ỨNG DỤNG mô HÌNH SMOKE TÍNH TOÁN KIỂM kê PHÁT THẢI PHỤC vụ dự báo ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÙNG KINH tế TRỌNG điểm bắc bộ

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 341

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SMOKE TÍNH TOÁN KIỂM KÊ PHÁT THẢI
PHỤC VỤ DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÙNG
KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM BẮC BỘ
Dương Hồng Sơn, Đàm Duy Hùng, Lê Văn Quy, Lê Văn Linh
Trung tâm Nghiên cứu Môi trường
Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Môi trường

Vùng kinh tế trọng điểm Bắc bộ có ý nghĩa chiến lược trong công cuộc phát triển đất
nước, nơi đây tập trung phần lớn các công trình trọng điểm, các cảng sông, biển, các sân bay
và các khu công nghiệp lớn, tầm cỡ phân bố đều tại các tỉnh; do đó các hoạt động kinh tế
luôn diễn ra ồn ào và sôi động. Sự phát triển kinh tế một cách nhanh chóng trong các khu
công nghiệp lớn và nhỏ cũng như tốc độ đô thị hóa nhanh đang ảnh hưởng xấu tới chất lượng
không khí trong vùng. Do vậy, việc dự báo chất lượng không khí sẽ rất cần thiết trong đời
sống cũng như trong công tác nghiên cứu khoa học. Trong đó việc kiểm kê phát thải là một
giai đoạn quan trọng nhằm đảm bảo tính chính xác trong dự báo chất lượng môi trường
không khí.
Để giải quyết bài toán trên, nhóm nghiên cứu chúng tôi đã ứng dụng mô hình SMOKE
để kiểm kê phát thải các nguồn gây ô nhiễm tại các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm Bắc
Bộ. Kết quả kiểm kê phát thải cho thấy nguồn gây ô nhiễm phát thải giao thông (nguồn
đường) là tác nhân chính gây ra ô nhiễm không khí tại các khu đô thị với tỷ lệ đóng góp phát
thải giao thông của các chất trong tổng lượng phát thải các nguồn là CO (29%), NO
X

(26,3%), SO
2
(7%), và TSP (9,1%). Tương tự với nguồn phát thải từ các khu dân cư (nguồn

diện) tỷ lệ phát thải là CO (18,7 %), NO
X
(2,6%), SO
2
(62%), bụi (1,3%), và với nguồn điểm
(các khu công nghiệp) là CO (52,3%), NO
X
(71,1%), SO
2
(31%) và bụi (89,6%).

1. Giới thiệu mô hình Smoke
SMOKE là một công cụ hữu ích về xử lý phát thải cho một loạt các ứng dụng
mô hình chất lượng không khí khu vực do EMC (Environment Modeling Center) công
bố năm 1996, và tiếp tục được phát triển tại trường đại học Bắc Carolina. Phiên bản
mới nhất hiện nay là SMOKE 3.1.
SMOKE có thể tính toán các khí ô nhiễm chuẩn như: carbon monoxide (CO),
nitrogen oxides (NO
X
), và hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC) tổng khí hữu cơ (TOG),
ammonia (NH3), sulfur dioxide (SO
2
); bụi (PM) có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 10
µm (PM10), và nhỏ hơn hoặc bằng 2.5 µm (PM2.5). SMOKE cũng có thể tính toán rất
nhiều độc tố như thuỷ ngân, cađimi, benzen, formaldehyde…
Kiểm kê phát thải trong SMOKE được chia thành 4 loại chính: nguồn diện,
nguồn điểm, nguồn giao thông và nguồn sinh học. Việc phân chia này dựa trên các
phương pháp khác nhau trong việc xây dựng kiểm kê và các đặc trưng, thuộc tính khác
nhau của các nguồn. Trong bài báo này chúng tôi thực hiện kiểm kê chủ yếu nguồn
diện, nguồn điểm và nguồn giao thông.

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

342 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường



Nguồn sinh học
Số liệu
sử dụng đất

Nguồn cơ giới

Nguồn diện

Nguồn điểm
Số liệu
khí tượng
Số liệu Kiểm
kê phát thải
Sát nhập
các nguồn
Thông báo phát thải
Phát thải cho mô hình

Hình 1. Mối quan hệ dữ liệu của SMOKE
SMOKE sử dụng hệ thống mã để xác định không gian (quốc gia, tỉnh, huyện)
và hệ thông mã để phân chia các nguồn.
Quốc gia Tỉnh Huyện

