Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Cẩm Phả và Mông Dương thuộc tỉnh Quảng Ninh là trung tâm công nghiệp khai thác than lộ thiên lớn nhất Việt Nam, đóng vai trò chủ lực thúc đẩy tốc độ tăng trưởng kinh tế địa phương đạt trên 15% mỗi năm và nâng mức thu nhập bình quân đầu người năm 2011 lên 2.644 USD. Tuy nhiên, hoạt động bốc xúc hàng chục triệu mét khối đất đá, vận tải than và đổ thải tại các mỏ quy mô lớn như Cọc Sáu, Đèo Nai, Cao Sơn đã tạo ra áp lực môi trường vô cùng nặng nề. Trong cơ cấu kinh tế địa phương, tỷ trọng công nghiệp và xây dựng chiếm tới 73,5%, kết hợp cùng đặc thù địa hình đồi núi chiếm 55,4% diện tích tự nhiên khiến bụi và khí thải dễ tích tụ, phát tán trên diện rộng. Vấn đề ô nhiễm bụi lơ lửng trở thành mối đe dọa trực tiếp đến sức khỏe của hàng vạn người dân sinh sống tại các thung lũng xen kẽ khai trường.

Trước thực trạng đó, đề tài nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán quy hoạch mạng lưới quan trắc môi trường không khí tại vùng khai thác than Cẩm Phả - Mông Dương. Mục tiêu cụ thể bao gồm: đánh giá hiện trạng chất lượng không khí giai đoạn 2008 - 2012 theo cả chỉ tiêu riêng lẻ và chỉ tiêu tổng hợp; xác định cơ chế lan truyền chất ô nhiễm; từ đó thiết lập mạng lưới trạm đo tối ưu có ứng dụng công nghệ thông tin địa lý GIS với tầm nhìn đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp giải pháp khắc phục sự phân tán của 19 điểm quan trắc định kỳ hiện hữu, giúp cơ quan quản lý kiểm soát hiệu quả tình trạng nồng độ bụi vượt quy chuẩn từ 1,0 đến 4,2 lần, đồng thời tiết kiệm đáng kể kinh phí đầu tư giám sát môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng hai nền tảng lý thuyết cốt lõi trong khoa học môi trường là lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm dạng khói và phương pháp chỉ số chất lượng môi trường tổng hợp. Mô hình khuếch tán khí quyển Gauss được khai thác để mô phỏng quy luật phát tán bụi từ các khai trường khai thác than lộ thiên và bãi thải cao theo các hướng gió thịnh hành. Bên cạnh đó, nghiên cứu kế thừa phương pháp chỉ số ô nhiễm môi trường tổng cộng TEPI và chỉ số chất lượng không khí tổng hợp TAPI cải tiến. Phương pháp này giải quyết triệt để hạn chế của việc đánh giá riêng lẻ từng thông số bằng cách tích hợp nồng độ của nhiều chất ô nhiễm vào một chỉ số duy nhất có trọng số chuẩn hóa khoa học.

Bốn khái niệm then chốt được chuẩn hóa trong nghiên cứu gồm:

