Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị ở thành phố Đông Hà tỉnh Quảng Trị

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

Đàm Duy Ân

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CMAQ
ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG
KHƠNG 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
0


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

Đàm Duy Ân

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CMAQ
ĐÁNH GIÁ, DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG
KHƠNG 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
1


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng 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 cơng bố trên tạp chí khoa học chun 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.
Tơi xin hồn tồn 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

0


LỜI CẢM ƠN

Trong śt quá trình học tập và hồn thành luận án này, tôi đã nhận được sự
hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của các thầy cơ, đồng nghiệp, gia đình và các bạn bè.
Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin được bày tỏ lới cảm ơn chân
thành tới: Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Môi trường Trường Đại
học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Các thầy cô giáo, các nhà khoa

học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hồn thành
ḷn án này;
Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình đã luôn kiên nhẫn động viên, hỗ trợ tơi
trong śt q trình học tập, làm việc và hồn thành luận án.
Lời cảm ơn sâu sắc nhất xin được gửi đến PGS.TS. Mai Trọng Thông người
thầy kính mến đã hết lòng giúp đỡ, khích lệ tôi trong suốt quá trình học tập và thực
hiện luận án này.
Trân trọng!
Hà Nội, ngày

tháng

Nghiên cứu sinh

Đàm Duy Ân

1

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 HĨA CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ ......................................... 14
1.1.1. Các mơ hình chất lượng khơng khí thơng dụng hiện nay .......................... 14
1.1.1.1. Mơ hình nguồn điểm......................................................................... 14
1.1.1.2. Mơ hình theo quy mô khu vực và diện rộng [13, 14] ......................... 15
1.1.1.3. Mơ hình phát tán (Dispersion models) [21] ....................................... 16
1.1.1.4. Mơ hình quang hóa ........................................................................... 16
1.1.2. Các mơ hình khí tượng thơng dụng .......................................................... 18
1.1.2.1. Mơ hình MM5 .................................................................................. 18
1.1.2.2. Mơ hình WRF................................................................................... 18
1.1.2.3. Mơ hình CALMET ........................................................................... 19
1.1.2.4. Mơ hình RAMS ................................................................................ 19
1.1.3. Mơ hình kiểm kê phát thải........................................................................ 19
1.1.4. Mơ hình dự báo thống kê (Statistical Models) .......................................... 20
1.2. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG MƠ HÌNH CMAQ TRONG NGHIÊN CỨU
CHẤT LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG 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
1.3. 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

1


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. Mơ hình WRF ......................................................................................... 34
2.1.2. Mơ hình CMAQ và khả năng mô phỏng [25, 26, 37, 40] ...................... 37
2.1.3. Tính tốn lắng đọng khơ ......................................................................... 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 tốn ............................................... 46
2.3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN 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 tốn dữ liệu phát thải sau năm 2008 từ nguồn dữ liệu
REAS v2.1 ........................................................................................................ 48
2.4. MIỀN TÍNH VÀ PHƯƠNG PHÁP KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH ...................... 51
2.4.1. Miền tính ................................................................................................ 51
2.4.2. Phương án tính tốn ................................................................................ 52
2.4.3. Kiểm định mơ 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 mơi trường khơng 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 MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ NĂM
2013 ...................................................................................................................... 65
3.2.1. Dữ liệu phát thải 2013 ............................................................................ 65
3.2.2. Kiểm định mơ 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 mơi trường khơng khí năm 2013 ........................... 76

2


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 GĨP Ơ NHIỄM KHƠNG 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 Ơ NHIỄM KHƠNG 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 CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ........................ 139
LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................... 139
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 140

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CMAQ

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

CCTM

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

CLKK
GIS

Chất lượng khơng khí
Hệ thống thơng 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

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

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

4


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 tốn 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 mơ 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 tốn ............................................................................................... 74
Bảng 3.3. So sánh kết quả tổng cộng NO2 tầng đối lưu từ mơ 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

