Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy theo thời gian ngày của CO và PM10 tại một số trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định ở việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Trần Thị Thu Hường

NGHIÊN CỨU TÍNH BIẾN ĐỘNG VÀ NỘI NGOẠI SUY
THEO THỜI GIAN NGÀY CỦA CO VÀ PM10 TẠI MỘT SỐ
TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
TỰ ĐỘNG CỐ ĐỊNH Ở VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2017


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Trần Thị Thu Hường

NGHIÊN CỨU TÍNH BIẾN ĐỘNG VÀ NỘI NGOẠI SUY
THEO THỜI GIAN NGÀY CỦA CO VÀ PM10 TẠI MỘT SỐ
TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
TỰ ĐỘNG CỐ ĐỊNH Ở VIỆT NAM

Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số
: 62 44 03 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. PHẠM NGỌC HỒ

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả
nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng
để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được
cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2017

Tác giả luận án

Trần Thị Thu Hường


LỜI CÁM ƠN
Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án, tác giả đã nhận
được sự hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tận tình của thầy giáo GS.TS.NGƯT
Phạm Ngọc Hồ. Người đã trực tiếp chỉ dẫn những định hướng nghiên cứu, kiến
thức chuyên môn và hơn hết đã truyền cho tác giả lòng đam mê khoa học, tinh
thần tự giác trong học tập và nghiên cứu. Tác giả xin được bày tỏ lòng kính trọng
và biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ quý báu đó.

Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cố GS.TS. Lê Đình
Quang, người thầy nhân hậu, hiền từ đã hướng dẫn tác giả tận tình trong quá
trình thực hiện nghiên cứu khoa học.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Khoa Môi trường, Trung tâm
Nghiên cứu quan trắc và Môi hình hóa môi trường và các thầy cô giáo trong
Khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
đã truyền đạt cho tác giả những kiến thức khoa học bổ ích trong chương trình đào
tạo nghiên cứu sinh.
Tác giả xin cảm ơn Lãnh đạo Tổng cục Môi trường, Lãnh đạo Cục Kiểm
soát hoạt động bảo vệ môi trường, Lãnh đạo Trung tâm Mạng lưới khí tượng
thủy văn và môi trường, các cán bộ công chức, viên chức của Cục Kiểm soát hoạt
động bảo vệ môi trường đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tác giả tham gia khoá học
nghiên cứu sinh để hoàn thành tốt luận án này.
Tác giả xin cảm ơn sự trợ giúp, động viên to lớn về mặt tinh thần cũng
như vật chất của gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này!
Tác giả luận án
Trần Thị Thu Hường


MỤC LỤC
MỤC LỤC........................................................................................................

1

DANH MỤC BẢNG.......................................................................................

4

DANH MỤC HÌNH........................................................................................

4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.........................................................................

7

CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN..................................

8

MỞ ĐẦU..........................................................................................................

9

1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận án...............................................

9

2. Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................

10

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................

11

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án..............................................

11

5. Những đóng góp mới của luận án.............................................................

12

Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU...................................

14

1.1. Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy số liệu môi trường
không khí trên thế giới........................................................................
1.1.1. Nghiên cứu tính biến động của các thông số môi trường không khí …….…
1.1.2. Nghiên cứu nội ngoại suy số liệu của các thông số môi trường không
khí………………….…………………………………………..………
1.2. Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy số liệu của các thông số
môi trường không khí tại Việt Nam...................................................
1.2.1. Nghiên cứu tính biến động....................................................................
1.2.2. Nghiên cứu nội ngoại suy (dự báo)........................................................
1.3. Khái quát ô nhiễm môi trường không khí xung quanh các trạm
quan trắc tự động cố định Láng - thành phố Hà Nội, Đà Nẵng thành phố Đà Nẵng và Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh...............
1.3.1. Vị trí địa lý và đặc điểm của các trạm....................................................
1.3.1.1. Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Láng - thành
phố Hà Nội (sau đây viết tắt là Trạm Láng).…………………………
1.3.1.2. Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Đà Nẵng thành phố Đà Nẵng (sau đây viết tắt là Trạm Đà Nẵng)………………
1.3.1.3. Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Nhà Bè thành phố Hồ Chí Minh (sau đây viết tắt là Trạm Nhà Bè)…….……..
1.3.2. Ô nhiễm môi trường không khí xung quanh khu vực trạm nghiên
cứu……………………………………………………………..………
1.3.2.1.….…..
Đối với khu vực Trạm Láng - thành phố Hà Nội.……….…………..

1

14
14
16
20
20
23
26
26
26
27
28
28
28


1.3.2.2. Đối với khu vực Trạm Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng………...……
1.3.2.3. Đối với khu vực Trạm Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh…….…….
1.4. Tiểu kết chương 1.....................................................................................

33
38
42

Chương II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................

44

2.1. Nội dung nghiên cứu...............................................................................

44

2.2. Tư liệu và xử lý số liệu.............................................................................

45

2.3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................
2.3.1. Phương pháp tính các đặc trưng số của đại lượng ngẫu nhiên...........
2.3.2. Phương pháp tính các giá trị của hàm cấu trúc theo thời gian của quá
trình ngẫu nhiên dừng từ số liệu quan trắc thực tế.................................
2.3.3. Phương pháp hồi quy áp dụng trong lý thuyết quá trình ngẫu
nhiên.......................................................................................................

50
54

2.3.4. Mô hình nội ngoại suy thiết lập trên cơ sở lý thuyết quá trình ngẫu
nhiên......................................................................................................
2.3.5. Đề xuất sử dụng quá trình nhiễu động dừng đối với khí CO và bụi
PM10........................................................................................................
2.4. Tiểu kết chương II...................................................................................
Chương III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.......................
3.1. Các đặc trưng số của khí CO và bụi PM10.............................................
3.1.1. Đặc trưng số của khí CO tại các khu vực nghiên cứu............................
3.1.1.1. Đặc trưng số của khí CO tại trạm Láng...............................................
3.1.1.2. Đặc trưng số của khí CO tại trạm Đà Nẵng.........................................
3.1.1.3. Đặc trưng số của khí CO tại trạm Nhà Bè...........................................
3.1.2. Đặc trưng số của bụi PM10 tại các trạm nghiên cứu..............................
3.1.2.1. Đặc trưng số của bụi PM10 tại trạm Láng............................................

3.1.2.2. Đặc trưng số của bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng......................................
3.1.2.3. Đặc trưng số của bụi PM10 tại trạm Nhà Bè........................................
3.2. Hàm cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động dừng khí CO..
3.2.1. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Láng................
3.2.2. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Đà Nẵng.........
3.2.3. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Nhà Bè............
3.3. Hàm cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động dừng bụi PM10

56
57
57
58
59
61
61
61
61
65
67
70
70
73
75
77
78
80
81
83

3.3.1. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Láng................

