Nghiên cứu ứng dụng mô hình CMAQ đánh giá, dự báo chất lượng môi trường không khí tại một số khu vực thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía bắc

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

Đàm Duy Ân

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ ĐÁNH
GIÁ, DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ TẠI MỘT SỐ KHU VỰC
THUỘC VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM PHÍA BẮC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2018


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

Đàm Duy Ân

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ
ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG
KHÔNG KHÍ TẠI MỘT SỐ KHU VỰC
THUỘC VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM PHÍA BẮC
Chuyên ngành: Khoa học Môi trường
Mã số: 62440301
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Mai Trọng Thông

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận án là trung thực từ đề tài nghiên cứu của tôi. Một số kết quả đã
được chúng tôi công bố trên tạp chí khoa học chuyên ngành với sự đồng ý của đồng
tác giả phù hợp với các quy định hiện hành. Các số liệu, thông tin tham khảo, chứng
minh và so sánh từ các nguồn khác đã được trích dẫn theo đúng quy định. Việc sử
dụng các nguồn thông tin, số liệu này chỉ phục vụ cho mục đích học thuật.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả
nghiên cứu trong luận án của mình.
Nghiên cứu sinh

Đàm Duy Ân


LỜI CẢM ƠN

Trong suốt qua trình học tập và hoàn thành luận an này, tôi đa nhận được sư
hướng dẫn, giúp đơ tận tình của cac thầy cô, đồng nghiệp, gia đình và cac bạn bè.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày to lới cảm ơn chân
thành tới: Ban giam hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Môi trường Trường
Đại học Khoa học Tư nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Cac thầy cô giao, cac nhà
khoa học đa tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đơ tôi trong qua trình học tập và hoàn
thành luận an này;
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình đa luôn kiên nhẫn động viên, hỗ trợ tôi
trong suốt qua trình học tập, làm việc và hoàn thành luận an.
Lời cảm ơn sâu sắc nhất xin được gửi đến PGS.TS. Mai Trọng Thông người
thầy kính mến đa hết lòng giúp đỡ, khích lệ tôi trong suốt qua trình học tập và thưc

hiện luận án này.
Trân trọng!
Hà Nội, ngày

thang

Nghiên cứu sinh

Đàm Duy Ân

năm 2018


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
LỜI CẢM ƠN
MỤC LỤC................................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ 4
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU............... 14
1.1. MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ ......................................... 14
1.1.1. Các mô hình chất lượng không khí thông dụng hiện nay ..........................
14
1.1.1.1. Mô hình nguồn điểm......................................................................... 14
1.1.1.2. Mô hình theo quy mô khu vực và diện rộng [13, 14].........................
15
1.1.1.3. Mô hình phát tán (Dispersion models) [21] .......................................
16

1.1.1.4. Mô hình quang hóa ...........................................................................
16
1.1.2. Các mô hình khí tượng thông dụng ..........................................................
18
1.1.2.1. Mô hình MM5 .................................................................................. 18
1.1.2.2. Mô hình WRF................................................................................... 18
1.1.2.3. Mô hình CALMET ........................................................................... 19
1.1.2.4. Mô hình RAMS ................................................................................ 19
1.1.3. Mô hình kiểm kê phát thải........................................................................
19
1.1.4. Mô hình dự báo thống kê (Statistical Models) ..........................................
20
1.2. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ TRONG NGHIÊN
CỨU CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TRÊN THẾ GIỚI VÀ
VIỆT
NAM ..................................................................................................................... 20
1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới.....................................................................
20
1.2.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam .....................................................................
22
1


1.3. TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ............................................ 26
1.3.1. Khái quát về Vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc .................................... 26
1.3.2. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội khu vực nghiên cứu ......................... 27
1.3.2.1 Điều kiện tự nhiên ............................................................................ 27
1.3.2.2. Đặc điểm địa chất – địa hình [1] ..................................................... 28
1.3.2.3. Đặc điểm khí hậu, thủy văn ............................................................ 29