5


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ mơ hình nguồn điểm ................................................................... 15
Hình 1.2. Sơ đồ mơ tả tổng thể hệ thống mơ hình dự báo chất lượng khơng khí ........ 17
Hình 1.3. Các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc [1] ........................ 27
Hình 2.1. Cấu trúc mơ hình WRF ..................................................................... 35
Hình 2.2. Quan hệ giữa hệ thống mơ hình CMAQ với các mơ hình phát thải và khí
tượng [10 - 14] ................................................................................................. 37
Hình 2.3. Hệ thống các module trong mơ 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 cơng 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 cơng 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 mơ 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 tốn và thực đo năm 2007 ... 57
Hình 3.2b. So sánh nồng độ NO2 giữa kết quả tính tốn và thực đo năm 2007 .. 58
Hình 3.2c. So sánh nồng độ PM10 giữa kết quả tính tốn 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 tốn năm 2013 ... 71
Hình 3.10. So sánh nồng độ NO2 giữa số liệu thực đo và kết quả tính tốn năm 2013 .. 72

6


Hình 3.11. So sánh nồng độ CO giữa số liệu thực đo và kết quả tính tốn 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

7

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

8

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án
Khơng khí là một trong những thành phần mơi trường quan trọng, có ý nghĩa
sống cịn để duy trì sự sống trên Trái đất. Chất lượng khơng khí liên quan mật thiết
đến các q trình hơ hấp (hoặc quang hợp) của hầu hết các sinh vật trên Trái đất. Do
vậy sự thay đổi chất lượng mơi trường khơng 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 tồn cầu.
Khơng khí khi đã bị ơ nhiễm sẽ rất khó kiểm sốt do đặc tính dễ lan truyền từ
khu vực này đến khu vực khác. Vì vậy ơ nhiễm khơng khí được coi là dạng ơ nhiễm
“khơng biên giới” vì quy mơ tác động của chúng hồn tồn 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 thối tầng Ozone (có ngun
nhân từ việc ơ nhiễm khơng 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 sốt 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 mơi
trường. Đến thời điểm này, ơ nhiễm khơng khí là dạng ơ 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 thơng cũng như từ q trình đơ thị hóa. Tuy nhiên, song song với việc
phát triển kinh tế và các hoạt động phát triển khác (giao thơng, cơ sở hạ tầng, đơ thị
hóa…) cũng làm gia tăng nguồn phát thải gây ra ô nhiễm môi trường nói chung và
mơi trường khơng khí nói riêng. Chính vì vậy, nghiên cứu đánh giá và dự báo chất
lượng môi trường khơng 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

9


khơng khí, thơng thường sử dụng hai phương pháp bao gồm: phương pháp thực
nghiệm và phương pháp mơ 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
khơng nhiều, tần suất đo thấp thì đánh giá dựa vào giá trị quan trắc khó cho thấy bức
tranh tổng qt về chất lượng khơng 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
khơng khí thường rất lớn. Phương pháp mơ 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 mơ 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 mơi 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 mơi trường.
 Ứng dụng mơ hình có thể sản sinh ra một lượng lớn thông tin thứ cấp trên
cơ sở những thơng tin hữu hạn đầu vào.
 Cho phép tính tốn được những giá trị của các tham số/thơng số ở những nơi
khơng thể có (hoặc q khó khăn để thực hiện phép đo) số liệu quan trắc.
 Thời gian tính tốn ngắn và dễ dàng thay đổi các phương án tính tốn thơng
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 giá, dự báo chất lượng môi trường
khơng khí tại một sớ khu vực thuộc vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đánh giá khả năng sử dụng mơ hình CMAQ với số liệu khí tượng đầu vào

được tính tốn từ mơ hình WRF và nguồn dữ liệu kiểm kê phát thải cho khu vực châu
Á - REAS để tính tốn đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí, đánh giá khả năng

10


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 tốn 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 ơ nhiễm khơng khí từ các nguồn thải lớn:
cơng 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 khơng khí lớp biên khí quyển dựa trên kết quả từ mơ
hình CMAQ.
3. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu ứng dụng mơ 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 tốn xu thế phát thải trong tương lai và áp dụng tính tốn cho khu vực lựa chọn
nghiên cứu.
- Nghiên cứu ứng dụng, xây dựng các bản đồ phát thải chất gây ô nhiễm môi
trường khơng 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 mơi trường khơng 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 khơng khí cho các chất SO2, NO2,
CO và bụi PM10 thông qua kịch bản phát thải trong tương lai.

