Nghiên cứu áp dụng mô hình mms cmaq dự báo chất lượng không khí tp hồ chí minh

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

----------

TRẦN THỊ VƯƠNG

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG MƠ HÌNH MM5-CMAQ
DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ TP.HCM
Chun ngành: Quản lý mơi trường
Mã số: 608510

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011

July

15,

201 1

LUẬN VĂN THẠC SỸ


2

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :
TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM .....................................................................

TS. CHÂU NGUYỄN XUÂN QUANG ..................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. HỒ QUỐC BẰNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. ĐINH XUÂN THẮNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 10 tháng 08 năm 2011
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Lê Văn Trung
2. PGS.TS. Đinh Xuân Thắng
3. TS. Hồ Quốc Bằng
4. TS. Lê Hoàng Nghiêm
5. TS. Nguyễn Tấn Phong
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

15,

201 1

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG

July

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Thị Vương

MSHV: 09260557

Ngày, tháng, năm sinh: 10/08/1985

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Quản lý môi trường

Mã số: 608510

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu áp dụng mơ hình MM5-CMAQ dự báo chất lượng khơng khí TPHCM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thu thập các dữ liệu khí tượng đầu vào cho mơ hình MM5;
 Xây dựng cơ sở dữ liệu khí tượng đầu vào cho mơ hình CMAQ;
Thu thập và xây dựng cơ sở dữ liệu phát thải chất ô nhiễm không khí của thành
phố Hồ Chí Minh;
Áp dụng mơ hình CMAQ dự báo nồng độ các chất ơ nhiễm khơng khí;
Đánh giá so sánh kết quả dự báo và kết quả quan sát.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ..........................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ...........................................................
V. CÁN BỘ ĐỒNG HƯỚNG DẪN : TS. LÊ HOÀNG NGHIÊM VÀ TS.
CHÂU NGUYỄN XUÂN QUANG
Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2011
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

July

TRƯỞNG KHOA MÔI TRƯỜNG

15,

201 1

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


4

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của các thầy cô, các anh chị, các em và các bạn. Với
vốn kiến thức được tiếp thu trong q trình học khơng chỉ là nền tảng cho q trình
nghiên cứu mà cịn là hành trang q báu để tơi bước vào đời một cách vững chắc
và tự tin. Với lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân
thành tới Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học trường Đại học Bách Khoa
Tp.HCM đã giúp đỡ tôi trong q trình học tập và hồn thành luận văn;
Xin cảm ơn Thầy Châu Nguyễn Xuân Quang đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi để thực hiện đề tài;

Đặc biệt, xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Lê
Hoàng Nghiêm– người Thầy mà tơi ln kính trọng đã tận tình giúp đỡ, bổ sung
kiến thức và đóng góp những ý kiến quý báu cho tôi trong suốt thời gian làm đề tài
này;
Xin chân thành cảm ơn các thầy cô khoa Môi trường đã cho tơi những đóng
góp q báu để hồn chỉnh luận văn này;
Xin chân thành cảm ơn bạn Kim Uyên, chị Thùy Linh, em Ngân đã nhiệt tình
giúp đỡ, hỗ trợ tơi trong q trình thực hiện mơ hình;
Xin gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo và tập thể nhân viên Phịng Dự ÁnCơng ty CP XD-CK Tân Bình Tanimex đã quan tâm, tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tôi trong suốt thời gian làm luận văn;
Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn tới gia đình, người thân, bố mẹ,... đã ln
bên cạnh chia sẽ những khó khăn và động viên giúp đỡ tơi hồn thành luận văn

TP.HCM, ngày.......tháng...... năm 2011
Học viên
TRẦN THỊ VƯƠNG

July

Xin chân thành cảm ơn!

15,

201 1

này.


5

TÓM TẮT
Sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất
lượng khơng khí tại Tp.HCM, điển hình là ozon và các tiền chất của nó. Vấn đề dự
báo ơ nhiễm nhằm tìm ra phương hướng giảm thiểu ô nhiễm được xem là một vấn
đề quan trọng hiện nay.
Luận văn này trình bày kết quả nghiên cứu áp dụng cơng cụmơ hình để dự
báo chất lượng khơng khí ở TP.HCM, trong đó sử dụng hệ thống mơ hình chất
lượng khơng khí MM5 - CMAQ. Khu vực nghiên cứu trải dài từ kinh độ 105,2o
Đông đến 105,8o Đông và từ vĩ độ 9,2o Bắc đến 9,8o Bắc. Đồng thời, khoảng thời
gian 01-13/01/2011 được lựa chọn phục vụ cho mô phỏng và dự báo ô nhiễm. Hệ
thống mơ hình được thực hiện với dữ liệu phát thải 0.50.5o thu thập từ Trung
Tâm Nghiên Cứu Mơi Trường Tồn Cầu và Khu vực (CGRER) của Đại Học Iowa.
Để đánh giá mơ hình, các kết quả được so sánh, đánh giá với các số liệu đo
đạc thực tế tại các trạm quan trắc nhằm xác định hiệu quả và độ tín cậy củanó.
Kết quả nghiên cứu chứng tỏ rằng hệ thống mơ hình MM5-CMAQ là cơng cụ
thích hợp cho việc dự báo chất lượng khơng khí tại TP.HCM và những dự báo của
mơ hình CMAQ có ý nghĩa tích cực trong việc dự báo chất lượng khơng khí thực
tế.
Thơng qua quá trình nghiên cứu, đề xuất giải pháp quản lý dựa trên kết quả
dự báo nhằm đảm bảo chất lượng khơng khí tại TP.HCM và khu vực lân cận đạt

