Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng dụng phần mềm Hyroad đánh giá và đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí do hoạt động của các phương tiện ngã tư Nguyễn Chí Thanh - Huỳnh

Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------Nguyễn Thị Yến Liên

ứng dụng phần mềm hyroad đánh giá và
đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm
không khí do hoạt động của các phương tiện
ngà tư nguyễn chí thanh huỳnh thúc kháng

ngành

:

Kỹ thuật môi trường

luận văn thạc sỹ khoa học

Hà Nội, 2008


Bộ giáo dục và đào tạo
Trường đại học bách khoa hà nội
---------------------------Nguyễn Thị Yến Liên

ứng dụng phần mềm hyroad đánh giá và
đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm
không khí do hoạt động của các phương tiện
ngà tư nguyễn chí thanh huỳnh thúc kháng

ngành

:

Kỹ thuật môi trường

luận văn thạc sỹ khoa học

người hướng dẫn khoa học
TS. Trịnh Thành

Hà Néi, 2008


Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan những kết quả trong Luận văn thu được hoàn toàn là
do bản thân tôi nghiên cứu và thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của thầy giáo
và tham khảo các tài liệu đà được trích dẫn.

Tác giả Luận văn

Nguyễn Thị Yến Liên


Lời cảm ơn
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với thầy giáo
TS.Trịnh Thành đà tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi giải quyết các vướng
mắc trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành Luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trường Đại học Bách khoa
Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô trong Viện Khoa học Công nghệ và Môi
trường đà giúp đỡ tôi trong suốt khoá học.

Sau cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè và gia đình
đà luôn tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành khoá học này!


Mục lục
Trang
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt
Danh mục bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
1

Mở đầu
Tổng quan về hoạt động của các phương tiện giao thông
đường bộ tại Hà Nội và mô hình hóa trong đánh giá ô
nhiễm do hoạt động của các phương tiện

3

Thực trạng ô nhiễm môi trường do hoạt động của các phương tiện
giao thông đường bộ tại Hà Nội
Các yếu tố ảnh hưởng tới sự phát thải của các phương tiện giao
thông đường bộ

3

Mô hình hoá trong đánh giá ô nhiễm không khí do hoạt động của
các phương tiện giao thông

Tổng quan về mô hình khuếch tán chất ô nhiễm trong
I.3.1.
khí quyển
Tổng quan về các mô hình phát thải trong lĩnh vực giao
I.3.2.
thông

15

Chương I:

I.1.
I.2.
I.3.

I.3.2.1. Một số mô hình hệ số phát thải

9

16
19
19

I.3.2.2. Một số mô hình mô phỏng về sự di chuyển của các
phương tiện
I.3.2.3. Một số mô hình khuếch tán chất ô nhiễm từ nguồn
đường
Chương II: Đánh giá mức độ ô nhiễm do hoạt động của các phương
tiện giao thông đường bộ tại một nút giao thông của Hà
Nội bằng phần mềm hyroad

21

II.1.

Tổng quan về phần mềm HYROAD

26

II.1.1.

Môđun chuyển động của phương tiện (Traffic module)

27

II.1.2.

Môđun về phát th¶i (Emission module)

28

21
26


II.1.3.

Môđun quá trình khuếch tán (Dispersion module)

29

II.1.4.

Giới thiệu về phần mềm HYROAD

34

Các số liệu đầu vào cho phần mềm hyroad

37

II.2.1. Số liệu đầu vào của môđun Traffic

37

II.2.2. Số liệu đầu vào cho môđun khuếch tán

44

II.3.

Giá trị đầu ra của phần mềm HYROAD

48

II.4.

Xử lý số liệu và nhận xét

51

II.5.

Dự báo sự thay ®ỉi nång ®é CO theo sù thay ®ỉi cđa các yếu tố
khí tượng
Dự báo sự thay đổi nồng độ CO theo sự gia tăng phương tiện tham
gia giao thông

57

Đánh giá mức độ ô nhiễm do hoạt động của các phương tiện giao
thông đường bộ tại TP, Hà Nội
Chương III: Đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm do hoạt
động của các phương tiện giao thông đường bộ tại Hà
Nội

65

III.1. Các nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí do
các phương tiện hoạt động tại Hà Nội
III.1.1. Không kiểm soát chặt chẽ chất lượng xe được phép tham
gia giao thông

68

II.2.

II.6.
II.7.

III.1.2.

Cơ sở hạ tầng giao thông

III.2. Một số giải pháp giảm thiểu ô nhiễm không khí do hoạt động của
các phương tiện tại Hà Nội
III.2.1. Quản lý và kiểm soát ô nhiễm môi trường do hoạt động
giao thông vận tải

62

68

68
69
70
71

III.2.2

Quy hoạch mạng lưới giao thông

71

III.2.3.

Tổ chức khai thác phương tiện vận tải

72

III.2.4.