3.3.2. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Đà Nẵng..........

83
84

3.3.3. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Nhà Bè............

86

2


3.4. Thiết lập mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu cho thông số môi
trường không khí sử dụng đại lượng ngẫu nhiên nhiễu động
dừng......................................................................................................
3.4.1. Thiết lập mô hình nội ngoại suy của đại lượng ngẫu nhiên nhiễu động
dừng.......................................................................................................
3.4.2. Quy trình tính toán nội ngoại suy số liệu áp dụng cho CO và PM10 tại
các trạm thuộc khu vực nghiên cứu.......................................................
3.4.2.1. Trường hợp thiếu hụt một vài giá trị x(tk) trong khoảng 06 số liệu
3.4.2.2. Trường hợp thiếu hụt liên tiếp 06 giá trị trong một khoảng
3.4.3. Ứng dụng mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt cho thông
số CO và PM10 tại 03 trạm nghiên cứu..................................................
3.4.3.1. Kết quả nội ngoại suy chuỗi số liệu của thông số CO.........................
3.4.3.2. Kết quả nội ngoại suy chuỗi số liệu của thông số PM10.....................

88
88
92
92

93
95
95
100

3.4.3.3. Ngoại suy số liệu thiếu hụt trên một khoảng [x(t1)-x(t6)].................... 103
3.4.3.4. Sử dụng các hệ số αk đã xác định được từ bộ dữ liệu cơ sở để nội
ngoại suy cho một trạm quan trắc bất kỳ có cùng vị trí nghiên cứu
vào các thời điểm của năm khác............................................................ 114
3.4.3.5. Sử dụng các hệ số αk đã xác định được từ bộ dữ liệu cơ sở để nội
ngoại suy số liệu cho trạm quan trắc thuộc khu vực lân cận.................

126

3.5. Đề xuất giải pháp quản lý, vận hành và bổ khuyết chuỗi số liệu cho
các trạm quan trắc tự động cố định môi trường không khí tại ba
khu vực nghiên cứu và trên phạm vi cả nước...................................

131

3.5.1. Các giải pháp quản lý............................................................................. 131
3.5.2. Các giải pháp kỹ thuật............................................................................ 131
3.5.3. Những tồn tại trong công tác quản lý, vận hành hệ thống mạng lưới
trạm quan trắc môi trường tự động cố định..........................................

132

3.6. Tiểu kết chương 3....................................................................................

133

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ................................................................
Kết luận.......................................................................................................
Khuyến nghị................................................................................................
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.......................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................

134
134
136

PHỤ LỤC SỐ 01: Bảng giá trị biến trình ngày đêm, phương sai, độ lệch
chuẩn và hệ số biến động của khí CO và bụi PM10 tại 03 trạm nghiên cứu.
PHỤ LỤC SỐ 02: Bảng giá trị hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động khí
CO và bụi PM10 tại 03 trạm nghiên cứu.
3

137
138


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1. Các thông số đầu vào của khí CO Trạm Láng ngày 15/4/2006................ 96
Bảng 3.2. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Láng 09/9/2005 ................................ 96
Bảng 3.3. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Đà Nẵng 10/02/2005 ....................... 97
Bảng 3.4. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Đà Nẵng 02/3/2005 ......................... 98
Bảng 3.5. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Nhà Bè 06/4/2006 ............................ 98
Bảng 3.6. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Nhà Bè 10/01/2006 .......................... 99
Bảng 3.7. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Láng 10/4/2008 ........................... 100

Bảng 3.8. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Láng 01/3/2008 ........................... 100
Bảng 3.9. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Đà Nẵng 12/4/2005 ..................... 101
Bảng 3.10. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Đà Nẵng 28/01/2007 ............... 102
Bảng 3.11. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Nhà Bè 11/01/2006 ................... 102
Bảng 3.12. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Nhà Bè 26/3/2006 ..................... 103
Bảng 3.13. Các thông số đầu vào của bụi PM10 Láng mùa đông ngày
06/12/2007............................................................................................................... 104
Bảng 3.14. Kết quả ngoại suy số liệu từ 7h đến 12h của thông số PM10 tại Trạm
Láng tháng 12 năm 2007 .................................................................................. 108
Bảng 3.15. Kết quả hiệu chỉnh giá trị ngoại suy bụi PM10 ..................................... 113
Bảng 3.16. Giá trị nồng độ CO nội ngoại suy và giá trị đo đạc theo số liệu tháng
5 năm 2007 mùa hạ tại trạm Láng .................................................................... 114
Bảng 3.17. Kết quả nội ngoại suy khí CO tại Đà Nẵng tháng 3 năm 2005 ............ 118
Bảng 3.18. Kết quả nội ngoại suy khí CO tại trạm Nhà Bè tháng 5 năm 2004 ...... 122
Bảng 3.19. Kết qủa nội ngoại suy khí CO trạm Nguyễn Văn Cừ tháng 5
năm 2015 ........................................................................................................ 126
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn số liệu bất thường của thông số CO ............................... 47
Hình 2.2. Sơ đồ phép trung bình hóa theo tập hợp các thể hiện X(t) ....................... 55
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm của khí CO theo mùa tại trạm
Láng
61
Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn phương sai của khí CO theo mùa tại trạm Láng ............ 62
Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn của khí CO theo mùa tại trạm Láng ........ 62
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động theo mùa của khí CO tại trạm Láng ..... 63
Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm của khí CO tại trạm Đà Nẵng ........ 65
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn phương sai của khí CO theo mùa tại trạm Đà Nẵng ...... 66
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn của khí CO theo mùa tại trạm Đà
Nẵng.................................................................................................................... 66
4

Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động của khí CO theo mùa tại trạm Đà
Nẵng.................................................................................................................... 67
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm của khí CO theo mùa tại trạm Nhà
Bè ........................................................................................................................ 68
Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động ICO theo mùa tại trạm Nhà Bè năm
2005 .................................................................................................................... 68
Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn của khí CO theo mùa tại trạm Nhà Bè .. 69
Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động ICO theo mùa tại trạm Nhà Bè ............ 69
Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm theo mùa của PM10 tại Trạm
Láng .................................................................................................................... 71
Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn phương sai của PM10 theo mùa tại Trạm Láng ............ 71
Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo mùa của PM10 tại trạm Láng ......... 72
Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động IPM10 theo mùa tại trạm Láng ............. 72
Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm theo mùa của PM10 tại Trạm
Đà Nẵng .............................................................................................................. 73
Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn phương sai của PM10 theo mùa tại Trạm Đà Nẵng ...... 74
Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo mùa của PM10 tại Trạm Đà
Nẵng.................................................................................................................... 74
Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động theo mùa của PM10 tại Trạm Đà
Nẵng.................................................................................................................... 74
Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm theo mùa của PM10 tại Trạm
Nhà Bè ................................................................................................................ 75
Hình 3.22: Đồ thị biểu diễn phương sai theo mùa của PM10 tại trạm Nhà Bè .......... 76
Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo mùa của PM10 tại Trạm Nhà Bè .... 76
Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn hệ số biến động IPM10 theo mùa tại trạm Nhà Bè ......... 77
Hình 3.25. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Láng năm 2004 (τ=9) ...................................................... 78
Hình 3.26. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu

