Các nghiên cứu về lan truyền ô nhiễm đƣợc nhiều tác giả trong và ngoài nƣớc quan tâm, với nhiều hƣớng nghiên cứu nhƣ mơ hình số trị; thống kê thực nghiệm; mơ hình thống kê thủy động dựa trên lý thuyết nửa thứ nguyên.
Cả 3 dạng mơ hình này đều tiến hành giải phƣơng trình lan truyền ô nhiễm bằng phƣơng pháp giải tích hoặc phƣơng pháp sai phân. Dựa trên việc giải phƣơng trình lan truyền ơ nhiễm cho các chất gây mùi ngƣời ta xác định đƣợc nồng độ mùi tại các điểm trên lƣới tính tốn, từ đó xác định đƣợc cấp mùi. Hệ phƣơng trình lan truyền ơ nhiễm trong khí quyển đƣợc viết dựa trên bảo tồn chất ơ nhiễm.
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc
Mơ hình thống kê thực nghiệm: Dựa trên phƣơng trình cơ bản về lan truyền chất ô nhiễm, cơ sở lý thuyết khuếch tán rối của Taylor G.I. (1915) và các giả thiết về quy luật phân bố nồng độ chất ô nhiễm, các cơng thức tính xác định nồng độ chất ô nhiễm đƣợc đề xuất cho các nguồn điểm cao nhƣ Bonsanquet và pearson (1936); Sutton(1947); Pasquil-Gifford (1962- 1971); Seilfeld (1975). Cùng với các công thức này là các hệ số khuếch tán rối theo chiều thẳng đứng và nằm ngang, chúng phụ thuộc vào điều kiện ổn định của khí quyển.
Mơ hình thống kê thủy động dựa trên lý thuyết nửa thứ ngun (mơ hình K): Ngun lý của mơ hình dạng này là áp dụng lý thuyết thứ nguyên cho phƣơng trình lan truyền khuếch tán rối có tính đến các biến đổi hóa học (sự liên kết của chất ơ nhiễm với các phần tử của mơi trƣờng khơng khí; sự biến đổi chất ơ nhiễm do các phản ứng hóa học trên đƣờng lan truyền; sự gội sạch chất ô nhiễm bởi sƣơng mù, mƣa), Beliand M.E. (1963) đã xây dựng các cơng thức tính tốn lan truyền ơ nhiễm đối với khí và bụi cho các nguồn điểm cao.
Hiện nay các mơ hình thống kê thực nghiệm và thống kê thủy động dựa trên lý thuyết nửa thứ nguyên vẫn tiếp tục đƣợc hồn thiện và có nhiều ứng dụng trong mô phỏng lan truyền ơ nhiễm khơng khí trong đó có ơ nhiễm mùi. Một số kết quả nghiên cứu nhƣ sau:
Úbeda. Y, Ferrer. M, Sanchis, E., Calvet, S., Nicolas, J. và López, P. A (2012). Hội nghị Mơ hình hóa Mơi trƣờng và các phần mềm mơ hình hóa (2012). Đánh giá tác động ơ nhiễm mùi từ BCL và khu xử lý chất thải thơng qua mơ hình khuếch tán Gauss. Kết quả mơ phỏng cho thấy mơ hình Gauss biểu diễn khá tốt nồng độ mùi ở độ cao 10m.
J. Nicolas, F. Craffe, A.C. Romain (2006). Đánh giá tỷ lệ ô nhiễm mùi từ BCL bằng việc sử dụng mơ hình bi-Gaussian. Trong bƣớc đầu tiên, ngƣời thực hiện sẽ khảo sát hiện trƣờng khoanh định các khu vực có ảnh hƣởng của mùi và sau đó sử dụng mơ hình để mơ phỏng khả năng xuất hiện các cấp mùi. Trong bƣớc 2, nhóm tác giả điều chỉnh các hệ số phát tán và hệ số phát thải để giảm sai số trong mô phỏng. Kết quả nghiên cứu cho thấy qua các bƣớc hiệu chỉnh sai số mô phỏng đã giảm đáng kể.
30
Laura Capelli, Licinia Dentoni, Selena Sironi, Jean-Michel Guillot. Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm nhằm chuẩn hóa mơ hình lan truyền mùi.
