CHƢƠNG 2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp thu thập xử lý số liệu
Cở sở quan trọng cho những nghiên cứu ô nhiễm không khí xuyên biên giới là số liệu kiểm kê phát thải. Tuy nhiên, số liệu về kiểm kê phát thải tại Việt Nam còn khá hạn chế nên không thể đáp ứng các yêu cầu đầu vào cho mơ hình chất lƣợng khơng khí đƣợc nghiên cứu, ứng dụng thuộc phạm vi Luận văn.
Trong Luận văn, chủ yếu sử dụng đến phƣơng pháp thu thập dữ liệu sơ cấp. Số liệu tải lƣợng phát thải đƣợc cung cấp bởi bởi Trung Tâm Nghiên cứu Biến đổi Toàn cầu (FRCGC) và Cục Khoa học Kỹ thuật Biển - Địa cầu Nhật Bản. Số liệu đầu vào cho mơ hình khí tƣợng đƣợc cung cấp bởi Trung Tâm Nghiên Cứu Khí Tƣợng Hoa Kỳ (NCAR). Bên canh đó, trong nghiên cứu cịn thu thập số liệu quan trắc từ các trạm quan trắc môi trƣờng tự động, số liệu ảnh viễn thám, số liệu chất lƣợng mơi trƣờng khơng khí từ là các dữ liệu thống kê, tổng hợp có sẵn ở địa phƣơng nhƣ niên giám thống kê, các báo cáo tổng kết năm, quy hoạch tổng thể, kế hoạch phát triển kinh tế xã hội, báo cáo hiện trạng mơi trƣờng, … Đó là những dữ liệu chƣa qua xử lý, đƣợc thu thập sau đó lựa chọn và tính tốn số liệu cần thiết.
2.2.2 Phương pháp mơ hình tốn
Hiện nay, trên thế giới có nhiều mơ hình đang đƣợc ứng dụng để đánh giá sự lan truyền tầm xa của các chất ô nhiễm.
- Mơ hình MSCE-HM đƣợc xây dựng để đáp ứng yêu cầu của Công ƣớc Giám sát và đánh giá lan truyền quy mơ lớn của các khí ơ nhiễm ở Châu Âu (EMEP). Đây là mơ hình vận chuyển hố học Eulerian 3 chiều. Hiện tại mơ hình này đang đƣợc sử dụng để tính Cd, Pb và Hg. Mơ hình sử dụng phƣơng trình liên tục để mơ tả các quá trình vận chuyển và khuyếch tán các chất ơ nhiễm trong khí quyển sử dụng phép chiếu nổi với toạ độ thẳng đứng ( -p).
- Mơ hình REMSAD đƣợc xây dựng và duy trì bởi Hệ thống Ứng dụng Quốc tế (SAI). Mơ hình này đƣợc xây dựng ban đầu với ý định trở thành công cụ sàng lọc, một mơ hình có thể chạy với tốc độ cao cho miền tính quy mơ lục địa và một khoảng thời gian dài mô phỏng để cung cấp thơng tin (có thể khơng chi tiết) về sự phân bố và kết hợp của bụi, lắng đọng của chất ô nhiễm (bao gồm các chất độc). Sau này, REMSAD đƣợc bổ sung thêm nhiều mô đun phức tạp để mô phỏng các q trình hố học, lan truyền và lắng đọng của các chất khí ơ nhiễm (nhấn mạnh vào bụi, ozone và thuỷ ngân).
REMSAD đƣợc xây dựng trên cơ sở hệ thống mơ hình quang hố quy mơ khu vực – Mơ hình chất lƣợng khơng khí đơ thị, lƣới biến đổi UAM-V (SAI, 1999). Do vậy, các đặc tính của UAM-V cũng có giá trị trong REMSAD. REMSAD có thể tích hợp lƣới lồng hay nhiều lƣới mịn với độ phân giải cao cho vùng có nguồn thải và/hoặc có nơi tiếp nhận.
REMSAD là mơ hình lƣới 3 chiều, đƣợc thiết kế để tính tốn nồng độ của các chất ơ nhiễm (trơ hoặc có phản ứng hóa học) bằng cách mơ phỏng các q trình vật lý và hóa học trong khí quyển bị ảnh hƣởng đến nồng độ các chất ô nhiễm. Cơ sở của phần mềm này là hệ phƣơng trình khuếch tán khí quyển
- Mơ hình CMAQ tiếp cận bài tốn lan truyền ơ nhiễm khơng khí một cách tổng quát với các kỹ thuật hiện đại, trong đó các vấn đề nhƣ: ơ zơn trên tầng đối lƣu, chất độc, bụi mịn, lắng đọng a xít, suy giảm tầm nhìn,v.v. đều đƣợc giải quyết.
