CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.3. Tình hình nghiên cứu chất lượng khơng khí trên thế giới và ở
1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Nhiều nghiên cứu chuyên sâu về CLKK đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới. Các phương pháp đánh giá chủ yếu được sử dụng thông qua số liệu quan trắc, tính tốn bằng mơ hình hóa. Những năm gần đây, xu hướng đánh giá sử dụng các chỉ số đánh giá tổng hợp CLKK dựa vào các số liệu tính được từ số liệu quan trắc và mơ hình khuếch tán ngày càng được cơng bố rộng rãi. Một số nghiên cứu điển hình tại một số nước phải kể đến là Mỹ, Anh, Canada, Đan Mạch, Séc, Hy Lạp, Trung Quốc, Singapo, Mã Lai, Thái Lan. Nội dung nghiên cứu tương đối đa dạng bao gồm những vấn đề về xu thế biến đổi của chất lượng khơng khí; tác hại của bụi và khí độc, thiệt hại do ơ nhiễm khơng khí đối với sức khỏe con người và hệ sinh thái; ảnh hưởng của cây xanh đối với CLKK; xây dựng hệ thống quản lý chất lượng môi trường dựa vào phương pháp mơ hình hóa và cơng cụ GIS.
- Hướng nghiên cứu chỉ tiêu đơn lẻ và tổng hợp để đánh giá hiện trạng, diễn biến và phân vùng chất lượng khơng khí
Nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Ca-na-đa, Hồng Kông, Trung Quốc, Nhật Bản...[24, 25, 41, 89] đã và đang nghiên cứu ứng dụng các chỉ số CLKK (AQI) hoặc chỉ số ô nhiễm không khí (API) để đánh giá riêng lẻ thông số ô nhiễm dựa trên số liệu quan trắc liên tục (trạm quan trắc CLKK tự động, cố định) hoặc quan trắc định kỳ bằng thiết bị thông dụng (đo nhanh hoặc lấy mẫu tại hiện trường để phân tích trong phịng thí nghiệm). Ưu điểm của các phương pháp đánh giá theo chỉ tiêu riêng lẻ là có thể đánh giá được thông số nào vượt TCCP theo quy chuẩn riêng của mỗi nước để có biện pháp xử lý kịp thời những thông số vượt quá nhiều lần TCCP gây ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng dân cư. Tuy nhiên do những hạn chế của phương pháp này (xem mục 1.2.3.1), song song với việc đánh giá CLKK theo chỉ tiêu riêng lẻ, người ta tiến hành nghiên cứu phương pháp đánh giá CLMT khơng khí bằng chỉ tiêu tổng hợp, nghĩa là xem xét tại một điểm cho trước ứng với một thời điểm t nào đó thì
CLKK chịu tác động của n thơng số, khi đó người ta sử dụng giá trị max của AQI hoặc các chỉ số tổng hợp.
Một số nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng chỉ số chất lượng mơi trường trên thế giới có thể kể đến là: George Kyrkilis, Arhontoula Chaloulakou, Pavlos A. Kassomenos (2007) [58] đã tiến hành nghiên cứu, xây dựng một chỉ số CLKK tổng hợp cho khu vực Địa Trung Hải và xác định mối liên hệ của CLKK với ảnh hưởng đến sức khỏe. Trong nghiên cứu này, chỉ số chất lượng khơng khí AQI đã được xây dựng dựa vào 5 chất ô nhiễm tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn Châu Âu (CO, SO2, NO2, O3 and PM10) theo số liệu của từng trạm quan trắc ở thành phố A-ten, Hy Lạp. Kết quả tính tốn cũng được so sánh với kết quả tính theo chỉ số AQI của Mỹ đã được hiệu chỉnh theo điều kiện Châu Âu. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng người dân ở thành phố Aten đã chịu ảnh hưởng của CLKK kém trong những năm qua.
Năm 2008, trong nghiên cứu của Helmut Mayera, Jutta Holsta, Dirk Schindlera, Dieter Ahrensb [66] về diễn biến của ơ nhiễm khơng khí cho thành phố phía Tây Nam nước Đức, chỉ số CLKK LAQx (chỉ số đánh giá CLKK dài hạn) đã được phát triển để đánh giá CLKK tổng hợp trong thời gian dài có liên quan đến phúc lợi xã hội và sức khỏe của người dân, đã được áp dụng để phân tích diễn biến của ơ nhiễm khơng khí từ năm 1985 đến 2005 tại các địa điểm đô thị và nông thôn khác nhau. Trong chỉ số LAQx, CLKK được phân hạng thành 6 nhóm căn cứ theo hệ thống cho điểm ở trường học của nước Đức. Theo phân hạng của LAQx, nhóm 1 cho thấy CLKK rất tốt và nhóm 6 tương ứng với CLKK rất kém. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, giá trị của LAQx ở các vị trí trong đơ thị phản ánh sự cải thiện CLKK tổng hợp. Sự khác nhau về giá trị của LAQx giữa các vị trí khảo sát có nguyên nhân do các điều kiện phát thải khác nhau ở các địa phương.