Biện pháp giáo dục

73


Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

AFR

Tỷ lệ không khí nhiên liệu

HC

Các hyđrocacbon

MPH

đơn vị vận tốc, dặm/giờ

PAHs

Các hợp chất hữu cơ đa vòng thơm

PPM

Đơn vị phần triệu thể tích

TCCP

Tiêu chuẩn cho phép

US EPA

Cục bảo vệ môi trường cña Mü


Danh mục các bảng

Trang
Bảng I.1.

Lưu lượng ôtô, xe máy ước tính đến năm 2010 và 2020

4

tại Hà Nội
Bảng I.2.

Tỷ lệ phát thải chất ô nhiễm do các phương tiện cơ giới

7

đường bộ tại Hà Nội
Bảng I.3.

Nồng độ chất ô nhiễm không khí tại một số nút giao

7

thông tại Hà Nội
Bảng I.4

Các thành phần chính trong khí thải phụ thuộc vào

10

loại động cơ sử dụng
Bảng I.5

Mức phát thải chất ô nhiễm theo loại nhiên liệu sử

11

dụng
Bảng II.1.

Thông tin đưa vào cho các nút quy ước

40

Bảng II.2.

Lưu lượng và thành phần dòng xe vào nút giao thông

42

Nguyễn Chí Thanh Huỳnh Thúc Kháng
Bảng II.3.

Thời gian tín hiệu đèn điều khiển hoạt động tại nút

44

Bảng II.4.

Số đoạn và số làn trong mỗi đoạn tại ngà tư khảo sát

46

Bảng II.5.

Hệ số phát thải của xe máy với thời gian hoạt động

47

trung bình 7 năm
Bảng II.6.

Giá trị nồng độ CO tại 16 vị trí theo HYROAD

50

Bảng II.7.

So sánh giữa kết quả chạy mô hình và kết quả đo thực

51

tế
Bảng II.8.

Kết quả dự báo theo HYROAD và CALINE4

55

Bảng II.9.

Các giá trị đầu vào cho HYROAD để phân tích ảnh

57


hưởng của các yếu tố khí tượng tới sự phát tán CO
Bảng II.10.

Nồng độ CO khi tốc độ gió thay đổi

58

Bảng II.11.

Kết quả mô phỏng ảnh hưởng của độ ổn định khí

59

quyển đến nồng độ CO tại 16 vị trí
Bảng II.12.

Dự báo ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ môi trường xung

61

quanh
Bảng II.13.

Dự báo nồng độ CO tại một số vị trí vào giờ cao điểm

63

tại nút Nguyễn Chí Thanh Huỳnh Thúc Kháng
Pháo Đài Láng
Bảng II.14.

Dự báo nồng độ CO tại một số vị trí khi có tình trạng
ách tắc giao thông

64


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình I.1

Dự báo lượng thải CO từ hoạt động giao thông của Hà
Nội đến năm 2020

9

Hình I.2

Mi liờn h gia t l khớ - nhiên liệu và nồng độ CO,
HC, NOx trong khí xả

12

H×nh I.3

T¸c dơng cđa bé xóc t¸c 3 líp trong viƯc làm giảm
thiểu nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả

15

Hình I.4

Sơ đồ quy trình mô hình hóa ô nhiễm khí quyển

18

Hình I.5

Tác động của xáo trộn do nhiệt độ và xáo trộn cơ học
tới vùng chất ô nhiễm phát thải từ phương tiện

22

Hình II.1

Tổ hợp các môđun trong mô hình HYROAD

27

Hình II.2

Vị trí và tên gọi của các nút ấn định trong môđun
Traffic

28

Hình II.3

Cách tiếp cận khác nhau giữa mô hình Gauss plume và
mô hình Gauss Puff

30

Hình II.4

Kết cấu mô hình hóa trên quan điểm Lagrang

30

Hình II.5

Minh họa về sù di chun cđa lng khãi phơt trong
c¸c b­íc lÊy mẫu và sự thay đổi khoảng cách của nó so
với điểm tiếp nhận

33

Hình II.6

Giao diện chính của phần mềm HYROAD

35

Hình II.7

Giao diện chính của môđun về sự vận chuyển (Traffic
module)

36

Hình II.8

Giao diện chính của môđun khuếch tán (Dispersion
module)

37

Hình II.9

Mặt bằng tỉng thĨ cđa nót giao th«ng Ngun ChÝ
Thanh – Hnh Thúc Kháng Pháo Đài Láng

38


Hình II.10

Sơ đồ tổng thể mặt bằng nút Nguyễn Chí Thanh
Huỳnh Thúc Kháng Pháo Đài Láng

39

Hình II.11

Vị trí các nút quy ước và khoảng cách giữa các nút

40

Hình II.12

Quy ước về sự sắp xếp và tên quy ước cho các lối vào
ra tại ngà tư

44

Hình II.13

Các đường dẫn với 1, 2 hoặc 3 đoạn

45

Hình II.14

Vị trí các điểm tiếp nhận sử dụng để dự báo nồng độ
CO

49

Hình II.15

So sánh kết quả dự báo và kết quả đo ë ®iỊu kiƯn tèc ®é
giã 0,5 m/s, møc ®é ỉn định loại B.