11


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 mơ hình tính tốn chất lượng khơng khí (CMAQ).
- Diễn biến chất lượng mơi trường khơng 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 ơ
nhiễm từ các nguồn thải lớn (giao thông, công nghiệp và dân sinh) thơng qua kết quả
tính tốn từ mơ hình.
- Tính tốn tổng lắng đọng khơ một số chất dựa trên các kết quả thu được từ
mơ hình WRF, CMAQ.
- Nghiên cứu biến thiên theo chiều cao (profile thẳng đứng) một số chất gây ơ
nhiễm mơi trường khơng 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 mơ hình hóa là phương pháp chủ đạo thực hiện trong luận án.
Cụ thể: bộ mô hình khí tượng – mơ hình chất lượng khơng 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 mơ hình CMAQ; mơ phỏng các kết quả tính tốn.
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 tốn chất
lượng khơng khí và sự đóng góp của các nguồn thải lớn (nguồn thải từ giao thông,

12


công nghiệp, dân sinh, các nguồn khác).
- Lần đầu tiên nghiên cứu sự biến thiên theo chiều cao một số chất ơ nhiễm
khơng khí tại khu vực lựa chọn nghiên cứu.
- Lần đầu tiên tính tốn tổng lắng đọng khơ một số chất trong khu vực lựa chọn
nghiên cứu dựa trên các kết quả của mơ 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 mơi trường khơng khí cho khu vực Việt
Nam thơng qua các tính tốn 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 cịn nhiều
khó khăn do việc tiếp cận dữ liệu và phương pháp tính tốn trong nước cịn 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 mơi trường khơng khí bằng việc sử dụng các dạng dữ
liệu có quy mơ khu vực, tồn 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 mơ hình CMAQ.
- Có thể ứng dụng mơ hình CMAQ đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí,
cảnh báo ơ nhiễm và quản lý chất lượng khơng 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.

13


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
1.1. MƠ HÌNH HĨA CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ
Mơ hình hóa CLKK đóng một vai trị quan trọng trong q trình xây dựng và
đánh giá các chính sách về mơi trường nói chung và mơi trường khơng khí nói riêng.
Phương pháp mơ hình hóa cũng là phương tiện hỗ trợ giúp tiết kiệm đáng kể cho các đơn
vị quản lý nhà nước về mơi trường trong việc giảm các chương trình quan trắc tốn kém
theo quy trình thơng thường.
Mơ 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 mơ hình cịn có thể xem xét, đánh giá được các quá
trình ảnh hưởng xuyên biên giới do ơ nhiễm khơng 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, cơng nghiệp hóa, hoạt động giao thông, các hoạt động xây
dựng…[3, 71]. Điểm đặc biệt của mơ hình hóa là khả năng bao qt về cả khơng gian và
thời gian - đây chính là nhân tố quan trọng giúp cho việc xây dựng và ứng dụng mơ 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 cơng trình nghiên
cứu, phát triển mơ hình CLKK cũng như ứng dụng mơ 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 mơ hình trong nghiên cứu mơi trường khơng khí
ngày càng phổ biến hơn do tính ưu việt của mơ hình trong các dự báo chất lượng mơi
trường ngắn hạn và dài hạn.
1.1.1. Các mơ hình chất lượng khơng khí thơng dụng hiện nay
1.1.1.1. Mơ hình nguồn điểm
Một trong những mơ hình đầu tiên phải kể đến là mơ hình Sutton (1932),
Bosanquet (1936). Đó là những mơ hình khuếch tán (diffusion) chất ơ nhiễm từ ống khói
của các nhà máy cơng nghiệp lớn. Các mơ hình này được xây dựng trên cơ sở phương