July

15,

201 1

tiêu chuẩn.

6

ASTRACT
The strong growth of the economy can significantly impact the air quality in
HCMC, especially ozone and its precursors. Currently, pollution prediction
problem to find the direction to reduce pollution is an important.
This paper presents the results of research applied the photochemical air
quality modelling system(MM5 – CMAQ) to predict air qualityin this city. The
model domain covers the longitude range from 105,2oE to 105, 8oE and the
latitude range from 9.2oN to 9.8oN. The time period was selected for simulation
and prediction of pollution is January2011.
The simulations were performed with 0.5o × 0.5oemission input data
which was prepared from The Center for Global and Regional Environmental
Research (CGRER) of the University of Iowa.
To evaluate the model, the results were compared, evaluated with the actual
measurementsat the monitoring stations to determine the effectiveness and
reliability of it.
Also, the results shown that the MM5-CMAQ system is the suitable modeling
tools for air quality prediction in Ho Chi Minh city and the prediction results by
CMAQ model has positive implications in predicting actual air quality.
Finally, the proposed management solution based on the results of forecasting
to ensure that air quality in the Ho Chi Minh City and neighborhood reached

July

15,

201 1

standards.

7

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, có sự hỗ trợ của Thầy
hướng dẫn, những người mà tôi đã cảm ơn và trích dẫn trong luận văn này. Các số
liệu thu thập, nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực, không
sao chép từ bất cứ đề tài nghiên cứu khoa học nào và chưa từng được ai công bố.

TP.HCM, ngày.......tháng...... năm 2011
Học viên

July

15,

201 1

TRẦN THỊ VƯƠNG


8

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CMAQ (Community Multi – scale
Air Quality)
MM5 (Mesoscale Meteorologcal
Model)

: Mơ hình chất lượng khơng khí cộng
đồng đa quy mơ
: Mơ hình khí tượng động lực quy mô
vừa thế hệ thứ 5

O3

: Ozon

 NCEP (The U. S National Center

: Trung tâm Quốc gia về dự báo môi

for Enviromental Prediction)

trường

 PAN

: Peroxyacetyl Nitrate

 ppb

: Một phần tỷ

 ppm

: Một phần triệu

 PSU

: Trường Đại học tổng hợp Pennsylvania
Mỹ

 QCVN

: Quy chuẩn Việt Nam

 TP.HCM

: Thành phố Hồ Chí Minh

 UPA (Unpaired Peak Prediction

: Độ chính xác dự báo các giá trị cực đại

Accuracy)
 US EPA (United State Enviromental

: Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ

Protection Survey)
 USGS (The United States Geological

: Trung tâm nghiên cứu địa chất của Mỹ

Survey)

QuốcAtmospheric Research)

: Trung tâm nghiên cứu Khí quyển
gia Hoa Kỳ

 VOC

: Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi

 WHO (World health Oganization)

: Tổ chức Y tế thế giới

201 1

 NCAR (National Center for

gia Hoa Kỳ

15,

Atmospheric Administation)

: Cơ quan đại dương và Khí quyển Quốc

July

 NOAA (National Oceanic and


9

 BTNMT

: Bộ Tài nguyên Môi trường

 CGRER (The Center for Global and

: Trung Tâm Nghiên Cứu Mơi Trường

15,

201 1

Tồn Cầu và Khu vực (CGRER)

July

Regional Environmental Research)


10

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1

Các mơ hình chất lượng khơng khí quang hóa

Bảng 3.1

Danh mục các hệ số biến đổi các phát thải CGRER sang CBM-IV
(mol CBM/mol hợp chất)

Bảng 3.2

Mối quan hệ giữa các loại hình sử dụng đất của MM5, CMAQ và
USGS

Bảng 3.3

Bảng tọa độ giới hạn khu vực cho các mơ hình

Bảng 3.4.

Thơng số đánh giá mơ hình

Bảng 3.5.

Công thức được sử dụng để đánh giá dự báo

Bảng 4.1.

Bảng so sánh kết quả quan trắc và kết quả dự báo theo giờ từ ngày
01-13/ 01/2011

Bảng 4.2.