động khí CO tại trạm Láng năm 2005 (τ=9) ...................................................... 79
Hình 3.27. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Láng năm 2006 (τ=9) ...................................................... 79
Hình 3.28. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Láng năm 2007 (τ=9) ...................................................... 79
Hình 3.29. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2004 (τ=9) ................................................ 80
Hình 3.30. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2005 (τ=9) ................................................ 80

5


Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2007 (τ=9) ................................................ 81
Hình 3.32. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2008 (τ=9) ................................................ 81
Hình 3.33. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Nhà Bè năm 2005 (τ=9)................................................... 82
Hình 3.34. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Nhà Bè năm 2006 (τ=9)................................................... 82
Hình 3.35. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động khí CO tại trạm Nhà Bè năm 2008 (τ=9)................................................... 82
Hình 3.36. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Láng năm 2007 (τ=9).................................................... 83
Hình 3.37. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Láng năm 2008 (τ=9) .................................................... 84
Hình 3.38. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng năm 2004 (τ=9) ............................................. 84
Hình 3.39. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu

động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng từ năm 2005 (τ=9) ......................................... 85
Hình 3.40. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng từ năm 2006 (τ=9) ......................................... 85
Hình 3.41. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng từ năm 2007(τ=9) .......................................... 85
Hình 3.42. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Nhà Bè năm 2004 (τ=9) ................................................ 86
Hình 3.43. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Nhà Bè năm 2005 (τ=9) ................................................ 86
Hình 3.44. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu
động bụi PM10 tại trạm Nhà Bè năm 2006 (τ=9) ................................................ 87
Hình 3.45. Sơ đồ phân chia các khoảng tính toán nội ngoại suy .............................. 92
Hình 3.46. Đồ thị hàm cấu trúc thực nghiệm theo thời gian của nhiễu động
(đường 1) và đường hàm cấu trúc hồi quy theo dạng ln(τ) (đường 2) ............... 95
Hình 3.47. Đồ thị biểu diễn giá trị ngoại suy chuỗi số liệu của bụi PM10 tháng
12 năm 2007 tại trạm Láng .............................................................................. 112
Hình 3.48-3.53. Đồ thị biểu diễn giá trị nội suy chuỗi số liệu của bụi PM10
tháng 5 năm 2007 tại trạm Láng ....................................................................... 117
Hình 3.54-3.59. Đồ thị biểu diễn giá trị nội suy chuỗi số liệu của khí CO tháng
3 năm 2005 tại trạm Đà Nẵng. .......................................................................... 120

6


Hình 3.60-3.65. Đồ thị biểu diễn giá trị nội, ngoại suy chuỗi số liệu của khí CO
tháng 5 năm 2004 tại trạm Nhà Bè ................................................................... 124
Hình 3.66-3.71. Đồ thị biểu diễn giá trị nội suy chuỗi số liệu của khí CO tháng
5 năm 2015 tại trạm Nguyễn Văn Cừ ............................................................... 128
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

STT

NỘI DUNG VIẾT TẮT

TỪ VIẾT TẮT

1

Bảo vệ môi trường

2

Bộ Tài nguyên và Môi trường

3

Chất lượng không khí

4

Khí cacbon mônôxít

CO

5

Khí nitơ điôxít

NO2

6

Khí oxyde nitơ, gồm các chất: NO, NO2, N2O

NOx

7

Khí Sunfua điôxít

SO2

8

Khu công nghiệp

KCN

9

Môi trường không khí

MTKK

10

Ô nhiễm không khí

ÔNKK

11

Thành phố

12
13
14
15
16

BVMT
Bộ TN&MT
CLKK

TP

Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố
định Láng - thành phố Hà Nội
Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố
định Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng
Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố
định Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh
Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố
định
Tổng các hạt bụi lơ lửng có đường kính khí động
học nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm

7

Trạm Láng

Trạm Đà Nẵng
Trạm Nhà Bè
Trạm quan trắc
MTKKTĐ
PM10


CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN
STT

TÊN THUẬT NGỮ

1

Đại lượng ngẫu nhiên

2

Quá trình ngẫu nhiên

3

Đặc trưng số

4

Đặc trưng hàm

5

Đặc trưng biến động

6

Nhiễu động dừng

GIẢI THÍCH
Đại lượng ngẫu nhiên là đại lượng khi
tiến hành một loạt các phép thử trong
cùng một điều kiện như nhau thì có thể
mỗi lần nhận được giá trị này hoặc giá trị
khác không biết trước với một xác xuất
nào đó (nồng độ đo được của khí CO và
bụi PM10 vào lúc 1h, 2h, ...vào các ngày
khác nhau tại một trạm quan trắc môi
trường không khí tự động cố định liên
tục là giá trị bất kỳ không biết trước).
Đại lượng ngẫu nhiên chỉ biến đổi theo
thời gian (Nồng độ của khí CO và bụi
PM10 biến đổi theo thời gian tại 01 trạm
quan trắc tự động liên tục cố định).
Được dùng trong Luận án để chỉ: Kỳ
vọng toán học (giá trị trung bình),
phương sai, độ lệch chuẩn và hệ số biến
động.
Được dùng trong Luận án để chỉ Hàm
cấu trúc và Hàm tương quan.
Sự biến đổi của nồng độ chất ô nhiễm
theo ngày, đêm của từng mùa trong năm
tại các trạm nghiên cứu và giá trị hàm

cấu trúc, khoảng bão hòa của hàm cấu
trúc thực nghiệm của nhiễu động dừng.
Được dùng trong Luận án để chỉ tập hợp
các giá trị là hiệu của giá trị nồng độ chất
ô nhiễm đo được tại lúc lh, 2h, ..., 24h
trừ đi giá trị trung bình tương ứng theo
từng mùa nghiên cứu.

