Tổng quan luận án

Vấn đề ô nhiễm môi trường không khí tại các đô thị lớn ở Việt Nam, đặc biệt là tại Thủ đô Hà Nội, là hệ quả của quá trình gia tăng dân số, tốc độ đô thị hóa và sự phát triển của các ngành sản xuất. Cơ sở hạ tầng đô thị chưa đồng bộ kết hợp với sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông cá nhân (tốc độ tăng trưởng bình quân hàng năm ước tính 15% - 18% đối với xe máy và 12% - 17% đối với ô tô) đã tạo ra áp lực phát thải lớn. Tại thời điểm nghiên cứu, Hà Nội có khoảng 3,8 triệu xe máy (chiếm 1/8 cả nước) và trên 368 nghìn xe ô tô các loại (chiếm khoảng 1/6 cả nước), chưa kể hơn 50 nghìn phương tiện vãng lai lưu thông mỗi ngày. Khí thải động cơ và bụi đường cuốn theo từ hoạt động giao thông là tác nhân chính gây suy giảm chất lượng không khí, trong đó ô nhiễm bụi $PM_{10}$ tại các trục giao thông chính, đường vành đai và các nút giao trọng điểm diễn biến phức tạp.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là việc thiếu vắng các đánh giá định lượng chi tiết về đặc trưng cấu trúc biến động thời gian của bụi $PM_{10}$, cũng như sự cần thiết phải áp dụng mô hình toán học để mô phỏng quá trình lan truyền bụi $PM_{10}$ phát sinh từ nguồn giao thông đường bộ theo các kịch bản khí tượng sát với điều kiện thực tế của nội thành Hà Nội.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 2 mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu đặc trưng biến động của bụi $PM_{10}$ trong môi trường không khí ở Hà Nội.
  2. Mô hình hóa quá trình lan truyền bụi $PM_{10}$ từ hoạt động giao thông tại một số tuyến đường chính và nút giao thông trọng điểm tại khu vực nội thành Hà Nội.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Thông số ô nhiễm bụi $PM_{10}$; diễn biến ô nhiễm bụi $PM_{10}$; mô hình hóa quá trình lan truyền bụi $PM_{10}$ từ hoạt động giao thông đường bộ.
  • Phạm vi không gian: Môi trường không khí xung quanh khu vực nội đô thành phố Hà Nội, tập trung tại 09 tuyến đường chính (Kim Mã, Giải Phóng, Tây Sơn, Chùa Bộc, Trường Chinh, Nguyễn Văn Cừ, Nguyễn Chí Thanh, Cầu Chương Dương, Cầu Thăng Long) và 02 nút giao thông trọng điểm (Cổ Nhuế - Phạm Văn Đồng, Cầu Giấy).
  • Phạm vi thời gian và chuỗi số liệu: Chuỗi dữ liệu quan trắc không khí tự động liên tục và số liệu khí tượng thu thập từ trạm Láng và trạm 556 Nguyễn Văn Cừ trong giai đoạn từ năm 2004 đến năm 2012 (tập trung phân tích sâu chuỗi dữ liệu giai đoạn 2009 - 2012 và 2010 - 2012).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ô nhiễm bụi $PM_{10}$, chia thành các hướng tiếp cận chính:

  1. Hướng nghiên cứu hiện trạng và quy luật diễn biến bụi theo không gian và thời gian:
  • Kuang-Ling Yang (Đài Loan, dữ liệu 1994 - 1999): Xác định sự biến động nồng độ $PM_{10}$ theo mùa, nồng độ đạt đỉnh vào mùa Đông - Xuân do ảnh hưởng của bão bụi Trung Á và gió mùa Đông Bắc; tần suất vượt tiêu chuẩn $150\ \mu\text{g/m}^3$ vào mùa Đông ở phía Nam Đài Loan là 15%.
  • Y. Wang và cộng sự (Trung Quốc, dữ liệu 2006 - 2014 tại 24 trạm quan trắc): Phân tích tỷ lệ $PM_{2.5}/PM_{10}$ và $PM_1/PM_{2.5}$ (đạt trên 80%), ghi nhận nồng độ bụi cao nhất vào mùa Đông tại các khu vực phía Bắc.
  • Zirui Liu và cộng sự (Bắc Kinh, chuỗi số liệu 9 năm): Xác định nồng độ trung bình năm của $PM_{10}$ và $PM_{2.5}$ đạt $138\ \mu\text{g/m}^3$; biến trình ngày thể hiện 2 đỉnh rõ rệt vào 7h00 - 8h00 sáng và 19h00 - 23h00 tối; nguồn giao thông và quá trình đốt cháy đóng góp từ 35,5% đến 75,1%.
  • B. Gomiscek và cộng sự (Dự án AUPHEP, Áo): Đo đạc nồng độ hạt $PM_1, PM_{2.5}, PM_{10}$ tại khu vực đô thị và nông thôn, chỉ ra số hạt $PM_1$ và $PM_{2.5}$ chiếm tương ứng 50% - 60% và 70% tổng số hạt $PM_{10}$.
  • Toth I. và cộng sự (Zagreb, Croatia): Đánh giá mối liên hệ giữa nồng độ $PM_{10}, \text{NO}_2, \text{NO}, \text{O}_3$ với mật độ giao thông và điều kiện khí tượng đô thị.
  • Marloes Eeftens và cộng sự (Dự án ESCAPE tại 20 quốc gia châu Âu, 2008 - 2011): Khảo sát sự phân bố không gian của $PM_{2.5}, PM_{10}$ và độ hấp thụ, ghi nhận tỷ lệ nồng độ bụi đường phố so với nền đô thị đối với bụi thô là 1,42.
  • M. Grundstrom và cộng sự (Gothenburg, Thụy Điển, 2007 - 2008): Phân tích tương quan giữa số lượng hạt (PNC) với $\text{NO}x$ ($R^2 = 0,73$) và $PM{10}$ ($R^2 = 0,07$) trong các điều kiện nghịch nhiệt và phân loại hình thái thời tiết Lamb (LWTs).
  • I. Eliasson và cộng sự (Nam Phi, 2008): Nghiên cứu biến trình ngày đêm của bụi trong mùa khô và ảnh hưởng của dòng đối lưu nhiệt khí quyển.
  • E. Maraziotis và cộng sự (Patras, Hy Lạp, 2008): Thiết lập phương trình hồi quy giữa nồng độ $PM_{10}, PM_{2.5}$ với các thông số khí tượng, tỷ lệ $PM_{2.5}/PM_{10}$ dao động quanh mức 0,86.
  • Jurg Heldstab và cộng sự (Thụy Sĩ, 1999): Xây dựng bản đồ ô nhiễm và mức độ phơi nhiễm $PM_{10}$ độ phân giải $1\ \text{km}^2$.
  • D. Giri và cộng sự (Kathmandu, Nepal, 2007): Áp dụng phân tích thành phần cụm để nhận diện nguồn đóng góp bụi tự nhiên và nhân tạo.
  1. Hướng nghiên cứu kiểm kê phát thải bụi:
  • Stefano Caserini, Anna Fraccaroli và cộng sự (Lombardy, Ý, 2001): Kiểm kê phát thải $PM_{10}$ và $PM_{2.5}$ cho các nguồn công nghiệp, giao thông, dân sinh.
  • Patrick Gaffney và cộng sự (Pune, Ấn Độ, 2004): Xây dựng phương pháp luận và cơ sở dữ liệu kiểm kê phát thải $PM_{10}$.
  • Anne Jaecker-Voirol và cộng sự (Paris, Pháp): Chỉ ra lượng bụi $PM_{10}$ cuốn từ mặt đường cao hơn nhiều lần lượng phát thải trực tiếp từ ống xả phương tiện.
  • Konstantinos Markakis và cộng sự (Hy Lạp): Ứng dụng GIS và SQL kiểm kê $PM_{10}$ quy mô lưới $10\ \text{km}$, xác định công nghiệp đóng góp 39,9%, nhiệt điện 21,4%, vận tải thủy 9,6%.
  • Malene Nielsen và cộng sự (Đan Mạch, 2000): Kiểm kê phát thải bụi cho thấy giao thông đường bộ đóng góp 67% tổng phát thải $PM_{2.5}$.
  • Sarath K. Guttikunda và cộng sự (Delhi, Ấn Độ, 2010): Kiểm kê phát thải theo lưới $1\ \text{km} \times 1\ \text{km}$ kết hợp mô hình vận chuyển hóa học ATMoS.
  1. Hướng nghiên cứu tác hại y tế và kinh tế:
  • C. Arden Pope III, Richard T. và cộng sự (2002): Đánh giá tác động của phơi nhiễm bụi mịn dài hạn, mỗi $10\ \mu\text{g/m}^3$ bụi mịn tăng thêm làm tăng 4% tỷ lệ tử vong chung, 6% tử vong do bệnh tim mạch và 8% do ung thư phổi.
  • GS. Hoàng Xuân Cơ: Phương pháp đánh giá thiệt hại kinh tế do ô nhiễm bụi qua chi phí bảo dưỡng, duy tu công trình và lắp đặt thiết bị xử lý.
  • GS. Phạm Ngọc Hồ (Đề tài mã số TC-MT/06-08-2, 2011): Kiểm kê nguồn phát thải dân sinh trên địa bàn Hà Nội năm 2009.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Luận án tập trung phân tích cấu trúc thống kê không dừng của chuỗi nồng độ bụi $PM_{10}$ tại Hà Nội và ứng dụng mô hình lan truyền CAL3QHC để mô phỏng phát thải bụi từ các loại phương tiện giao thông đường bộ theo các kịch bản khí tượng đặc trưng tại các trục đường nội đô.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Khái niệm và đặc trưng vật lý - hóa học của bụi: Bụi là hệ phân tán mịn gồm pha phân tán là các hạt rắn có kích thước lớn hơn kích thước phân tử và nhỏ hơn $100\ \mu\text{m}$. Luận án phân biệt bụi thô ($PM_{2.5-10}$, đường kính khí động học 2,5 – $10\ \mu\text{m}$, nguồn gốc cơ học, thời gian tồn tại vài phút đến vài giờ, khoảng cách phát tán dưới $10\ \text{km}$) và bụi mịn ($PM_{2.5}$, đường kính dưới $2,5\ \mu\text{m}$, hình thành từ ngưng tụ và phản ứng hóa học, thời gian tồn tại vài ngày đến vài tuần, khoảng cách phát tán từ $100\ \text{km}$ đến trên $1000\ \text{km}$).
  • Các tính chất hóa lý của bụi được phân tích gồm: độ phân tán, sự nhiễm điện trong điện trường, tính cháy nổ và tính lắng trầm nhiệt.
  • Cơ sở lý thuyết hàm ngẫu nhiên: Ứng dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên để khảo sát tính biến động của nồng độ bụi $PM_{10}$, phân tích hàm cấu trúc thời gian $D(\tau) = \overline{[X(t+\tau) - X(t)]^2}$.
  • Cơ sở mô hình hóa lan truyền ô nhiễm không khí: Sử dụng mô hình khuếch tán Gauss cho nguồn đường. Mô hình CAL3QHC (phát triển bởi USEPA, tích hợp trong gói phần mềm CALRoads View) được chọn để mô phỏng quá trình lan truyền chất ô nhiễm từ nguồn đường và nút giao thông có đèn tín hiệu.
Tiêu chí so sánh Bụi mịn ($PM_{2.5}$) Bụi thô ($PM_{2.5-10}$)
Hình thành từ Khí, ngưng tụ hơi nhiệt độ cao Hạt rắn, giọt lỏng lớn
Cơ chế hình thành Phản ứng hóa học, ngưng tụ, đông cứng Phá vỡ cơ học (nghiền, xay, mài mòn), bay hơi thuốc xịt
Thành phần chính $\text{SO}_4^{2-}, \text{NO}_3^-, \text{NH}_4^+$, ion $\text{H}^+$, Carbon nguyên tố, PAHs, kim loại (Pb, Cd, V, Ni, Cu, Zn, Mn, Fe) Khoáng đất cát, bụi đường, tro bay, oxit kim loại vỏ Trái Đất ($\text{Si, Al, Ti, Fe}$), đá vôi, muối biển, phấn hoa, bào tử
Khả năng hòa tan Phần lớn hòa tan, hút ẩm, hóa lỏng Phần lớn không hòa tan, không hút ẩm
Nguồn phát sinh Đốt nhiên liệu (than, dầu, xăng, gỗ), khí thứ cấp từ $\text{NO}_x, \text{SO}_2$, luyện kim Bụi cuốn mặt đường, đất đào bới, nông nghiệp, khai khoáng, xây dựng, phá dỡ
Thời gian tồn tại Vài ngày đến vài tuần Vài phút đến vài giờ
Khoảng cách di chuyển Từ $100\ \text{km}$ đến hơn $1000\ \text{km}$ Dưới $1\ \text{km}$ đến $10\ \text{km}$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp các phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa định lượng:

  • Phương pháp hồi cứu: Thu thập các tài liệu, cơ sở dữ liệu khí tượng, quan trắc môi trường và báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia.
  • Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Đo đạc thông số hình học tuyến đường (chiều rộng, chiều dài, dải phân cách); đếm và phân loại lưu lượng phương tiện cơ giới tham gia giao thông (xe máy, ô tô con, xe taxi, xe buýt, xe tải) trong khung giờ cao điểm (7h30 - 8h30) tại 9 tuyến đường và 2 nút giao thông.
  • Phương pháp xử lý số liệu thống kê: Tính toán các đặc trưng thống kê mô tả gồm giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, trung vị (median), số trội (mode), khoảng biến thiên, khoảng tứ phân vị, hệ số biến động (MAPE), tần suất nồng độ vượt chuẩn, biểu đồ hoa ô nhiễm và hoa gió.
  • Phương pháp mô hình hóa môi trường: Ứng dụng phần mềm CALRoads View (mô hình CAL3QHC) để tính toán nồng độ $PM_{10}$ sát mặt đất. Thiết lập kịch bản tính toán dựa trên:
    • 16 hướng gió;
    • 5 cấp tốc độ gió ($1{,}0\ \text{m/s}; 1{,}5\ \text{m/s}; 2{,}0\ \text{m/s}; 2{,}5\ \text{m/s}; 3{,}0\ \text{m/s}$);
    • 6 cấp ổn định khí quyển Pasquill (từ A - bất ổn định mạnh đến F - ổn định mạnh);
    • 6 mức độ nhám bề mặt ($z_0$);
    • Nhiệt độ môi trường chuẩn thiết lập tại $25^\circ\text{C}$.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Dữ liệu chất lượng không khí: Chuỗi số liệu đo tự động liên tục nồng độ $PM_{10}$ tại Trạm quan trắc Láng (Trung tâm Mạng lưới Khí tượng Thủy văn Quốc gia) và Trạm quan trắc 556 Nguyễn Văn Cừ (Trung tâm Quan trắc Môi trường - Tổng cục Môi trường).
  • Dữ liệu khí tượng: Tốc độ gió, hướng gió, độ ẩm, nhiệt độ, lượng mưa thu thập tại các trạm khí tượng bề mặt trên địa bàn Hà Nội.
  • Dữ liệu giao thông: Số liệu lưu lượng xe từ kênh VOV Giao thông (Đài Tiếng nói Việt Nam) kết hợp số liệu điều tra trực tiếp của tác giả.
  • Tiêu chuẩn so sánh: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh QCVN 05:2013/BTNMT (nồng độ $PM_{10}$ trung bình 24 giờ cho phép là $150\ \mu\text{g/m}^3$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về ô nhiễm bụi PM10 và nguồn gây ô nhiễm

