhằm thu gom rác thải tối đa, trước hết cần xem xét hệ thống phân bố các thùng rác và các điểm tập kết rác trong thành phố. Đối với rác thải đường phố, vị trí thùng rác đặt thùng rác tại vị trí thuận tiện, khoảng cách thuận lợi để người dân đi đổ rác là 200m tính từ vị trí đặt thùng rác.
Xác định vị trí các thùng rác
Angeloli và Speranza đã phát triển một mô hình để tạo ra một tập hợp các giải pháp cho các thùng rác và đưa ra lịch trình ngẫu nhiên bằng cách thực hiện một thuật toán tìm kiếm có điều kiện.
Illeperuma and Samarakoon đưa ra giải pháp nhằm tối ưu vị trí các thùng rác. Vị trí các thùng rác là các nút giao giữa đường phố trong mạng lưới đường bộ sử dụng mô hình P-median. Khoảng cách tối thiểu từ trung tâm P-median để yêu cầu các node (nút) => rác thải từ các nơi mang đến vị trí thùng rác vị trí các thùng rác đa phần ở gần với các node. [42]
Thu gom rác
Hơn nữa, nhiều thành phố đã xem xét và thiết kế tuyến thu gom trên cơ sở cân nhắc các yếu tố như ảnh hưởng đến môi trường, phân tích chi phí lợi ích, khả năng tiêu thu năng lượng của phương tiện chuyên chở và vị trí thích hợp của thùng chứa rác.
Chang and Wei đưa ra mô hình tuyến tính mờ đa đối tượng dưới hướng tiếp cận đặc trưng văn hóa, địa lý, nhân khẩu, kinh tế và xã hội.
El-Hamour cho thấy việc thiết kế hệ thống quản lý chất thải rắn để giảm thiểu chi phí cho ta thấy được tần xuất xuất hiện và lịch trình của tuyến thu gom. Khi dó vị trí các thùng rác được tái phân bố và giảm thiểu được tuyến đường vận chuyển.
Tuyến thu gom rác:
Thu gom và vận chuyển rác hiệu quả phụ thuộc vào vị trí đặt thùng rác tương ứng với lượng rác phát sinh [38-39].
Sharholy et all sử dụng Arcgis để tạo cơ sở dữ liệu không gian phục vụ quản lý rác thải sinh hoạt đô thị, bao gồm: tuyến đường, vị trí xả thải và vị trí bãi rác [37].
Ghose et all bổ sung thêm một số yếu tố khi đưa ra mô hình tuyến đường chuyên chở rác nhằm xác định khoảng cách và giá thành.
Tuyến đường thu thập được dựa trên thực tế và qua thí nghiệm bằng các phương pháp trực quan. Shasholy et all đã kết hợp mô hình toán học và GIS để tối ưu hóa tuyến đường thu gom rác và đưa ra được lịch trình của nó [37].
Chang et al đã ứng dụng mô hình lập trình hướng đối tượng cùng với khả năng phân tích không gian của GIS để phân tích và trực quan hóa con đường tối ưu nhất phân bổ xe thu gom và lao động trong một mạng lưới thu gom và vân chuyển rác thải [39].
Errission et all đã phát triển một mô hình để ước tính tiềm năng giảm tiêu thụ nhiên liệu. Điều này rõ ràng là làm giảm các tác động môi trường. Mô hình sử dụng dữ liệu về tốc độ, gia tốc, tải trọng xe và độ dốc của đường. Sharholy et all ứng dụng ArcGIS để thành lập bản đồ quản lý chất thải đô thị bao gồm: tuyến đường thu gom, vị trí các thùng rác, vị trí bãi rác. Ghose et al đề xuất một mô hình GIS xác định chi phí và đường đi tối ưu. Dữ liệu yêu cầu gồm: mạng lưới giao thông bộ, vị trí thùng rác, vị trí bãi rác [37].
2.3.2. Tính toán vị trí tối ưu của mạng lưới các điểm tập kết thu gom rác thải sinh hoạt thải sinh hoạt
2.3.2.1. Tối ưu hóa tuyến đường vận chuyển rác
Thuật toán được sử dụng:
- Tìm vùng phục vụ cho các điểm cẩu rác
- Thiết kế tuyến đường cho 1 đội xe
Để tìm tuyến đường tối ưu: từ điểm tập kết (vị trí các điểm cẩu) tới vị trí đổ rác (Bãi rác Đông Anh), có nhiều thuật toán và công cụ hiện có.
- Network analyst – Chức năng mở rộng trên phần mềm Arcgis: Yêu cầu độ chính xác cao về dữ liệu đầu vào, hàm chức năng đa dạng, nhưng bài toán tìm đường ngắn nhất tập trung nhiều hơn vào tối ưu cho thời gian và khoảng cách. Đây là công cụ được đánh giá tốt, mở rộng nhưng giá phần mềm nền Arcgis khá cao (Bản sử dụng trên máy tính cá nhân $27.000/ 1 khóa), trong khi các công cụ hỗ trợ GIS thông dụng khác như Mapinfo chỉ $2.000-$5.000 tùy số lượng chức năng lựa chọn.
- Tương tự như các công cụ trên phần mềm Arcgis, các phần mềm nhỏ, chạy trên web, có hỗ trợ hiển thị dữ liệu không gian như Geo blade route và Garbage truck routing. Đối với Geo blade route: Công cụ có thể tính toán cho một hay nhiều tuyến đường với thông số khác nhau như giới hạn tốc độ, hướng đi. Hơn nữa, có thể lập bản đồ về mạng lưới các tuyến đường: ngắn nhất hoặc nhanh nhất. Ứng dụng này có thể giúp việc điều phối xe đi thu gom rác thải. Garbage Truck Routing: Sử dụng thuật toán tìm đường thông dụng: người đưa thư - "Chinese postman" / Euler tour.
- Công cụ được đánh giá đơn giản nhất, sử dụng thuật toán nâng cao: của Mr. Jan Dethloff’s và thuật toán tìm kiếm lân cận cho vùng lớn (ALNS -Adaptive Large Scale Neighborhood Search). Thuật toán Vehicle route planner (VRP solver): ứng