8


MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận án
Trong những năm gần đây quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá diễn ra
với tốc độ tương đối nhanh, quá trình phát triển này một mặt góp phần cải thiện chất
lượng cuộc sống của nhân dân, song mặt khác đã và đang gây nên những tác động
xấu đến môi trường. Chúng ta hiện đang phải đối mặt với hàng loạt những thách
thức liên quan tới môi trường như ô nhiễm do sinh hoạt của dân cư, xây dựng đô
thị, giao thông… đặc biệt là do hoạt động sản xuất công nghiệp của thành phố. Vì
vậy đã có rất nhiều dự án trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu về lĩnh vực môi
trường không khí, đặc biệt ở các thành phố lớn có tốc độ phát triển nhanh và một số
khu vực khác. Song việc điều tra, khảo sát, đánh giá hiện trạng và dự báo xu thế
biến động chất lượng môi trường không khí ở nước ta, đặc biệt là tập trung vào các
đô thị, khu công nghiệp lớn còn chưa được đề cập tới một cách toàn diện, các mảng
số liệu còn rời rạc và chưa được đồng bộ hoá.
Việc đánh giá tính biến động theo thời gian và không gian của các thông số
môi trường không khí dựa trên chuỗi số liệu đo đạc thực nghiệm để phục vụ công
tác đánh giá hiện trạng và cảnh báo ô nhiễm cũng như phục vụ cho quy hoạch phát
triển kinh tế, xã hội là hết sức quan trọng. Hiện nay, ngoài những phương pháp thu
thập số liệu đo đạc bằng các thiết bị thông dụng truyền thống, Nhà nước đã đầu tư

lắp đặt một số trạm quan trắc môi trường tự động cố định với trang thiết bị hiện đại,
cung cấp bộ số liệu liên tục và đáng tin cậy. Tuy nhiên, kinh phí trợ giúp cho bảo trì
bảo dưỡng còn rất hạn chế, vì vậy số liệu quan trắc của các trạm này do nhiều lý do
khách quan và chủ quan không tránh khỏi sự thiếu hụt cần phải có những nghiên
cứu nhằm bổ khuyết số liệu thiếu hụt để có đủ dữ liệu phục vụ nghiên cứu đánh giá
hiện trạng và cảnh bảo ô nhiễm.
Mặt khác, hướng nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá định lượng dựa trên
công cụ toán - vật lý để tính toán sự lan truyền và dự báo chất ô nhiễm đang được
triển khai áp dụng mạnh mẽ trên thế giới và ở nước ta. Tuy nhiên, ở nước ta việc

9


kiểm chứng độ chính xác và việc tham số hoá đầu vào của các mô hình bằng số liệu
đo đạc thực tế dựa trên các trạm quan trắc tự động và quan trắc theo các thiết bị
thông dụng còn rất nhiều hạn chế bởi các lý do: số trạm quan trắc tự động tại các
tỉnh/thành phố được trang bị còn quá ít, khuyết số liệu tại nhiều thời điểm; số liệu
quan trắc định kỳ không đồng bộ và có độ quán tính lớn nên thiếu số liệu biến thiên
liên tục theo thời gian và không gian có đủ độ tin cậy để phục vụ cho hướng nghiên
cứu này.
Trước tầm quan trọng của số liệu quan trắc môi trường không khí, Thủ tướng
Chính phủ đã ban hành Quyết định số 16/2007/QĐ-TTg ngày 29 tháng 01 năm
2007 về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi
trường quốc gia đến năm 2020”, trong đó mạng lưới quan trắc môi trường, gồm
quan trắc môi trường nền và quan trắc môi trường tác động được xây dựng dựa trên
cơ sở duy trì, nâng cấp các trạm, điểm quan trắc môi trường hiện có và xây dựng bổ
sung các trạm, điểm quan trắc mới. Ngày 12 tháng 01 năm 2016, Thủ tướng Chính
phủ tiếp tục ban hành Quyết định số 90/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch
mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia giai đoạn 2016 - 2025, tầm
nhìn đến năm 2030”, trong đó Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc

gia là một hệ thống mở, liên tục được bổ sung, nâng cấp và hoàn thiện, được kết nối
và chia sẻ thông tin từ Trung ương đến địa phương với sự quản lý thống nhất của
Bộ Tài nguyên và Môi trường.
Việc nghiên cứu tính biến động để nắm được quy luật biến đổi của các thông
số ô nhiễm, trên cơ sở đó ứng dụng mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu
hụt nhằm phục vụ công tác đánh giá hiện trạng, cảnh báo ô nhiễm một cách khách
quan, đầy đủ có tính thời sự và cần thiết trong điều kiện hiện nay ở nước ta.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này được tiến hành với các mục tiêu sau:
- Phân tích các đặc trưng biến động (đặc trưng số bao gồm: giá trị trung bình,
phương sai, độ lệch chuẩn, hệ số biến động và đặc trưng hàm cấu trúc) của hai
thông số khí CO và bụi PM10 theo thời gian dựa trên chuỗi số liệu quan trắc tự động

10


liên tục, chỉ ra được đây là các quá trình dừng hay không dừng và sự khác biệt về
đặc trưng cấu trúc thống kê tại 3 khu vực địa lý (Láng - thành phố Hà Nội, Đà Nẵng
- thành phố Đà Nẵng và Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh).
- Ứng dụng mô hình nội ngoại suy nhằm bổ khuyết số liệu thiếu hụt từ số liệu
quan trắc môi trường không khí tự động cố định dựa trên quá trình ngẫu nhiên nhiễu
động dừng.
- Đề xuất quy trình bổ khuyết số liệu thiếu hụt áp dụng cho khí CO và bụi
PM10 tại 03 trạm nghiên cứu, đánh giá sai số tương đối và hiệu suất của mô hình.
- Đề xuất các giải pháp quản lý, kỹ thuật trong vận hành các trạm quan trắc
môi trường không khí tự động cố định phục vụ công tác giám sát và cảnh báo ô
nhiễm không khí ở nước ta.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: đặc trưng biến động của khí CO và bụi PM10 theo số
liệu quan trắc của trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định bao gồm

các đặc trưng số và các đặc trưng hàm. Các đặc trưng số biến động theo thời gian
bao gồm: giá trị trung bình, phương sai, độ lệch chuẩn, hệ số biến động và hàm cấu
trúc thời gian biến đổi theo thời gian Δt = τ.
- Phạm vi nghiên cứu: khí CO và bụi PM10 tại 03 Trạm quan trắc môi trường
không khí tự động cố định thuộc các khu vực địa lý khác nhau:
+ Khu vực phía Bắc: Trạm Láng - thành phố Hà Nội;
+ Khu vực miền Trung: Trạm Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng;
+ Khu vực phía Nam: Trạm Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh.
- Thời gian lựa chọn chuỗi số liệu nghiên cứu được lấy tại các trạm quan trắc
môi trường không khí tự động cố định từ thời điểm các trạm đi vào hoạt động ổn
định năm 2004 đến thời điểm tác giả nghiên cứu đề tài luận án tiến sĩ là năm 2010.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Nghiên cứu đặc trưng biến động (đặc trưng số và đặc trưng hàm) của khí CO
và bụi PM10 đã khẳng định đây là các quá trình không dừng, từ đó có nghiên cứu
sâu trong việc áp dụng lý thuyết quá trình ngẫu nhiên dừng phục vụ bài toán nội