Chương này trình bày cơ sở lý luận về bụi phân tán trong khí quyển, cơ chế phát sinh, đặc tính vật lý, hóa học và tác hại của bụi $PM_{10}$. Tác giả tổng hợp chi tiết các nguồn phát thải chính trên địa bàn Hà Nội:

  1. Nguồn giao thông vận tải: Đóng góp tỷ trọng lớn các chất ô nhiễm. Xe máy chiếm ưu thế về phát thải $\text{CO}$, VOC và bụi cuốn mặt đường; xe ô tô đóng góp chính vào phát thải $\text{SO}_2$ và $\text{NO}_x$.
  2. Nguồn sản xuất công nghiệp: Tập trung tại các khu công nghiệp cũ nằm xen kẽ khu dân cư như Thượng Đình, Mai Động, Cầu Diễn, Pháp Vân, Chèm, Đông Anh, Văn Điển, Sài Đồng, Đức Giang.
  3. Nguồn nông nghiệp và làng nghề: Hoạt động đốt rơm rạ sau thu hoạch phát tán lượng lớn bụi và khí thải không kiểm soát; các làng nghề tái chế kim loại, giấy, nhựa, sản xuất gạch ngói nung than phát sinh nồng độ bụi cao.
  4. Nguồn xây dựng và dân sinh: Đào lấp, đập phá công trình cũ, vận chuyển vật liệu rơi vãi và hoạt động đun nấu than tổ ong hộ gia đình.

Tác giả đưa ra bảng tổng hợp dữ liệu kiểm kê phát thải nguồn dân sinh năm 2009 trên địa bàn Hà Nội (từ đề tài nghiên cứu của GS. Phạm Ngọc Hồ):

STT Loại nhiên liệu Lượng phát thải $PM_{10}$ (tấn/năm) Lượng phát thải $\text{TSP}$ (tấn/năm)
1 Than tổ ong $391{,}34 \pm 69{,}60$ $1933{,}70 \pm 343{,}88$
2 Than đá $11{,}33 \pm 2{,}02$ $22{,}44 \pm 0{,}52$
3 Gas $4{,}10 \pm 0{,}64$ $50{,}80 \pm 7{,}95$
4 Dầu hỏa $0{,}62 \pm 0{,}04$ $7{,}05 \pm 0{,}50$
5 Củi $3117{,}37 \pm 500{,}72$ $11377{,}35 \pm 1827{,}45$
6 Rơm rạ $57{,}38 \pm 8{,}54$ $406{,}67 \pm 60{,}52$
Tổng $3582{,}14 \pm 579{,}56$ $13854{,}83 \pm 2235{,}93$