2


1.3.2.4. Khái quát đặc điểm kinh tế xã hội các tỉnh lựa chọn nghiên cứu .......
31
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................ 34
2.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 34
2.1.1. Mô hình WRF......................................................................................... 34
2.1.2. Mô hình CMAQ và khả năng mô phỏng [25, 26, 37, 40] ...................... 37
2.1.3. Tính toán lắng đọng khô......................................................................... 42
2.1.4. Dữ liệu phát thải REAS v2.1 .................................................................. 43
2.2. DỮ LIỆU ĐẦU VÀO PHỤC VỤ NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN ÁN...... 45
2.2.1. Dữ liệu khí tượng ................................................................................... 46
2.2.2. Dữ liệu phát thải và phương án tính toán ............................................... 46
2.3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN DỮ LIỆU NGUỒN THẢI DỰA TRÊN
NỀN TẢNG DỮ LIỆU REAS v2.1...................................................................... 46
2.3.1. Nghiên cứu dữ liệu REAS v2.1 .............................................................. 46
2.3.2. Phương pháp tính toán dữ liệu phát thải sau năm 2008 từ nguồn dữ liệu
REAS v2.1 ........................................................................................................ 48
2.4. MIỀN TÍNH VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH ...................... 51
2.4.1. Miền tính ................................................................................................ 51
2.4.2. Phương án tính toán ................................................................................ 52
2.4.3. Kiểm định mô hình.................................................................................. 53
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 54
3.1. HIỆN TRẠNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ NĂM 2007 ......................... 54
3.1.1. Dữ liệu phát thải khu vực nghiên cứu năm 2007 ................................... 54
3.1.2. Kiểm định mô hình ................................................................................. 56
3.1.3. Hiện trạng chất lượng môi trường không khí năm 2007 ........................ 60
3.1.3.1. Đối với SO2 ..................................................................................... 60
3.1.3.2. Đối với NO2 .................................................................................... 60

3.1.3.3. Đối với bụi PM10 ............................................................................. 61
3.2. HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ NĂM
2013 ...................................................................................................................... 65
3.2.1. Dữ liệu phát thải 2013 ............................................................................ 65
3.2.2. Kiểm định mô hình ................................................................................. 70
3.2.2.1. Kết quả kiểm định với dữ liệu quan trắc tự động ........................... 70
3.2.2.2. Kết quả kiểm định với dữ liệu ảnh vệ tinh (OMI) .......................... 74
3.2.3. Hiện trạng chất lượng môi trường không khí năm 2013 ...........................
76
3


3.2.3.1. Hiện trạng SO2.................................................................................. 76
3.2.3.2. Hiện trạng NO2................................................................................ 84
3.2.3.3. Hiện trạng PM10 .............................................................................. 92
3.2.3.4. Hiện trạng CO ................................................................................. 99
3.3. LẮNG ĐỌNG KHÔ ....................................................................................103
3.3.1. Lắng đọng SO2 .....................................................................................103
3.3.2. Lắng đọng NO2 .....................................................................................106
3.3.3. Lắng đọng HNO3 ..................................................................................109
3.4. ĐÓNG GÓP Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ TỪ CÁC DẠNG NGUỒN THẢI.112
3.4.1. Đối với SO2 ..........................................................................................112
3.4.2. Đối với NO2 ..........................................................................................116
3.4.3. Đối với PM10 ........................................................................................119
3.5. ĐÁNH GIÁ PHÂN BỐ CHẤT Ô NHIỄM THEO CHIỀU CAO (PROFILE
THẲNG ĐỨNG) ................................................................................................122
3.5.1. Phân bố nồng độ SO2 theo chiều cao ...................................................122
3.5.2. Phân bố nồng độ NO2 theo chiều cao ...................................................125
3.5.3. Phân bố nồng độ PM10, CO theo chiều cao .......................................125
3.6. DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...............127

3.6.1. Dữ liệu phát thải..................................................................................127
3.6.2. Đối với SO2 ..........................................................................................129
3.6.3. Đối với NO2 ..........................................................................................131
3.6.4. Đối với PM10 ........................................................................................133
3.6.5. Đối với CO ...........................................................................................135
KẾT LUẬN .............................................................................................................137
KIẾN NGHỊ ............................................................................................................138
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ........................139
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ...............................................................................139
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................140

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMAQ

Mô hình chất lượng không khí cộng đồng đa tỷ lệ
(Community Multiscale Air Quality model)

CCTM

Mô hình lan truyền các chất hóa học
(CMAQ chemical transport model)

CLKK
GIS

Chất lượng không khí
Hệ thống thông tin địa lý

KTTĐ

Kinh tế trọng điểm

MTQG

Môi trường quốc gia

NCS

Nghiên cứu sinh

REAS

Dữ liệu kiểm kê phát thải cho khu vực châu Á

WRF

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết
(Weather Research and Forecasting)