14


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 mơ hình nguồn điểm
Mơ hình ống khói Gausian được mơ tả trên Hình 1.1. Mơ 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 cịn dựa vào nền tảng mơ hình này để ứng dụng
tính tốn ơ nhiễm và lan truyền chất ơ nhiễm khơng 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. Mơ hình theo quy mô khu vực và diện rộng [13, 14]
Từ sau 1970, các nhà khoa học nhận ra rằng ô nhiễm khơng khí khơng chỉ nằm
trong một khu vực địa phương nhỏ hẹp mà cịn 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 mơ lớn và khơng thể giải thích đơn giản bằng mơ hình nguồn điểm. Mơ
hình theo quy mơ đô thị và diện rộng đã ra đời trên nền tảng đó nhằm giải quyết các bài
tốn theo quy mơ khu vực và diện rộng.

15


1.1.1.3. Mơ hình phát tán (Dispersion models) [21]
Mơ hình phát tán là mơ hình phục vụ cho việc tính tốn q trình phát tán (lan
truyền) chất ơ nhiễm từ một hoặc nhiều dạng nguồn thải khác nhau tới các khu vực xung
quanh.
Một số mơ hình phát tán đã và đang được sử dụng rộng rãi hiện nay trên thế giới
có thể nêu ra như sau:
 Mơ hình AERMOD: là mơ hình phát tán chất ơ nhiễm khơng 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. Mơ hình này là phiên bản sau của mơ hình ISC trước đó. Mơ hình
AERMOD là một mơ hình giải theo phương pháp Gausian có các thơng số đầu vào là
trường khí tượng (gió), dữ liệu độ cao địa hình, dữ liệu sử dụng đất, các thơng số ống
khói.
 Mơ hình CALPUFF: là mơ hình phát tán chất ơ nhiễm trong khí quyển bất ổn
định mơ phỏng tác động của các điều kiện khí tượng theo khơng gian và thời gian tới
q trình vận chuyển, biến đổi và loại bỏ chất ơ nhiễm. Mơ hình CALPUFF có thể được
ứng dụng cho nghiên cứu vận chuyển đường dài và địa hình phức tạp.
 Các loại mơ hình khác: một số loại mơ hình phát tán khác bao gồm: BLP,
CALINE3, CAL3QHC/CAL3QHCR, CTDMPLUS và OCD.
 Tại Việt Nam, nhiều nhóm nghiên cứu đã tự xây dựng các phần mềm tính tốn

lan truyền chất ơ nhiễm dựa trên nền tảng các hệ phương trình của Gauss, Berlian và
Sutton.
1.1.1.4. Mơ hình quang hóa [39, 41, 42]
Các mơ hình quang hóa đa chỉ tiêu, đa quy mơ, đa chiều là mơ hình thế hệ thứ 3
(3rd Generation hay Models-3) trong sự phát triển của hệ thống các mơ hình CLKK. Các
hệ thống mơ hình quang hóa CLKK hiện nay là cơng cụ thường được sử dụng trong các
phân tích đánh giá tác động của các chính sách kiểm sốt ơ nhiễm mơi 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.

16


Các mơ hình quang hóa dù giải theo phương pháp nào thì cũng phải giải phương
trình bảo tồn chứa các thành phần của quá trình hình thành, vận chuyển và biến đổi hay
phản ứng của các chất ô nhiễm trong khơng khí. Nhìn chung các mơ hình dạng này
thường sẽ có các thành phần phát thải (emissions), khí tượng, địa hình, thành phần xử lý
hóa học (McRae, Goodin & Seinfeld, 1982; Russell & Dennis, 2000) [10, 31, 63].
Các mơ hình quang hóa thường địi hỏi phải có số liệu khí tượng từng giờ theo
lưới thẳng đứng và ngang như các trường gió, nhiệt độ, độ ẩm, độ dày lớp xáo trộn, bức
xạ mặt trời. Ngồi ra, một số thơng số khác như khuếch tán thẳng đứng, đặc tính mây
(liên quan pha lỏng, vi vật lý mây, kích thước hạt nước…), lượng mưa được tính tốn
trong mơ hình khí tượng cũng cần thiết và được sử dụng trong mơ hình quang hóa.