52

Hình II.16

Kết quả nghiên cứu ứng dụng phần mềm HYROAD dự
báo nồng độ CO tại Tucson, Arizona, Mỹ

53

Hình II.17

So sánh giá trị dự báo và giá trị đo tại 8 vị trí

54

Hình II.18

So sánh khả năng dự báo của HYROAD so với
CALINE4

56

Hình II.19

Sự thay đổi nồng độ CO tại 3 vị trí: N1, N5, N15 theo
sự thay đổi vận tốc gió

59

Hình II.20

Sự thay đổi nồng độ CO tại 3 vị trí N1, N5, N15 theo
các cấp độ ổn ®Þnh khÝ qun

60


-3-

chương I:
Tổng quan về hoạt động của các phương tiện
giao thông đường bộ tại hà nội và mô hình hóa trong
đánh giá ô nhiễm do hoạt động của các phương tiện
I.
I.1.

Thực trạng ô nhiễm môi trường do hoạt động của các phương

tiện giao thông đường bộ tại Hà Nội
Phng tin giao thơng vận tải một mặt góp phần quan trọng vào quá
trình phát triển của xã hội, mặt khác lại gây ra những tác động xấu đến môi
trường, gây nguy hại cho sức khoẻ của con người và làm suy giảm chất
lượng cuộc sống đơ thị.

Hoạt động vận tải góp phần quan trọng trong vấn đề ô nhiễm tại các
đô thị lớn ở Châu Á. Theo đánh giá của các chun gia, ơ nhiễm khơng khí
ở đơ thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70% [1].
Theo Uỷ ban an toàn quốc gia, đến cuối năm 2006, tổng số phương
tiện cơ giới đường bộ lưu hành trên địa bàn cả nước là 19.588.872 xe,
(trong đó số lượng xe máy chiếm 95%), tăng khoảng 15% so với năm 2005
[21]. Hà Nội có số lượng phương tiện cơ giới đường bộ lớn thứ 2 trên cả
nước. Tốc độ gia tăng lượng xe ôtô và xe máy rất cao (10% và 15%) [1].
Với tốc độ gia tăng như vậy, ước tính tổng lượng xe ôtô và xe máy của Hà
Nội sẽ là 2.939.800 tính đến năm 2010 và 7.107.720 chiếc đến năm 2020
(bảng I.1), chưa kể đến lượng lớn xe từ ngoại tỉnh ra vào thành phố.

Ch­¬ng 1


-4-

B¶ng I.1.

Lượng ơtơ, xe máy ước tính đến năm 2010 và 2020
tại Hà Nội [1]

Loại xe

2006

2010

2020

Xe máy

1.700.000

2.720.000

6.800.000

Xe ôtô

157.000

219.800

307.720

Nguồn: Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Mơi trường, 2007
Theo kết quả điều tra của Viện năng lượng với sự giúp đỡ của tổ chức
Jica, trong nội thành Hà Nội, hiện nay tỷ lệ phương tiện vào khoảng 500 xe
máy và 69 ơ tơ trên 1000 người dân; trung bình cứ 4 chiếc xe máy thì có
một chiếc là xe tay ga.
Cơ cấu đi lại của người dân trong thành phố có tới 60,3% đi lại bằng
xe máy, 19,6% đi bằng xe bt, 5,8% bằng xe ơ tơ con, cịn lại là các
phương tiện khác. Ngồi ra cịn rất nhiều phương tiện giao thông của các
địa phương qua lại trên địa bàn.
Trong khi đó, hệ thống giao thơng đơ thị hiện nay ở Hà Nội vẫn cịn
nhiều hạn chế: có q nhiều nút giao thông (580 nút) bao gồm 279 ngã ba,
282 ngã tư, 17 ngã năm và 1 ngã bảy và hầu hết là các nút đồng mức [1].
Quỹ đất dành cho giao thông ở nội thành chỉ vào khoảng 7% diện tích đất
đơ thị trong khi đó tại các nước phát triển, quỹ đất dành cho hoạt động này

thường vào khoảng từ 20 ÷ 25%. Do đó, hệ thống giao thơng tại Hà Nội
ln trong tình trạng q tải. Cường độ dòng xe trên các tuyến đường Hà
Nội rất lớn, vào khoảng 1800 ÷ 3600 xe/h. Đường hẹp, nhiều điểm giao cắt,
chất lượng đường kém, sự phân luồng đường cịn hạn chế, các loại xe đi lẫn
lộn, ln phải thay đổi tốc độ, thời gian dừng lâu (xe ở chế độ chạy khơng
tải) nên tốc độ trung bình chỉ đạt 18 ÷ 32 km/h, do vậy khả năng phát thải
khí ơ nhiễm rất lớn.
Ch­¬ng 1


