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 dụng trên web và dựa vào hệ thống thông tin địa lý, gọi tắt web-gis, nhằm tính toán tuyến tối ưu cho các phương tiện xe cơ giới.
Trong phạm vi nghiên cứu này, công cụ Quy hoạch và thiết kế tuyến đường (VRP) và Phân tích mạng lưới (Network analyst) được sử dụng.
Bài toán "Tối ưu hóa tuyến đường" trong nghiên cứu này sử dụng VRP với thông tin giới hạn về thời gian và sử dụng Hệ thống thông tin địa lý. Bài toán GIS trong Luận văn này được sử dụng để: đánh giá vị trí đặt thùng rác hiện tại và tuyến thu gom rác tại quận Ba Đình; sau đó đưa ra giải pháp đặt vị trí thùng rác và thiết kế tuyến thu gom tối ưu.
Do vậy, giải pháp "tối ưu" trong bài toán thu gom và vận chuyển rác ở quận Ba Đình được tiếp cận theo:
Phương trình 1: Tối ưu hóa tuyến đường vận chuyển Tối ưu
= Tối ưu chi phí kinh tế + Chi phí môi trường
= Tối ưu khoảng cách + Tối ưu thời gian + Tối ưu nhiên liệu + Tối ưu về phát thải ra môi trường
Tối ưu hóa tuyến đường: Route optimization: Trong phần này sử dụng một mô hình có liên quan đến ứng GIS để xác định một mô hình tối ưu cho quận Ba Đình – Thành phố Hà Nội.
Các dữ liệu yêu cầu bao gồm: Số lượng các xe tải, vị trí các thùng, vị trí bãi rác. Phương pháp này được thực hiện theo ba giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Tạo một mạng lưới đường phố, sử dụng phân tích mạng ArcGIS
- Giai đoạn 2: Tối ưu hóa các xe chở rác, vị trí thùng rác và vị trí bãi rác
- Giai đoạn 3: Tính toán các tuyến đường ngắn nhất
Thuật toán về tối ƣu hóa tuyến vận chuyển / Algorithm:
Hình 2.2: Mô phỏng quá trình vận chuyển rác tại Ba Đình
Tối ưu = Tối ưu chi phí kinh tế + chi phí môi trường = Tối ưu khoảng cách + tối ưu về thời gian + tối ưu nhiên liệu + tối ưu về phát thải ra môi trường.
Mô hình hóa trong bài toán tối ƣu / Models Giai đoạn 1: Xây dựng cơ sở dữ liệu không gian:
Cơ sở dữ liệu bao gồm các vị trí các thùng rác, vị trí bãi rác, các thuộc tính về đường phố. Sử dụng ArcGIS Network Analyst để tạo ra và phân tích một mạng trong một tập dữ liệu.
Thu gom rác thải đô thị tối ưu đòi hỏi thông tin về: mức độ rác thải (kg/ người dân/ngày); dân số, các thuộc tính đường phố (chiều rộng, chiều, độ dốc, các trạm barries). Thông tin được mô tả trong bảng thuộc tính của dữ liệu không gian hoặc các bản đồ số trong ứng dụng này.
Giai đoạn 2: Tối ƣu hóa vị trí các thùng rác
Tìm các dịnh vụ xung quanh vị trí bất kỳ trên mạng lưới giao thông cho khu vực của các thùng chứa rác và cho các điểm trung chuyển bao gồm tất cả các điểm có thể đặt được trong bán kính 200m và 500m tương ứng. Tính khối lượng các thùng chứa tại vị trí khu dân cư.