Tải lượng phát thải dân sinh phân theo địa bàn năm 2009:

  • Khu vực nội thành (9 quận): Tổng phát thải $PM_{10}$ là $217{,}15 \pm 40{,}35$ tấn/năm; $\text{TSP}$ là $1057{,}91 \pm 201{,}49$ tấn/năm. Quận Hoàng Mai có phát thải lớn nhất ($36{,}13 \pm 8{,}56$ tấn/năm $PM_{10}$), tiếp theo là Đống Đa ($29{,}74 \pm 5{,}45$ tấn/năm) và Thanh Xuân ($33{,}10 \pm 5{,}69$ tấn/năm); quận Tây Hồ có mức phát thải thấp nhất ($13{,}07 \pm 3{,}10$ tấn/năm $PM_{10}$).
  • Khu vực ngoại thành: Huyện Từ Liêm có lượng phát thải $PM_{10}$ lớn nhất toàn thành phố với $406{,}49 \pm 52{,}24$ tấn/năm ($1600{,}86 \pm 205{,}33$ tấn/năm $\text{TSP}$), tiếp đến là Phú Xuyên ($373{,}57 \pm 60{,}88$ tấn/năm) và Sóc Sơn ($250{,}13 \pm 40{,}84$ tấn/năm).

Chương 1 cũng phân tích các yếu tố khí tượng ảnh hưởng đến quá trình khuếch tán bụi (tốc độ gió, tầng kết nhiệt Pasquill, hoàn lưu khí quyển, bức xạ mặt trời, mưa) và ảnh hưởng của vật cản địa hình, nhà cao tầng tại các hẻm phố đô thị.

Chương 2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết phương pháp thu thập dữ liệu hiện trạng, thiết lập mạng lưới khảo sát giao thông và quy trình mô hình hóa:

  1. Thu thập dữ liệu môi trường: Đánh giá hiện trạng các trạm quan trắc tự động cố định tại Hà Nội, thu thập chuỗi số liệu quan trắc $PM_{10}$ theo giờ tại Trạm Láng và Trạm 556 Nguyễn Văn Cừ.
  2. Thu thập dữ liệu giao thông: Tiến hành khảo sát lưu lượng xe trong giờ cao điểm sáng (7h30 - 8h30) trên 9 tuyến đường nội đô và 2 nút giao thông trọng điểm. Phân chia dòng phương tiện thành các loại: xe máy, xe con, taxi, xe buýt, xe tải nhẹ, xe tải nặng.
  3. Phương pháp thống kê: Xử lý chuỗi số liệu đo đạc, lập bảng phân bố tần suất nồng độ, tính toán giá trị trung bình tháng, trung bình mùa, trung bình năm và xây dựng hoa ô nhiễm $PM_{10}$ theo các hướng gió. Khảo sát cấu trúc thống kê qua hàm cấu trúc thực nghiệm $D(\tau)$.
  4. Thiết lập mô hình CAL3QHC:
  • Xác định hệ số phát thải bụi $PM_{10}$ trung bình giờ cho từng loại phương tiện cơ giới.
  • Nhập thông số hình học tuyến đường: Chiều rộng lòng đường, chiều dài đoạn đường, số làn xe, chiều cao vỉa hè, tọa độ các điểm thụ cảm (receptors) hai bên đường.
  • Cấu hình nút giao thông: Tọa độ nút giao, chu kỳ đèn tín hiệu giao thông, thời gian đèn đỏ, chiều dài hàng xe chờ (queue length), tốc độ di chuyển trung bình qua nút.
  • Thiết lập kịch bản khí tượng: Kết hợp các cấp tốc độ gió ($1 - 3\ \text{m/s}$), 16 hướng gió, 6 cấp độ ổn định khí quyển Pasquill (A, B, C, D, E, F) và độ nhám mặt đất $z_0$.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán thống kê thực nghiệm và kết quả mô phỏng số phân tán ô nhiễm:

  1. Đánh giá tính biến động nồng độ bụi $PM_{10}$ theo chuỗi thời gian:
  • Tỷ lệ số ngày ô nhiễm: Tại cả hai trạm Láng và Nguyễn Văn Cừ, hàng năm có khoảng 10% - 20% số ngày có nồng độ $PM_{10}$ trung bình 24 giờ vượt ngưỡng cho phép của QCVN 05:2013/BTNMT ($150\ \mu\text{g/m}^3$).
  • Biến trình ngày đêm: Nồng độ $PM_{10}$ xuất hiện 2 đỉnh cực đại trong ngày:
    • Đỉnh buổi sáng: từ 7h00 đến 9h00;
    • Đỉnh buổi tối: từ 18h00 đến 21h00. Nồng độ giảm thấp nhất vào khung giờ đêm và rạng sáng (từ 1h00 đến 5h00). Chênh lệch giữa nồng độ trung bình giờ cao nhất và thấp nhất trong ngày dao động từ 1,4 đến 1,7 lần. Biên độ nồng độ bụi giữa các ốp thời gian trong các năm biến động trong khoảng 10% - 50%.
  • Biến trình mùa: Nồng độ $PM_{10}$ vào mùa Đông và thời kỳ giao mùa Đông - Xuân có giá trị cao hơn đáng kể so với mùa Hè. Điều này liên quan chặt chẽ đến sự suy giảm tầng biên khí quyển, tần suất xuất hiện nghịch nhiệt bức xạ và lượng mưa mùa Đông thấp làm giảm hiệu quả rửa trôi khí quyển.
  • Biểu đồ hoa ô nhiễm:
    • Tại Trạm Láng: Hướng gió mang lại nồng độ $PM_{10}$ cực đại là hướng Bắc - Tây Bắc, Tây Bắc và Tây - Tây Bắc.
    • Tại Trạm Nguyễn Văn Cừ: Hướng gió mang lại nồng độ $PM_{10}$ cực đại là hướng Tây Nam, Tây và Tây - Tây Nam. Các hướng gió này trùng khớp với vị trí của các trục lộ giao thông huyết mạch có mật độ phương tiện cao xung quanh trạm đo.
  • Phân tích hàm cấu trúc $D(\tau)$: Kết quả tính toán hàm cấu trúc theo thời gian từ chuỗi số liệu quan trắc cho thấy $D(\tau)$ không tăng đơn điệu để đạt trạng thái bão hòa mà xuất hiện tới hai cực đại trong khoảng thời gian $\tau$ từ 1 đến 24 giờ. Điều này khẳng định quá trình biến đổi nồng độ $PM_{10}$ trong không khí tại Hà Nội là một quá trình ngẫu nhiên không dừng.
  1. Kết quả mô phỏng lan truyền bụi $PM_{10}$ bằng mô hình CAL3QHC:
  • Nồng độ bụi $PM_{10}$ cực đại tại các tuyến đường (Trường Chinh, Nguyễn Văn Cừ, Kim Mã, Giải Phóng, Tây Sơn, Chùa Bộc, Nguyễn Chí Thanh, Cầu Chương Dương, Cầu Thăng Long) và 2 nút giao (Cổ Nhuế - Phạm Văn Đồng, Cầu Giấy) phụ thuộc chặt chẽ vào các thông số khí tượng đầu vào.
  • Kịch bản bất lợi nhất (Worst-Case): Xuất hiện khi khí quyển ở trạng thái ổn định mạnh (cấp F) và tốc độ gió yếu ($1\ \text{m/s}$). Trong điều kiện này, chất ô nhiễm bị lưu giữ tại lớp không khí sát đất, nồng độ $PM_{10}$ sát mặt đất cao gấp 2,7 đến 4,6 lần so với trường hợp khí quyển bất ổn định mạnh (cấp A).
  • Tương quan với tốc độ gió: Nồng độ $PM_{10}$ sát đất có tương quan nghịch với tốc độ gió. Khi tốc độ gió tăng từ $1\ \text{m/s}$ lên $3\ \text{m/s}$, nồng độ bụi $PM_{10}$ trong không khí xung quanh sát mặt đất giảm từ 60% đến 65%.
  • Ảnh hưởng của hướng gió và độ nhám bề mặt: Hướng gió vuông góc hoặc tạo góc chéo với trục đường làm mở rộng phạm vi ô nhiễm sang khu vực dân cư hai bên đường; độ nhám bề mặt lớn làm giảm tốc độ gió sát đất và gia tăng mức tích tụ cục bộ.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Về mặt khoa học:
  • Đã xác định được các đặc trưng cấu trúc thống kê và quy luật biến động theo thời gian (biến trình ngày, biến trình mùa, hoa ô nhiễm) của bụi $PM_{10}$ từ chuỗi số liệu quan trắc thực tế tại Hà Nội, làm rõ mối liên hệ giữa nồng độ bụi với các yếu tố khí tượng và lưu lượng giao thông đường bộ.
  • Đã chứng minh bản chất quá trình biến đổi của nồng độ bụi $PM_{10}$ trong không khí là quá trình ngẫu nhiên không dừng thông qua việc xác định hàm cấu trúc thời gian $D(\tau)$.
  • Đã ứng dụng thành công mô hình CAL3QHC (trong bộ phần mềm CALRoads View) để mô phỏng định lượng quá trình lan truyền bụi $PM_{10}$ phát sinh từ nguồn giao thông theo các kịch bản khí tượng tại các tuyến đường và nút giao thông trọng điểm của thành phố Hà Nội.
  1. Về mặt thực tiễn:
  • Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu định lượng khẳng định hoạt động giao thông đường bộ là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm bụi $PM_{10}$ tại khu vực nội thành Hà Nội.
  • Khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng mô hình CAL3QHC trong công tác tính toán, dự báo lan truyền ô nhiễm không khí từ nguồn giao thông tại các đô thị khác ở Việt Nam.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