Kết quả quan trắc và dự báo nồng độ O3 lớn nhất ngày từ ngày 0113/ 01/2011

Bảng 4.3.

Đánh giá riêng rẽ dự báo của mơ hình chất lượng khơng khí đối với

chỉ tiêu O3

15,

201 1

Đánh giá dự báo ơ nhiễm khơng khí trong 1 giờ

July

Bảng 4.4.


11

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1.Biến đổi hóa học của oxit nitơ trong tầng đối lưu.
Hình 2.2.Biến đổi hóa học xảy ra hàng ngày trong sự hình thành sương mù quang
hóa.
Hình 2.3. Sơ đồ của hệ thống mơ hình MM5
Hình 2.4. Hệ quy chiếu của mơ hình Euler và mơ hình
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống mơ hình CMAQ
Hình 3.1. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu
Hình 3.2. Giới hạn khu vực mơ hình
Hình 3.3. Lưới cấu hình cho mơ hình chất lượng khơng khí CMAQ
Hình 3.4. Phân chia các lớp khơng khí (theo độ cao sigma) của hai mơ hình MM5
và CMAQ
Hình 4.1. Ví dụ đánh giá dự báo đối với từng giá trị vượt ngưỡng
Hình 4.2. Nồng độ quan trắc và dự báo cao nhất của ozon trong 01-13/01/2011.
Hình 4.3. Biểu diễn phân bố nồng độ ozon theo thời gian (giai đoạn 01/01/2011 –

03/01/2011)
Hình 4.4. Biểu diễn phân bố nồng độ ozon theo thời gian (giai đoạn 04/01/2011 –
06/01/2011)
Hình 4.5. Biểu diễn phân bố nồng độ ozon theo thời gian (giai đoạn 07/01/2011 –
09/01/2011)
Hình 4.6. Biểu diễn phân bố nồng độ ozon theo thời gian (giai đoạn 10/01/2011 –
13/01/2011)
Hình 4.7. Bản đồ nồng độ ozon ngày 01/01/2011

Hình 4.11. Bản đồ nồng độ ozon ngày 05/01/2011
Hình 4.12. Bản đồ nồng độ ozon ngày 06/01/2011
Hình 4.13. Bản đồ nồng độ ozon ngày 07/01/2011

15,

Hình 4.10. Bản đồ nồng độ ozon ngày 04/01/2011

July

Hình 4.9. Bản đồ nồng độ ozon ngày 03/01/2011

201 1

Hình 4.8. Bản đồ nồng độ ozon ngày 02/01/2011


12

Hình 4.14. Bản đồ nồng độ ozon ngày 08/01/2011
Hình 4.15. Bản đồ nồng độ ozon ngày 09/01/2011

Hình 4.16. Bản đồ nồng độ ozon ngày 10/01/2011
Hình 4.17. Bản đồ nồng độ ozon ngày 11/01/2011
Hình 4.18. Bản đồ nồng độ ozon ngày 12/01/2011

July

15,

201 1

Hình 4.19. Bản đồ nồng độ ozon ngày 13/01/2011


13

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 15
1.1 TÊN ĐỀ TÀI ........................................................................................................ 15
1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................... 15
1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI.................................................................................... 17
1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ....................................................... 17
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................. 17
1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI...................................... 17
CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN ............................................................................................................... 18
2.1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC ......................... 18
2.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................................. 18
2.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ................................................................. 19
2.2. TỔNG QUAN VỀ SƯƠNG MÙ QUANG HĨA .................................................. 20

2.2.1. Khái qt về sương mù quang hóa (Photochemical smog) ............................. 20
2.2.2. Các điều kiện để hình thành sương mù quang hóa ......................................... 26
2.2.3. Tác động của sương mù quang hóa ................................................................ 29
2.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH ..................................................................... 32
2.3.1. Mơ hình khí tượng......................................................................................... 32
2.3.2. Mơ hình chất lượng khơng khí ....................................................................... 37
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP&
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 54
3.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................ 54
3.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC MƠ HÌNH SỬ DỤNG .............................................. 56
3.2.1. Lựa chọn mơ hình phục vụ cho nghiên cứu ................................................... 56

3.2.5. Q trình chạy mơ hình ................................................................................. 70
3.3. ĐÁNH GIÁ MƠ HÌNH........................................................................................ 71
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 74

15,

3.2.4. Các thiết lập trong mơ hình ........................................................................... 64

July

3.2.3. Thu thập dữ liệu ............................................................................................ 57

201 1

3.2.2. Lựa chọn khoảng thời gian mô phỏng ............................................................ 57

14

4.1. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ HÌNH ...................................................................... 74
4.1.1. Kết quả quan trắc và kết quả dự báo .............................................................. 74
4.1.2. Đánh giá kết quả quan trắc và kết quả dự báo ................................................ 79
4.1.3. Biểu diễn nồng độ ozon theo thời gian........................................................... 82
4.2. CÁC BIỆN PHÁP QUẢN LÝ ............................................................................. 86
4.2.1. Áp dụng hiệu quả các công cụ pháp lý:.......................................................... 88
4.2.2. Biện pháp tuyên truyền.................................................................................. 90
4.2.3. Biện pháp qui hoạch: ..................................................................................... 90
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 91
5.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 91
5.2 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 93

