Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Hoạt động khai thác khoáng sản nói chung và khai thác than nói riêng luôn đi kèm với các tác động môi trường đáng kể, đặc biệt là ô nhiễm không khí do bụi phát sinh từ các khâu nổ mìn, bốc xúc, vận chuyển và sàng tuyển. Tại Việt Nam, công tác quản lý chất lượng môi trường không khí tại nhiều vùng mỏ thời điểm nghiên cứu chủ yếu được thực hiện dưới dạng hồ sơ lưu trữ giấy truyền thống; một số nơi đã số hóa nhưng còn manh mún, nhỏ lẻ và thiếu tính đồng bộ. Vấn đề phát tán bụi thải chưa được kiểm soát chặt chẽ bằng các công cụ trực quan, dẫn đến việc thiếu cơ sở dữ liệu số có độ tin cậy cao để phục vụ công tác quản lý nhà nước, đánh giá tác động môi trường cũng như giải quyết các khiếu nại, đền bù cho cộng đồng dân cư chịu ảnh hưởng.

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Hồng Nhung (chuyên ngành Địa chính Môi trường, Khoa Quản lý Tài nguyên, Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Thái Nguyên) thực hiện đề tài nhằm ứng dụng các công cụ tin học địa không gian để số hóa và trực quan hóa hiện trạng ô nhiễm bụi tại mỏ than Khánh Hòa.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường không khí và ứng dụng công nghệ GIS – Viễn thám xây dựng bản đồ mô phỏng ô nhiễm tại mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên. Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác định gồm:

  1. Đánh giá đặc điểm, hiện trạng ô nhiễm không khí ở vùng mỏ dưới sự ảnh hưởng của bụi thải.
  2. Xây dựng bản đồ mô phỏng hiện trạng và cảnh báo ô nhiễm tại mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên.
  3. Đề xuất các phương án nhằm hạn chế và giảm thiểu những tác động tiêu cực của bụi mỏ tới chất lượng môi trường không khí.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nồng độ bụi và chất lượng môi trường không khí trong khu vực mỏ than Khánh Hòa. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm khu vực mỏ than Khánh Hòa (quy hoạch trên diện tích 13 ha thuộc địa phận xã Phúc Hà - thành phố Thái Nguyên, xã Sơn Cẩm - huyện Phú Lương và xã An Khánh - huyện Đại Từ, tỉnh Thái Nguyên) và các khu dân cư lân cận. Phạm vi thời gian thực hiện nghiên cứu từ ngày 31/12/2013 đến ngày 30/4/2014, kết hợp sử dụng chuỗi số liệu quan trắc môi trường thứ cấp các năm 2012 và 2013.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của khóa luận dựa trên các quy định pháp luật môi trường của Việt Nam, lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm trong khí quyển và nguyên lý của hệ thống thông tin địa lý (GIS). Tác giả dẫn chiếu các văn bản quy phạm và tiêu chuẩn kỹ thuật gồm:

  • Luật Bảo vệ môi trường năm 2005 (định nghĩa về môi trường, ô nhiễm không khí, tiêu chuẩn môi trường và quan trắc môi trường).
  • Quyết định số 3733/2002/QĐ-BYT của Bộ Y tế về tiêu chuẩn vệ sinh lao động (quy định giới hạn nồng độ bụi trong khu vực sản xuất khai thác mỏ là 4 mg/m³).
  • Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2009/BTNMT về chất lượng không khí xung quanh (quy định giới hạn nồng độ bụi tổng số TSP đối với khu dân cư là 0,3 mg/m³).
  • Các tiêu chuẩn quan trắc môi trường: Thông tư 28/2011/TT-BTNMT (quy trình kỹ thuật quan trắc môi trường không khí xung quanh và tiếng ồn), TCVN 5067:1995 (xác định hàm lượng bụi), TCVN 7878-2:2010 (tiếng ồn), TCVN 6137:1996 (xác định NO₂ bằng phương pháp Griss – Saltzman cải biên), TCVN 5971:1995 (xác định SO₂ bằng phương pháp TCM/pararosanilin).
  • Khung lý thuyết tính toán mô phỏng: Khái quát phương trình vi phân chuyển tải vật chất - truyền nhiệt 1 chiều, 2 chiều, 3 chiều; mô hình khuếch tán Berliand M.E đối với chất khí và bụi nặng/bụi nhẹ; mô hình Gauss.