Guo, H., Jacobson, L. D., Schmidt, D. R., Nicolai, R. E., Zhu, J., và K. A.Janni (2005). Phát triển của mơ hình OFFSET để xác định khoảng cách khuếch tán mùi hôi từ các khu vực chăn ni.
Mơ hình số trị: Giải hệ phƣơng trình cho lớp biên khí quyển gắn kết với phƣơng trình lan truyền chất ơ nhiễm. Trong phƣơng trình lan truyền chất ơ nhiễm có tính đến sự bổ xung và suy giảm nồng độ các chất ô nhiễm từ các nguồn thải và các phản ứng hóa học có tính đến hiệu ứng quang năng. Đây là phƣơng pháp đƣợc quan tâm nhất, nó thể hiện sự lan truyền ơ nhiễm theo động thái của khí quyển. Hơn nữa nó thể hiện một cách tồn diện ảnh hƣởng của các trạng thái mặt đệm đến lan truyền ô nhiễm. Các kết quả nghiên cứu trên thế giới về lan truyền ơ nhiễm trong khí quyển đƣợc thể hiện qua việc xây dựng hàng loạt các mơ hình số trị nhƣ: mơ hình AirQUIS của NILU (The Norwegian Institute for Air Research), CMAQ (Community Multiscale Air Quality) do cục Khí quyển và Đại dƣơng Quốc gia (NOAA) kết hợp với Cục bảo vệ môi trƣờng Mỹ (EPA) xây dựng. ENVI-met của IAUC (International Association for Urban Climate); mơ hình TAPOM (The Transport and Air Pollution Model) của EPFL (Swiss Federal Ụnstitute of Technology in Lausanne) và nhiều mơ hình khác.
Dựa trên các dạng mơ hình này đã có nhiều kết quả nghiên cứu ứng dụng nhằm mô phỏng lan truyền mùi cho các khu vực xử lý chất thải, các hoạt động sản xuất có phát sinh mùi trong công nghiệp và chăn nuôi. Tuy nhiên việc ứng dụng các mơ hình số trị ít đƣợc sử dụng ở các nƣớc đang phát triển và chậm phát triển, với lý do để chạy các mơ hình này cần chạy các mơ hình thời tiết đi kèm. Để đảm bảo chất lƣợng của kết quả mơ phỏng, các mơ hình thời tiết thƣờng đƣợc lựa chọn là các mơ hình quy mơ vừa nhƣ MM5, WRF. Với các mơ hình thời tiết này, độ phân giải cao nhất theo phƣơng ngang cũng chỉ đạt 1 km x 1km.
1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Tại Việt Nam, những nghiên cứu về lan truyền ô nhiễm mới đƣợc chú ý đến nhiều trong thập niên gần đây, nhƣng đã có tƣơng đối nhiều cơng trình nghiên cứu. Một số vấn đề nghiên cứu chính có liên quan tới các nội dung nghiên cứu mà đề tài đặt ra là:
Xác định các tham số trong cơng thức về biến đổi tốc độ gió trong lớp sát đất ; Xác định các đặc trƣng lớp khơng khí sát đất; Xây dựng cơ sở dữ liệu khí tƣợng, khí hậu phục vụ nghiên cứu lan truyền ô nhiễm (Lê Đình Quang, Vƣơng Quốc Cƣờng, Đinh Thị Quỳnh Nhƣ, Nguyễn Lê Tâm)
Tính tốn và dự báo lan truyền ơ nhiễm:
- Tính tốn và đánh giá ơ nhiễm môi trƣờng khu vực lân cận các nhà máy nhƣ ximăng Hoàng Thạch, ximăng Hịn Khói nhiệt điện Ninh Bình, ... (Phạm Ngọc Đăng, Trần Đông Phong, Phạm Ngọc Hồ, Hoàng Xuân Cơ)