  1. Bụi tổng số lơ lửng TSP (Total Suspended Particles) làm đại diện cho chất ô nhiễm cơ bản phát sinh từ hoạt động bốc xúc đất đá và vận chuyển khoáng sản.
  2. Trọng số chuẩn hóa Wi biểu thị mức độ độc hại tương đối của từng chất dựa trên giới hạn cho phép nhỏ nhất theo quy chuẩn quốc gia.
  3. Chỉ số chất lượng không khí TAPI định lượng mức độ ô nhiễm không khí tổng hợp theo thang phân cấp rõ ràng từ không ô nhiễm đến ô nhiễm nghiêm trọng.
  4. Mạng lưới quan trắc tối ưu định nghĩa hệ thống các điểm đo có số lượng tinh gọn nhất nhưng vẫn đảm bảo bao phủ đầy đủ nguồn phát thải, tuyến vận tải và khu dân cư chịu ảnh hưởng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng chuỗi dữ liệu thứ cấp gồm 5 năm quan trắc liên tục từ năm 2008 đến năm 2012 do Công ty Cổ phần Tin học, Công nghệ, Môi trường Vinacomin thực hiện tại 19 vị trí cố định trên địa bàn Cẩm Phả và Mông Dương. Quy mô cỡ mẫu phân tích bao gồm hơn 1.140 mẫu quan trắc đơn lẻ đo đạc 5 thông số hóa lý quan trọng gồm TSP, CO, SO2, NO2 và H2S theo chu kỳ định kỳ nhiều đợt trong năm. Phương pháp chọn mẫu áp dụng là chọn mẫu có chủ đích kết hợp phân tầng không gian tại 3 phân vùng trọng điểm: khu vực phát sinh nguồn thải mỏ, trục hành lang giao thông vận tải than và khu vực dân cư tiếp nhận tác động tiêu cực.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích chỉ số TAPI kết hợp công nghệ GIS là nhằm khắc phục tình trạng nhận định mâu thuẫn khi các thông số khí độc đạt chuẩn nhưng nồng độ bụi lại vượt ngưỡng cao. Việc chuẩn hóa nồng độ theo H2S với ngưỡng giới hạn thấp nhất 42 µg/m3 giúp lượng hóa chính xác mức độ ô nhiễm thực tế của từng vùng. Timeline nghiên cứu được thực hiện qua 3 bước: phân tích hồi cứu chuỗi số liệu 2008 - 2012, khảo sát thực địa hiệu chỉnh tọa độ trạm và xây dựng bản đồ quy hoạch mạng lưới quan trắc tối ưu đến năm 2020 với định hướng đến năm 2030.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích chuỗi số liệu quan trắc không khí 5 năm liên tiếp tại 19 vị trí mỏ than Cẩm Phả - Mông Dương mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, bụi tổng số lơ lửng TSP là tác nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng và kéo dài nhất tại toàn bộ khu vực nghiên cứu. Năm 2008, tỷ lệ số lần đo vượt QCVN 05:2013/BTNMT lên tới 96,9% (221/228 lần đo) với hệ số vượt chuẩn từ 1,0 đến 4,2 lần. Dù xu hướng có sự cải thiện dần qua các năm, tỷ lệ vượt chuẩn TSP năm 2009 đạt 89,9%, năm 2010 là 94,2%, năm 2011 là 91,7% và đến năm 2012 vẫn còn ở mức 79,4% với nồng độ dao động từ 0,3292 đến 0,3767 mg/m3.

Thứ hai, các thông số khí độc cơ bản gồm cacbon monoxit CO và lưu huỳnh đioxit SO2 hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép. Trong toàn bộ 228 lượt quan trắc mỗi năm từ 2008 đến 2012, tỷ lệ mẫu đo CO và SO2 vượt quy chuẩn luôn giữ mức 0,0%, khẳng định hoạt động mỏ chưa phát sinh ô nhiễm khí cháy cục bộ nghiêm trọng.

Thứ ba, nồng độ H2S và NO2 chỉ ghi nhận hiện tượng vượt chuẩn cục bộ mang tính thời điểm. Khí H2S chỉ vượt ngưỡng 1 lần vào năm 2009 chiếm 0,4% tổng số lần đo với mức vượt 2,6 lần QCVN 26:2010/BTNMT; trong khi NO2 chỉ xuất hiện 5 lần vượt chuẩn trong năm 2010 chiếm 2,3% tổng số lần đo với mức vượt từ 1,0 đến 2,0 lần.

Thứ tư, đánh giá bằng chỉ số tổng hợp TAPI cho thấy mức độ ô nhiễm không khí tại 100% điểm đo năm 2008 đều ở cấp Ô nhiễm nặng (thuộc thang giá trị 5 đến 50). Điểm đo K13 gần bến xe công nhân Công ty Than Cọc Sáu ghi nhận giá trị TAPI cao nhất đạt 11,810, theo sau là điểm K12 ngã ba đường 18 vào Cây Chiêm đạt 11,726 và điểm K14 Than Đèo Nai đạt 11,494.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến nồng độ bụi TSP vượt chuẩn liên tục tại các điểm K10, K11, K12, K13 xuất phát từ quy trình bốc xúc đất đá tại các khai trường lộ thiên sâu và hoạt động của xe tải trọng tải lớn trên các tuyến đường vận chuyển chuyên dùng chưa được bê tông hóa hoàn toàn. Bên cạnh đó, các bãi thải quy mô lớn như Đèo Nai, Cao Sơn bị bóc mất lớp phủ thực vật, kết hợp với chế độ gió mùa có hướng gió Đông Bắc chiếm 47,0% và hướng gió Bắc chiếm 27,2% với tốc độ trung bình 3,1 m/s đã tạo điều kiện cho bụi phát tán mạnh xuống các vùng trũng dân cư ven biển.