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

5


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Lượng mưa trung bình tháng và năm (mm) ....................................... 30
Bảng 2.1. Gia tăng bình quân lượng thải theo năm từ dữ liệu REAS v2.1 ......... 48
Bảng 2.2. So sánh dự báo của Việt Nam về tăng trưởng phát thải với tính toán tăng
trưởng phát thải từ REAS v2.1 ......................................................................... 50
Bảng 2.3. Đề xuất tỷ lệ tăng trưởng phát thải bình quân cho một số nguồn thải 51
Bảng 3.1. Bảng thống kê thời gian kiểm định và kết quả kiểm định mô hình CMAQ
năm 2007 ......................................................................................................... . 56
Bảng 3.2. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu đánh giá tương quan giữa số liệu thực đo và
kết quả tính toán .............................................................................................. . 74
Bảng 3.3. So sánh kết quả tổng cộng NO2 tầng đối lưu từ mô hình CMAQ và ảnh
vệ tinh OMI (đơn vị 1015mol/cm2) .................................................................... 75
Bảng 3.4. Tốc độ lắng đọng SO2 tại khu vực Hà Nội (cm/s) ............................103
Bảng 3.5. Tổng lắng đọng SO2 theo tháng tại các khu vực (kg/ha/tháng) .........104
Bảng 3.6. Tổng lắng đọng NO2 theo tháng tại các khu vực (kg/ha/tháng) ........107
Bảng 3.7. Tổng lắng đọng HNO3 theo tháng tại các khu vực ...........................111
Bảng 3.8. Tỷ lệ phát thải SO2 từ các nguồn thải khác nhau năm 2013..............112
Bảng 3.9. Tỷ lệ phát thải NO2 từ các nguồn thải khác nhau .............................116
Bảng 3.10. Tỷ lệ phát thải PM10 từ các nguồn thải lớn khu vực nghiên cứu ....119
Bảng 3.11. Tỷ lệ thay đổi nồng độ SO2 trung bình của năm 2020/2013 ...........129
Bảng 3.12. Tỷ lệ thay đổi nồng độ NO2 trung bình của năm 2020/2013 ...........131
Bảng 3.13. Tỷ lệ thay đổi nồng độ PM10 trung bình của năm 2020/2013 .........133
Bảng 3.14. Tỷ lệ thay đổi nồng độ CO trung bình của năm 2020/2013 ............135

6


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ mô hình nguồn điểm ................................................................... 15
Hình 1.2. Sơ đồ mô tả tổng thể hệ thống mô hình dự báo chất lượng không khí ........
17

Hình 1.3. Các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc [1] ........................ 27
Hình 2.1. Cấu trúc mô hình WRF ..................................................................... 35
Hình 2.2. Quan hệ giữa hệ thống mô hình CMAQ với các mô hình phát thải và khí
tượng [10 - 14] ................................................................................................ . 37
Hình 2.3. Hệ thống các module trong mô hình CMAQ [10-14, 72] ................... 42
Hình 2.4. Biến thiên tổng lượng phát thải CO trên một ô lưới phát thải các tỉnh
thuộc khu vực nghiên cứu từ nguồn thải công nghiệp ....................................... 47
Hình 2.5. Biến thiên tổng lượng phát thải PM10 trên một ô lưới phát thải thuộc khu
vực nghiên cứu từ nguồn thải công nghiệp ....................................................... 47
Hình 2.6. Biến thiên tổng lượng phát thải NO2 trên một ô lưới thuộc khu vực
nghiên cứu từ nguồn dân sinh .......................................................................... . 47
Hình 2.7. Lưới tính mô hình CMAQ ................................................................. 52
Hình 3.1. Bản đồ phát thải SO2, NO2 và bụi PM10 năm 2007 khu vực nghiên
cứu .................................................................................................................. . 55
Hình 3.2a. So sánh nồng độ SO2 giữa kết quả tính toán và thực đo năm 2007... 57
Hình 3.2b. So sánh nồng độ NO2 giữa kết quả tính toán và thực đo năm 2007 .. 58
Hình 3.2c. So sánh nồng độ PM10 giữa kết quả tính toán và thực đo năm 2007 . 59
Hình 3.3. Bản đồ nồng độ SO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 ........ 62
Hình 3.4. Bản đồ nồng độ NO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007........ 63
Hình 3.5. Bản đồ nồng độ PM10 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2007 ...... 64
Hình 3.6. Phát thải SO2 từ các nguồn thải khác nhau và tổng phát thải SO2 năm
2013 ................................................................................................................ . 67
Hình 3.7. Phát thải bụi PM10 từ các nguồn thải khác nhau và tổng phát thải PM10
năm 2013 ......................................................................................................... . 68
Hình 3.8. Phát thải NO2 từ các nguồn thải khác nhau và tổng phát thải NO2 năm
2013 ................................................................................................................ . 69
Hình 3.9. So sánh nồng độ PM10 giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán năm 2013...
71
7

Hình 3.10. So sánh nồng độ NO2 giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán năm 2013 ..
72