Các phương pháp nghiên cứu thực tế được tác giả triển khai bao gồm:

  • Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp: Thu thập số liệu khí tượng thủy văn, điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội, số liệu quan trắc môi trường năm 2012 và 2013 từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thái Nguyên và Công ty Than Khánh Hòa.
  • Phương pháp xác định vị trí và tiến hành quan trắc: Sử dụng máy định vị vệ tinh GPS cầm tay Trimble theo phương pháp đo tĩnh nhanh để ghi nhận tọa độ VN-2000 tại 13 điểm quan trắc; sử dụng máy đo bụi tổng số DustTRAK (Model 8520) với các cổng lấy mẫu (2,0 µm, 1,0 µm có tấm nêm, hoặc 2,5 µm kèm cyclone) để đo hàm lượng bụi trực tiếp ngoài thực địa (mỗi điểm đo 3 lần lấy giá trị trung bình).
  • Phương pháp GIS và biên tập bản đồ: Sử dụng phần mềm FME 2010 để chuyển đổi dữ liệu bản đồ địa hình/hiện trạng sử dụng đất từ định dạng CAD (Microstation) sang định dạng GIS. Sử dụng phần mềm ArcGIS Desktop (ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox) để thiết lập cấu trúc GeoDatabase, tạo các Feature Dataset, Feature Class và liên kết bảng dữ liệu thuộc tính từ Microsoft Excel.
  • Phương pháp nội suy không gian: Sử dụng thuật toán nội suy khoảng cách nghịch đảo IDW (Inverse Distance Weighted) trong module Spatial Analyst / ArcToolbox của ArcGIS để tính toán phân bố không gian nồng độ bụi từ 13 điểm quan trắc.
  • Phương pháp so sánh và chuyên gia: Đối chiếu các giá trị quan trắc thực tế với Quyết định 3733/2002/QĐ-BYT và QCVN 05:2009/BTNMT; tham vấn ý kiến chuyên môn từ cán bộ quản lý môi trường.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Phần mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của việc kiểm soát ô nhiễm bụi tại các mỏ than lộ thiên và hầm lò; nêu rõ sự cần thiết phải hiện đại hóa công tác quản lý dữ liệu môi trường từ dạng giấy sang hệ thống cơ sở dữ liệu không gian GIS. Xác định mục tiêu tổng quát, 3 mục tiêu cụ thể, 4 yêu cầu kỹ thuật cùng ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài trong công tác hỗ trợ ra quyết định quản lý môi trường tại địa phương.

Phần 2: Tổng quan tài liệu

Tổng hợp hệ thống khái niệm cơ bản về môi trường, ô nhiễm không khí và phân loại nguồn ô nhiễm (tự nhiên, nhân tạo từ sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, sinh hoạt). Trình bày cơ chế phát tán chất ô nhiễm sơ cấp và thứ cấp; tổng quan số liệu phát thải toàn cầu và các tiêu chuẩn môi trường Việt Nam.

Phần này đi sâu vào cơ sở toán học của mô hình lan truyền chất ô nhiễm, dẫn xuất phương trình đạo hàm riêng chuyển tải vật chất từ 1 chiều đến 3 chiều và nghiệm giải tích cơ bản qua tích phân Fourier; giới thiệu công thức tính toán Berliand cho trường hợp bụi nhẹ và bụi nặng có tính đến vận tốc rơi tự do của hạt bụi ($w$).

Bên cạnh đó, chương tổng quan trình bày kiến trúc 5 thành phần của GIS (Dữ liệu, Phần cứng, Phần mềm, Con người, Phương pháp); cấu trúc dữ liệu Raster và Vector; các định dạng Shapefile, Coverage, GeoDatabase và các ứng dụng chính của bộ phần mềm ArcGIS Desktop (ArcMap, ArcCatalog, ArcToolbox). Cuối chương, tác giả điểm luận các công trình nghiên cứu ứng dụng GIS trong giám sát chất lượng không khí trên thế giới và tại Việt Nam.

Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Xác định cụ thể đối tượng nghiên cứu là nồng độ bụi và chất lượng không khí mỏ than Khánh Hòa trong khung thời gian 31/12/2013 - 30/4/2014. Chi tiết hóa quy trình 4 bước đo bụi thực địa bằng máy DustTRAK Model 8520 (chuẩn zero, gắn bộ đo lưu lượng, hiệu chỉnh lưu lượng, đo lường và đọc giá trị hiển thị Statistic).