Năm 2008, nhóm tác giả B.R. Gurjara, T.M. Butlerb, M.G. Lawrenceb, J. Lelieveldb [61] đã tiến hành một nghiên cứu về đánh giá sự phát thải và CLKK trong các thành phố lớn trên thế giới. Ngoài việc phân hạng các thành phố theo diện tích bề mặt và mật độ dân số (theo cách đánh giá của WHO và Liên hợp Quốc), nghiên cứu đã đánh giá và phân hạng các thành phố lớn theo sự phát thải các khí, bụi và CLKK
xung quanh, cụ thể là căn cứ vào phát thải CO trên đầu người trong một năm và trên một đơn vị diện tích bề mặt. Ngồi ra nhóm tác giả cịn phân hạng dựa vào nồng độ khơng khí xung quanh của các chất ô nhiễm được lựa chọn làm tiêu chí đánh giá như TSP và SO2, NO2. Nghiên cứu cũng đề xuất một chỉ số đánh giá nhiều chất ô nhiễm MPI, xét đến mức độ tổng hợp của 3 chất ô nhiễm được lựa chọn để đánh giá (như TSP và SO2, NO2) dựa vào hướng dẫn về CLKK của WHO. Trong số 18 thành phố lớn được nghiên cứu thì có 5 thành phố được phân hạng là CLKK trung bình và 13 thành phố có CLKK kém. Các thành phố lớn có PM10 cao nhất là Bắc Kinh, Cai Rô, Ka Ra được khuyến nghị cần nhanh chóng giảm ơ nhiễm TSP.
- Hướng nghiên cứu kiểm sốt ơ nhiễm và tác động của bụi đến sức khỏe cộng đồng
Hướng nghiên cứu này thường đi sâu vào việc nghiên cứu các thành phần của bụi như PM10, PM2,5 nhằm xác định ảnh hưởng của bụi đến CLKK và sức khỏe con người, kiểm soát các nguồn phát thải bụi. Trong các nghiên cứu, phương pháp phân tích đánh giá chủ yếu dựa vào các số liệu quan trắc hoặc kết hợp với mơ hình hóa để chỉ ra những khu vực, đối tượng có thể bị ảnh hưởng bởi bụi.
Zuzana Hrdlicˇkova và cộng sự năm 2008 [98] đã công bố một nghiên cứu về “Xác định các nhân tố ảnh hưởng đến ơ nhiễm khơng khí do bụi PM10 ở thành phố Brono, Cộng hòa Séc”. Nghiên cứu đã tập trung đánh giá ô nhiễm bụi ở thành phố Brono dựa vào các dữ liệu về PM10 từ bốn trạm quan trắc của thành phố trong một chu kỳ thời gian 7 năm. Cùng với số liệu quan trắc về bụi, các yếu tố khí tượng như hướng gió, tốc độ gió, nhiệt độ khơng khí và độ ẩm tương đối đã được đo để đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện khí tượng lên vị trí phát thải ở mỗi trạm quan trắc. Mơ hình hồi qui tuyến tính đã được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm bụi và ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng chính đến CLKK trong ngày và mùa nóng. Kết quả chỉ ra rằng sự hình thành bụi trong những ngày trước đó là một dự báo có ý nghĩa và đóng góp vào sự hình thành bụi trong ngày hiện tại. Những ảnh hưởng này gắn với
thực tế là lượng mưa sau đó làm giảm sự hình thành bụi thường đi cùng với việc giảm nhiệt độ không khí.
Năm 2013, Lingxiao Yan và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu, xác định các nguồn phát sinh PM2,5 cũng như những tác động của nó đến sức khỏe con người trong những khu vực đô thị bị ô nhiễm nặng tại Trung Quốc [70].
Hướng nghiên cứu về ô nhiễm khơng khí trong nhà cũng đã được nghiên cứu trong những năm gần đây trên thế giới, đặc biệt là nghiên cứu về ảnh hưởng của bụi PM10 và PM2,5. Mayer Elbayoumi và cộng sự năm 2013 đã tiến hành nghiên cứu về ảnh hưởng của bụi trong các lớp học. Các nghiên cứu đã chỉ ra được qui luật biến động của PM10 và PM2,5 trong không gian cũng như trong các mùa khác nhau [72].