Luận án đề xuất hệ thống giải pháp nhằm giảm thiểu ô nhiễm bụi $PM_{10}$ tại Hà Nội:

  • Quy hoạch và tổ chức phân luồng giao thông hợp lý tại các nút giao trọng điểm nhằm giảm thiểu tình trạng ùn tắc kéo dài.
  • Tăng cường kiểm soát tiêu chuẩn khí thải phương tiện cơ giới đường bộ; đẩy mạnh công tác bảo dưỡng định kỳ các phương tiện giao thông công cộng và tư nhân.
  • Nâng cao hiệu quả công tác vệ sinh đường phố thông qua việc tăng cường xe quét hút bụi chuyên dụng và phun nước rửa đường định kỳ trên các trục giao thông chính.
  • Kiểm soát nghiêm ngặt các công trường xây dựng: bắt buộc che chắn công trình, rửa lốp xe tải chở vật liệu và phế thải xây dựng trước khi rời công trường.
  • Tiếp tục vận động và có chính sách hỗ trợ người dân chuyển đổi nhiên liệu đun nấu dân sinh từ than tổ ong sang các dạng năng lượng sạch (điện, gas).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Mạng lưới trạm quan trắc không khí tự động liên tục trên địa bàn Hà Nội còn hạn chế về số lượng điểm đo (chủ yếu dựa vào dữ liệu tại Trạm Láng và Trạm 556 Nguyễn Văn Cừ), một số giai đoạn số liệu bị gián đoạn do sự cố kỹ thuật hoặc bảo trì.
  • Các kịch bản tính toán mô phỏng trong mô hình CAL3QHC mới chỉ thiết lập một phương án nhiệt độ không khí chuẩn ($25^\circ\text{C}$), chưa bao quát hết biên độ dao động nhiệt độ giữa các mùa trong năm tại Hà Nội.
  • Chưa khảo sát và mô tả chi tiết được quy luật biến đổi của nồng độ bụi $PM_{10}$ theo phương thẳng đứng (theo độ cao) trong toàn bộ lớp biên khí quyển đô thị do tính phức tạp của trường gió và cấu trúc hình thái đô thị.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng nghiên cứu áp dụng các mô hình thống kê kết hợp chuỗi thời gian để dự báo chỉ số chất lượng không khí ngày (AQI) cho thành phố Hà Nội nhằm phục vụ cảnh báo sớm cho cộng đồng.
  • Mở rộng phạm vi mô phỏng cho các thông số ô nhiễm khác từ giao thông như bụi mịn $PM_{2.5}$, khí $\text{NO}_x, \text{CO}$ và áp dụng mô hình CAL3QHC cho các đô thị khác trên cả nước.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên và giảng viên các chuyên ngành Môi trường không khí, Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường và Khí tượng học: Tham khảo phương pháp phân tích chuỗi dữ liệu môi trường bằng lý thuyết quá trình ngẫu nhiên, phương pháp tính hàm cấu trúc và quy trình ứng dụng phần mềm CALRoads View (mô hình CAL3QHC).
  • Các nhà quản lý môi trường và hoạch định chính sách đô thị (Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Tổng cục Môi trường): Tham khảo bức tranh định lượng về ô nhiễm giao thông và dữ liệu kiểm kê phát thải dân sinh để đưa ra các biện pháp kiểm soát nguồn thải và quy hoạch mạng lưới quan trắc.
  • Các đơn vị tư vấn và thiết kế giao thông đô thị: Tham khảo số liệu mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm tại các nút giao thông có đèn tín hiệu để tối ưu hóa thiết kế luồng tuyến và giảm thiểu vùng phơi nhiễm ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