- Đánh giá tác động môi trƣờng của các dự án: nhà máy điện diezen Normura-Hải Phòng, ximăng Luxsvavi-Thừa Thiên Huế. (Phạm Ngọc Đăng)
- Nghiên cứu xây dựng hệ thống giám sát mơi trƣờng khơng khí cho các thành phố lớn của nƣớc ta (Phạm Ngọc Đăng)
- Nghiên cứu ứng dụng các mơ hình số trị trong dự báo chất lƣợng khơng khí cho một vùng lớn (Trần Thục, Dƣơng Hồng Sơn )
31 (Bùi Tá Long)
- Ứng dụng hàm Bessel để tính các chất gây ơ nhiễm khơng khí với sự phân tầng của khí quyển (Trần Anh Dũng, Chu Thị Hằng, Bùi Tá Long)
- Phƣơng pháp cải tiến mơ hình hộp để đánh giá q trình lan truyền chất ơ nhiễm SO2, NOx theo thời gian trên địa bàn thành phố Hà Nội (Phạm Ngọc Hồ, Dƣơng Ngọc Bách, Phạm Thị Việt Anh)
- Ứng dụng mơ hình hộp để đánh giá sự biến đổi nồng độ SO2, NO2, và bụi PM10 theo thời gian trên địa bàn Quận Thanh Xuân Hà Nội (Phạm Ngọc Hồ, Dƣơng Ngọc Bách, Phạm Thị Việt Anh)
- Nghiên cứu sử dụng mơ hình ISC3 trong đánh giá ơ nhiễm mơi trƣờng khơng khí ở Hà Nội do các nguồn thải cơng nghiệp (Phạm Thị Việt Anh, Hồng Xn Cơ, Phạm Thị Thu Hà, Cấn Anh Tuấn )
- Thử nghiệm mơ hình lớp biên khí quyển và mơ hình quang hóa trong dự báo ơ nhiễm do giao thơng vận tải trên khu vực Tp.HCM (Lƣơng Văn Việt)
Trong nghiên cứu “Thử nghiệm mơ hình lớp biên khí quyển và mơ hình quang hóa trong dự báo ô nhiễm do giao thông vận tải trên khu vực Tp.HCM” đã sử dụng kết hợp các mơ hình khí tƣợng (MM5, FVM) với mơ hình quang hóa về lan truyền ơ nhiễm (TAPOM) nhằm mô phỏng lan truyền ô nhiễm. Việc xác định tổng lƣợng phát thải năm do giao thơng đƣờng bộ đƣợc thực hiện bằng chƣơng trình COPERT III, trên cơ sở đó phát thải cho từng ơ lƣới trong một đơn vị thời gian đƣợc xác định dựa trên cơ sở số liệu điều tra giao thông. Kết quả nghiên cứu cho thấy độ chính của kết quả mơ phỏng là chƣa cao với lý do về độ phân giải ngang của mơ hình cịn thấp.
Ngồi những thống kê nêu trên cịn khá nhiều các nghiên cứu khác có liên quan đến vấn đề về ơ nhiễm khơng khí. Tại Tp.HCM, trong dự án "Hệ thống giám sát và quản lý chất lƣợng khơng khí cho Tp.HCM" giữa Sở Mơi trƣờng và Tài nguyên Tp.HCM với Viện Nghiên cứu Khơng khí Na Uy - LINU (Norwegian Institute for Air Research), năm 2003-2005, mơ hình AirQUIS (Air Quality Information System) đã đƣợc đƣa vào sử dụng. AirQUIS đƣợc xây dựng bởi NILU, là chƣơng trình tổng thể quản lý số liệu quan trắc, thống kê, mơ hình số trị tính tốn và dự báo chất lƣợng khơng khí. Tuy nhiên đa số các kết quả nghiên cứu cho Tp.HCM chủ yếu theo hƣớng mơ hình thống kê thực nghiệm và thống kê thủy động dựa trên lý thuyết nửa thứ nguyên.
Theo hƣớng về xác định tải lƣợng và mơ phỏng mùi thì khơng có nhiều kết quả trong lĩnh vực này. Các kết quả nghiên cứu theo hƣớng này cũng mới chỉ dừng lại bởi việc mô phỏng nồng độ các chất gây mùi mà chƣa xác định cƣờng độ mùi.