11


ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt tại các trạm quan trắc môi trường không khí tự
động cố định.
Việc đề xuất sử dụng quá trình ngẫu nhiên với nhiễu động dừng trong đề tài
luận án góp phần bổ sung hướng nghiên cứu nội ngoại suy nói riêng và dự báo chất
lượng môi trường không khí nói chung ở Việt Nam.
Áp dụng mô hình nội ngoại suy thử nghiệm nội ngoại suy cho hai thông số
CO và PM10 tại ba khu vực nghiên cứu (Láng - thành phố Hà Nội, Đà Nẵng - thành
phố Đà Nẵng, Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh), kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu
suất mô hình đạt độ chính xác cao từ 75% đến 99,99%. Đây là cơ sở để khuyến nghị
ứng dụng phương pháp nội ngoại suy cho các thông số khác của các trạm quan trắc
môi trường không khí tự động cố định ở nước ta.

Ngoài ra, quy trình nội ngoại suy được thiết lập sẽ giúp các quan trắc viên
làm việc tại các trạm quan trắc môi trường tự động cố định tính toán bổ khuyết
chuỗi số liệu thiếu hụt, đảm bảo cung cấp chuỗi số liệu đầy đủ để xây dựng cơ sở dữ
liệu phục vụ cho công tác quản lý môi trường và các nghiên cứu khác có liên quan.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Phân tích tính biến động của hai thông số CO và PM10 thông qua các đặc
trưng số (biến trình ngày đêm, phương sai, độ lệch chuẩn và hệ số biến động) và đặc
trưng hàm (hàm cấu trúc) cho thấy các đặc trưng biến đổi trong ngày theo mùa và
vị trí địa lý tại các khu vực nghiên cứu. Điều này được giải thích: các yếu tố khí
tượng, khí hậu (tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, lượng mưa, thời gian mưa, độ ẩm,
áp suất) và trạng thái tầng kết nhiệt (bất ổn định, cân bằng phiếm định và ổn định)
trong lớp không khí gần mặt đất ảnh hưởng rất lớn đến môi trường không khí, nên
chúng phá vỡ quy luật biến động của các thông số khảo sát, do đó các đặc trưng số
và hàm không thể xem là những quá trình ngẫu nhiên dừng.
- Luận án đã áp dụng lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên và lần đầu tiên ở
Việt Nam đã đề xuất sử dụng quá trình ngẫu nhiên qui tâm (nhiễu động dừng) trong
nghiên cứu môi trường không khí để xây dựng hàm cấu trúc của nhiễu động dừng
biến đổi theo khoảng thời gian Δt = τ. Trên cơ sở đó xây dựng hàm cấu trúc thực

12


nghiệm của nhiễu động dừng cho 02 thông số CO và PM10 tại 3 trạm nghiên cứu
theo các mùa (tại Trạm Láng là mùa xuân, mùa hạ, mùa thu và mùa đông; tại Trạm
Đà Nẵng và Nhà Bè là mùa khô và mùa mưa).
- Sử dụng phương pháp hồi quy để xấp xỉ đường cong hàm cấu trúc thực
nghiệm của nhiễu động dừng dưới dạng hàm lnτ, trên cơ sở đó đánh giá khoảng dừng
thích hợp, làm cơ sở cho việc giải hệ phương trình tìm ra các nhân tử nội ngoại suy.
Từ đó áp dụng mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt cho hai thông số
CO và PM10 đạt hiệu suất cao từ 75 - 99,99%.

13


Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy số liệu môi trường không khí
trên thế giới
1.1.1. Nghiên cứu tính biến động của các thông số môi trường không khí
Việc nghiên cứu đặc trưng biến động của các thông số môi trường không khí
đã được nhiều quốc gia quan tâm nhằm phục vụ công tác đánh giá hiện trạng ô
nhiễm, đánh giá xu hướng biến đổi của các chất ô nhiễm phục vụ quá trình hoạch
định các chiến lược phát triển kinh tế - xã hội bền vững.
Theo nghiên cứu về đặc trưng biến động của PM10 và mối quan hệ của nó với
các yếu tố khí tượng từ năm 2001-2012 ở Bắc Kinh cho thấy: PM10 chịu ảnh hưởng
rõ nét của biến trình theo mùa, theo tháng, chất lượng không khí xấu hơn trong mùa
xuân, và trở nên tốt hơn trong mùa hè, sau đó có xu hướng tăng dần trong mùa thu
và mùa đông. Nói chung áp suất khí quyển là đặc điểm khí tượng quan trọng ảnh
hưởng đến PM10, tiếp theo là độ ẩm tương đối và tốc độ gió, các yếu tố khí tượng
chi phối ảnh hưởng dẫn đến mức độ ô nhiễm khác nhau trong bốn mùa [72].
Một nghiên cứu về đặc trưng biến động theo không gian và thời gian của
PM10 tại Malaysia cho thấy PM10 biến động theo cả không gian và thời gian. Sự
thay đổi của nồng độ PM10 có thể được phân thành bốn chế độ chi phối theo đặc
trưng biến đổi không gian và thời gian khác nhau. Đầu tiên là khu vực ven biển phía
Tây Nam của bán đảo Malaysia cho thấy nồng độ PM10 đạt cực đại trong mùa mưa
(mùa hè) tức là khi gió chủ yếu là gió tây nam, và nồng độ tối thiểu trong thời gian
gió mùa mùa đông. Thứ hai là khu vực phía tây Borneo với PM10 tăng đột biến tập
trung vào tháng Chín, có thể là kết quả của sự chuyển dịch về phía Bắc của đới hội
tụ (ITCz) và sự xuất hiện sớm của mùa mưa. Thứ ba là khu vực phía Bắc của bán
đảo Malaysia với sự biến đổi mạnh nồng độ PM10 theo mùa, thành phần này thể
hiện hai cực đại tập trung trong suốt mùa đông và mùa hè, cũng như hai cực tiểu

trong thời gian liên quan tới gió mùa. Thứ tư là đặc điểm của khu vực phía Bắc
Borneo cho thấy sự biến động yếu của nồng độ PM10. Nói chung, sự biến động theo