-5-

Hiện tượng tắc nghẽn giao thông ở Hà Nội ngày càng trầm trọng hơn.
Rõ rệt nhất là vào các giờ cao điểm, tại một số đường, nút giao thông Ngã
Tư Sở, Chùa Bộc, Tây Sơn, Thái Hà, Hoàng Hoa Thám… thường xuyên
xảy ra tắc đường. Những sự cố ách tắc giao thông xảy ra đều gây nên hậu
quả nghiêm trọng về nhiều mặt. Về thời gian, các vụ ách tắc thường kéo dài
và làm lãng phí rất nhiều thời gian của hàng ngàn người phải dừng lại tại
điểm ách tắc. Về kinh tế, các vụ ách tắc giao thông làm cho nhiều hoạt
động lưu thông, buôn bán, trao đổi ... bị ngừng trệ. Như vậy, tổn thất kinh
tế không thể tính hết. Về mặt năng lượng, các xe tại điểm ách tắc thường
trong trạng thái nổ máy, do đó năng lượng lãng phí do sử dụng nhiên liệu
cho các động cơ rất lớn. Về mặt mơi trường, có thể coi đây là một nguồn
thải mặt tương đối rộng và thải ra một lượng rất lớn các khí thải độc hại,
ảnh hưởng tới mơi trường và sức khoẻ con người.
ChÝnh v× vậy, tình trạng ô nhiễm môi trường do hoạt động của các
phương tiện cơ giới đường bộ trên địa bàn thành phố Hà Nội đang là một
vấn đề khá bức xóc; lượng bụi, khí thải độc hại do hoạt động vận tải đã gây
ra áp lực lớn đến môi trường khơng khí.
Ảnh hưởng chủ yếu của các phương tiện vận tải đến mơi trường là gây ơ

nhiễm khơng khí, gây n, rung ng v bi. Nguyên nhân chính là do hoạt

động của các loại xe ôtô con, xe buýt, xe tải và xe máy, Các tác động lên
sức khỏe con người do các chất ô nhiễm sinh ra từ hoạt động của các
phương tiện vận tải như sau:
Chì (Pb) : sinh ra từ quá trình đốt cháy xăng pha chì được biết đến
như là một chất độc. Nồng độ Pb trong máu cao có làm ảnh hưởng tới hoạt
động trao đổi chất, làm suy yếu chức năng của thận, làm tăng huyết áp và
có khả phá hủy hoạt động của nÃo. Tuy nhiên, hiện nay hầu hết các nước
không còn sử dụng xăng pha Pb, ở Việt Nam đà ban hành quyết định cấm
sử dụng xăng pha Pb từ ngy 1/11/2001 trên phạm vi toàn quốc.
Chương 1


-6-

Tổng bụi lơ lửng (TSP): TSP được tạo ra do sự đốt cháy không hoàn
toàn của nhiên liệu. Nó là nguyên nhân của nhiều căn bệnh liên quan đến
đường hô hấp và gây ung thư phổi.
Cacbon monoxit (CO): sinh ra do q trình oxi hóa khơng hồn tồn
nhiên liệu, các xe sử dụng nhiên liệu xăng là nguồn chính phát sinh ra CO. CO
làm giảm sự vận chuyển ôxi của máu do ái lực của CO với Hemoglobin lớn
gấp 250 lần so với O2 [5].

− Sunfua đioxit (SO2): được tạo ra do quá trình đốt cháy lưu huỳnh sẵn
có trong nhiên liệu. SO2 là nguyên nhân làm thay đổi các chức năng của
phổi như gây nên bệnh hen suyễn, gây tức thở, viêm loét đường hô hấp.
Nit đioxit (NO2): sinh ra do quá trình đốt cháy nhiên liu. Cả phương
tiện sử dụng xăng và diesel đều làm phát sinh lượng NOx rất lớn. NO2 làm
rối loạn các chức năng của phổi như gây bệnh hen suyễn.

Các khí độc khác: như PAHs có trong khí xả của động cơ. Sự phát
thải ra các khí độc này, như bezen, phụ thuộc chủ yếu vào thành phần nhiên
liệu và hiệu quả hoạt động của lớp xúc tác. PAHs thường rất độc đối với cơ
thể và có khả năng gây ung thư.
Tóm lại, các chất ô nhim trên khi thi ra môi trường sẽ dẫn đến rất
nhiều ảnh hưởng nguy hại cho sức khỏe và môi trường. Một vài chất trong đó
sẽ góp phần hình thành sương mù trong đơ thị, mưa axít từ SO2 và NOx.
Trong đó NOx và VOCs là nguyên nhân gây ra các phản ứng quang hóa khác
nhau dẫn đến sự hình thành ozone ở tầng đối lưu của khí quyển. Các
hydrocarbon chưa cháy gây ra bệnh ung thư, còn các hạt rắn, đặc biệt là các
hạt rắn nhỏ, rất nguy hiểm cho sức khỏe, vì nó có thể đi vào trong phổi, gây ra
các bệnh v hụ hp.