Volume = P.Gr.Sf.C / D Volume: Thể tích rác P= Số dân cư GR = Tỷ lệ phát sinh rác thải D = Mật độ rác thải Sf = Hệ số an toàn
C = Hệ số tối đa cho xử lý rác thải, tần xuất, 7 ngày/tuần
Giai đoạn 3: Tính toán các tuyến đƣờng đi ngắn hơn: tìm đƣờng ngắn nhất, nhanh nhất và chi phí nhỏ nhất. Bao gồm các tính năng sau:
- Stop layer: vị trí thùng chứa rác
- Stop layer property: thời gian để thu thập các thùng chứa
- Barrier feature layer: điểm không thể đi qua
- Route feature layer
Trong đó: giả thiết của bài toán cho việc vận chuyển rác ở thành phố Ba Đình là:
- Loại rác thải: HC, TSD
- Khoảng cách thuận tiện đổ rác (100m)
- Mức độ ưu tiên về tuyến đường
- Môi trường và cảnh quan
Phƣơng pháp tính:
- Phân tích mạng lưới (Arcgis)
- Tìm vùng phục vụ
- Xác định vị trí tối ưu
- Thiết kế tuyến đường cho 1 đội xe
2.3.2.2. Dữ liệu về thu gom rác thải
a. Dữ liệu và yêu cầu dữ liệu
Cơ sở dữ liệu không gian sử dụng cho mô hình "phân tích mạng lưới" gồm: - Dữ liệu nền: Đơn vị hành chính, dân cư, sử dụng đất (xác định các vùng nhậy cảm: nguồn nước, khu trường học, vui chơi, bệnh viện, chùa, nhà thờ)
- Mạng lưới giao thông: Đảm bảo yêu cầu địa hình, đường phố có các thông tin về: tốc độ giới hạn, độ rộng đường, phân cấp đường, đường 1 chiều.
- Thông tin về rác thải: vị trí nguồn phát thải (thùng rác, nhà hàng, khách sạn và các khu chợ lớn); vị trí bãi rác; điểm tập kết rác; trạm trung chuyển. Ngoài ra cần bổ sung các thông tin thuộc tính liên quan đến việc chở rác: phương tiện chuyên chở, nhân công, ngày công, thời gian quy định và lịch làm việc.
Vị trí của bãi rác, trạm trung chuyển và các địa điểm thu gom rác được xác định bằng GPS và ảnh vệ tinh của Google với các thông số: hệ quy chiếu WGS84, múi chiếu 48. Ngoài ra, các thông tin thuộc tính của các thùng rác (loại thùng, dung tích rác/thùng). Các lớp thông tin này được tích hợp trong một CSDL không gian để phục vụ tính toán tuyến đường.
Dữ liệu
Ngoài các lớp dữ liệu nền như hành chính, địa hình, các lớp thông tin khác cần được biên tập để thỏa mãn các yêu cầu đầu vào của bài toán ―phân tích mạng lưới‖.
Dữ liệu được thiết kế gồm các lớp thông tin sau: Mạng lưới giao thông:
• Các đối tượng đường phải đảm bảo yêu cầu topology
• Cần đủ thông tin:
• Tốc độ giới hạn
• Thời gian vận chuyển
• Đường 1 chiều
• Phân cấp đường
Rác thải:
• Thông tin không gian:
• Vị trí thùng rác
• Vị trí bãi rác
• Vị trí các điểm tập kết rác
• Vị trí điểm trung chuyển
• Thông tin thuộc tính về:
• Phương tiện sẵn có
• Nhân công, ngày công
• Thời gian quy định, lịch làm việc
Các phép phân tích trên dữ liệu không gian
Các điều kiện được không gian hóa trên các lớp dữ liệu về giao thông, hiện trạng sử dụng đất, vị trí bãi rác, trạm trung chuyển, vị trí thùng rác:
Tính khoảng cách từ ―đất có mặt nước‖: sử dụng công cụ Buffer với
khoảng cách 500m
Tính khoảng cách từ các vị trí công trình văn hóa và công cộng: Buffer với khoảng cách 200m
Thiết lập các thông số về giới hạn cho vận chuyển: đường một chiều, tốc độ: sử dụng lớp giao thông