14


mùa của nồng độ PM10 thường gắn với biến đổi theo mùa của lượng mưa trong cả
nước. Bên cạnh đó nồng độ PM10 cũng biến động rõ rệt trong khoảng thời gian giữa
hai mùa. Những biến động xảy ra theo mùa khá mạnh, phương sai xảy ra lớn nhất
trong mùa hè và thấp nhất vào mùa đông [63].
Nghiên cứu về tính biến động của PM1.0, PM2.5, and PM10 (PM) và mối liên
hệ với các bon đen (BC) cho thấy: sự thay đổi về khối lượng trung bình hàng tháng
của nồng độ của PM có hình dạng parabol lõm, với các giá trị cao nhất xảy ra trong
tháng Giêng và giá trị thấp nhất xuất hiện vào tháng Tám hoặc tháng Chín. Ngoài
ra, mối quan hệ rõ hơn theo mùa giữa PM và BC chỉ xảy ra trong mùa hè và mùa
thu, do nhiều yếu tố như địa hình, nhiệt độ, và không khí trong mùa đông và mùa
xuân. Cuối cùng, phân tích các biến động trong ngày của PM và BC đã chỉ ra rằng
lượng khí thải giao thông trong giờ cao điểm, các chất ô nhiễm từ bên ngoài và sự
tích lũy khí thải, tất cả góp phần vào tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng của Vũ Hán
vào mùa đông [74].
Một nghiên cứu khác về sự biến đổi không gian và thời gian của PM 1, PM2.5
và PM10 tại 03 khu vực đô thị và 01 khu vực nông thôn tại Áo cho thấy: tại tất cả
các khu vực nghiên cứu nồng độ PM10 cao hơn trong mùa đông. Tại khu vực nông
thôn không thể hiện chu kỳ theo mùa rõ rệt. Biến trình ngày đêm về cơ bản có hai
cực đại trong buổi sáng và vào buổi chiều, đồng thời ở mùa đông rõ rệt hơn mùa hè.
Mặc dù các vùng nghiên cứu cho thấy nông thôn ít khác biệt so với các thành phố,
ban ngày cực đại xuất hiện vào mùa hè khoảng giữa trưa và trong mùa đông trong
các giờ buổi chiều [55].
Trong nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản về sự biến đổi theo thời
gian và không gian của CO khu vực phía Tây Thái Bình Dương cho thấy: Nồng độ

CO trung bình cho thấy giảm rõ rệt theo hướng Bắc-Nam, với giá trị đặc biệt cao ở
các vĩ độ Bắc. Nồng độ tối đa và tối thiểu của chu kỳ CO mùa xuất hiện vào mùa
xuân và mùa hè. Giá trị nồng độ cao của CO và chu kỳ theo mùa lớn quan sát được
ở các vĩ độ Bắc gây ra bởi sự lan truyền CO do hoạt động nhân sinh ở Đông Á và sự
thay đổi của khối không khí kết hợp với hoàn lưu gió mùa châu Á. Sự biến động về

15


thời gian và không gian của nồng độ CO quan sát ở phía Tây Thái Bình Dương
được mô tả khá rõ bởi mô hình Chaser. Đặc biệt, nồng độ trung bình và chu kỳ theo
mùa của nồng độ CO tính cho Nam bán cầu liên hệ chặt chẽ với các kết quả giám
sát. Kết quả mô hình cũng cho thấy rằng CO thải ra ở Trung Quốc đóng một vai trò
quan trọng trong việc phân bố nồng độ CO tại khu vực giữa phía Bắc của phía Tây
Thái Bình Dương, CO có nguồn gốc ở Bắc Mỹ và Châu Âu được vận chuyển trên
một quãng đường dài trong mùa đông và rõ ràng đã quan sát được trong phía Tây
Bắc của Thái Bình Dương, CO từ Nam Mỹ và Nam Phi ảnh hưởng đến vùng phía
Tây Nam Thái Bình Dương [59].
Một nghiên cứu khác về tính biến động của CO và O3 ở bề mặt đã được thực
hiện tại Rishiri, một hòn đảo phía Bắc Nhật Bản cho thấy: O3 biến đổi theo mùa, tối
đa vào mùa xuân và tối thiểu vào mùa hè, mà thường được quan sát thấy ở khu vực
giữa vĩ độ từ xa ở Bắc bán cầu. Chu kỳ theo mùa của CO cho thấy sự tăng nồng độ
theo chu kỳ trong thời gian từ mùa hè đến đầu mùa thu năm 1998, cho thấy một
nguồn lớn của CO ở khu vực lân cận. Kết quả từ hình ảnh vệ tinh cho thấy nồng độ
trung bình của CO trong cùng thời kỳ liên quan đến sự kiện cháy rừng nghiêm trọng
và đám khói lan rộng ở xa phía đông Siberia. Nghiên cứu cho rằng vụ cháy rừng
Taiga ở xa phía đông Siberia đã có một tác động đáng kể đến nồng độ CO quan sát
thấy ở các vùng nghiên cứu từ mùa hè đến đầu mùa thu năm 1998 [58].
Các nghiên cứu trên đều cho thấy sự biến động của các thông số môi trường
không khí xung quanh có ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng như: nhiệt độ, độ ẩm,

lượng mưa, hướng gió, tốc độ gió, bên cạnh đó là các tác động của các nguồn thải từ
các hoạt động dân sinh, công nghiệp, giao thông hay cháy rừng… Các nghiên cứu
hầu hết đều chia chuỗi số liệu quan trắc được của các thông số môi trường không
khí theo mùa để nghiên cứu tính biến động theo thời gian và không gian.
1.1.2. Nghiên cứu nội ngoại suy số liệu của các thông số môi trường không khí
Việc sử dụng số liệu của các trạm quan trắc tự động cố định trong nghiên
cứu các mô hình nội ngoại suy để có cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá ô nhiễm, cảnh
báo ô nhiễm là hết sức quan trọng. Tuy nhiên, việc vận hành các trạm quan trắc

16


cũng dẫn đến khuyết thiếu số liệu trong nhiều thời điểm và thực tế đã có một số
nghiên cứu nhằm nội suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt này. Trong những năm gần đây
phương pháp hồi quy đã trở thành một phương pháp thường được sử dụng trong các
nghiên cứu về ÔNKK, vì nó có thể mô phỏng nồng độ chất gây ô nhiễm ở phạm vi
không gian tốt. Tính đến nay, có hơn 200 công trình nghiên cứu về phương pháp
này, chủ yếu ở các quốc gia như Hoa Kỳ, các nước Châu Âu, Nhật Bản, Trung
Quốc… Phương pháp hồi quy nói chung đã được áp dụng thành công trong mô hình
tính nồng độ trung bình hàng năm của NO2, NOx, PM2.5 và hợp chất hữu cơ dễ bay
hơi ở các thành phố châu Âu và Bắc Mỹ. Việc thực hiện phương pháp trong khu
vực đô thị thường là tốt hơn hoặc tương đương với phương pháp thống kê địa lý.
Trong một nghiên cứu về nội suy không gian và thời gian CO sử dụng
phương pháp Likelihood-Based của các nhà khoa học tại Iran đã xác định CO là
một trong những chất ô nhiễm nguy hiểm nhất tại Tehran. Nghiên cứu áp dụng các
phương pháp tiếp cận khả năng, chỉ định một phân phối trước khi sử dụng thông số
mô hình mô phỏng cho chuỗi Markov Monte Carlo để xấp xỉ. Sau đó, các ước tính
khả năng tối đa thu được thông qua các phương pháp Newton Raphson. Các giá trị
lệch chuẩn so với giá trị trung bình của khu vực cho thấy tính ngẫu nhiên của chuỗi
số liệu, việc sử dụng hàm logarit để chuyển đổi là hợp lý. Ngoài ra, phân bố của CO