Tại Hà Nội, xe máy và xe ôtô sử dụng xăng là hai nguồn chính gây ô
nhiễm môi trường không khí bởi CO và HC, chiếm gần 100% tổng lượng
phát thải từ các loại xe cơ giới như trong bảng I.2.
Chương 1


-7-

Bảng I.2. Tỷ lệ phát thải chất ô nhiễm do các phương tiện
cơ giới đường bộ tại Hà Nội (%) [1]
Loại chất ô
nhiễm

Xe máy

Xe ôtô sử dụng

Xe sử dụng

xăng

diezel

CO

54,5

45,2

0,3

HC

54,1

44,9

1

Bụi

43,0

35,0

22,0

Pb

54,5

45,5

-

ĐÃ có rất nhiều nghiên cứu khác nhau để đánh giá mức độ ô nhiễm
không khí do hoạt động của các phương tiện vận tải trên địa bàn Hà Nội.
Trường đại học Xây dựng Hà Nội đà ứng dụng nhiều mô hình toán để đánh
giá mức độ ô nhiễm do hoạt động giao thông tại Hà Nội đến năm 2010 với
tốc độ gia tăng phương tiện mỗi năm là 7%. Kết quả này đà được công bố
trong hội thảo về Cải thiện chất lượng không khí tại các nước đang phát
triển thuộc khu vực Châu á năm 2004 như trong bảng I.3.
Bảng I.3. Nồng độ chất ô nhiễm không khí tại một số nút giao thông tại
Hà Nội (khi không có tình trạng ách tắc giao thông) [17].
Đơn vị: mg/m3
Nút giao
Ngà tư Sở
Ngà tư Vọng
Kim Liên
TCVN 5937:2005
(Trung bình 1 giờ)

2005
NO2 SO2 CO
0,27 0,70 11,0
0,30 0,28 12,0
0,27 0,25 13,0

0,2

0,35

30

VOC
4,7
5,5
3,7
-

2010
NO2 SO2 CO VOC
0,40 0,40 15,0 0,8
0,45 0,42 15,0 0,2
0,46 0,45 18,0 7,2
0,2

0,35

30

-

Nguån: Héi th¶o về quản lý chất lượng không khí ở các nước đang
phát triển của Châu á năm 2004.
Chương 1

-8-

Theo kết quả nghiên cứu trên thì nồng độ các khí ô nhiễm do hoạt
động giao thông gây ra đều ở mức cao, đặc biệt là NO2 và SO2; nồng độ CO
vẫn dưới TCCP nhưng tổng lượng CO thải vào khí quyển hàng năm không
nhỏ.
Kt qu iu tra ca Vin Y học Lao động và Vệ sinh Môi trường thực
hiện trong suốt hai năm 2004-2005 tại các nút giao thông lớn của Hà Nội đã
cho thấy nồng độ bụi vượt quá tiêu chuẩn cho phép (TCCP) từ 6,4 – 11 lần
vào mùa nóng và từ 4,1 – 4,5 lần vào mùa lạnh; nồng độ CO vượt TCCP từ
2,7 – 3,9 lần vào mùa nóng và từ 1,4 – 1,8 lần vào mùa lạnh, nồng độ SO2
vượt TCCP 2,6 lần vào mùa nóng. Ngay cả nồng độ benzen cũng vượt 1,6 lần
vào mùa nóng. Tổn thất do ơ nhiễm giao thơng trên địa bàn Hà Nội năm 2005
ước tính khoảng 22 triệu USD. Con số này tiếp tục tăng theo tốc độ gia tăng
các phương tiện trên địa bàn thành phố.
Theo đánh giá của Sở Khoa học – Công nghệ và Viện hố học, mỗi năm
bầu khí quyển của Thành phố lại tiếp nhận thêm 80.000 tấn khói bụi, 9.000
tấn SO2, 19.000 tấn khí NO2, 46.000 tấn khí CO2,…, trong đó do hoạt động
giao thông là chủ yếu. Dự báo, đến năm 2010, nồng độ những loại khí độc hại
nói trên tại các nút giao thông ở Hà Nội sẽ vượt quá tiêu chuẩn cho phép từ 7 9 lần, riêng chất hữu cơ bay hơi sẽ vượt ngưỡng 33 lần. Theo đó thì lượng CO
do hoạt động này tăng lên khoảng 70 triệu tấn, đến năm 2020 tăng lên 170
triệu tn [19].

Với số lượng xe và cơ cấu đi lại của người dân Hà Nội như đà nói ở
trên thì trong tương lai lượng bụi, SO2, NOx và CO phát thải vào môi trường
do hoạt động này vẫn rất lớn, đặc biệt lượng CO thải từ xe máy sẽ cao gấp
nhiều lần lượng thải từ ôtô (Hình I.1).

Chương 1

-9-

triệu tấn
(từ xe máy)
200

triệu tấn
(từ ơ tơ)
4

ơ tơ
xe máy

3

150

2

100

1

50

0

0
2005

2010

2020

H×nh I.1 Dự báo lượng thải CO từ hoạt động giao thông của
Hà Nội đến năm 2020 [1].
Hiện tại và trong những năm tới, xe máy vẫn là phương tiện đi lại
chính của người dân Hà Nội và đây chính là nguồn phát thải CO chính, gây
áp lực lớn tới môi trường không khí tại Hà Nội. Dự báo lượng thải CO từ
hoạt động giao thông tại Hà Nội đến năm 2020 nh­ trong h×nh I.1.
Như vậy, khí thải từ các phương tiện giao thơng được đánh giá góp
phần ơ nhiễm khơng khí cao, gây tỷ lệ bệnh tật và tử vong lớn, gây thiệt hại
hệ sinh thái và ảnh hưởng tới chất lượng cuộc sống của người dân, tới lợi
ích kinh tế, cản trở sự phát triển bền vững.
I.2.