Hình 1.2. Sơ đồ mơ tả tổng thể hệ thống mơ hình dự báo chất lượng khơng khí
Các mơ hình quang hóa sử dụng phổ biến trên thế giới hiện nay gồm:
 Mơ hình CMAQ (EPA, 1998), Community Multiscale Air Quality model là mơ
hình quy mơ khu vực có thể sử dụng lưới lồng.
 Mơ hình CALGRID (Yamartino, 1992) - California Grid Model là mơ hình với
quy mơ đơ thị, kích thước lưới thường từ 4 – 5 km.

 Mơ hình UAM-AERO – Urban Airshed Model with Aerosols (Lurmann, 2000,
Lurmann 1997) là mơ hình sử dụng cơ chế xử lý sol khí với phương pháp tiếp cận phân
đoạn.

17


 Mơ hình UAM-IV – Urban Airshed Model with Carbon Bond IV (Morris và
nnk, 1990) là mơ hình lưới lồng đa quy mơ, kích thước ơ lưới từ 4 – 50km và sử dụng
cơ chế hóa học CBM-IV.
 WRF/Chem là một modun trong mơ hình WRF với sự kết hợp đầy đủ các
mơđun hóa học bên trong mơ hình khí tượng WRF.
1.1.2. Các mơ hình khí tượng thơng dụng
1.1.2.1. Mơ hình MM5
Mơ hình quy mơ vừa của PSU/NCAR (được biết đến như là MM5) là mơ hình
khu vực giới hạn, phi thủy tĩnh, tọa độ thích ứng địa hình dùng để mơ phỏng hoặc dự
đốn hồn lưu khí quyển quy mơ vừa. Mơ hình này được hỗ trợ bởi một số chương trình
tiền xử lý và hậu xử lý, được gọi chung là hệ thống mơ hình MM5. Mơ hình MM5 được
viết chủ yếu bằng ngôn ngữ Fortran, được phát triển tại đại học Tổng hợp Peen State và
NCAR như là một mơ hình cộng đồng quy mơ vừa. Nó được phát triển nhờ sự đóng góp
từ nhiều người dùng trên tồn thế giới [29, 37, 51].
1.1.2.2. Mơ hình WRF
Mơ hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Weather Research and Forecasting)
là mơ hình được phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mơ hình MM5 với sự cộng
tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới như: Phịng nghiên cứu Khí tượng qui mơ
nhỏ và vừa của Trung tâm quốc gia nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR/MMM),
Trung tâm quốc gia dự báo môi trường (NOAA/NCEP), Phịng thí nghiệm phương pháp
dự báo (NOAA/FSL), Trung tâm phân tích và dự báo bão của trường đại học Oklahoma
(CAPS), Cơ quan thời tiết hàng không Hoa Kỳ (AFWA) và các Trung tâm khí tượng
quốc tế như Học viện khoa học khí tượng của Trung Quốc CAMS, Cơ quan thời tiết

trung ương của Đài Loan, Cơ quan khí tượng Hàn Quốc KMA... [9, 10, 14, 15, 40, 54,
58, 59].
Hiện nay, mơ hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết nghiệp
vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới, cụ thể: tại Mỹ, mơ hình
WRF đang được chạy nghiệp vụ tại NCEP (từ năm 2004) và AFWA (từ tháng 7/2006).
Mô hình này cũng đang được chạy nghiệp vụ tại KMA (2006), tại Ấn Độ, Đài Loan và