Trong bài báo “Nghiên cứu xây dựng hệ số phát thải các khí ơ nhiễm từ BCL CTR sinh hoạt, 2015”, Mai Thị Thu Thảo và các cộng sự đã xây dựng các công thức thực nghiệm nhằm xác định hệ số phát thải cho các khí CH4, H2S, NH3, Methyl Mercaptan cho các BCL Đa Phƣớc, Phƣớc Hiệp, Gị Cát và Đơng Thạnh của Tp.HCM dựa trên các số liệu đo đạc. Từ kết quả này và việc áp dụng mơ hình Hanna, kết quả nghiên cứu đã áp xác định đƣợc khoảng cách cách ly hợp vệ sinh cho các BCL.
Trong bài báo “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình Meti-lis dự báo mức ơ nhiễm khí H2S từ sông Tô Lịch, 2012”, Nguyễn Hữu Huấn và các cộng sự đã phân tích các yếu tố chính ảnh hƣởng đến sự hình thành sunfua trong nƣớc thải trên sơng Tô Lịch, xác định tải lƣợng của sulfua dựa trên kết quả đo đạc và ứng dụng mơ hình Meti-lis để mô phỏng lan truyền H2S từ
32
nƣớc sông Tơ Lịch vào mơi trƣờng khơng khí. Trong báo cáo này đã trình bày sự cải tiến thiết bị lấy mẫu quan trắc phát thải khí H2S từ mặt nƣớc phù hợp với điều kiện Việt Nam, qua đó hồn thiện khả năng áp dụng phƣơng pháp lấy mẫu quan trắc phát thải khí H2S từ mặt nƣớc, đồng thời mở ra cơ hội áp dụng cho việc quan trắc phát thải của các chất khí khác từ mơi trƣờng đất và đất ngập nƣớc. Việc đánh giá kết quả mơ phỏng cho thấy mơ hình METI-LIS có khả năng mơ phỏng ơ nhiễm đối với nguồn phát thải dạng đƣờng có đặc trƣng là nguồn lạnh, với độ cao phát thải thấp.
33
Chƣơng 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục đích nghiên cứu, các nội dung chính đƣợc thực hiện trong đề tài bao gồm: 1) Thu thập và xử lý các nguồn tài liệu về khí tƣợng, địa hình, sử dụng đất phục vụ phân
tích và mơ phỏng lan truyền mùi.
Việc phân tích đặc điểm khí hậu khu vực nghiên cứu phục vụ cho cơng tác phân tích lan truyền ơ nhiễm đƣợc dựa trên số liệu khí tƣợng các trạm quan trắc mặt đất và trên cao khu vực Tp.HCM và các tỉnh lân cận theo các ốp quan trắc. Số liệu phục phân tích là từ năm 1986-2016.
Việc mô phỏng mùi đƣợc thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1/1/2016 đến tháng 31/3/2017. Số liệu quan trắc khí tƣợng phục vụ mơ phỏng đƣợc lấy của trạm Tân Sơn Hòa với bƣớc thời gian của số liệu là 30 phút (48 lần một ngày). Các số liệu quan trắc đƣợc lấy bao gồm: Tốc độ gió và hƣớng gió, nhiệt độ, lƣợng mây, bức xạ và các hiện tƣợng thời tiết.
Số liệu sử dụng đất đƣợc phân tích từ ảnh viễn thám bằng phƣơng pháp phân loại có giám định. Ảnh viễn thám đƣợc lấy là Landsat 8, ngày 28/2/2016. Đây là ngày khơng mây và có chất lƣợng ảnh tốt.
2) Điều tra, khảo sát về mức độ ô nhiễm mùi và nồng độ các chất ô nhiễm phát sinh từ BCL ảnh hƣởng đến khu vực xung quanh.
Lập phiếu điều tra về “Sự ảnh hƣởng của mùi hôi đến khu vực xung quanh BCL Đa Phƣớc”. Số lƣợng phiếu khảo sát là 100 phiếu, trong bán kính từ 0,7 tới 1,5 km xung quanh BCL rác Đa Phƣớc, bao gồm xã Đa Phƣớc của huyện Bình Chánh và 1 xã Nhơn Đức của huyện Nhà Bè.