Hình 2. Hệ thống mã không gian trong
SMOKE

Hình 3. Hệ thông mã phân chia các loại
nguồn điểm, nguồn diện và nguồn di
động
2. Nguồn đường
Phân loại đường
SMOKE phân loại đường bởi mã AIRS (AIRS-Aerometric Information
Retrieval). Mã AIR giống 3 số cuối trong 10 số của mã phân loại nguồn thải (SCC).
Để phù hợp với không gian mô hình áp dụng cho Việt Nam mã đại diện được ấn định
gồm 4 loại; 15 - Đường đô thị chính, 16 - Đường nông thôn phụ, 17 - Đường nông
thôn chính, 18 - Đường đô thị phụ.
Bảng 1. Mã phân loại các loại đường
Mã đại
diện
Tên
Mã phân
loại đường
Tên
15
Đường đô thị chính
250
Đường đô thị chính yếu

16
Đường nông thôn
phụ
170
Đường nhánh nông thôn chính yếu

190
Đường nhánh nông thôn thứ yếu

17
Đường nông thôn
chính
110
Đường giữa nối các vùng nông
thôn
130
Đường nông thôn chính yếu

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 343

Mã đại
diện
Tên
Mã phân
loại đường
Tên
150
Đường nông thôn thứ yếu
18
Đường đô thị phụ
310
Đường đô thị thứ yếu
Phân loại phương tiện
Từ 8 loại phương tiện trong SMOKE. Mô hình hệ số phát thải giao thông

MOBILE 6 sẽ phân chia chi tiết thành 28 loại và đưa ra các hệ số phát thải cho toàn bộ
28 loại phương tiện đó. Để thực hiện những hệ số phát thải này, các nhân tố phát thải
cho mỗi loại phương tiện trong MOBILE 6 được lấy trung bình trọng số theo phần
trăm của VMT (Vehicle miles traveled) ấn định tới loại phương tiện đó, rồi tổng kết
các loại phương tiện lại để tạo các hệ số phát thải cho 8 loại phương tiện. (Bảng 2)
Bảng 2. Mã của các loại xe trong SMOKE
Mã
Mô tả
Hệ số của các loại
phương tiện MOBILE6
0100
LDGV: Xe vận chuyển chạy xăng – công suất
nhỏ (CSN)
1.000000
0102
LDGT1: Xe tải chạy xăng CSN 1(0 - 6.000lbs,
GVWR, 0-3.750 lbs. LVW)
0.230998
0104
LDGT2: Xe tải chạy xăng CSN 2 (0-6.000lbs,
GVWR, 3.751-5.750 lbs. LVW)
0.769002
0107
HDGV: Xe chạy xăng – công suất lớn (CSL)

3000
LDDV: Xe chạy dầu CSL
1.000000
3006
LDDT: Xe tải chạy dầu CSN

3007
HDDV: Xe tải chạy dầu

0108
MC: Xe máy

GVWR: Trọng lượng của các loại xe được tính theo đơn vị lbs, 1 lbs = 454g
3. Nguồn điểm
Là những nguồn phát thải (những cơ sở sản xuất có ống khói, sử dụng nhiên
liệu như dầu, than, gas để phục vụ cho hoạt động đốt cháy). Ở phạm vi rộng, nguồn
điểm còn là những cơ sở sản xuất có các công đoạn sản xuất phát thải khí ô nhiễm lớn.
Các nguồn thải này được xác định bởi vị trí của điểm thải chủ yếu, bởi vì vị trí của
chúng được xác định trong các thông báo định kỳ. Nguồn điểm thường được chia nhỏ
hơn thành các nguồn do nhà máy phát điện (EGU) và không do nhà máy phát điện
(non-EGU), đặc biệt là trong các kiểm kê chuẩn ở đó nhà máy phát điện là nguồn
chính của NOx và SO
2
. Ví dụ về nguồn không phải do nhà máy phát điện bao gồm các
nhà máy hoá chất và gia công nội thất. Nguồn thải điểm bao gồm cả các kiểm kê
chuẩn lẫn độc tố.

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

344 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

Xử lý phát thải nguồn điểm trong SMOKE tập trung vào việc chuyển đổi các
phát thải theo năm, tháng, ngày hoặc giờ thành phát thải sẵn sàng cho mô hình theo
giờ và ô lưới của các chất hoá học sử dụng bởi mô hình chất lượng không khí.
4. Nguồn diện

Nguồn diện là nguồn không di chuyển được, được dự tính cho một vùng rộng
(thường là quận/huyện hay khoảng không gian) mà số liệu không thể thu thập được tại
mỗi điểm: nguồn xây dựng (dân dụng và dân cư), nguồn đun nấu từ các hộ gia đình.
Thông tin đun nấu của các hộ
dân: Số hộ dân trong một đơn vị hành
chính, tỷ lệ số hộ gia đình sử dụng
nhiên liệu (củi, gas và than) để đun
nấu, loại than (hệ số các chất ô nhiễm
trong than), thói quen, thời gian sử
dụng nhiên liệu để đun nấu của người
dân ở hai khu vực nông thôn và thành
thị.
Trong chương trình xử lý
nguồn diện, SMOKE đọc các dữ liệu
thô (dữ liệu đầu vào dạng tấn/năm) xử
lý và biến đổi chúng về dạng phát thải
hàng giờ phù hợp với định dạng dữ
liệu của mô hình lan truyền ô nhiễm.