theo không gian gần với phân bố Gaussian và một đa thức bậc hai hai biến sẽ là phù
hợp. Sau khi lựa chọn mô hình tương quan chung thời gian và không gian sử dụng
tiêu chí AIC đưa ra được dự báo CO cho tuần 1 và tuần 4 của năm 2005. Mức trung
bình của tuần 4 lớn hơn so với tuần 1 do ảnh hưởng của pháo hoa trong suốt lễ kỷ
niệm cuộc cách mạng thắng lợi và các hoạt động dân sinh do việc sử dụng nhiên
liệu sưởi ấm do thành phố có tuyết rơi nhiều trong giai đoạn này [54].
Tại Malaysia một cách tiếp cận mà thường được sử dụng để xử lý dữ liệu
khuyết thiếu là phương pháp nội suy. Mohamed Noor Norazian một giáo sư thuộc
khoa Công nghệ môi trường của trường Đại học Malaysia cùng đồng nghiệp đã đưa
ra nghiên cứu về ba phương pháp nội suy tuyến tính, bậc hai và bậc ba. Tổng cộng
có 8567 kết quả quan trắc PM10 trong một năm được sử dụng để so sánh giữa ba

17


phương pháp khi sử dụng phương pháp hồi quy phân phối loga chuẩn. Khi sử dụng
ba chỉ số đó là sai số tuyệt đối (MAE), sai số bình phương trung bình quân phương
(RMSE) và hệ số xác định (R2), kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp nội
suy tuyến tính là phù hợp nhất với sai số nhỏ nhất (giá trị cho MAE là 1,99) và cao
nhất R2 là 0,9889 [65].
Tại Thái Lan, các nhà khoa học cũng nghiên cứu sử dụng các dữ liệu phổ
biến nhất, khai thác dữ liệu kết hợp các thuật toán hoặc phương pháp hồi quy nội
suy để giải quyết vấn đề khuyết thiếu số liệu của các yếu tố ô nhiễm môi trường như
PM10, CO, SO2 … Báo cáo cho thấy việc sử dụng phương pháp hồi quy để nội suy
là một phương pháp hiệu quả để bổ khuyết số liệu thiếu hụt của các yếu tố gây ô
nhiễm môi trường đồng thời cũng là phương pháp để dự đoán ô nhiễm [66].
Với mục tiêu của nghiên cứu là tìm ra một phương pháp xử lý dữ liệu thiếu
hụt và ứng dụng dự báo chất lượng không khí, các phương pháp đơn biến và đa
biến đã được nghiên cứu là đa biến gần nhất (NN), bản đồ (SOM) và mạng thần
kinh nhân tạo đa lớp (MLP). Ngoài ra, một cách tiếp cận mới đã được phát triển,

các phương pháp đơn biến được kết hợp với các phương pháp đa biến để tận dụng
ưu điểm của cả hai phương pháp. Kết quả chung cho thấy việc kết hợp các phương
pháp đơn biến và đa biến bằng cách lập trình phần mềm xử lý số liệu trên máy vi
tính cho phép nội ngoại suy số liệu đạt kết quả tốt. Các mô hình được thử nghiệm
trên môi trường Windows và Linux. Tuy nhiên phương pháp này yêu cầu phải có
chuỗi số liệu quan trắc đủ lớn và đảm bảo độ tin cậy, bên cạnh đó tất cả các yếu tố
khí tượng cũng phải được sử dụng như độ ẩm, nhiệt độ, bức xạ mặt trời, lượng
mưa… [61].
Trong nghiên cứu của Hilde Fagerli (2003), tác giả đã sử dụng phương pháp
mô hình, cụ thể là mô hình EMEP Unified Model 2.0, để xác định xu hướng biến đổi
của SO2 và NOx tại các quốc gia Châu Âu. Giá trị nồng độ của SO2 và NOx tăng lên
trong những tháng mùa đông và giảm đi trong các tháng mùa hè, các giá trị này ở các
nước Đông Âu lớn hơn so với các nước Bắc Âu [52]. Theo Svetlana Tsyro (2003),

18


các điều kiện địa hình ảnh hưởng đến nồng độ bụi dựa vào các phân tích hiện trạng ô
nhiễm không khí, đặc biệt tại Tây, Trung và Nam Âu [53].
Tại nước Công hòa Litva (thuộc Bắc Âu) áp dụng thành công các mô hình
Gaussian và hồi quy dựa trên dự báo ô nhiễm không khí đô thị ngắn hạn. Nghiên
cứu phân tích dữ liệu thống kê được dựa trên các phép đo theo giờ trong vòng ba
tháng của các thông số khí tượng và nồng độ CO trong thành phố Vilnius,
Lithuania. Từ những dữ liệu sử dụng phân tích hồi quy, sử dụng mô hình thống kê
để dự báo nồng độ CO cho 9 giờ sử dụng các thông số khí tượng và giá trị nồng độ
CO tối đa của đỉnh ô nhiễm không khí cho trước [77].
Tại Mexico (một quốc gia thuộc Bắc Mỹ), các nhà khoa học đã ứng dụng
phương pháp mô hình tự hồi quy tích hợp và di chuyển trung bình (ARIMA) đối với
thông số Ozone tại 10 khu vực trong vòng 1 năm để tiến hành dự đoán nồng độ
ozone trong vòng 2 đến 3 giờ và tối đa hàng ngày. Nghiên cứu chỉ ra rằng việc dự

báo sẽ được chính xác hơn nếu thêm vào các biến có chứa thông số về cấu trúc
thẳng đứng của khí quyển [45].
Tại Nhật Bản đã áp dụng phương pháp hồi quy vào vấn đề ô nhiễm giao
thông sau đó kiểm tra mô hình này thông qua việc sử dụng số liệu từ mạng lưới
giám sát quản lý ở Shizuoka. Kết quả thấy rằng, việc sử dụng dữ liệu giám sát chất
lượng không khí quy định có sự hỗ trợ của phương pháp hồi quy có thể ước lượng
nồng độ các chất NO2, PM10 đạt kết quả khá tốt [69].
Tại một số nước như Trung Quốc, Ấn Độ, Bangladesh, Iran, v.v, trong mấy
năm trở lại đây triển khai mạnh mẽ hướng nghiên cứu đánh giá chất lượng môi
trường không khí tại các khu công nghiệp và đô thị [70]. Có thể kể ra một số công
trình tiêu biểu như: Nghiên cứu chất lượng không khí xung quanh ở Bắc Kinh phục
vụ cho Olympic mùa Hè 2008 (Trung Quốc) [76]; Nghiên cứu nồng độ và thành
phần của TSP, PM10 ở khu vực Tehran (Iran) [49].
Ở Trung Quốc, trong một nghiên cứu về SO2, NO2, và PM10 là những chất
gây ô nhiễm không khí ngoài trời lớn ở Trung Quốc, họ đã phát triển một mô hình
hồi quy sử dụng dữ liệu theo dõi quản lý để dự đoán sự phân bố không gian của