C¸c yÕu tè ảnh hưởng tới sự phát thải của các phương tiện giao

thông đường bộ
Mức độ phát thải các chất ô nhiễm của phương tiện phụ thuộc vào rất
nhiều yếu tố khác nhau như: loại phương tiện, điều kiện hoạt động, mức độ
bảo dưỡng, thời gian hoạt động của phương tiện, đặc tính nhiên liệu và các
điều kiện môi trường xung quanh như nhiệt độ, độ ẩm,
Chương 1


- 10 -

Quá trình cháy lý tưởng của hỗn hợp hyđrocabon với không khí chỉ

sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do sự không đồng nhất của hỗn hợp một
cách lý tưởng cũng như do tính chất phức tạp của các hiện tượng lý hóa diễn
ra trong quá trình cháy nên trong khí xả của động cơ đốt trong luôn có chứa
một hàm lượng đáng kể những chất độc hại như các oxit Nitơ (NO, NO2,
N2O, gọi chung là NOx), monoxit cacbon (CO), các hyđrocacbua chưa cháy
(HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng.
Có hai loại động cơ sử dụng trong các phương tiện: động cơ 2 kỳ và
động cơ 4 kỳ. Sự khác nhau cơ bản về phát thải ô nhiễm giữa hai loại động
cơ này như trong bảng I.4.
Bảng I.4. Các thành phần chính trong khí thải phụ thuộc vào
loại động cơ sử dụng [8]
Đơn vị: g/kW.h
Thnh phần

Động cơ xăng Động cơ diesel 4 kỳ Động cơ diesel 2 kỳ

CO

70 ữ 80

4ữ5

11

NOx

12

5ữ8

8

HC

10 ữ 100

14 ữ 29

5

0,4

1,4 ữ 2,0

1,22

Muội than

Động cơ 2 kỳ cổ điển nói chung có mức độ phát sinh chất ô nhiễm cao
hơn động cơ 4 kỳ do quá trình tạo hỗn hợp không hoàn thiện. Hầu hết các
loại xe lưu thông hiện này đều sử dụng động cơ 4 kỳ.
Loại nhiên liệu sử dụng cũng ảnh hưởng rất lớn tới sự phát thải như
bảng I.4 và I.5. ở động cơ diesel, hàm lượng CO rất bé, chiếm tỷ lệ không
đáng kể; nồng ®é HC chØ b»ng kho¶ng 20% nång ®é HC cđa động cơ xăng;
nồng độ NOx của hai loại động cơ tương đương nhau. Tuy nhiên, bồ hóng là

Chương 1


- 11 -

chất ô nhiễm quan trọng trong khí xả động cơ diesel, nhưng hàm lượng của
nó không đáng kể trong động cơ xăng [4].
Bảng I.5. Mức phát thải chất ô nhiễm theo loại nhiên liệu sử dụng
(gam/1 kg nhiên liệu bị đốt cháy) [5, 6]
Loại chất ô nhiễm

Loại nhiên liệu
Xăng

Diesel

CO

200,59

20,81

HC

23,28

4,16

NOx

15,83

18,01

SOx

1,86

7,8

Anđehyt

0,93

0,78

Bồ hóng

1,00

5,00

Pb

0,5

0

Dầu diesel là loại nhiên liệu nặng, có tính tự cháy cao (không cần
nguồn lửa từ bên ngoài). Còn xăng là loại nhiên liệu nhẹ, dễ bay hơi và có
tính tự cháy kém.
Những tạp chất, đặc biệt lưu huỳnh, và các chất phụ gia trong nhiên
liệu có ảnh hưởng rất lớn đến thành phần chất ô nhiễm trong sản phẩm
cháy. Theo các tiêu chuẩn về nhiên liệu hiện hành, hàm lượng S không

được vượt quá 0,25% khối lượng đối với diesel, và 500 ppm đối với xăng.
Như vậy, đốt cháy nhiên liệu diesel luôn phát sinh lượng khí SO2 cao hơn
khi đốt cháy nhiên liệu xăng.
Trong động cơ xăng (loại động cơ đánh lửa cưỡng bức), nhiên liệu và
không khí được nạp vào xi lanh và nén lại, rồi được đốt cháy bằng bugi. Đối
với động cơ diesel, không khí sẽ đi vào xi lanh theo một đường riêng và bị
nén lại, còn nhiên liệu được đưa vào với áp suất lớn qua vòi phun, phun vào
Chương 1