Nhập
kiểm kê
Phân loại
Sát nhập
Chương trình
Hướng trao đổi số liệu
Chia lưới
Cấp phát
thời gian

Hình 4. Các bước xử lý nguồn diện

5. Kết quả tính toán
Trong Smoke, các hoạt động xử lý không gian, hoặc lưới hóa xác định lưới tính
cho miền mô hình hóa chất lượng không khí với các vị trí nguồn file kiểm kê trong
Smoke. Để phù hợp với không gian của Smoke, mã quốc gia được gán cho khu vực
Đông Nam Á là 0, cài đặt mã bang được gán cho Việt Nam là 84, mã hạt được gán cho
các tỉnh thành ở khu Kinh tế Trọng điểm Bắc Bộ từ 001, 002, 003, và ấn định GMT
cho thời gian địa phương.
Miền lưới tính toán cho khu kinh
tế trọng điểm Bắc Bộ với bước lưới là
2km x 2km, tọa độ ô lưới trung tâm là
21
0
N và 106
0
E, bao gồm 156 ô lưới
theo trục x và 156 ô lưới theo trục y.
Kết quả ma trận lưới tính là một
ma trận thưa, miêu tả sự phát thải cho
mỗi nguồn trong các ô lưới được đưa ra
trong miền tính. Ma trận lưới tính được
ứng dụng cho kiểm kê phát thải để
chuyển đổi kiểm kê phát thải cơ bản
của nguồn tới phát thải lưới tính.

Hình 5. Sơ đồ miền tính

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 345

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng số liệu điều tra khảo sát năm 2007 và
được bổ sung số liệu vào năm 2010 với kết quả kiểm kê phát thải cho một số tỉnh,
thành phố như sau:
Bảng 3. Tổng lượng phát thải một số tỉnh, thành phố khu kinh tế trọng điểm Bắc bộ
Tỉnh
Nguồn
CO
NO
X
SO
2
TSP
[tấn/năm]
[tấn/năm]
[tấn/năm]
[tấn/năm]
Hà Nội
Điểm
40632
16881
6415
73378
Diện
16008
610
15416
1057
Đường
29349
7507

1887
9444
Hải Phòng
Điểm
17420
5583
3358
23908
Diện
5380
205
5182
356
Đường
8337
1818
387
1800
Hải Dương
Điểm
18422
6303
3178
28692
Diện
5963
227
5742
394
Đường

4703
1235
278
1493

Có thể thấy rằng số liệu kiểm kê đưa ra bảng trên là thấp so với thực tế, do việc
kiểm kê số liệu phát thải gặp rất nhiều khó khăn như thiếu cơ sở dữ liệu phát thải các
nguồn, cần một số lượng lớn nhân lực tham gia trong điều tra khảo sát các khu dân cư,
trên tất cả các tuyến đường, tất cả các nhà máy, các khu công nghiệp, Tuy nhiên qua
điều tra khảo sát và ứng dụng mô hình Smoke các kết quả đạt được rất khả quan. Qua
kết quả chúng ta thấy được phần trăm đóng góp từ các nguồn như sau: Tỷ lệ đóng góp
phát thải giao thông của các chất trong tổng lượng phát thải các nguồn là CO (29%),
NO
X
(26,3%), SO
2
(7%), và TSP (9,1%). Tương tự với nguồn phát thải từ các khu dân
cư (nguồn diện) tỷ lệ phát thải là CO (18,7 %), NO
X
(2,6%), SO
2
(62%), bụi (1,3%),
và với nguồn điểm (các khu công nghiệp) là CO (52,3%), NO
X
(71,1%), SO
2
(31%) và
bụi (89,6%).
Trong mô hình Smoke, các nguồn phát thải được kiểm kê độc lập và sau đó các
nguồn được sáp nhập thành một file thống nhất nhằm cung cấp đầu vào cho mô hình

chất lượng không khí. Mỗi chất phát thải là kết quả của sự tổng hợp nhiều nguồn phát
thải khác nhau. Kết quả của mô hình SMOKE là các file đầu ra dưới dạng netcdf và
được thể hiện thông qua phần mền VERDI-4.1.