- Hướng sử dụng phương pháp mơ hình hóa và GIS để xây dựng hệ thống quản lý chất lượng môi trường phục vụ kiểm sốt và cảnh báo ơ nhiễm
Xu hướng hiện nay, nhiều nước đã kết hợp phương pháp mơ hình hóa và cơng cụ GIS trong xây dựng những hệ thống quản lý CLKK đô thị, phục vụ cảnh báo và phịng chống ơ nhiễm. Một số nghiên cứu cần kể đến bao gồm:
Nghiên cứu của Dennis, Mary.W Downton and Pau Letter Middletion về Xây dựng chính sách và vai trị của các mơ hình trong việc lập kế hoạch quản lý CLKK [54].
Nghiên cứu năm 2003 của Kostas Karatzas, Eirini Dioudi, Nicolas Moussiopoulos [68] về việc xác định các thành phần chính của hệ thống thơng tin và quản lý CLKK đơ thị tích hợp thơng qua ưu tiên người sử dụng;
Nghiên cứu của Tolga Elbir và cộng sự năm 2010 đã “Phát triển hệ thống quản lý CLKK” dựa trên hệ thống mơ hình hóa khuếch tán CALMET/CALPUFF, bản đồ kỹ thuật số và cơ sở dữ liệu có liên quan để ước tính lượng khí thải và phân bố khơng gian của các chất ơ nhiễm khơng khí với sự trợ giúp của một phần mềm GIS cho thành phố Istanbul, Thổ Nhĩ Kỳ. Hệ thống này có thể ước tính mức độ ơ nhiễm khơng khí xung quanh với độ phân giải cao theo thời gian và không gian. Hệ thống cũng cho phép xây dựng các bản đồ phát thải và các mức CLKK. Từ các bản đồ đánh giá CLKK
hiện tại và kết quả tính tốn theo các kịch bản, giá trị nồng độ chất ô nhiễm được so sánh với các tiêu chuẩn cho phép. Các kết quả này cũng là cơ sở để đánh giá tác động của các biện pháp giảm thiểu ơ nhiễm khơng khí [91].
- Hướng nghiên cứu về ảnh hưởng của cây xanh đối với CLKK
Hướng này tập trung nghiên cứu về vai trò của cây xanh trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm và bụi gắn với những ảnh hưởng đến sức khỏe con người; mơ hình hóa ảnh hưởng của cây xanh lên CLKK; ước tính giá trị của cây xanh đối với phúc lợi xã hội và cộng đồng cũng như xác định các vị trí trồng cây xanh hợp lý.
Ơ nhiễm TSP nói chung và PM10 nói riêng đã và đang được đề cập đến trong những thập kỷ qua. Mục đích cuối cùng của các nghiên cứu này là đưa ra các giải pháp hữu hiệu nhằm giảm thiểu những tác động có hại của bụi lơ lửng, bảo vệ sức khỏe con người. Nhiều giải pháp về công nghệ đã được đưa ra nhằm giảm thiểu sự phát thải của bụi. Tuy nhiên, trong thực tế các biện pháp xử lý chất thải để giảm nguồn bụi sơ cấp và thứ cấp do con người sinh ra nhìn chung rất tốn kém. Trong khi đó, các nguồn ô nhiễm tự nhiên (như bụi do gió thổi, bụi được hình thành thứ cấp từ các khí có nguồn gốc ban đầu là các chất hữu cơ sinh học….) lại rất khó hoặc khơng thể kiểm sốt được. Do vậy, việc tìm hiểu tất cả các giải pháp thay thế để giảm nồng độ bụi lơ lửng trong khu vực đô thị là rất quan trọng. Bên cạnh các giải pháp kỹ thuật để giảm khơng khí ơ nhiễm, cây cối trong đơ thị ngày càng được xem như là một phương pháp thay thế cải thiện CLKK bằng cách loại bỏ một số chất gây ô nhiễm chủ yếu thơng qua q trình lắng đọng khơ [67].
Một số nghiên cứu đã điều tra ảnh hưởng của cây đối với nồng độ chất gây ô nhiễm và đã phát hiện ra rằng, cây có thể làm giảm nồng độ của một luồng khói có a-mơ-ni-ăc thơng qua lắng đọng tới các lớp biểu bì của cây và hấp thụ khí khổng vào khoảng 3 -13 % [67]. Rừng cũng đóng vai trị quan trọng trong việc loại bỏ hầu hết các chất ơ nhiễm trong khí quyển một cách hiệu quả [49, 60, 67]. Tuy nhiên, các lồi cây khác nhau có đặc tính khác nhau (chẳng hạn như kích thước lá và lỗ thốt khí trên mặt lá) sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả giữ bụi. Năm 2012, Baumgardner D và cộng
sự đã nghiên cứu về “Vai trị của rừng ven đơ đối với việc cải thiện CLKK trong khu vực thành phố Mehico” [49]. Kết quả nghiên cứu cho thấy tổng mức cải thiện CLKK hàng năm của thảm thực vật của công viên giảm nồng độ trung bình năm khoảng 0,02% đối với CO, 1% đối với O3 và 2% đối với PM10.