- 12 -

lớp không khí bị nén và tự bốc cháy do sức nóng của lớp khí nén này. Theo
nguyên lý đó, thời gian lưu của nhiên liệu trọng buồng cháy của động cơ
diesel ngắn hơn trong động cơ xăng nên thời gian dành cho việc hình thành
các sản phẩm cháy không hoàn toàn (HC) cũng rút ngắn nên hàm lượng HC
trong khí xả động cơ diesel thấp hơn động cơ xăng [5].
Động cơ diesel có hiệu suất cao hơn động cơ đánh lửa cưỡng bức
nhưng do quá trình khuếch tán và làm việc với hệ số dư không khí cao nên
sản phẩm chứa nhiều bồ hóng và ít CO hơn. Sự cháy của hạt nhiên liệu khi
chúng di chuyển trong buồng cháy và sự tập trung cục bộ của chúng ở vùng
biệt độ cao là nguyên nhân chính sinh ra bồ hóng của động cơ diesel [5].
Ngoài ra, tỷ lệ hoà trộn (hỗn hợp) giữa không khí và nhiên liệu cũng
ảnh hưởng rất lớn đến thành phần khí xả. Mối quan hệ giữa hàm lượng các
khí thải từ động cơ (CO, HC và NOx) và tỷ lệ giữa khí nhiên liệu (AFR)

CO (%)

HC (ppm)

NOx (ppm)

như trong hình I.2.

NOx

Vùngcháy
yếu

400
4

1000

Hỗn hợp theo hệ số
tỷ lượng

2000

Vùng cháy nhiều
khói

6

Vùng
hỗn hợp
không
cháy

200

2

HC
CO
0

10:1
12:1
Hỗn hợp giầu

14:1
16:1
18:1
Hỗn
hợp
nghèo
14,7:1

20:1

22:1

24:1

Tỷ lệ khí/nhiên liệu

Hình I.2 Mi liờn h gia t l khí - nhiên liệu và nồng độ CO,
HC, NOx trong khí xả [6, 14, 18].

Ch­¬ng 1

- 13 -

Như vậy, hàm lượng CO, HC và NOx trong khí xả phụ thuộc rất lớn
vào tỷ lệ giữa khÝ – nhiªn liƯu. Tû lƯ khÝ – nhiªn liƯu xác định theo cân
bằng hóa học đối với các phản ứng cháy là 14,7 : 1, và người ta gọi hỗn hợp
theo tỷ lệ này là hỗn hợp theo hệ số tỷ lượng hay hỗn hợp theo lý thuyết.
Nếu AFR lớn hơn 14,7 : 1 thì động cơ làm việc với hỗn hợp nghèo (dư
không khí, hệ số dư không khí > 1) khi đó hàm lượng CO, HC nhỏ, còn
hàm lượng NOx đạt cực đại. Nếu AFR tiếp tục tăng cao hơn nữa thì NOx
giảm, HC lại có xu hướng tăng. Nếu AFR nhỏ hơn 14,7 : 1 thì động cơ làm
việc với hỗn hợp giầu, hàm lượng CO và HC trong khí thải lớn [5].
Cacbon monoxit (CO)

Nồng độ CO trong khí xả phụ thuộc đáng kể vào hệ số dư khơng khí λ
hoặc tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu trong hỗn hợp cháy.
Ở chế độ chạy chậm không tải (khi hỗn hợp đậm) nồng độ CO trong
khí xả là lớn nhất. Ở chế độ tải trung bình (bướm ga mở khoảng 40-70%)
thì hàm lượng CO trong khí xả ở mức nhỏ. Ở chế độ tải trọng cực đại (dấn
ga đột ngột) hỗn hợp cháy đậm hơn, hàm lượng CO trong khí xả lại tăng.
Trạng thái kỹ thuật động cơ cũng có ảnh hưởng rất lớn đến lượng CO
trong khí xả. Khi trạng thái kỹ thuật tốt, q trình cháy hồn hảo lượng CO
có thể giảm 20-30%.
Từ đồ thị hình I.2 cho thấy để giảm nồng độ CO trong khí xả thì tỷ lệ
khí - nhiên liệu càng nhạt càng tốt (λ > 1).
 Hyđrocacbon

Khi hỗn hợp cháy đậm (λ < 1), lượng HC trong khí thải tăng vì cháy
khơng hồn tồn do thiếu ơxy. Nếu hỗn hợp cháy quá nhạt (λ > 1) sẽ làm

Ch­¬ng 1


- 14 -

chậm sự lan truyền của ngọn lửa và làm giảm hiệu suất của quá trình cháy
dẫn đến lượng HC trong khí thải tăng.
 Nit¬ oxit (NOx)