CMAQ cũng đƣợc thiết kế đa quy mô để khỏi phải tạo ra các mơ hình riêng biệt cho vùng đơ thị hay nơng thơn. Độ phân dải và kích thƣớc miền tính có thể khác nhau một vài bậc đại lƣợng theo khơng gian và thời gian. Tính mềm dẻo theo thời gian cho phép thực hiện các mô phỏng nhằm đánh giá dài hạn của các chất ơ nhiễm (trung bình khí hậu) hay lan truyền hạn ngắn mang tính địa phƣơng. Tính mềm dẻo theo không gian cho phép sử dụng CMAQ để mô phỏng quy mô đô thị hay khu vực. - Mơ hình chất lƣợng khơng khí cân bằng khối lƣợng hoá học (Chemical Mass Balance - CMB) là một trong những mơ hình nơi tiếp nhận đƣợc ứng dụng cho việc quản lý tài ngun khơng khí. Mơ hình nơi tiếp nhận sử dụng bản chất vật lý và hố học của các khí và hạt đo đƣợc tại nguồn và nơi tiếp nhận để nhận biết cả sự có mặt và khả năng đóng góp của các nguồn tới nồng độ nơi tiếp nhận. Mơ hình nơi tiếp nhận nói chung là những mơ hình tƣơng phản với các mơ hình phát tán chúng đƣợc sử dụng để đánh giá tốc độ phát thải ô nhiễm, lan truyền khí tƣợng, và cơ chế biến đổi hố học để đánh giá sự đóng góp của từng nguồn tới nồng độ nơi tiếp nhận
- Khả năng tính tốn mối quan hệ nguồn thải - nơi tiếp nhận cho quá trình vận chuyển các chất vết trong khí quyển với mơ hình phân tán phân tử Lagrangian trong tính ngƣợc đƣợc chứng minh với nhiều kiểm nghiệm và ví dụ. Tính ngƣợc dễ thực hiện nếu số nơi tiếp nhận ít hơn số nguồn thải. Một sự kết hợp LPDM và phƣơng pháp tính ngƣợc đƣợc biệt có hiệu quả với nguồn điểm.
- ATMOS là một mơ hình vận chuyển hố học đơn giản, đƣợc phát triển bởi NOAA để tính tốn mối quan hệ giữa nguồn thải và nơi tiếp nhận. Mơ hình đƣợc dự định để làm cơ sở cho các tranh luận về vấn đề môi trƣờng và năng lƣợng ở châu Á, để so sánh đóng góp của Sulfate và Nitrate đối với sự axit hoá khu vực và để ƣớc tính lắng đọng axit ở từng quốc gia và chất lƣợng khơng khí liên quan nhƣ thế nào đến sự phát thải từ bên ngoài vào lục địa. ATMOS là một mơ hình luồng khói “puff” Lagrangian trong đó những luồng khói “puff” khơng tƣơng tác đƣợc khuếch tán theo phƣơng ngang và xáo trộn giữa ba lớp theo phƣơng thẳng đứng.
Bằng các mối quan hệ ”nguồn thải- nơi tiếp nhận” chúng ta có thể xác định đƣợc các mối quan hệ liên quan đến một đơn vị phát thải từ một khu vực đối với sự lắng đọng/ hoặc nồng độ ở những khu vực khác.
- Một thuật toán cải tiến đƣợc gọi là positive matrix Factorization (PMF) trong mơ hình tiếp nhân đã đƣợc sử dụng để nhận dạng nguồn bụi lơ lửng ở thƣợng Đình. Dữ liệu tổng hợp thu đƣợc từ việc phân tích mẫu tại thƣợng Đình, các yếu tố đƣợc phân tích ở nghiên cứu này là AL, Ca, Mg, Pb, Na, Mn, Fe, Ni, Zn, Cd, Ba, và As... Khác với các thuật tốn của mơ hình tiếp nhận cổ điểm, phƣơng pháp phân tích nhân tố trọng PMF chỉ sử dụng số liệu khơng âm có sẵn trong hồ sơ các nguồn. Đây chính là điểm khác biệt chính của PMF so với phƣơng pháp phân tích thành phần chính PCA (Principal Components Analysis).
Trên cơ sở kinh nghiệm và ứng dụng thực tế của học viên, mơ hình CMAQ sẽ đƣợc hƣớng đến ƣu tiên thƣc hiện trong khuôn khổ của luận văn này.
2.2.3 Phương pháp kế thừa
Cở sở dữ liệu khí tƣợng đầu vào cho mơ hình chất lƣợng khơng khí CMAQ đƣợc cung cấp từ đầu ra của các mơ hình khí tƣợng. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng đầu ra từ mơ hình Nghiên cứu và Dự báo Thời tiết WRF. Trong khuôn khổ nội dung nghiên cứu và thời gian hạn chế nên công tác kiểm định mơ hình WRF đƣợc thừa hƣởng từ các nghiên cứu trƣớc đó của cán bộ hƣớng dẫn. Tồn bộ cơng tác kiểm định mơ hình khí tƣợng đƣợc kế thừa từ đề tài nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ 2008-2009: “Xây dựng bản tin dự báo chất lượng khơng khí
cho vùng kinh tế trọng điểm”.
Ngồi ra, để đạt đƣợc mục tiêu tính tốn mức độ lan truyền các chất ơ nhiễm khơng khí xuyên biên giới đến Miền Bắc Việt Nam, Luận văn đã kế thừa có chọn lọc các tài liệu, tƣ liệu và kết quả của các cơng trình nghiên cứu trong nƣớc và quốc tế liên quan đến các nội dung nghiên cứu: Ứng dụng các mơ hình tốn trong nghiên cứu mơi trƣờng khơng khí, các nghiên cứu kiểm kê phát thải, đánh giá hiện trạng chất lƣợng khơng khí,…
2.2.4 Phương pháp GIS
Trong nghiên cứu đã sử dụng các công cụ GIS để xây dựng các bản đồ phân bố tải lƣợng phát thải, bản đồ phân bố và lan truyền một số chất ô nhiễm trong khơng khí.