July

15,

201 1

PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 96


15

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU

1.1 TÊN ĐỀ TÀI
“Nghiên cứu áp dụng mô hình MM5-CMAQ dự báo chất lượng khơng khí
TPHCM”.
1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật dẫn đến sự phát triển nhanh
chóng của sản xuất hàng hóa và q trình đơ thị hóa trên tồn thế giới. Q trình
phát triển kinh tế xã hội một mặt không ngừng cải thiện chất lượng sống của con
người, một mặt tạo ra hàng loạt các vấn đề suy thối mơi trường trên tồn cầu, đặc
biệt là những nước đang phát triển. Vì vậy, việc giữ gìn và bảo vệ môi trường đã
trở nên vấn đề bức xúc.Trong đó, vấn đề bảo vệ mơi trường khơng khí chiếm một
vị trí đặc biệt.
Ngun nhân chính gây ơ nhiễm bầu khí quyển tại các vùng thành thị ở các
nước là do sự gia tăng đột ngột của nhu cầu sử dụng nguyên vật liệu cùng với sự
phát triển về số lượng phương tiện giao thông. Tương tự như các thành phố khác ở
các nước đang phát triển, TP.HCM hiện đang đối mặt với các vấn đề môi trường
nghiêm trọng.
Theo kết quả đo đạc tại 6 trạm quan trắc không khí tại TP. Hồ Chí Minh năm
2009 cho thấy 89% mẫu kiểm tra khơng khí khơng đạt tiêu chuẩn cho phép, luôn ở
mức nguy hại cao cho sức khỏe, trong đó lượng bụi lơ lửng đang là nhân tố gây ô

tại TP vẫn chưa được cải thiện, thậm chí đang diễn biến theo chiều hướng xấu hơn.
Lý giải thực tế trên, PGS-TS Phùng Chí Sỹ cho biết, ơ nhiễm khí thải xuất phát từ
hoạt động giao thông vận tải và sản xuất cơng nghiệp. Hiện trên địa bàn TP có gần

15,

ơ nhiễm khơng khí cao. Điều đáng nói là cho đến nay mức độ ơ nhiễm khơng khí

July

Đến năm 2010, TPHCM bị xếp vào tốp 10 thành phố trên thế giới có mức độ

201 1

nhiễm nghiêm trọng hàng đầu trên địa bàn.


16

150.000 doanh nghiệp đang hoạt động nhưng chỉ hơn 10% doanh nghiệp có đầu tư
hệ thống xử lý khí thải. Khơng chỉ vậy, mơi trường TP hàng ngày cịn phải tiếp
nhận lượng lớn khí thải ơ nhiễm từ khoảng 3,8 triệu xe 2 bánh, hơn 300.000 ô tô
các loại…Kết quả đo đạc khí thải do Chi cục Bảo vệ mơi trường, Sở Tài nguyên Môi trường TPHCM tiến hành gần đây cho thấy, nồng độ các chất bụi, ozôn, nitơ,
lưu huỳnh… đều tăng từ 1 đến gần 3 lần so với cùng kỳ năm 2010. Từ khi Chính
phủ ban hành chính sách hạn chế sử dụng xăng pha chì thì nồng độ chì trong khơng
khí giảm hẳn, ngược lại nồng độ hợp chất benzen lại tăng đáng kể. Các thông số
benzen đo được tại 6 trạm quan trắc bán tự động cho thấy vượt tiêu chuẩn quy định
của cơ quan bảo vệ mơi trường Mỹ (Việt Nam chưa có quy định tiêu chuẩn cho
phép hợp chất Benzen).
Theo Sở Khoa học Công nghệ TPHCM, nồng độ các chất ô nhiễm trong
không khí như bụi, SO, CO, NO2… trong khơng khí trên địa bàn TP.HCM đo được
từ năm 2003 đến nay (2011) vẫn luôn vượt tiêu chuẩn cho phép. Hai yếu tố gây ra ơ
nhiễm nặng khơng khí là hoạt động sản xuất công nghiệp và giao thông chiếm hơn
80%.3 khu vực quận huyện bị ơ nhiễm khơng khí nặng nhất là Hóc Mơn, Củ Chi và
Bình Chánh. Ngun nhân là do những khu vực này thường xun hứng chịu khí ơ
nhiễm từ nội thành khuếch tán theo hướng gió về. Nồng độ ơ nhiễm khơng khí mùa
khơ thường cao hơn mùa mưa.Ngồi ra, hiện 9 trạm quan trắc khơng khí tự động và
8 trạm bán tự động của TP đã xuống cấp nghiêm trọng. Các thông số đo được chưa
đủ tin cậy để dự báo tình hình ơ nhiễm khơng khí của TP.HCM, cần phải duy tu,
bảo trì và nâng cấp. Trong trường hợp này, mơ hình quản lý chất lượng khơng khí

là một cơng cụ hiệu quả được sử dụng để nghiên cứu. Việc lựa chọn một mơ hình

điểm này là rất cần thiết.

chất lượng khơng khí TPHCM” được thực hiện và mơ hình CMAQ được lựa chọn

15,

để nghiên cứu và áp dụng để đạt được mục tiêu của đề tài.