18


Israel (từ năm 2007). Ngoài ra một số nước khác đang sử dụng WRF trong nghiên cứu
và dự định sử dụng mơ hình này trong nghiệp vụ như Trung Quốc, New Zealand,
Braxin... [58, 59, 61, 76].
WRF là một hệ thống bao gồm nhiều module khác nhau, linh hoạt và tối ưu cho
cả mục đích nghiên cứu cũng như chạy nghiệp vụ, cho phép sử dụng các tùy chọn khác
nhau đối với tham số hóa các q trình vật lý và thường xuyên được cập nhật các phiên
bản mới [10,13, 32].
1.1.2.3. Mơ hình CALMET
CALMET là một mơ hình chuẩn đốn khí tượng kết hợp với dữ liệu từ các trạm
mặt đất, trạm cao không, trạm trên biển, trạm đo mưa kết hợp dữ liệu địa lý (sử dụng đất,
độ cao địa hình, suất phản chiếu…) để đưa ra trường gió 3 chiều theo ô lưới phục vụ mô
phỏng của CALPUFF. Trường gió này được đưa vào CALPUFF để tính tốn lan truyền
các chất ơ nhiễm. CALMET cũng có thể lấy số liệu khí tượng từ các mơ hình MM5,
ETA để đưa ra trường dữ liệu theo các ô lưới [10, 13, 14].
1.1.2.4. Mơ hình RAMS
RAMS là mơ hình có mã nguồn rất linh hoạt được phát triển bởi các nhà khoa
học tại Bang Colorado (Mỹ) nhằm mô phỏng và dự báo hiện tượng thời tiết và khí tượng.
Các thành phần chính của nó là: mơ hình khí quyển mơ phỏng thực tế, phần mềm phân
tích số liệu khí tượng để chuẩn bị dữ liệu ban đầu cho mơ hình, các phần mềm hậu xử lý
phục vụ phân tích dữ liệu một cách trực quan [10, 13, 14, 29].

1.1.3. Mơ hình kiểm kê phát thải
Thơng tin nền trong tồn miền dự báo/mơ phỏng CLKK là vô cùng quan trọng
phục vụ cho việc tính tốn và dự báo. Đặc trưng cho thơng tin nền chính là số liệu phát
thải - đây là một yếu tố cực kỳ quan trọng trong việc đánh giá mức độ chính xác của mơ
hình CLKK [21, 22, 26].
Số liệu phát thải được chuẩn bị phải phù hợp với mơ hình CLKK, phù hợp về cơ
chế hóa học, độ phân giải đứng và ngang của mơ hình. Số liệu phát thải thường được
chuẩn bị theo từng giờ, theo lưới khơng gian của các chất ơ nhiễm.
Mơ số mơ hình thơng dụng về kiểm kê phát thải có thể liệt kê như sau:

19


 FREDS (Flexible Regional Emission Data System).
 EMS (Emission Modeling System), EPS (Emission Preprocessor System).
 SMOKE (Sparse Matrix Operator Kernel Emissions).
1.1.4. Mơ hình dự báo thống kê (Statistical Models)
Các mơ hình thống kê chủ yếu dựa trên phân tích dữ liệu thống kê của nồng độ
mơi trường khơng khí xung quanh. Đây là những mơ hình bất định, theo nghĩa chúng
không thể thiết lập và cũng không mô phỏng mối quan hệ vật lý hay nhân quả giữa phát
thải và nồng độ mơi trường khơng khí xung quanh. Hai loại chính của mơ hình thống kê
là:
Hệ thống dự báo và cảnh báo CLKK: Các kỹ thuật thống kê đã được sử dụng để
dự báo xu hướng ơ nhiễm khơng khí trước một vài giờ cho mục đích cảnh báo cho cộng
đồng dân cư, ví dụ, hạn chế giao thơng cơ giới.
Mơ hình tiếp nhận: Các mơ hình tiếp nhận sử dụng các phương trình tốn học hay
thống kê để xác định và định lượng nguồn gây ơ nhiễm khơng khí tại vị trí tiếp nhận.
Khơng giống như các mơ hình CLKK quang hóa hay phân tán, mơ hình tiếp nhận không
sử dụng số liệu phát thải ô nhiễm, số liệu khí tượng và cơ chế biến đổi hóa học để ước
tính sự đóng góp của nguồn thải đến nơi tiếp nhận. Thay vào đó, các mơ hình tiếp nhận