19


nồng độ chất gây ô nhiễm không khí ở Tế Nam, Trung Quốc. Giao thông, sử dụng
đất và điều tra dữ liệu dân số, các điều kiện khí tượng và vật lý được bao gồm như
là biến độc lập và được lập bảng dữ liệu tương quan theo bán kính khác nhau. SO2,
NO2 và nồng độ PM10 được đánh giá cao nhất tương quan với diện tích đất công
nghiệp. Hầu hết các thành phố ở Trung Quốc có một mạng lưới các trang web theo
dõi quản lý chất lượng không khí [46].
Tóm lại: Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến đánh giá đặc
trưng biến động của các thông số môi trường không khí thông qua kết quả quan trắc
định kỳ hoặc tự động, các kết quả đã chỉ ra được đặc trưng cấu trúc thống kê theo
từng vùng nghiên cứu và ảnh hưởng rõ nét của các yếu tố khí tượng, địa hình lên

chuỗi số liệu nghiên cứu. Bên cạnh đó cũng có nhiều nghiên cứu đưa ra các mô hình
bổ khuyết chuỗi số liệu thiếu hụt và dự báo chất ô nhiễm, tập trung chủ yếu là các
mô hình hồi quy tuyến tính, mô hình thống kê vật lý, thống kê kinh nghiệm. Các kết
quả nghiên cứu đặc trưng biến động của các thông số ô nhiễm môi trường không khí
đều cho thấy đây là các quá trình không dừng, nồng độ chất ô nhiễm biến đổi theo
thời gian và không gian, đạt cực đại và cực tiểu trong ngày và theo mùa. Tuy nhiên,
hướng nghiên cứu ứng dụng sâu lý thuyết của quá trình ngẫu nhiên dừng để cải tiến
đưa ra mô hình bổ khuyết số liệu thiếu hụt và dự báo ô nhiễm còn rất hạn chế.
1.2. Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy số liệu của các thông số
môi trường không khí tại Việt Nam
1.2.1. Nghiên cứu tính biến động
Ở Việt Nam, lý thuyết hàm ngẫu nhiên được ứng dụng trong lĩnh vực khí
tượng - thủy văn từ những năm cuối của thế kỷ XIX. Trong đó, nhiều đề tài/công
trình nghiên cứu đã đề cập đến tính biến động của các yếu tố khí tượng như tốc độ
gió, nhiệt độ, áp suất biến đổi theo không gian và thời gian. Các đề tài/công trình
khoa học chủ yếu thực hiện bởi các tác giả trong ngành khí tượng - thủy văn, trường
Đại học Tổng hợp Hà Nội, trường Đại học Thủy lợi. Mục tiêu chính của các nghiên
cứu nhằm khái quát bức tranh biến trình ngày đêm, biến trình năm của một số yếu
tố khí tượng, làm cơ sở cho việc tiến hành xây dựng mô hình dự báo thống kê đối

20


với trường các yếu tố khí tượng - thủy văn. Một ví dụ trong số đó có công trình
“Phương pháp lọc sai số các yếu tố khí tượng dựa trên đường cong hàm cấu trúc”
[13]. Trong công trình này, tác giả đã sử dụng đặc trưng hàm của lý thuyết trường
ngẫu nhiên (hàm cấu trúc không gian) để lọc sai số của các yếu tố khí tượng được
khảo sát làm dữ liệu đầu vào trong các mô hình dự báo thống kê.
Việc nghiên cứu áp dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên nói chung và lý thuyết
quá trình ngẫu nhiên nói riêng chỉ được bắt đầu từ thế kỷ XX khi nước ta bắt đầu

tiếp cận đến lĩnh vực môi trường, đặc biệt khi có Luật bảo vệ môi trường đầu tiên
ban hành vào năm 1993. Từ đó đến nay, rất nhiều đề tài/công trình nghiên cứu do
các trường đại học trong cả nước tiến hành triển khai nghiên cứu, đánh giá hiện
trạng, đánh giá tác động, quy hoạch mạng lưới quan trắc, quy hoạch môi trường…
trên phạm vi cả nước. Việc ứng dụng lý thuyết trường và quá trình ngẫu nhiên để
nghiên cứu tính biến động (các đặc trưng thống kê số và đặc trưng hàm) của trường
các thông số môi trường và quá trình ngẫu nhiên của thông số môi trường còn hạn
chế. Tuy nhiên, hướng nghiên cứu đánh giá tính biến động của các thông số môi
trường không khí được tiếp cận nhanh và triển khai nghiên cứu ở trường đại học
Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Một số đề tài/công trình nghiên cứu
về tính biến động của các thông số môi trường không khí được chỉ ra dưới đây.
Đề tài nghiên cứu cấp nhà nước, mã số 7.8.10 [14] với tiêu đề “Đánh giá tính
biến động của các thông số SO2, NO2, CO, O3, TSP ở Hà Nội và một số thành phố
lớn thuộc miền Bắc Việt Nam” (Hải Phòng và Quảng Ninh). Trong đề tài này, tính
biến động của các thông số SO2, NO2, CO, O3, TSP đã được tính toán và phân tích.
Kết quả phân tích đánh giá cho thấy các đặc trưng số của các thông số khảo sát có
đường biến trình ngày và hệ số biến động ngày với biên độ lớn hơn so với biên độ,
hệ số biến động năm. Tuy nhiên các đặc trưng biến động đều có cực đại và cực tiểu.
Cũng như nhiều tác giả trên thế giới đã nhận định (mục 1.1.1) các đặc trưng biến
động chịu tác động rõ rệt bởi địa hình (vị trí địa lý), các yếu tố khí tượng (hướng và
tốc độ gió, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, bức xạ mặt trời…) đến chuỗi số liệu tính toán
các đặc trưng theo ngày, theo mùa và năm. Kết quả của đề tài phù hợp với các nhận

21