8


Hình 3.11. So sánh nồng độ CO giữa số liệu thực đo và kết quả tính toán năm 2013....
73
Hình 3.12. Tổng cột NO2 tầng đối lưu CMAQ (bên trái) và OMI (bên phải)..... 74
Hình 3.13. Bản đồ nồng độ SO2 một số thời điểm tháng 1, 4, 7 và tháng 10 năm
2013 ................................................................................................................ . 77
Hình 3.14. Diễn biến nồng độ SO2 theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng 4,
tháng 7, tháng 10 năm 2013 ............................................................................. . 79
Hình 3.15. Diễn biến nồng độ trung bình ngày của SO2 tại các khu vực vào tháng
1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 ............................................................ 80
Hình 3.16. Bản đồ nồng độ SO2 trung bình tháng 1, 4, 7 và 10 năm 2013 ......... 82
Hình 3.17. Diễn biến nồng độ trung bình tháng của SO2 tại các khu vực vào tháng
1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 ............................................................ 83
Hình 3.18. Nồng độ SO2 trung bình năm khu vực nghiên cứu........................... 84
Hình 3.19. Bản đồ nồng độ NO2 một số thời điểm tháng 1, 4, 7 và 10 năm
2013 ................................................................................................................ . 85
Hình 3.20. Diễn biến nồng độ NO2 theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng 4,
tháng 7, tháng 10 năm 2013 ............................................................................. . 87
Hình 3.21. Diễn biến nồng độ NO2 theo ngày tại các khu vực vào tháng 1, tháng
4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 ......................................................................... . 88
Hình 3.22. Bản đồ nồng độ NO2 trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 ............ 90
Hình 3.23. Diễn biến nồng độ trung bình tháng của NO2 tháng 1, tháng 4, tháng 7,
tháng 10 năm 2013 .......................................................................................... . 91
Hình 3.24. Nồng độ NO2 trung bình năm tại một số khu vực ............................ 91

Hình 3.25. Bản đồ nồng độ PM10 tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013............................ 92
Hình 3.26. Diễn biến nồng độ PM10 theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng
4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 ......................................................................... . 94
Hình 3.27. Nồng độ trung bình ngày của PM10 tại các khu vực tháng 1, tháng 4,
tháng 7, tháng 10 năm 2013 ............................................................................. . 95
Hình 3.28. Bản đồ phân bố nồng độ bụi PM10 trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm
2013 ................................................................................................................ . 97
Hình 3.29. Diễn biến nồng độ trung bình tháng của PM10 tại các khu vực vào tháng
1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 năm 2013 ............................................................ 98
Hình 3.30. Nồng độ PM10 trung bình năm tại một số khu vực ........................... 98
9


Hình 3.31. Diễn biến nồng độ CO theo giờ tại các khu vực vào tháng 1, tháng 4,
tháng 7, tháng 10 năm 2013 ............................................................................. . 99
Hình 3.32. Bản đồ nồng độ CO một số thời điểm tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 ..101
Hình 3.33. Bản đồ nồng độ CO trung bình tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 ............102
Hình 3.34. Tổng lắng đọng khô SO2 tháng 1, 4, 7 và 10 năm 2013 ..................105
Hình 3.35. Tốc độ lắng đọng NO2 trung bình các tháng khu vực Hà Nội .........106
Hình 3.36. Tổng lắng đọng NO2 tháng 1, 4, 7 và tháng 10 năm 2013 ...............108
Hình 3.38. Tổng lắng đọng HNO3 12 tháng năm 2013 .....................................109
Hình 3.37. Tổng lắng đọng HNO3 các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2013 ...................110
Hình 3.39. Bản đồ nồng độ trung bình SO2 tháng 1 do ảnh hưởng từ các nguồn
thải khác nhau .................................................................................................114
Hình 3.41. Bản đồ nồng độ trung bình NO2 tháng 1 do ảnh hưởng từ các nguồn
thải khác nhau .................................................................................................117
Hình 3.43. Bản đồ nồng độ PM10 trung bình tháng 1 do ảnh hưởng từ các nguồn
thải khác nhau .................................................................................................120
Hình 3.44. Tỷ lệ đóng góp PM10 từ các nguồn thải khác nhau ........................121
Hình 3.45. Profile nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc gió tại khu vực nghiên cứu .......123

Hình 3.46. Phân bố nồng độ SO2 theo chiều cao tại khu vực nghiên cứu .........124
Hình 3.47. Phân bố nồng độ NO2 theo chiều cao tại khu vực nghiên cứu .........125
Hình 3.48. Phân bố nồng độ PM10 và CO theo chiều cao tại khu vực Hà Nội...126
Hình 3.49. Bản đồ phát thải PM10, NO2, SO2, CO năm 2020 ...........................128
Hình 3.50. Phân bố nồng độ SO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 ....130
Hình 3.51. Phân bố nồng độ NO2 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 ...132
Hình 3.52. Phân bố nồng độ PM10 trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 ..134
Hình 3.53. Phân bố nồng độ CO trung bình các tháng 1, 4, 7, 10 năm 2020 .....136