sử dụng các đặc tính hóa học và vật lý của chất khí và các vật chất được đo tại nguồn
thải và nơi nhận nhằm xác định cả sự hiện diện cũng như định lượng khả năng đóng góp
của nguồn thải tới nồng độ nơi tiếp nhận.
1.2. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ TRONG NGHIÊN CỨU CHẤT
LƯỢNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới
Mơ hình CMAQ đang được Cục Bảo vệ Mơi trường Mỹ sử dụng để dự báo
CLKK hàng ngày. Đã có nhiều nước sử dụng mơ hình này trong dự báo CLKK và cũng
có nhiều nghiên cứu về đánh giá mức độ chính xác cũng như phương pháp hiệu chỉnh
mơ hình này. D.W. Byun và Ching (1999) đã trình bày các thuật tốn sử dụng trong mơ
hình này [20]. CMAQ có thể được sử dụng để mơ phỏng CLKK ở quy mô đô thị và khu
vực với nhiều chất ô nhiễm như O3, SO2, NOx, lắng đọng axit, tầm nhìn, bụi (PM2,5 và

20


PM10). Mơ hình này có thể sử dụng số liệu khí tượng đầu vào và số liệu phát thải từ nhiều
mơ hình khí tượng khác nhau [25, 26, 27, 37].
CMAQ là thế hệ mơ hình thứ 3 (Dennis et al., 1996), với sự phát triển trong thuật
toán và cả hệ thống phần cứng như các hệ thống máy tính hiệu năng cao (HPC- High
Performance Computer) để mô phỏng hầu hết mọi quá trình liên quan đến quá trình vận
chuyển (transport) cả bình lưu và khuếch tán thẳng đứng và khuếch tán ngang; q trình
biến đổi hóa học, q trình hóa học pha khí, q trình phát thải ống khói trong ơ lưới,
q trình xon-khí, q trình động lực và hóa học mây (giáng thủy, hơi nước…) [29, 35].
X.Li và Rappengluck (2014) đã trình bày nghiên cứu về cấu trúc thẳng đứng của
Ozone tại khu vực bang Texas của Mỹ. Nghiên cứu này sử dụng CMAQ phiên bản v4.7.1
là mơ hình mơ phỏng chính CLKK kết hợp mơ hình WRF phiên bản v3.4.1 và SMOKE
bản v2. CMAQ được chạy với 23 lớp độ cao và độ dày lớp dưới cùng là khoảng 34m.
Bộ xử lý hóa học - khí tượng MCIP được sử dụng phiên bản v3.6.1. Dữ liệu phát thải
cho SMOKE được lấy từ NEI2002 (National Emission Inventory 2002) và TEI (Texas

Emission Inventory). Số liệu NEI2002 được sử dụng cho miền tính 36 km và TEI được
dùng cho các miền lưới lồng nhỏ hơn là 12 km và 4 km. Tuy nhiên, những nơi khơng có
dữ liệu TEI cho lưới 12 km và 4 km thì số liệu NEI2002 được sử dụng [48, 54].
CMAQ được ứng dụng mô phỏng CLKK cho khoảng thời gian từ 08/05/2009 tới
30/05/2009 tại khu vực Texas, Mỹ. Kết quả mơ phỏng cho thấy mơ hình CMAQ dự báo
tốt cho Ozone ở độ cao dưới 8 km, thể hiện bằng đường profile dự báo từ mô hình gần
sát với đường profile quan trắc [64, 69, 70].
Tại Hội nghị CMAS lần thứ 8, diễn ra từ ngày 19 đến ngày 21 tháng 10 năm 2009
tại Bắc Carolina, nhóm tác giả M. A. Muntaseer Billah Ibn Azkar, Satoru Chatani and
Kengo Sudo (trường Đại học Nagoya, Furo-Cho, Chikusa-Ku, Nagoya, Nhật Bản) đã
đưa ra các kết quả tính tốn từ hệ thống mơ hình WRF-CMAQ nhằm đánh giá ơ nhiễm
khơng khí tại thủ đơ Dhaka và khu vực lân cận ở Banglađesh [50]. Nhóm tác giả đã sử
dụng số liệu quan trắc, và các số liệu ảnh vệ tinh vào tháng 1 năm 2014 để so sánh phân
tích và đánh giá kết quả từ mơ hình. Hệ thống mơ hình WRF-CMAQ đã mô phỏng khá
tốt ảnh hưởng của ô nhiễm khơng khí xun biên giới từ Ấn Độ sang Bangladesh cũng

21