So sánh với các nghiên cứu chất lượng không khí tại các đô thị lớn như Hà Nội hay thành phố Osaka của Nhật Bản, đặc trưng ô nhiễm tại Cẩm Phả có sự đối lập rõ rệt: trong khi đô thị bị ô nhiễm chủ yếu bởi NO2 và CO từ phương tiện giao thông, vùng than Cẩm Phả lại kiểm soát tốt các khí độc vô cơ nhưng chịu áp lực cực lớn từ bụi cơ học. Toàn bộ diễn biến này được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột thể hiện tỷ lệ phần trăm số điểm vượt chuẩn qua các năm và bản đồ GIS phân vùng nồng độ TAPI, giúp nhà quản lý nhận diện chính xác ranh giới giữa vùng chịu tác động trực tiếp và vùng đệm an toàn.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá hiện trạng và mô hình lan truyền chất ô nhiễm, nghiên cứu đưa ra 4 nhóm giải pháp trọng tâm mang tính khả thi cao:

  1. Tái cấu trúc và tối ưu hóa mạng lưới quan trắc không khí: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh chủ trì phối hợp cùng Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin) rà soát lại 19 điểm quan trắc hiện hữu, loại bỏ các vị trí trùng lặp và thiết lập mạng lưới điểm đo mới phân bổ khoa học theo 3 nhóm đối tượng (khu vực phát thải mỏ, trục giao thông và vùng dân cư). Mục tiêu cắt giảm 15% đến 20% chi phí đo đạc định kỳ thừa thãi nhưng nâng độ bao phủ giám sát môi trường lên 100% trong giai đoạn 2016 - 2020.

  2. Áp dụng đồng bộ các giải pháp kỹ thuật kiểm soát bụi TSP tại nguồn: Các công ty than lộ thiên (Cọc Sáu, Đèo Nai, Cao Sơn, Mông Dương) phải tăng cường tần suất xe phun nước dập bụi trên các tuyến đường vận tải chuyên dùng lên tối thiểu 4 đến 6 lần mỗi ca sản xuất; hoàn thiện bê tông hóa các trục đường chính và đẩy mạnh phủ xanh sinh học các tầng bãi thải đã kết thúc đổ thải. Mục tiêu giảm tỷ lệ vượt chuẩn bụi TSP tại các khu dân cư lân cận xuống dưới 25% vào năm 2022.

  3. Hiện đại hóa hạ tầng giám sát bằng trạm đo tự động liên tục: Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Ninh đầu tư xây dựng mới từ 3 đến 5 trạm quan trắc không khí tự động cố định có trang bị hệ thống truyền số liệu kỹ thuật số trực tiếp 24/7 về trung tâm điều hành môi trường của tỉnh và tập đoàn. Timeline triển khai từ năm 2018 đến 2025 nhằm cung cấp cảnh báo chất lượng không khí theo thời gian thực cho cộng đồng.

  4. Tăng cường năng lực thể chế và kiểm chuẩn phòng thí nghiệm: Chi cục Bảo vệ Môi trường tỉnh Quảng Ninh tổ chức đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật lấy mẫu khí và mô hình hóa lan truyền chất ô nhiễm cho đội ngũ cán bộ; chuẩn hóa 100% phòng thí nghiệm phân tích môi trường của ngành than đạt chứng nhận VIMCERTS theo tiêu chuẩn ISO/IEC 17025 trong giai đoạn 2015 - 2020.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang giá trị ứng dụng cao cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Chi cục Bảo vệ Môi trường và Tổng cục Môi trường có thể sử dụng luận văn làm cơ sở khoa học để thẩm định quy hoạch mạng lưới quan trắc cấp địa phương và ban hành chính sách kiểm soát ô nhiễm bụi khoáng sản liên huyện, thị xã.
  2. Các doanh nghiệp và tập đoàn khai khoáng: Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (Vinacomin) cùng ban quản lý môi trường của các công ty than thành viên có thể ứng dụng trực tiếp mô hình phân vùng TAPI để tối ưu hóa ngân sách quan trắc định kỳ hàng năm và hoàn thiện báo cáo đánh giá tác động môi trường ĐTM.
  3. Các viện nghiên cứu và chuyên gia khoa học môi trường: Các nhà khoa học công tác tại Viện Môi trường và Phát triển bền vững, Trung tâm Quan trắc và Mô hình hóa môi trường có thêm tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp luận tính toán chỉ số chất lượng môi trường cải tiến kết hợp phân tích không gian GIS.
  4. Giảng viên, học viên cao học và sinh viên đại học ngành Môi trường: Giảng viên và học viên chuyên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên Môi trường có thể khai thác luận văn như một bài học tình huống thực tiễn về xử lý chuỗi số liệu môi trường 5 năm với hơn 1.140 mẫu đo và phương pháp xây dựng luận cứ quy hoạch mạng lưới quan trắc.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao bụi tổng số lơ lửng TSP lại là thông số ô nhiễm nghiêm trọng nhất tại Cẩm Phả?

