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 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 MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TẠI MỘT SỐ KHU VỰC THUỘC VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM PHÍA BẮC Chun ngành: Khoa học Mơi 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 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực từ đề tài nghiên cứu Một số kết công bố tạp chí khoa học chuyên ngành với đồng ý đồng tác giả phù hợp với quy định hành Các số liệu, thông tin tham khảo, chứng minh so sánh từ nguồn khác trích dẫn theo quy định Việc sử dụng nguồn thông tin, số liệu phục vụ cho mục đích học thuật Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan kết nghiên cứu luận án Nghiên cứu sinh Đàm Duy Ân LỜI CẢM ƠN Trong suốt qua trình học tập hồn thành ḷn an này, tơi đa nhận được sư hướng dẫn, giúp tận tình của cac thầy cô, đồng nghiệp, gia đình cac bạn bè Với lòng kính trọng biết ơn sâu sắc xin được bày to lới cảm ơn chân thành tới: Ban giam hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, Khoa Môi trường Trường Đại học Khoa học Tư nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; Cac thầy cô giao, cac nhà khoa học đa tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp qua trình học tập hồn thành ḷn an này; Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình đa kiên nhẫn động viên, hỗ trợ suốt qua trình học tập, làm việc hoàn thành luận an Lời cảm ơn sâu sắc xin được gửi đến PGS.TS Mai Trọng Thông người thầy kính mến đa hết lòng giúp đỡ, khích lệ suốt qua trình học tập thưc luận án Trân trọng! Hà Nội, ngày thang Nghiên cứu sinh Đàm Duy Ân năm 2018 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN TÀI LIỆU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 14 1.1 MƠ HÌNH HĨA CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ 14 1.1.1 Các mơ hình chất lượng khơng khí thơng dụng 14 1.1.1.1 Mơ hình nguồn điểm 14 1.1.1.2 Mơ hình theo quy mơ khu vực 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 mô hình khí tượng thơng dụng 18 1.1.2.1 Mơ hình MM5 18 1.1.2.2 Mô 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 giới 20 1.2.2 Các nghiên cứu Việt Nam 22 1.3 TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 26 1.3.1 Khái quát 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 1.3.2.4 Khái quát đặc điểm kinh tế xã hội tỉnh lựa chọn nghiên cứu 31 CHƯƠNG 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 khả mô [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 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 liệu REAS v2.1 46 2.3.2 Phương pháp tính tốn liệu phát thải sau năm 2008 từ nguồn 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 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 54 3.1 HIỆN TRẠNG MƠI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ NĂM 2007 54 3.1.1 Dữ liệu phát thải khu vực nghiên cứu năm 2007 54 3.1.2 Kiểm định mơ 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 MÔI TRƯỜNG KHƠNG KHÍ NĂM 2013 65 3.2.1 Dữ liệu phát thải 2013 65 3.2.2 Kiểm định mô hình 70 3.2.2.1 Kết kiểm định với liệu quan trắc tự động 70 3.2.2.2 Kết kiểm định với liệu ảnh vệ tinh (OMI) 74 3.2.3 Hiện trạng chất lượng mơi trường khơng khí năm 2013 76 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 ĐĨNG 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 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 chất hóa học (CMAQ chemical transport model) CLKK GIS Chất lượng khơng khí Hệ thống thông 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 dự báo thời tiết (Weather Research and Forecasting) QCVN Quy chuẩn Việt Nam DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Lượng mưa trung bình tháng năm (mm) 30 Bảng 2.1 Gia tăng bình quân lượng thải theo năm từ liệu