10


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Không khí là một trong những thành phần môi trường quan trọng, có ý nghĩa
sống còn để duy trì sự sống trên Trái đất. Chất lượng không khí liên quan mật thiết
đến các quá trình hô hấp (hoặc quang hợp) của hầu hết các sinh vật trên Trái đất. Do
vậy sự thay đổi chất lượng môi trường không khí tác động trực tiếp đến con người,
các sinh vật cũng như sự phát triển kinh tế xã hội của một khu vực, một quốc gia
hay trên phạm vi toàn cầu.
Không khí khi đã bị ô nhiễm sẽ rất khó kiểm soát do đặc tính dễ lan truyền từ
khu vực này đến khu vực khác. Vì vậy ô nhiễm không khí được coi là dạng ô nhiễm
“không biên giới” vì quy mô tác động của chúng hoàn toàn có thể vượt ra khỏi
phạm vi kiểm soát, ngăn chặn của mỗi vùng, mỗi quốc gia.
Hiện tượng mưa axit, hiệu ứng nhà kính, suy thoái tầng Ozone (có nguyên
nhân từ việc ô nhiễm không khí) đang là vấn đề cấp bách, được nghiên cứu, bàn
luận liên tục giữa các nhà khoa học cũng như chính phủ của nhiều quốc gia trên Thế
giới. Hiện nay, chính phủ và nhiều tổ chức quốc tế cũng như các tổ chức thuộc các
quốc gia khác nhau đã và đang thảo luận, bàn bạc để đưa ra những giải pháp nhằm
giảm thiểu và kiểm soát lượng khí thải vào khí quyển.

Hiện nay, vấn đề ô nhiễm môi trường đang được nhiều quốc gia trên thế giới
quan tâm và có nhiều động thái kiểm soát chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng môi
trường. Đến thời điểm này, ô nhiễm không khí là dạng ô nhiễm có xu hướng gia
tăng mạnh ở các quốc gia đang phát triển trong những năm gần đây. Nguyên nhân
có thể nhận thấy rõ rệt từ sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp, tăng
trưởng và phát triển giao thông cũng như từ quá trình đô thị hóa. Tuy nhiên, song
song với việc phát triển kinh tế và các hoạt động phát triển khác (giao thông, cơ sở
hạ tầng, đô thị hóa…) cũng làm gia tăng nguồn phát thải gây ra ô nhiễm môi trường
nói chung và môi trường không khí nói riêng. Chính vì vậy, nghiên cứu đánh giá và
dự báo chất lượng môi trường không khí ở tất cả các khu vực có thể nói là rất quan
trọng trong giai đoạn hiện nay cũng như trong tương lai. Để đánh giá chất lượng
môi trường
11


không khí, thông thường sử dụng hai phương pháp bao gồm: phương pháp thực
nghiệm và phương pháp mô hình hóa. Đối với phương pháp thực nghiệm, kết quả
đo đạc các thông số đặc trưng cho chất lượng môi trường không khí nói chung
thường là giá trị cuối cùng tại điểm tiếp nhận. Tuy nhiên, nếu số điểm đo ít hoặc số
lần đo không nhiều, tần suất đo thấp thì đánh giá dựa vào giá trị quan trắc khó cho
thấy bức tranh tổng quát về chất lượng không khí (CLKK) tại một khu vực lớn. Mặt
khác, chi phí tài chính cũng như nhân lực dành cho phương pháp quan trắc, đo đạc
chất lượng không khí thường rất lớn. Phương pháp mô hình hóa có thể khắc phục
được những nhược điểm này. Việc nghiên cứu đánh giá chất lượng môi trường
không khí bằng phương pháp mô hình hóa có thể giải quyết được một số vấn đề mà
phương pháp quan trắc, đo đạc thực tế chưa giải quyết được, như:
 Phục vụ cho việc nghiên cứu, xem xét xác định các vị trí đánh giá (quan
trắc)
chất lượng môi trường.
 Dễ dàng thay đổi các thông số/tham số đầu vào nhằm xem xét diễn

biến chất lượng môi trường trong các điều kiện khác nhau phục vụ cho nghiên cứu
dự báo chất lượng môi trường.
 Ứng dụng mô hình có thể sản sinh ra một lượng lớn thông tin thứ cấp
trên
cơ sở những thông tin hữu hạn đầu vào.
 Cho phép tính toán được những giá trị của các tham số/thông số ở
những nơi
không thể có (hoặc quá khó khăn để thực hiện phép đo) số liệu quan trắc.
 Thời gian tính toán ngắn và dễ dàng thay đổi các phương án tính toán
thông qua việc sửa đổi các số liệu đầu vào cũng là điểm mạnh của phương pháp mô
hình.
Xuất phát từ quan điểm này, nghiên cứu sinh (NCS) đã lựa chọn đề tài luận
án: Nghiên cứu ứng dụng mô hình CMAQ đánh gia, dư bao chất lượng môi trường
không khí tại một số khu vưc thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá khả năng sử dụng mô hình CMAQ với số liệu khí tượng đầu vào
được tính toán từ mô hình WRF và nguồn dữ liệu kiểm kê phát thải cho khu vực
12


châu Á - REAS để tính toán đánh giá chất lượng môi trường không khí, đánh giá
khả năng