July

Trước yêu cầu đó, đề tài “Nghiên cứu áp dụng mơ hình MM5-CMAQ dự báo

201 1

phù hợp, có độ tin cậy cao để dự báo và đánh giá chất lượng khơng khí vào thời


17

1.3 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI
Áp dụng cơng cụ (mơ hình MM5-CMAQ) để dự báo chất lượng khơng khí
TPHCM.
1.4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu: các chất ơ nhiễm khơng khí: NO2, SO2, CO, O3, …
 Phạm vi nghiên cứu: Thành phố Hồ Chí Minh
 Cơng cụ nghiên cứu: công cụ MM5-CMAQ
1.5 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Đề tài sẽ tập trung giải quyết các công việc sau:

 Thu thập các dữ liệu khí tượng đầu vào cho mơ hình MM5.
 Xây dựng cơ sở dữ liệu khí tượng đầu vào cho mơ hình CMAQ.
 Thu thập và xây dựng cơ sở dữ liệu phát thải chất ô nhiễm khơng khí của
thành phố Hồ Chí Minh.
 Áp dụng mơ hình CMAQ dự báo nồng độ các chất ơ nhiễm khơng khí.
 Đánh giá so sánh kết quả dự báo và kết quả quan sát
1.6 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học:
Đề tài đã xây dựng được bộ CSDL cho việc tính tốn phát thải khí thơng qua
việc thu thập tài liệu và khảo sát hiện trường. Các kết quả chất lượng không khí
trong luận án là tiền đề mở ra những hướng nghiên cứu sâu hơn nhằm đánh giá một
cách chính xác về chất ô nhiễm ở Tp HCM.
Ý nghĩa thực tiễn:
Đề tài đã tiếp cận và giải quyết bài toán chất lượng khơng khí bằng phương pháp mơ

thi cao, có thể triển khai trong thực tiễn để giải quyết vấn đề nan giải do ơ nhiễm khơng
khí tại Tp HCM.

15,

lượng khơng khí tại Tp HCM nhằm giảm thiểu ơ nhiễm khơng khí là phù hợp với tính khả

July

áp dụng cho các địa bàn tương tự trong điều kiện của Việt Nam; Kết quả dự báo chất

201 1

hình hố. Các đánh giá sai số của kết quả ở mức chấp nhận được, có thể được triển khai và

18

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN
2.1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
Vào năm 1997, Viện quốc tế về phân tích hệ thống ứng dụng (IIASA,
Laxenbourg, Áo) đã công bố danh sách danh mục các cơng trình nghiên cứu trong
25 năm, gồm 50.000 cơng trình liên quan tới lý thuyết hệ thống và mơ hình hóa
mơi trường.
Ngày nay, do vấn đề mơi trường đã trở thành vấn đề tồn cầu cho nên có rất
nhiều chương trình nghiên cứu mơi trường được thực hiện trong đó có bài tốn dự
báo chất lượng khơng khí.
Mơ hình dự báo chất lượng khơng khí cộng đồng đa quy mô CMAQ (The
Community Multi-scale Air Quality) do cục Khí quyển và Đại dương Quốc gia
(NOAA) kết hợp với Cục bảo vệ môi trường (EPA) của Mỹ xây dựng và phát triển
từ trước năm 1990 tới nay. CMAQ có khả năng mơ phỏng các q trình khí quyển
phức tạp ảnh hưởng tới sự biến đổi hóa học, lan truyền và lắng đọng của các chất ô
nhiễm như: ozon, NOx , SO2, CO, bụi, a xít, …v.v.

2.1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
2.1.1.1. Một số nghiên cứu ứng dụng mơ hình CMAQ trên thế giới
Hee-Jin In, Yong Pyo Kim và Kwon-Ho Lee (2008) dùng mơ hình CMAQ

việc dự toán phát thải của những trận cháy lớn đối với NDVI trong 5 năm gần đây.