REAS v2.1 48 Bảng 2.2 So sánh dự báo Việt Nam 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 số nguồn thải 51 Bảng 3.1 Bảng thống kê thời gian kiểm định kết kiểm định mơ hình CMAQ năm 2007 56 Bảng 3.2 Bảng tổng hợp tiêu đánh giá tương quan số liệu thực đo kết tính tốn 74 Bảng 3.3 So sánh kết tổng cộng NO2 tầng đối lưu từ mơ hình CMAQ ảnh vệ tinh OMI (đơn vị 1015mol/cm2) 75 Bảng 3.4 Tốc độ lắng đọng SO2 khu vực Hà Nội (cm/s) 103 Bảng 3.5 Tổng lắng đọng SO2 theo tháng khu vực (kg/ha/tháng) 104 Bảng 3.6 Tổng lắng đọng NO2 theo tháng khu vực (kg/ha/tháng) 107 Bảng 3.7 Tổng lắng đọng HNO3 theo tháng khu vực 111 Bảng 3.8 Tỷ lệ phát thải SO2 từ nguồn thải khác năm 2013 112 Bảng 3.9 Tỷ lệ phát thải NO2 từ nguồn thải khác .116 Bảng 3.10 Tỷ lệ phát thải PM10 từ nguồn thải lớn khu vực nghiên cứu 119 Bảng 3.11 Tỷ lệ thay đổi nồng độ SO2 trung bình năm 2020/2013 129 Bảng 3.12 Tỷ lệ thay đổi nồng độ NO2 trung bình năm 2020/2013 131 Bảng 3.13 Tỷ lệ thay đổi nồng độ PM10 trung bình năm 2020/2013 133 Bảng 3.14 Tỷ lệ thay đổi nồng độ CO trung bình năm 2020/2013 135 Hình PL2.3 Bản đồ phân bố nồng độ SO2 trung bình thang từ nguồn thải giao thông năm 2013 NO2 trung bình thang từ nguồn thải dân sinh năm 2013 B ả n đ N O Hình PL2.4 Bản đồ phân bố nồng độ Hình PL2.5 Bản đồ phân bố nồng độ NO2 trung bình thang từ nguồn thải công nghiệp năm 2013 Hình PL2.6 Bản đồ phân bố nồng độ NO2 trung bình thang từ nguồn thải giao thông năm 2013 bình thang từ nguồn thải dân sinh năm 2013 B ả n đ P M Hình PL2.7 Bản đồ phân bố nồng độ PM10 trung Hình PL2.8 Bản đồ phân bố nồng độ PM10 trung bình thang từ nguồn công nghiệp năm 2013 Hình PL2.9 Bản đồ phân bố nồng độ PM10 trung bình thang từ nguồn thải giao thông năm 2013 Tỷ lệ đóng góp nhiễm ngành năm 2013 Bảng PL3.1 Tỷ lệ ô nhiễm SO2 của cac ngành theo cac thang T h n g T h n g T h n N T Đ G g h ô i D 2 â 5, C 6 ô 3, G i 60 13 K T Đ G h h ô i D 2 â 3, C 5 ô 5, G i 03 7,111 2, K T Đ G h h ô i D 2 â 2, C ô 8, B ắ 5, 4, B ắ 2 5, 7, B ắ H 7, 8, V ĩ 26 ,0 59 ,0 58 40 10 16 ,6 H V ĩ 24 1, ,8 58 5, ,0 27 48 12 85 ,6 H V ĩ 22 2, ,7 62 4, ,2 G i 4, 16 38 00 8, 12 0, 00 ,0 K T Đ G B H V h h ô i ắ ĩ D 2 2 28 â 5, 5, ,7 t C 6 64 h ô 9, 8, ,3 G 3, i 54 96 38 n 3, g 07 33 48 T h n g T h N T Đ g h ô D 25, ân 4, C 44, ô 6, G 22, ia 3, K há T Đ h ô D 27, ân 5, G i 6, 8, 4, 0, G i 7, B ắ 7, 7, 6, 8, B ắ 9, H V ĩ 0, 8, 3 0, 3, 2 7, 9, 9, 1, H V ĩ 0, 8, Bảng PL3.2 Tỷ lệ ô nhiễm NO2 của cac ngành theo cac thang C ô G ia K há T h n g T h n g D ân C ô G ia K há D ân C ô G ia K há 39, 4, 21, 1, 11, T Đ h ô 26, 4, 37, 1, 22, 1, 13, 1, T Đ h ô 28, 6, 37, 1, 22, 2, 11, 3, 2, 6, G i 6, 5, 2, 5, G i 8, 5, 3, 1, 5, 3, 1, B ắ 9, 8, 4, 8, B ắ 2, 8, 5, 3, 6, 8, 2 5, 5, 7, 7, H V ĩ 0, 7, 7, 2, 2 6, 6, 1 5, 3, H V ĩ 3 3, 1, 7, 2, 2 7, 9, 6, 0, Bảng PL3.3 Tỷ lệ ô nhiễm PM10 của cac ngành theo cac thang N T ĐG g h ô i Dâ 43, 41,43 n T C 31, 34,02 h ô G 8,29 n i Khá16, 16,12 g T ĐG h ô i Dâ 48, 43,34 n T C 26, 29,72 h ô G 10, 9,941 n iKhá14, 16,901 g T ĐG h ô i Dâ 40, 38,33 n T C 30, 33,23 h ô G 10, 9,421 n i Khá18, 18,91 g B ắ 1 B ắ H 5, 3, 1, H 7, 4, V ĩ 0, 6, 1, 2, V ĩ 5, 6, B ắ 2 2 1 9, H 4, 4, 1, 9, 0, V ĩ 0, 6, 1, 1, T h n g T ĐG B H V h ô i ắ ĩ Dâ 33, 32,93 4 n 8, 2, C 30, 36,23 3 ô 6, 3, Giao 8,779,559,4810,69,298,99 Thô Khác 26,97 21,20 17,215,616,415,50 2 ... 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... độ chất ô nhiễm theo chiều cao mô hình CMAQ - Có thể ứng dụng mơ hình CMAQ đánh giá chất lượng mơi trường khơng khí, cảnh báo ô nhiễm quản lý chất lượng không khí vùng kinh tế trọng điểm phía Bắc. .. thải tương lai áp dụng tính tốn cho khu vực lựa chọn nghiên cứu - Nghiên cứu ứng dụng, xây dựng đồ phát thải chất gây ô nhiễm môi trường không khí cho khu vực lựa chọn nghiên cứu - Đánh giá ảnh hưởng,