Ngồi các thơng tin về ngƣời đƣợc khảo sát (độ tuổi, nghề nghiệp, thời gian sinh sống tại nơi ở hiện tại), vị trí khảo sát thì nội dung chính của việc khảo sát nhằm xác định các khoảng thời gian gây mùi hôi và cƣờng độ mùi. Nội dung này nằm trong mục số 9 của phiếu khảo sát và đƣợc trình bày trong phần phụ lục. Các khoảng thời gian trong phiếu khảo sát đƣợc xây dựng dạng ma trận với các cột thể hiện các tháng trong năm và các hàng thể hiện các khoảng thời gian trong ngày. Các khoảng thời gian trong ngày gồm 6 khoảng, mỗi khoảng 4h và bắt đầu từ lúc 0h.
- Khảo sát nồng độ các khí gây mùi chính khu vực xung quanh BCL
Số lƣợng điểm khảo sát gồm 38 điểm, mỗi điểm lấy một mẫu, vị trí của các điểm khảo sát nằm xung quanh khu vực BCL và đƣợc trình bày trong phần phụ lục. Các thành phần khí gây mùi đƣợc phân tích bao gồm NH3, H2S, Mercaptan. Ngoài ra, cƣờng độ mùi trong thời gian lấy mẫu cũng đƣợc ghi nhận. Thời gian khảo sát gồm 2 đợt, mỗi đợt 10 mẫu. Đợt một đƣợc thực hiện vào ngày 5/9/2016, là thời kỳ gió mùa mùa hè, thời điểm lấy mẫu đƣợc chọn sau cơn mƣa, đây là khoảng thời gian có nồng độ ơ nhiễm khá cao. Đợt 2 đƣợc thực hiện vào ngày 25/10/2016, đây là thời gian chuyển tiếp giữa gió mùa hè và gió mùa mùa đông. Đặc điểm của trƣờng gió trong thời gian này là có hƣớng khơng ổn định, gió yếu. Thời gian lấy mẫu đƣợc thực hiện vào sáng sớm, từ 6h đến 8h. Đây là khoảng thời gian có độ cao lớp biên thấp, khả năng khuếch tán chất ô nhiễm yếu và nồng độ ô nhiễm trong lớp sát mặt thƣờng khá cao. Thời gian lấy mẫu đợt 3 là từ 7h đến 18h ngày 19/3/2017, số lƣợng mẫu đƣợc lấy là 18 mẫu. Trong thời gian của đợt 3, hƣớng gió là khá ổn định, trời ít mây. Nội dung này đƣợc thực hiện phối hợp với cơng ty TNHH Phân tích thí nghiệm Mơi trƣờng Nam Bộ.
Mục đích của việc khảo sát nhằm đánh giá kết quả mô phỏng nồng độ các chất gây mùi gồm NH3, H2S, Mercaptan, xây dựng công thức thực nghiệm về cƣờng độ mùi tổng hợp theo
34
cƣờng độ mùi của các khí gây mùi nêu trên.
3) Xác định cấp mùi dựa trên các thành phần ơ nhiễm có liên quan.
Cấp mùi đƣợc xác định dựa trên nồng độ các chất gây mùi và cƣờng độ mùi từ số liệu khảo sát qua phƣơng trình xây dựng bằng phƣơng pháp thống kê. Từ phƣơng trình thực nghiệm này, cấp mùi tại các điểm lƣới của mơ hình đƣợc xác định, từ đó xây dựng đƣợc các bản đồ về mức độ ô nhiễm mùi theo các cấp.
4) Xác định tải lƣợng các chất ô nhiễm mùi
Tải lƣợng của các chất gây mùi đƣợc xác định cho các khí gây mùi chính bao gồm NH3, H2S, Mercaptan. Việc xác định tải lƣợng các chất ô nhiễm mùi dựa trên thành phần và khối lƣợng rác thải chôn lấp theo thời gian, ngồi ra cịn sử dụng các kết quả quan trắc của phát thải các khí này trong thời gian gần đây.
5) Xây dựng phần mềm mô phỏng lan truyền mùi
Phần mềm mô phỏng mùi đƣợc xây dựng dựa trên phƣơng trình cơ bản về lan truyền ơ nhiễm trong mơi trƣờng khơng khí. Mơ hình gồm 2 modul chính là phân chia phát thải và mơ phỏng lan truyền ơ nhiễm. Sản phẩm chính của mơ hình bao gồm phân bố nồng độ các chất ô