15,

miền bắc Trung Quốc và Mơng Cổ vào tháng 5 năm 2003 gây khó khăn đối với

July

rừng tại Siberi vào tháng 5 năm 2003 và kết quả cho thấy việc cháy rừng ở Siberia,

201 1

để xác định nguồn gốc của việc quan sát thấy lớp aerosol dầy lên trong vụ cháy


19

K. Wyat Appel, Prakash V. Bhave, Alice B. Gilliland, Golam Sarwar và
Shawn J. Roselle (2008) đã nghiên cứu đánh giá độ nhạy ảnh hưởng đến hiệu quả
của mơ hình CMAQ phiên bản 4.5- Phần II-hạt vật chất.
Lê Hoàng Nghiêm (2007) nghiên cứu áp dụng mơ hình CMAQ đánh giá tác
động của nồng độ ozon mặt đất lên năng suất lúa cho khu vực lục địa Đông Nam Á.
O. Russell Bullock, Jr. và Katherine A. Brehme (2002) đã sử dụng mô hình
CMAQ để mơ phỏng hàm lượng thủy ngân trong khí quyển - xây dựng và phân tích
các kết quả lắng đọng ướt.
2.1.1.2. Một số nghiên cứu về ảnh hưởng của ô nhiễm không khí trên thế giới
R.SanJosé, J.L.Pé rez, R.M.Gonzá lez sử dụng mơ hình CMAQ để quản lý
nhà máy cơng nghiệp.
G.Brulfert, O.Galvez, F.Yang, J.J.Sloan mơ hình nghiên cứu nồng độ ozone
cao ở khu vực Nam Ontario vào giai đoạn tháng 6 năm 2001, lập bản đồ tốc độ
phát thải ozone trung bình giờ.
Che-JenLin, Thomas. C.Ho, Hsing-weiChu, HengYang, Martha J.Mojica,
Nagesh Krishnarajanagar, PaulChiou, Jack R.Hopper so sánh nghiên cứu phát thải
vào năm 1999 và 1996 của USEPA cho khu vực Vịnh phía tây của khu vực bờ biển
Mexico, Mỹ.
DaewonW.Byuna,

SoontaeKima,

BeataCzader,

DavidNowak,

StephenStetsonc, MarkEstes ứng dụng mơ hình CMAQ để ước lượng phát thải sinh
học từ dữ liệu vệ tinh của lớp thực phủ và lớp sử dụng đất của vùng HoustonGalveston cho vùng có nồng độ ozone khơng đạt tiêu chuẩn.

quang hóa) cho thấy hiện nay có một số nghiên cứu sau:

15,

khơng khí và việc áp dụng mơ hình chất lượng khơng khí 3D (hay mơ hình khói

July

Tổng quan các nghiên cứu về ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến chất lượng

201 1

2.1.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam


20

- Nghiên cứu thử nghiệm áp dụng hệ thống mô hình dự báo chất lượng khơng
khí đa quy mơ CMAQ ở Việt Nam của Trương Anh Sơn và Dương Hồng Sơn,
Phạm Văn Sỹ (2008).

- Nghiên cứu quy luật diễn biến chất lượng khơng khí từ số liệu quan trắc tại 9
trạm quan trắc khơng khí tự động và xây dựng bản đồ phân bố ô nhiễm cho
TP.HCM (2010) - PGS. TS. Nguyễn Đình Tuấn,TS. Lê Hồng Nghiêm
- Mơ phỏng lan truyền ô nhiễm do giao thông vận tải trên khu vực thành phố
Hồ Chí Minh - Lương Văn Việt, Lê Anh Tuấn, Hồ Quốc Bằng, Trương Hồi
Thanh
- Mơ hình hố chất lượng khơng khí khu vực Tp.Hồ Chí Minh – Nghiên cứu
những chiến lược giảm thiểu (2005) - Hồ Quốc Bằng, Clappier Alain, Zarate Erika

2.2. TỔNG QUAN VỀ SƯƠNG MÙ QUANG HĨA
2.2.1. Khái qt về sương mù quang hóa (Photochemical smog)
Cuộc cách mạng cơng nghiệp là ngun nhân chính làm tăng các chất ơ nhiễm
trong khơng khí trong suốt ba thế kỉ qua. Trước 1950, nguyên nhân chính gây ra sự
ô nhiễm này là do đốt than đá để sản sinh ra năng lượng, để nấu ăn và để vận
chuyển. Trong điều kiện thích hợp, khói và SO2 được sinh ra từ việc đốt than đá có
thể kết hợp với sương mù để hình thành nên dạng gọi là “sương mù công nghiệp”
(industrial smog).Ở nồng độ cao, sương mù công nghiệp có thể rất độc đối với con
người và các sinh vật sống khác.London là thành phố nổi tiếng thế giới về sương
mù công nghiệp.Sự kiện sương mù London nổi tiếng nhất xảy ra vào tháng
12/1952, khi đó sương mù dày đặc kéo dài trong 5 ngày đã tạo ra bầu không khi

thạch, năng luợng hạt nhân, và thủy điện thay vì than đá đã làm giảm đáng kể sự

như gas, xăng dầu có thể gây ra một vấn đề ô nhiễm không khí khác là hiện tượng

15,

sương mù quang hóa.