Hoạt động khai thác than lộ thiên quy mô lớn tại các mỏ Cọc Sáu, Đèo Nai phát sinh khối lượng bốc xúc đất đá khổng lồ. Xe vận tải hạng nặng di chuyển liên tục trên các cung đường đồi dốc chưa bê tông hóa khiến tỷ lệ số lần đo TSP vượt QCVN 05:2013/BTNMT năm 2008 lên tới 96,9% và năm 2012 vẫn ở mức 79,4%.

Phương pháp chỉ số TAPI cải tiến có ưu thế gì so với đánh giá từng chỉ tiêu riêng lẻ?

Phương pháp TAPI cải tiến giúp tích hợp 5 thông số quan trắc vào một giá trị duy nhất thông qua trọng số chuẩn hóa dựa trên nồng độ giới hạn nhỏ nhất của H2S là 0,042 mg/m3. Điều này khắc phục tình trạng nhận định mâu thuẫn khi các khí CO, SO2 đạt chuẩn nhưng bụi TSP lại vượt mức cho phép.

Hướng gió và địa hình ảnh hưởng như thế nào đến sự lan truyền ô nhiễm tại Mông Dương?

Khu vực chịu sự chi phối của địa hình núi đồi chiếm 55,4% diện tích cùng hai hướng gió thịnh hành là hướng Đông Bắc chiếm 47,0% và hướng Bắc chiếm 27,2%. Tốc độ gió trung bình 3,1 m/s dễ dàng cuốn bụi từ các bãi thải trên cao phân tán trực tiếp xuống các khu dân cư phía dưới thung lũng.

Mạng lưới quan trắc tối ưu đề xuất có điểm gì khác so với 19 điểm quan trắc cũ?

Mạng lưới tối ưu được tái cơ cấu dựa trên mô hình hóa lan truyền chất ô nhiễm và công nghệ GIS, loại bỏ các vị trí trùng lặp gây lãng phí, đồng thời phân bổ đồng đều theo 3 nhóm đối tượng cụ thể: nguồn phát thải mỏ, trục giao thông và vùng dân cư chịu tác động.

Nghiên cứu đóng góp gì cho kế hoạch bảo vệ môi trường ngành than đến năm 2030?

Nghiên cứu cung cấp bức tranh định lượng rõ nét về diễn biến chất lượng không khí 5 năm, đề xuất quy hoạch hệ thống điểm đo chuẩn hóa và lộ trình lắp đặt trạm đo tự động liên tục, giúp Vinacomin và tỉnh Quảng Ninh tiết kiệm 15% đến 20% ngân sách giám sát môi trường.

Kết luận

Luận văn thạc sĩ khoa học môi trường đã giải quyết thành công bài toán đánh giá hiện trạng và quy hoạch mạng lưới giám sát không khí vùng than trọng điểm:

  • Đánh giá toàn diện hiện trạng chất lượng không khí qua chuỗi số liệu 5 năm (2008 - 2012) tại 19 vị trí mỏ than Cẩm Phả - Mông Dương.
  • Chỉ ra bụi TSP là vấn đề ô nhiễm trọng tâm với tỷ lệ vượt chuẩn từ 79,4% đến 96,9%, trong khi các khí CO, SO2 luôn đạt ngưỡng an toàn 100%.
  • Ứng dụng thành công chỉ số chất lượng không khí tổng hợp TAPI cải tiến với trọng số chuẩn hóa H2S đạt 0,680 và TSP đạt 0,095.
  • Thiết lập sơ đồ và bản đồ phân bố mạng lưới điểm quan trắc tối ưu trên nền tảng công nghệ GIS, giúp cắt giảm 15% đến 20% chi phí vận hành.
  • Xây dựng lộ trình quản lý môi trường khả thi gồm 2 giai đoạn: quy hoạch mạng lưới định kỳ đến năm 2020 và hiện đại hóa trạm tự động đến năm 2030.

Công trình là đóng góp học thuật và thực tiễn giá trị cho công tác quản lý tài nguyên môi trường vùng mỏ. Các cơ quan quản lý nhà nước và doanh nghiệp khai thác than cần sớm phối hợp ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế nhằm nâng cao hiệu lực kiểm soát ô nhiễm không khí và bảo vệ sức khỏe cộng đồng dân cư.