Quy định mạng lưới 13 điểm quan trắc kết hợp phương pháp chuyển đổi dữ liệu không gian FME 2010 và phương pháp nội suy IDW trong ArcGIS để xây dựng các lớp bản đồ chuyên đề.

Phần 4: Kết quả và giải pháp

  • Đặc điểm khu vực nghiên cứu: Mỏ than Khánh Hòa nằm cách trung tâm TP. Thái Nguyên 4 km về phía Tây Bắc, thuộc cấu trúc địa chất nếp lõm khép kín dạng hình chậu kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam (dài 4 - 5 km, rộng 400 - 600 m), chứa các trầm tích Mesozoi hệ Trias (hệ tầng Nà Khuất $T_2nk$, hệ tầng Văn Lãng $T_3n\text{-}rvl$) và Đệ tứ ($Q$). Khí hậu chia làm 2 mùa: mùa mưa (tháng 5 đến tháng 10, lượng mưa trên 1.200 mm, gió Nam và Đông Nam, nhiệt độ tối đa 37 - 38°C) và mùa khô (tháng 11 đến tháng 4 năm sau, gió Bắc và Đông Bắc, nhiệt độ trung bình 10 - 15°C, thấp nhất 3 - 4°C). Nguồn nước mặt gồm suối Huyền, suối Làng Sòng hợp lưu thành sông Nam Tiền; nước dưới đất nghèo, thuộc loại Bicacbonat Canxi.
  • Hiện trạng phát sinh bụi và số liệu quan trắc: Phân tích định lượng các công đoạn phát sinh bụi mỏ (nổ mìn, vận tải bằng xe tải nặng, bốc xúc, đổ thải, sàng tuyển). Đánh giá số liệu quan trắc tại 13 điểm đo năm 2012 và 2013, phân chia thành hai khu vực: khu vực khai thác/sản xuất và khu dân cư lân cận.
  • Xây dựng bản đồ mô phỏng: Thể hiện quy trình 5 bước trên phần mềm FME 2010 và ArcGIS Desktop, xây dựng thành công 02 bản đồ chuyên đề: Bản đồ mô phỏng ô nhiễm bụi khu dân cư và Bản đồ mô phỏng ô nhiễm bụi thải khu vực khai thác mỏ than Khánh Hòa năm 2013 kết hợp biểu đồ thuộc tính dạng cột so sánh với quy chuẩn.
  • Đánh giá tác động và giải pháp: Phân tích tác động tiêu cực của bụi có kích thước hạt hô hấp (<5 µm) đến sức khỏe cộng đồng dân cư (Sơn Cẩm, Phúc Hà, An Khánh), độ che phủ quang hợp của thực vật và mỹ quan công trình. Đề xuất 7 nhóm giải pháp kỹ thuật và quy hoạch giảm thiểu bụi.

Phần 5: Kết luận và đề nghị

Khái quát các kết quả đạt được về mặt phương pháp luận, cơ sở dữ liệu số GIS và hiện trạng môi trường; kiến nghị các cơ quan quản lý và đơn vị khai thác ứng dụng mô hình bản đồ vào giám sát định kỳ.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đưa ra các kết quả định lượng cụ thể về cường độ phát sinh ô nhiễm và phân bố nồng độ bụi tại khu vực mỏ than Khánh Hòa:

Công đoạn / Nguồn phát sinh bụi Thông số nồng độ / Hệ số phát thải
Nổ mìn khai thác Cột bụi cao 150 – 250 m; nồng độ tại khoảng cách 30 – 40 m đạt 800 – 5.000 mg/m³; hệ số phát sinh bụi: 0,027 – 0,17 kg bụi/m³ đất đá phá vỡ
Vận chuyển bằng ô tô tải trọng lớn Nồng độ bụi trung bình khi xe chạy qua khoảng 120 mg/m³; lưu lượng xe cao đạt tới 2.257 mg/m³
Đổ đất đá tại bãi thải Nồng độ bụi trong không khí đạt 1.340 mg/m³
Bốc xúc (máy xúc công suất 175 m³/h) Nồng độ bụi trong không khí xung quanh đạt 205 mg/m³
Tỷ lệ bụi hô hấp (cỡ hạt < 5 µm) Tại hầm lò: 70 – 95%; nhà máy sàng tuyển: 50 – 60% (mùa mưa) và 60 – 80% (mùa khô)

Kết quả so sánh diễn biến nồng độ bụi giữa hai năm 2012 và 2013 theo các tiêu chuẩn:

Khu vực quan trắc Vị trí đại diện Năm 2012 Năm 2013 Tiêu chuẩn / Quy chuẩn so sánh Đánh giá hiện trạng
Khu vực sàng tuyển mỏ Điểm sàng tuyển (KQ601) 2,15 mg/m³ 5,56 mg/m³ QĐ 3733/2002/QĐ-BYT (Giới hạn: 4,0 mg/m³) Tăng mạnh từ dưới ngưỡng lên vượt quy chuẩn cho phép 1,39 lần
Khu vực moong khai thác Lòng moong khai thác Nằm dưới ngưỡng Ít biến đổi, dưới ngưỡng QĐ 3733/2002/QĐ-BYT (Giới hạn: 4,0 mg/m³) Đạt tiêu chuẩn vệ sinh lao động
Khu dân cư lân cận Nhà ông Ngô Văn Quý (xóm Ngò, xã An Khánh) Dưới ngưỡng 1,60 mg/m³ QCVN 05:2009/BTNMT (Giới hạn: 0,30 mg/m³) Vượt quy chuẩn chất lượng không khí hơn 5,3 lần
Khu dân cư lân cận Xóm Cao Sơn 4 (xã Sơn Cẩm) Dưới ngưỡng 1,30 mg/m³ QCVN 05:2009/BTNMT (Giới hạn: 0,30 mg/m³) Vượt quy chuẩn chất lượng không khí hơn 4,3 lần

Hệ thống giải pháp tác giả đề xuất gồm 7 nhóm biện pháp cụ thể:

  1. Thông gió mỏ: Đưa không khí sạch vào hầm lò và hút khí độc, khí $CH_4$, bụi ra ngoài.
  2. Kiểm soát thăm dò, khoan, nổ mìn: Lắp hệ thống hút bụi Cyclone cho máy khoan xoay cầu; tính toán quy mô vụ nổ và lượng thuốc nổ hợp lý; tưới ẩm khối đất đá trước khi nổ mìn; giảm diện tích tiếp xúc bề mặt khai thác.
  3. Kiểm soát bốc xúc: Phun nước làm ẩm đất đá trong quá trình máy xúc hoạt động.
  4. Kiểm soát vận chuyển than và đất đá: Giảm mật độ phương tiện, che bạt thùng xe; lắp đặt hệ thống phun sương cao áp trên tuyến đường vận tải; bê tông hóa và làm ẩm mặt đường vận chuyển.
  5. Giảm thiểu bụi kho than và bãi thải: Bố trí bãi thải ở thung lũng khuất gió, giảm chiều cao bãi thải; trồng cây xanh phủ thực vật chống xói mòn do gió; dựng tường rào cản gió; bê tông hóa nền kho than.
  6. Giảm thiểu bụi khu vực sàng tuyển: Lắp hệ thống phun sương cao áp; dùng vòi phun di động tại cụm sàng thô; che kín hệ thống băng tải, phễu rót than; định kỳ thu dọn bụi lắng.
  7. Quy hoạch môi trường: Đặt khu khai trường, trạm sàng tuyển, bãi thải ở cuối hướng gió chủ đạo đối với khu dân cư; thiết lập dải cây xanh cách ly vệ sinh; cấm các cảng than tự phát; mở tuyến đường vận tải chuyên dụng tránh đi qua các khu dân cư tập trung.

Đóng góp của nghiên cứu là thiết lập được quy trình tích hợp dữ liệu quan trắc thực địa vào mô hình GIS để mô phỏng không gian ô nhiễm bụi bằng thuật toán IDW, tạo ra bộ bản đồ chuyên đề kèm cơ sở dữ liệu thuộc tính hỗ trợ trực quan hóa vùng ảnh hưởng ô nhiễm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận thực hiện quan trắc tại 13 vị trí với tần suất đo đạc gián đoạn, chuỗi số liệu thực nghiệm tập trung trong giai đoạn từ tháng 12/2013 đến tháng 4/2014 kết hợp dữ liệu thứ cấp có sẵn. Tác giả chưa tích hợp sâu các thông số khí tượng tức thời (vận tốc và hướng gió theo từng giờ) vào thuật toán lan truyền động học nâng cao trong GIS. Hướng mở rộng của nghiên cứu là tiếp tục chuẩn hóa và cập nhật dữ liệu quan trắc định kỳ nhiều năm, tích hợp các mô hình số trị phân tán bụi không gian ba chiều (3D) nhằm nâng cao độ chính xác dự báo ô nhiễm theo từng mùa khí hậu.