July

xuất hiện của sương mù cơng nghiệp.Tuy nhiên, việc đốt các nhiên liệu hóa thạch

201 1

độc hại và làm chết khoảng 400 người.Ngày nay, việc sử dụng nhiên liệu hóa

Sương mù thông thường


21

Sương mù là hiện tượng hơi nước ngưng tụ thành các hạt nhỏ li ti trong lớp
khơng khí sát mặt đất, làm giảm tầm nhìn ngang xuống dưới 1 km. Nó giống như
mây thấp nhưng khác ở chỗ sương mù tiếp xúc trực tiếp với bề mặt đất, còn mây
thấp không tiếp súc với bề mặt đất mà cách mặt đất một khoảng cách được gọi là
độ cao chân mây. Chính vì thế người ta xếp sương mù vào họ mây thấp.
Định nghĩa sương mù quang hóa
Từ lâu, trong các nghiên cứu về môi trường, các nhà khoa học thế giới đã
miêu tả một hiện tượng ơ nhiễm khơng khí đặc biệt, dưới tên gọi smog - sương
khói (ghép hai từ tiếng Anh fog - sương mù và smoke - khói).Theo đó, smog được
định nghĩa là "lớp mù quang hóa gây ra bởi sự tương tác giữa bức xạ cực tím của
mặt trời và bầu khí quyển bị ơ nhiễm bởi các hydrocarbon và ơxít nitrogen thốt ra
từ khí thải động cơ”.
Sương mù quang hóa là một dạng ơ nhiễm khơng khí sinh ra khi ánh sáng mặt
trời tác dụng lên khí thải động cơ xe máy, khí thải cơng nghiệp… để hình thành nên
những vật chất như ozone, aldehit và peroxyacetylnitrate (PAN).
Sương mù quang hóa xảy ra ở tầng đối lưu của khí quyển – nơi tập trung phần
lớn các chất khí gây ơ nhiễm : NOx, các hợp chất VOCs (Volatile Organic
Compounds)…

Cơ chế hình thành sương mù quang hóa
Dựa vào các nghiên cứu,người ta đã có thể kết luận rằng sương mù quang hóa
được tổng hợp từ NO, NO2, HNO3, CO, các nitrat hữu cơ (PAN), O3 và các chất
oxy hóa quang hóa. Vì thế cơ chế hình thành nên sương mù quang hóa cũng là cơ
chế hình thành nên các hợp chất trên, đồng thời đó là các điều kiện khiến các hợp

tham gia vào sự hình thành sương mù quang hóa có thể tạo thành các hạt nhân hình

Sự quang phân của NO2 khởi đầu cho sự hình thành sương mù quang

15,

hóa.NO, dạng chiếm ưu thế (về lượng) của NOx, phản ứng với O2 để tạo thành

July

thành nên aerosols.

201 1

chất này có thể tồn tại trong khí quyển.Trong điều kiện thích hợp, các hợp chất


22

NO2. Lượng nhỏ NO2 này gây ra các phản ứng tiếp theo thơng qua sự phân hủy
của nó, hình thành nên chu trình quang phân NO2.
NO2 + hv → NO + O
- Ở đây hv kí hiệu cho một photon năng lượng bị hấp thụ bởi nitơ oxit, gây ra
sự phân hủy NO2 thành NO và O. Nguyên tử oxy được giải phóng phản ứng với

phân tử O2 để tạo ra ozon
O + O2 + M → O3 + M
- M là một phân tử thứ ba (thông thường là O2 hay N2 vì chúng có nhiều
trong khơng khí) hấp thụ năng lượng thừa từ phản ứng để ngăn chặn phản ứng phân
hủy O3 thành O và O2.
- Ozon sinh ra phản ứng với phân tử NO để tái sản sinh ra NO2 và phân tử
O2.
NO(g) + O3(g) → NO2(g) + O2(g)
- Khi tỉ lệ giữa NO2 và NO lớn hơn 3 thì phản ứng hình thành ozon là phản
ứng chủ đạo. Nếu tỉ lệ này nhỏ hơn 3 thì phản ứng phân hủy ozon giữ vai trò chủ
đạo và giữ cho nồng độ ozon dưới mức nguy hại.
- Phản ứng của hidrocacbon với NO và O2 sản sinh ra NO2 cũng xảy ra dưới
ánh sáng mặt trời, làm tăng tỉ lệ giữa NO2 và NO.
- NO2 sinh ra phản ứng với O3 tạo NO3, sản phẩm này phản ứng tiếp với
NO2 tạo N2O5 theo phương trình:
NO2 + O3 → NO3 + O2
NO3 + NO2 ↔ N2O5
- NO2, O2 và hydrocarbon phản ứng với nhau dưới điều kiện ánh sáng mặt