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

346 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường


(a)

(b)

(c)

(d)
Hình 6. Phân bố phát thải 19 giờ 01/07/2010; (a) CO, (b): SO
2
, (c): NO
X
, (d): PM10
Phân bố phát thải chủ yếu tập trung tại các thành phố lớn như Hà Nội và Hải
Phòng nơi có mật độ giao thông lớn. (Hình 6) cho thấy phát thải chủ yếu tập trung trên
dọc tuyến Hà Nội – Hưng Yên – Hải Dương – Hải Phòng, phát thải lớn tại các điểm có
các khu công nghiệp (các chấm màu đỏ là những nới có phát thải lớn, tương ứng với
nó là các khu công nghiệp)

Hình 7. Biến trình phát thải trung bình ngày 01-07-2010

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 347

Biến trình phát thải trung bình tính toán cho ngày 01/07/2010 được thể hiện
trong (Hình 7) cho kết quả hợp lý so với các hoạt động kinh tế, dân sinh. Phát thải đạt
giá trị lớn vào khoảng từ 16 giờ đến 20 giờ do thời điểm này số lượng hoạt động của
các phương tiện giao thông là lớn nhất, đặc biệt là Thủ đô Hà Nội, và cũng là thời
điểm các hoạt động dân sinh như đun nấu diễn ra với mật độ lớn. Phát thải đạt giá trị
thấp vào thời điểm đêm và rạng sáng.
6. Kết luận và kiến nghị
Mô hình cho kết quả phát thải theo từng ô lưới phụ thuộc vào kích thước ô lưới
lựa chọn tính toán. Kết quả cho thấy, lượng phát thải tại khu kinh tế trọng điểm Bắc
Bộ tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn với mật độ giao thông lớn. Với các tỉnh có
mật độ giao thông nhỏ thì lượng phát tải tập trung tại các khu công nghiệp, nhà máy và
các khu dân cư. Kết quả phát thải theo ô lưới từ mô hình làm đầu vào thuận lợi cho các
mô hình chất lượng không khí hiện nay.
Để tăng kết quả chính xác cho mô hình, chúng tôi có một số kiến nghị sau:
- Xây dựng đầy đủ bộ số liệu phát thải ở các nhà máy, khu công nghiệp, thống
kê đầy đủ về số liệu phương tiện giao thông tại khu kinh tế trọng điểm Bắc Bộ.
- Xây dựng kiểm kê đầy đủ thông tin sử dụng nhiên liệu ở các khu dân cư.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Dương Hồng Sơn (2008), Xây dựng bản tin dự báo chất lượng không khí cho các
vùng kinh tế trọng điểm Việt Nam, đề tài cấp Bộ TN&MT.
2. Rafael Borge, Julio Lumbreras, Encarnacion Rodrı´guez (2008). Development of a
high-resolution emission inventory for Spain using the SMOKE modelling system:
A case study for the years 2000 and 2010.
3. SMOKE v3.0 User’s Manual.
4. Zhining Tao (2005). Area, mobile, and point source contributions to ground level
ozone: a summer simulation across the continental USA

APPLICATION OF SMOKE MODEL IN EMISSION INVENTORY FOR
AIR QUALITY FORECAST FOR THE NORTHERN VIETNAM
FOCAL ECONOMIC ZONE
Duong Hong Son, Dam Duy Hung, Le Van Quy, Le Van Linh
Center for Environmental Research
Vietnam Institute of Meteorology Hidrology and Environment

The Northern Vietnam Focal Economic Zone is an important region in the
development of the country, where concentrates the most important works. The river and sea
ports, airports, large industrial parks are distributed homogeneous in the Zone’s provinces so
that economic activities is always noisy and bustling. Rapid economic development in the
large and small industrial parks as well as urbanization speed are affecting seriously on air
quality in the region. Therefore, predicting air quality is necessary for the daily life as well as
for scientific research. In which, the emission inventory is an important stage aimed to ensure
accurately in forecasting air quality.

Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI

348 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường

To solve this problem, our research group has applied SMOKE model to inventory the
emission of sources of air pollution in the provinces belong to The Northern Vietnam Focal
Economic Zone. Results of emission inventory showed that traffic pollution emission sources
(line source) is the main one causing air pollution in the urban areas. The substances
contribution from traffic emission against to total emission is CO (29%), NO
X
(26.3%), SO
2

(7%), and TSP (9.1%). Similar to the emissions in the residential areas (area source), the rate
of emission is CO (18.7%), NO
X
(2.6%), SO
2
(62%), TSP (1.3%), and point source (industrial
parks) is CO (52.3%), NO
X
(71.1%), SO
2
(31%) and TSP (89.6%).