Giá trị tham khảo

Tài liệu có giá trị tham khảo thiết thực đối với sinh viên, học viên các ngành Quản lý Tài nguyên, Địa chính Môi trường, Khoa học Môi trường và Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ. Các nội dung có tính ứng dụng cao gồm:

  • Quy trình chuẩn bị và vận hành thiết bị đo bụi DustTRAK Model 8520 kết hợp máy định vị GPS cầm tay Trimble ngoài thực địa.
  • Quy trình kỹ thuật xử lý và chuyển đổi dữ liệu không gian từ phần mềm biên tập bản đồ CAD/Microstation sang môi trường ArcGIS thông qua FME 2010.
  • Phương pháp thiết lập cơ sở dữ liệu GeoDatabase và sử dụng công cụ nội suy khoảng cách nghịch đảo IDW để thành lập bản đồ chuyên đề mô phỏng chất lượng môi trường không khí.

Câu hỏi thường gặp

1. Tác giả sử dụng các thiết bị nào để định vị tọa độ và đo hàm lượng bụi ngoài thực địa?
Tác giả sử dụng máy định vị vệ tinh GPS cầm tay Trimble theo phương pháp đo tĩnh nhanh để ghi nhận tọa độ các điểm mốc, và sử dụng máy đo bụi tổng số DustTRAK (Model 8520) với các cổng lấy mẫu kích thước 1,0 µm, 2,0 µm hoặc 2,5 µm kèm cyclone để đo nồng độ bụi tổng số TSP.

2. Tiêu chuẩn và quy chuẩn nào được dùng làm căn cứ đánh giá ô nhiễm bụi cho khu vực mỏ và khu dân cư?
Nghiên cứu căn cứ vào Quyết định số 3733/2002/QĐ-BYT của Bộ Y tế (giới hạn nồng độ bụi cho phép tại khu vực sản xuất mỏ là 4,0 mg/m³) và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2009/BTNMT của Bộ Tài nguyên và Môi trường (giới hạn nồng độ bụi cho phép đối với không khí xung quanh khu dân cư là 0,30 mg/m³).

3. Mức độ ô nhiễm bụi tại khu vực sàng tuyển than và khu dân cư thay đổi ra sao trong năm 2013?
Năm 2013, nồng độ bụi tại khu vực sàng tuyển đạt 5,56 mg/m³, vượt giới hạn tiêu chuẩn vệ sinh lao động 4,0 mg/m³ (trong khi năm 2012 là 2,15 mg/m³). Tại các khu dân cư, nồng độ bụi gia tăng nghiêm trọng: điểm quan trắc tại nhà ông Ngô Văn Quý (xóm Ngò, xã An Khánh) đạt 1,60 mg/m³ (vượt QCVN hơn 5,3 lần) và tại xóm Cao Sơn 4 (xã Sơn Cẩm) đạt 1,30 mg/m³ (vượt QCVN hơn 4,3 lần).

4. Quy trình xây dựng bản đồ mô phỏng ô nhiễm bụi trong khóa luận gồm những bước nào?
Quy trình gồm 5 bước: (1) Dùng phần mềm FME 2010 chuyển đổi bản đồ từ Microstation sang ArcGIS; (2) Biên tập và chuẩn hóa dữ liệu bản đồ nền trên ArcGIS; (3) Liên kết cơ sở dữ liệu thuộc tính từ bảng số liệu quan trắc Excel vào không gian; (4) Sử dụng công cụ IDW trong ArcToolbox để chạy mô phỏng phân bố nồng độ bụi theo khoảng cách; (5) Thiết lập hiển thị biểu đồ thuộc tính so sánh nồng độ với quy chuẩn trên bản đồ chuyên đề.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Hồng Nhung đã đánh giá chi tiết hiện trạng phát tán bụi tại mỏ than Khánh Hòa và khu vực dân cư lân cận trong giai đoạn 2012 – 2013. Bằng việc tích hợp thiết bị đo DustTRAK, máy định vị GPS Trimble cùng các phần mềm FME 2010 và ArcGIS Desktop, nghiên cứu đã xây dựng thành công hệ thống bản đồ chuyên đề mô phỏng ô nhiễm bụi dựa trên thuật toán nội suy IDW. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy và đề xuất hệ thống giải pháp kỹ thuật, quy hoạch đồng bộ nhằm hỗ trợ kiểm soát chất lượng môi trường không khí vùng khai thác khoáng sản tại địa phương.