Nồng độ NOx sinh ra lớn nhất khi AFR khoảng 16:1 (hệ số dư khơng
khí λ = 1,1).
Nếu tỷ lệ này lớn hơn 16:1, nồng độ NOx giảm vì hỗn hợp nhạt, sự
cháy diễn ra chậm ngăn cản nhiệt độ trong buồng cháy đạt tới giá trị cực
đại.
Nếu tỷ lệ này nhỏ hơn 16:1, nồng độ NOx giảm vì hỗn hợp đậm, nồng
độ O2 thp.
Nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả của động cơ còn phụ thuộc vào
rất nhiều yếu tố khác như: công nghệ chế tạo, chất lượng nhiên liệu, khả
năng tổ chức giao thông vận tải và ý thức cđa ng­êi tham gia giao th«ng,...
ViƯc sư dơng bé xóc tác 3 lớp để xử lý khí xả trước khi thải ra môi
trường cũng là một giải pháp được áp dụng để làm giảm nồng độ các chất ô
nhiễm trong khí xả. Bộ xúc tác 3 lớp đầu tiên được đưa vào sử dụng từ năm
1975 trên động cơ đánh lửa cưỡng bức làm việc với hệ số dư không khí
1. Từ năm 1990, các bộ xúc tác mới được áp dụng trên động cơ đánh lửa
cưỡng bức làm việc với hỗn hợp nghèo, động cơ diesel, động cơ 2 kỳ và vẫn
đang được áp dụng phổ biến hiện nay, bằng phương pháp này có thể giảm
tới 90% CO, HC và NOx trong khí xả như trong hình I.3 [9, 14].

Ch­¬ng 1

Hiệu quả xử lý (%)

- 15 -

Hệ số dư không khí ()

Tỷ lệ không khí/nhiên liệu (AFR)

Hình I.3 Tác dụng của bộ xúc tác 3 lớp trong việc làm giảm
thiểu nồng độ các chất ô nhiễm trong khí xả [9, 14].
Hiệu quả xử lý của bộ xúc tác 3 lớp phụ thuộc rất chặt chẽ vào hệ số
dư không khí λ hay tû lƯ khÝ/nhiªn liƯu. Víi tû lƯ khÝ/nhiªn liệu được khống
chế trong khoảng 14,5 đến 14,7 thì hiệu quá xử lý NOx và CO có thể đạt
95%, HC có thể đạt 90%.
Bộ xúc tác 3 lớp chỉ phát huy tác dụng khi nhiệt độ làm việc lớn hơn
2500C. Do đó, trên ôtô bộ xúc tác chỉ phát huy tác dụng sau một khoảng
thời gian khởi động nhất định và trong khoảng thời gian đó, chất ô nhiễm
hầu như không được xử lý [5].
I.3.

Mô hình hóa trong đánh giá ô nhiễm không khí do hoạt động của

các phương tiện giao thông
Như đà trình bày ở trên, hoạt động giao thông vận tải góp phần quan
trọng trong vấn đề ô nhiễm tại các đô thị vì vậy chúng ta cần phải kiểm soát
chặt chẽ nguồn thải này. Để hạn chế những tác động tiêu cực của các chất ô
Chương 1

- 16 -

nhiễm từ phương tiện, việc dự báo được nồng độ chất ô nhiễm tại các khu
vực gần đường giao thông đóng vai trò quan trọng trong quá trình quy
hoạch mạng lưới và tổ chức giao thông. Một mô hình nồng độ chất ô nhiễm
hoàn hảo sẽ cho phép chúng ta dự báo được nồng độ chất ô nhiễm tại một vị
trí bất kỳ gần tuyến giao thông, trong điều kiện khí tượng cụ thể. Trong lĩnh
vực giao thông vận tải, mô hình hoá ngày càng được ứng dụng rộng rÃi để
khai thác các tác động của loại động cơ, loại nhiên liệu sử dụng, tình trạng
mặt đường cũng như các yếu tố khí tượng đến sự phát thải của các phương
tiện và mô hình hóa quá trình khuếch tán của các chất ô nhiễm đó.
I.3.1. Tổng quan về mô hình khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển
Các tiêu chuẩn về chất lượng không khí đều xác định dựa trên nồng độ
của các chất ô nhiễm. Để đánh giá được mức độ ô nhiễm và thiết lập hệ
thống kiểm soát chất ô nhiễm để phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành thì
việc dự báo được nồng độ chất ô nhiễm trong môi trường xung quanh là
một nhiệm vụ quan trọng. Để dự báo được người ta sử dụng các mô hình
xác định nồng độ chất ô nhiễm trong khí quyển.
Các chất ô nhiễm được phát thải vào khí quyển sẽ được di chuyển đi
xa bởi luồng gió mạnh và được khuếch tán ra xung quanh bởi gió nhẹ hoặc
bởi sự xáo trộn của khí quyển, nhờ đó chất ô nhiễm được phát tán vào trong
khí quyển sạch. Quá trình khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển là một
quá trình phức tạp.
Một mô hình khuếch tán trong khí quyển là sự mô phỏng các điều kiện
vật lý và hóa học có ảnh hưởng tới sự di chuyển, khuếch tán và biến đổi
chất ô nhiễm trong khí quyển bằng công thức toán. Thông qua mô hình đó
chúng ta sẽ xác định được nồng độ chất ô nhiễm ở cuối hướng gió dựa trên
những thông tin về phát thải chất ô nhiễm và môi trường khí quyển nền.
Mô hình hóa sự phát tán chất ô nhiễm trong khí quyển được sử dụng

để:
Chương 1