13


lắng đọng khô một số chất ô nhiễm tại một số khu vực thuộc vùng kinh tế trọng
điểm phía Bắc.
- Ước tính/dự tính được mức độ phát thải các chất ô nhiễm không khí và chất
lượng môi trường không khí tại khu vực nghiên cứu cho một số thời điểm sau năm

2008. Dữ liệu phát thải cho khu vực sau năm 2008 được tính toán dựa trên xu thế
phát thải nghiên cứu từ dữ liệu kiểm kê phát thải cho khu vực châu Á (REAS v2.1)
từ năm 2000 đến năm 2008 và báo cáo Hiện trạng môi trường quốc gia năm 2007.
- Đánh giá mức độ đóng góp chất ô nhiễm không khí từ các nguồn thải lớn:
công nghiệp, giao thông và dân sinh tại khu vực lựa chọn nghiên cứu.
- Đánh giá phân bố chất ô nhiễm theo chiều cao (profile thẳng đứng) một số
chất gây ô nhiễm môi trường không khí lớp biên khí quyển dựa trên kết quả từ mô
hình CMAQ.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu ứng dụng mô hình CMAQ; nguồn dữ liệu kiểm kê phát thải cho
khu vực châu Á (REAS v2.1 thực hiện bởi Trung tâm Nghiên cứu biến đổi toàn cầu
(FRCGC) và Cục khoa học kỹ thuật Biển - Địa cầu Nhật Bản); đưa ra phương pháp
tính toán xu thế phát thải trong tương lai và áp dụng tính toán cho khu vực lựa chọn
nghiên cứu.
- Nghiên cứu ứng dụng, xây dựng các bản đồ phát thải chất gây ô nhiễm môi
trường không khí cho khu vực lựa chọn nghiên cứu.
- Đánh giá sự ảnh hưởng, mức đóng góp của các nguồn thải khác nhau tới
chất lượng môi trường không khí (áp dụng với các chất SO2, NO2 và bụi PM10 cho
khu vực lựa chọn nghiên cứu).
- Đánh giá được sự phân bố và tổng lắng đọng khô các chất SO2, NO2 và
HNO3
cho khu vực lựa chọn nghiên cứu.
- Đánh giá sự phân bố một số chất ô nhiễm (cụ thể là SO2, NO2, CO và bụi
PM10) cho khu vực lựa chọn nghiên cứu.
- Nghiên cứu, dự báo chất lượng môi trường không khí cho các chất SO2,
NO2, CO và bụi PM10 thông qua kịch bản phát thải trong tương lai.
14


4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:
- Nguồn dữ liệu phát thải khu vực châu Á (REAS v2.1) được sử dụng làm
đầu vào cho mô hình tính toán chất lượng không khí (CMAQ).
- Diễn biến chất lượng môi trường không khí (nghiên cứu đối với các chất
SO2, NO2 và bụi PM10 theo không gian và thời gian) và xem xét tỷ lệ đóng góp
chất ô nhiễm từ các nguồn thải lớn (giao thông, công nghiệp và dân sinh) thông qua
kết quả tính toán từ mô hình.
- Tính toán tổng lắng đọng khô một số chất dựa trên các kết quả thu được từ
mô hình WRF, CMAQ.
- Nghiên cứu biến thiên theo chiều cao (profile thẳng đứng) một số chất gây ô
nhiễm môi trường không khí.
4.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được lựa chọn gồm 04 tỉnh thành phố, cụ thể: Hà Nội,
Bắc Ninh, Hưng Yên, Vĩnh Phúc. Đây là các tỉnh thuộc Vùng kinh tế trọng điểm
(KTTĐ) phía Bắc và nằm sát nhau, giao thương giữa các tỉnh khá thuận lợi và là các
tỉnh có xu thế phát triển khá tương đồng nhau.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp mô hình hóa là phương pháp chủ đạo thực hiện trong luận án.
Cụ thể: bộ mô hình khí tượng – mô hình chất lượng không khí (WRF- CMAQ) được
lựa chọn phục vụ cho nghiên cứu của luận án.
- Phương pháp thu thập dữ liệu, phương pháp ảnh vệ tinh, bản đồ và hệ thống
thông tin địa lý (GIS) cũng được sử dụng nhằm xây dựng các bản đồ phát thải; kiểm
định kết quả của mô hình CMAQ; mô phỏng các kết quả tính toán.
6. Những đóng góp mới của luận án
- Lần đầu tiên nghiên cứu ứng dụng chuỗi dữ liệu phát thải REAS v2.1 với
kích thước lưới phát thải 0.25o x 0.25o để xây dựng bản đồ phát thải, tính toán chất
lượng không khí và sự đóng góp của các nguồn thải lớn (nguồn thải từ giao thông,