1. Tải lượng phát thải bụi $PM_{10}$ từ hoạt động đun nấu dân sinh tại Hà Nội năm 2009 được ước tính là bao nhiêu và quận/huyện nào có tải lượng cao nhất?
Theo kết quả kiểm kê từ đề tài của GS. Phạm Ngọc Hồ (2011) được trích dẫn trong luận án, tổng tải lượng phát thải bụi $PM_{10}$ do đun nấu dân sinh trên toàn thành phố Hà Nội năm 2009 là $3582{,}14 \pm 579{,}56$ tấn/năm (trong đó than tổ ong đóng góp $391{,}34$ tấn/năm, củi đóng góp $3117{,}37$ tấn/năm). Trong 9 quận nội thành, quận Hoàng Mai có tải lượng lớn nhất với $36{,}13 \pm 8{,}56$ tấn/năm; trên quy mô toàn thành phố, huyện Từ Liêm có tải lượng cao nhất với $406{,}49 \pm 52{,}24$ tấn/năm.

2. Nồng độ bụi $PM_{10}$ trung bình ngày tại các trạm quan trắc ở Hà Nội có tỷ lệ vượt quy chuẩn cho phép như thế nào?
Kết quả phân tích chuỗi số liệu quan trắc tự động tại Trạm Láng và Trạm Nguyễn Văn Cừ cho thấy, hàng năm có khoảng 10% đến 20% tổng số ngày có nồng độ $PM_{10}$ trung bình 24 giờ vượt quá giới hạn quy định tại QCVN 05:2013/BTNMT ($150\ \mu\text{g/m}^3$).

3. Biến trình nồng độ bụi $PM_{10}$ trong ngày tại khu vực nghiên cứu có đặc điểm gì?
Biến trình nồng độ bụi $PM_{10}$ theo giờ trong ngày thể hiện 2 đỉnh cực đại rõ rệt: đỉnh sáng từ 7h00 đến 9h00 và đỉnh tối từ 18h00 đến 21h00, trùng khớp với các khung giờ cao điểm của mật độ giao thông. Nồng độ giảm xuống mức thấp nhất trong khoảng từ 1h00 đến 5h00 sáng. Chênh lệch nồng độ trung bình giờ giữa giá trị lớn nhất và nhỏ nhất trong ngày đạt từ 1,4 đến 1,7 lần.

4. Điều kiện khí tượng ảnh hưởng như thế nào đến nồng độ bụi $PM_{10}$ sát mặt đất trong kết quả mô phỏng CAL3QHC?
Khi khí quyển ở trạng thái ổn định mạnh (cấp F), nồng độ $PM_{10}$ sát mặt đất có thể cao gấp 2,7 đến 4,6 lần so với khi khí quyển ở trạng thái bất ổn định mạnh (cấp A). Khi tốc độ gió tăng từ $1\ \text{m/s}$ lên $3\ \text{m/s}$, nồng độ bụi $PM_{10}$ trong không khí sát đất giảm từ 60% đến 65% do sự gia tăng của khả năng khuếch tán và pha loãng.

5. Luận án đã tiến hành điều tra khảo sát và mô phỏng ô nhiễm trên những tuyến đường và nút giao thông nào?
Luận án thực hiện điều tra lưu lượng giao thông và mô phỏng lan truyền ô nhiễm trên 09 tuyến đường chính: Kim Mã, Giải Phóng, Tây Sơn, Chùa Bộc, Trường Chinh, Nguyễn Văn Cừ, Nguyễn Chí Thanh, Cầu Chương Dương, Cầu Thăng Long; cùng 02 nút giao thông trọng điểm: Cổ Nhuế - Phạm Văn Đồng và Cầu Giấy.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Dương Ngọc Bách đã làm rõ bức tranh hiện trạng và các đặc trưng biến động thời gian của ô nhiễm bụi $PM_{10}$ trong không khí tại thành phố Hà Nội thông qua việc phân tích chuỗi số liệu quan trắc liên tục và lý thuyết hàm ngẫu nhiên. Công trình đã ứng dụng thành công mô hình CAL3QHC để mô phỏng định lượng quá trình lan truyền bụi $PM_{10}$ từ nguồn giao thông đường bộ trên 9 tuyến đường và 2 nút giao thông trọng điểm theo các kịch bản khí tượng khác nhau. Kết quả nghiên cứu khẳng định giao thông đường bộ là tác nhân chính gây ô nhiễm bụi $PM_{10}$ tại nội thành Hà Nội, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác quản lý, kiểm soát chất lượng không khí và quy hoạch đô thị.