NO2(g) + O2(g) + hydrocarbons → CH3CO-OO-NO2(g)

hydrocarbon bởi các nguồn nhân tạo đã phá vỡ chu trình quang phân, cái mà không

15,

làm cho nồng độ của NO2 và O3 trong khơng khí tăng lên nếu như khơng bị phá

July

Nhưng việc thải ra một lượng lớn NOx, CO, các hợp chất carbonyl và các

201 1

trời sản sinh ra peroxyacetylnitrate (CH3CO-OO-NO2)

vỡ. CO và hydrocarbons, thông qua phản ứng của chúng với các góc hydroxyl thêm


23

vào đó là sự quang phân của các hợp chất carbonyl, phá hủy chu trình quang phân
thơng thường thơng qua việc hình thành các gốc peroxyl. Các gốc peroxyl này ngăn
chặn phản ứng giữa O3 và NO, vì vậy làm kết thúc chu trình và làm tích tụ O3
trong khơng khí.
Như vậy, để đánh giá đầy đủ sự hình thành sương khói quang hóa, điều đầu
tiên phải thừa nhận rằng nitơ là chuyển đổi giữa nhiều chất khác nhau trong khí
quyển.Khí thải ơ tơ tạo ra oxit nitơ (NO) cùng với một lượng nhỏ khí nitơ
(NO2).Hai chất này khởi đầu cho một loạt các phản ứng hóa học dẫn đến sản phẩm
với các trạng thái ơxi hóa cao hơn. Trong một quá trình chuyển tiếp thẳng, nitrogen
oxide (NO) được chuyển thành nitơ đioxit (NO2), nitơ đioxit được chuyển trioxide
nitơ (NO3), và nitơ trioxide (NO3) chuyển đổi thành đinitơ pentơxít (N2O5). Các
oxit nitơ đơn giản sau đó phản ứng thơng qua một q trình quang hóa, hoặc với
các chất khí quyển để hình thành các chất kích thích sinh học bao gồm: (1) alkyl
nitrit; (2) peroxyalkyl nitrate (3) alkyl nitrate (4) peroxyacetyl nitrate (5) nitơ axit,
(6) peroxynitric axit (7) axit nitric, và; (8) ammonium nitrate.

July

15,

201 1

Những biến đổi hóa học được hiển thị trong hình sau


24

Hình 2.1.Biến đổi hóa học của oxit nitơ trong tầng đối lưu.
Các chất phản ứng với các oxit nitơ để hình thành sản phẩm cuối cùng của
sương mù quang hóa là hydrocarbon dấu vết (từ q trình đốt cháy khơng đầy đủ)
và các gốc tự do hydroxyl. Các thành phần cần thiết cho sự hình thành sương mù
quang hóa: (1) các oxit nitơ, ánh sáng mặt trời (2), và (3) hydrocarbon. Sự hình
thành sương mù quang hóa thơng qua một chuỗi các phản ứng, tất cả đều liên quan
đến một cơ chế gốc tự do. Các gốc tự do được tạo ra bởi photodissociation của khí
nitơ, một q trình tạo ra ozone và các nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy phản ứng với
nước để tạo thành các gốc hydroxyl, và lần lượt phản ứng với hydrocarbon để hình

hydroxyl đến sự hình thành của aldehyt. Các aldehyde là bị oxy hóa hơn nữa để tạo

rất khó chịu đến các mơ nhạy cảm sinh học và gây ra hầu hết các vấn đề sức khỏe

15,

Hình 2.2 là một sơ đồ cho thấy những thay đổi trong nồng độ khí quyển oxit nitơ,

July

thành aldehyde peroxit và peroxyaxit. Những chất này cuối cùng là những hợp chất

201 1

thành các gốc hydrocarbon. Quá trình oxy hóa của hydrocarbon dẫn gốc tự do

khí nitơ, non-methane hydrocarbon, aldehyde, và oxidants.


25

Hình 2.2.Biến đổi hóa học xảy ra hàng ngày trong sự hình thành sương mù quang
hóa.
Phân tích các dữ liệu thể hiện trong hình trên dẫn đến các phương trình hình
thành sương khói quang hóa (phương trình 1-8 hiển thị dưới đây).
PT 1: NO2 + h NO + O
PT 2: O + O2 + M  O3 + M
PT 3: NO + O3  NO2 + O2
Đây là một quá trình tuần hồn cần ánh sáng và nitơ oxit để tạo ra các nguyên

PT 4: O* + H20  2OH*
PT 5:  RH + OH*  H20 + R*
 R* + O2  RO2* (nhanh chóng)

15,

trình 5 đến 8 để hình thành các nitrat peroxyacyl (PAN).

July

gốc hydroxyl. Các gốc hydroxyl sau đó phản ứng với các hydrocacbon theo phương

201 1

tử oxy. Sau khi hình thành, các nguyên tử oxy phản ứng với nước để hình thành các