15

công nghiệp, dân sinh, các nguồn khác).
- Lần đầu tiên nghiên cứu sự biến thiên theo chiều cao một số chất ô nhiễm
không khí tại khu vực lựa chọn nghiên cứu.
- Lần đầu tiên tính toán tổng lắng đọng khô một số chất trong khu vực lựa
chọn nghiên cứu dựa trên các kết quả của mô hình.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Hiện nay, rất nhiều tổ chức quốc tế, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã
đánh giá và đưa ra các công bố về chất lượng môi trường không khí cho khu vực
Việt Nam thông qua các tính toán dựa trên các dạng dữ liệu phát thải đã được công
bố quốc tế. Tuy nhiên việc đánh giá tính chính xác của các kết quả này hiện còn
nhiều khó khăn do việc tiếp cận dữ liệu và phương pháp tính toán trong nước còn
nhiều hạn chế. Vì vậy, nghiên cứu của luận án có thể góp phần mở ra một hướng
nghiên cứu mới trong đánh giá chất lượng môi trường không khí bằng việc sử dụng
các dạng dữ liệu có quy mô khu vực, toàn cầu.
- Cung cấp một số kết quả ban đầu của việc nghiên cứu đánh giá biến thiên
nồng độ chất ô nhiễm theo chiều cao bằng mô hình CMAQ.
- Có thể ứng dụng mô hình CMAQ đánh giá chất lượng môi trường không
khí, cảnh báo ô nhiễm và quản lý chất lượng không khí vùng kinh tế trọng điểm phía
Bắc và trên phạm vi cả nước.
8. Cấu trúc luận án
Luận án được bố cục làm 3 chương chính cùng với phần mở đầu, kết luận, tài
liệu tham khảo và phụ lục.
Chương 1. Tổng quan tài liệu và khu vực nghiên cứu.
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu.
Chương 3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận.
Kết luận.
Tài liệu tham khảo.

16


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN
CỨU
1.1. MÔ HÌNH HÓA CHẤT LƯỢNG KHÔNG
KHÍ
Mô hình hóa CLKK đóng một vai trò quan trọng trong quá trình xây dựng và
đánh giá các chính sách về môi trường nói chung và môi trường không khí nói riêng.
Phương pháp mô hình hóa cũng là phương tiện hỗ trợ giúp tiết kiệm đáng kể cho các
đơn vị quản lý nhà nước về môi trường trong việc giảm các chương trình quan trắc
tốn kém theo quy trình thông thường.
Mô hình hóa còn cho phép đánh giá CLKK tại những khu vực khó có khả
năng tiếp cận để quan trắc hoặc trong những điều kiện về địa lý, địa hình, khí hậu,
thời tiết đặc biệt [21, 22, 36, 37].
Ngoài ra, bằng việc sử dụng mô hình còn có thể xem xét, đánh giá được các
quá trình ảnh hưởng xuyên biên giới do ô nhiễm không khí gây ra hoặc có thể dự báo
được các nhân tố gây axit hóa (lắng đọng axit) và những ảnh hưởng từ hoạt động
của con người như sự gia tăng dân số, công nghiệp hóa, hoạt động giao thông, các
hoạt động xây dựng…[3, 71]. Điểm đặc biệt của mô hình hóa là khả năng bao quát
về cả không gian và thời gian - đây chính là nhân tố quan trọng giúp cho việc xây
dựng và ứng dụng mô hình CLKK ngày càng phát triển và ứng dụng rộng rãi ở Việt
Nam và trên thế giới.
Hiện nay, trên thế giới đã và đang xuất hiện ngày càng nhiều các công trình
nghiên cứu, phát triển mô hình CLKK cũng như ứng dụng mô hình vào dự báo
nghiệp vụ hàng ngày của các cơ quan quản lý môi trường ở các nước có nền kinh tế
và khoa học phát triển mạnh (như ở Mỹ, Nhật Bản, Pháp, Đức…) [65]. Ở Việt Nam,
trong khoảng 15 năm trở lại đây, việc ứng dụng các dạng/loại mô hình trong nghiên
cứu môi trường không khí ngày càng phổ biến hơn do tính ưu việt của mô hình trong
các dự báo chất lượng môi trường ngắn hạn và dài hạn.