Ngồi lợi ích cải thiện CLKK của đa số cây xanh, một số lồi cây cũng có khả năng ảnh hưởng đến CLKK thông qua sự phát thải hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs) là chất đóng góp vào việc hình thành ơzơn mặt đất [55, 59, 67, 69, 74, 81, 82]. Vì một số loài thực vật phát thải ra các hợp chất hữu cơ sinh học dễ bay hơi (BVOCs) nên việc trồng thêm một số giống cây sẽ làm tăng thêm nồng độ O3 và nồng độ bụi trong khơng khí xung quanh, do đó làm suy thối CLKK. Ngồi ra, các loại bụi phấn và bào tử nấm từ cây cối là mối nguy hiểm về sức khỏe cho những người nhạy cảm và dị ứng [67, 81]. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu tổng hợp cũng chỉ ra rằng, việc tăng độ che phủ của cây xanh sẽ làm giảm nồng độ của O3 mặt đất do cây xanh làm giảm nhiệt độ của khơng khí [81].
Một số nghiên cứu cụ thể hơn về tác động của cây xanh đô thị lên nồng độ chất ô nhiễm thơng qua việc sử dụng phương pháp mơ hình hóa và cơng cụ GIS đã được báo cáo tại một số nước như Anh, Mỹ, Tây Ban Nha [45, 46, 50, 53]. Kết quả tính tốn đã cho thấy, cây xanh đơ thị có thể làm giảm nồng độ SO2 và O3 khoảng 20% và ước tính rằng rừng đơ thị hiện có ở Chicago đã loại bỏ 212 tấn PM10 mỗi năm, tương đương với việc cải thiện CLKK trung bình khoảng 0,4% một giờ. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cây xanh là những “máy lọc” bụi hiệu quả và được đặc trưng bởi tỉ lệ lắng đọng khô cao hơn các loại đất. Để làm rõ hơn về nhận định này, A.G. McDonalda và cộng sự năm 2007 đã công bố một nghiên cứu “ Định lượng các ảnh hưởng của việc trồng cây xanh đô thị lên nồng độ và lắng đọng PM10 ở các khu thành phố của nước Anh” [74]. Để ước tính tiềm năng trồng cây đô thị cho việc giảm thiểu nồng độ PM10 đơ thị, mơ hình lan truyền khí quyển đã được sử dụng để mô phỏng sự vận chuyển và lắng đọng của PM10 qua hai khu đô thị ở nước Anh là West Midlands và Glasgow. Quy hoạch đối với cây đã được mô phỏng bằng cách thay đổi cơ sở dữ liệu che phủ đất, sử dụng kỹ thuật GIS và khảo sát thực địa để đánh giá tiềm năng trồng
hợp lý. Kết quả tính từ mơ hình đã dự báo rằng việc tăng tổng diện cây trong vùng West Midlands từ 3,7% đến 16,5% sẽ làm giảm nồng độ trung bình PM10 khoảng 10% từ 2,1 - 2,3 mg /m3, tương đương với việc loại bỏ 110 tấn PM10 mỗi năm từ khí quyển. Việc tăng độ che phủ cây của West Midlands tối đa 54% theo lý thuyết bằng việc trồng thêm cây trong tất cả các khu vực khơng gian xanh đã có sẽ làm giảm nồng độ PM10 trung bình 26% tương ứng với loại bỏ 200 tấn PM10 mỗi năm. Tương tự như vậy đối với vùng Glasgow, tăng độ che phủ cây từ 3,6% đến 8% sẽ làm giảm nồng độ PM10 khoảng 2% tương đương với loại bỏ 4 tấn PM10 mỗi năm; tăng độ che phủ cây đến 21% sẽ làm giảm nồng độ PM10 khoảng 7% và loại bỏ 13 tấn PM10 mỗi năm.
Donovan, Rossa G. Stewart và cộng sự năm 2005 đã nghiên cứu” Phát triển và ứng dụng thang đánh giá CLKK có cây xanh đơ thị đối với các kịch bản ô nhiễm do khói quang hóa, nghiên cứu áp dụng đối với vùng Brimingham, Vương Quốc Anh” [55]. Trong nghiên cứu này, phương pháp mơ hình hóa học khí quyển đã được sử dụng để định lượng các ảnh hưởng của cây về CLKK đô thị trong các kịch bản ơ nhiễm quang hóa cao cho khu vực đô thị vùng West Midland của nước Anh. Ảnh hưởng kết hợp của cả lắng đọng chất ô nhiễm và phát thải các hợp chất hữu cơ sinh