1.1.1. Các mô hình chất lượng không khí thông dụng hiện nay
1.1.1.1. Mô hình nguồn điểm
Một trong những mô hình đầu tiên phải kể đến là mô hình Sutton (1932),
Bosanquet (1936). Đó là những mô hình khuếch tán (diffusion) chất ô nhiễm từ ống
17


khói của các nhà máy công nghiệp lớn. Các mô hình này được xây dựng trên cơ sở
phương

18


pháp Gaussian (Gaussian Plume Model) và nó cho phép tính toán phân bố nồng độ
phát thải từ nguồn điểm và khoảng cách tác động tính từ nguồn thải [13, 21].
Hình 1.1. Sơ đồ mô hình nguồn điểm
Mô hình ống khói Gausian được mô tả trên Hình 1.1. Mô hình này được xây
dựng dựa trên thực nghiệm đo đạc độ trải rộng của vệt ống khói theo chiều dọc và
ngang và đo nồng độ theo độ lệch chuẩn của ống khói [16, 18, 21, 22, 24].
Gần đây nhiều các nghiên cứu còn dựa vào nền tảng mô hình này để ứng
dụng tính toán ô nhiễm và lan truyền chất ô nhiễm không khí từ các nguồn tức thời
chẳng hạn như các sự cố từ nhà máy nhiệt điện, cháy dầu hoặc vụ phóng tàu vũ
trụ… (Arystanbekova, 2004) [17].
1.1.1.2. Mô hình theo quy mô khu vực và diện rộng [13, 14]
Từ sau 1970, các nhà khoa học nhận ra rằng ô nhiễm không khí không chỉ
nằm trong một khu vực địa phương nhỏ hẹp mà còn có thể bị tác động từ một vùng
khác rộng lớn hơn. Các nghiên cứu ở khu vực châu Âu đã chỉ ra rằng SO2 và NOx
phát thải từ những ống khói cao và phát tán đi rất xa từ nguồn thải và gây ra hiện
tượng mưa axit ở nhiều khu vực. Ở Mỹ người ta cũng quan sát thấy hiện tượng nồng
độ Ozone cao ở các khu vực đô thị và khu công nghiệp. Các hiện tượng này rõ ràng

là những hệ quả từ các phát thải quy mô lớn và không thể giải thích đơn giản bằng
mô hình nguồn điểm. Mô hình theo quy mô đô thị và diện rộng đã ra đời trên nền
tảng đó nhằm giải quyết các bài toán theo quy mô khu vực và diện rộng.

19


1.1.1.3. Mô hình phat tan (Dispersion models) [21]
Mô hình phát tán là mô hình phục vụ cho việc tính toán quá trình phát tán
(lan truyền) chất ô nhiễm từ một hoặc nhiều dạng nguồn thải khác nhau tới các khu
vực xung quanh.
Một số mô hình phát tán đã và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trên thế
giới có thể nêu ra như sau:
 Mô hình AERMOD: là mô hình phát tán chất ô nhiễm không khí với
tính toán
dựa vào hiện tượng khuếch tán rối ở lớp biên hành tinh từ thấp lên cao theo địa hình
từ đơn giản đến phức tạp. Mô hình này là phiên bản sau của mô hình ISC trước đó.
Mô hình AERMOD là một mô hình giải theo phương pháp Gausian có các thông số
đầu vào là trường khí tượng (gió), dữ liệu độ cao địa hình, dữ liệu sử dụng đất, các
thông số ống
khói.
 Mô hình CALPUFF: là mô hình phát tán chất ô nhiễm trong khí quyển
bất ổn
định mô phỏng tác động của các điều kiện khí tượng theo không gian và thời gian
tới quá trình vận chuyển, biến đổi và loại bỏ chất ô nhiễm. Mô hình CALPUFF có
thể được ứng dụng cho nghiên cứu vận chuyển đường dài và địa hình phức tạp.
 Các loại mô hình khác: một số loại mô hình phát tán khác bao gồm:
BLP,
CALINE3,
OCD.

CAL3QHC/CAL3QHCR,

CTDMPLUS

và

 Tại Việt Nam, nhiều nhóm nghiên cứu đã tự xây dựng các phần mềm
tính toán lan truyền chất ô nhiễm dựa trên nền tảng các hệ phương trình của Gauss,
Berlian và
Sutton.
1.1.1.4. Mô hình quang hóa [39, 41, 42]
Các mô hình quang hóa đa chỉ tiêu, đa quy mô, đa chiều là mô hình thế hệ thứ
3 (3rd Generation hay Models-3) trong sự phát triển của hệ thống các mô hình
CLKK. Các hệ thống mô hình quang hóa CLKK hiện nay là công cụ thường được sử
dụng trong các phân tích đánh giá tác động của các chính sách kiểm soát ô nhiễm
20


môi trường. Các phương pháp giải Lagran và Euler là các phương pháp đang được
sử dụng rộng rãi nhất trong các mô hình quang hóa.

21