Luận văn Ứng dụng mô hình CMAQ để tính toán mức độ lan truyền các chất ô nhiễm không khí xuyên biên giới đến miền bắc Việt Nam

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng mô hình CMAQ để tính toán mức độ lan truyền các chất ô nhiễm không khí xuyên biên giới đến miền bắc Việt Nam

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Văn Quy ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ ĐỂ TÍNH TOÁN MỨC ĐỘ LAN TRUYỀN CÁC CHẤT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ XUYÊN BIÊN GIỚI ĐẾN MIỀN BẮC VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2014
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Văn Quy ỨNG DỤNG MÔ HÌNH CMAQ ĐỂ TÍNH TOÁN MỨC ĐỘ LAN TRUYỀN CÁC CHẤT Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ XUYÊN BIÊN GIỚI ĐẾN MIỀN BẮC VIỆT NAM Chuyên ngành : Khoa học Môi trƣờng Mã số : 60 44 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Dƣơng Hồng Sơn Hà Nội, 2014
3. Lời cảm ơn Lời đầu tiên, tôi xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Dƣơng Hồng Sơn, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi thực hiện Luận văn này, ngƣời luôn quan tâm động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm Luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo trong Khoa Môi trƣờng - Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, đặc biệt là các thầy cô Bộ môn Quản lý Môi trƣờng, đã trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích, thiết thực cũng nhƣ những sự nhiệt tình, ân cần dạy bảo trong những năm học vừa qua. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ Trung tâm Nghiên cứu Môi trƣờng - Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Biến đổi khí hậu đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi sự biết ơn sâu sắc đến bố mẹ, bạn bè và đồng nghiệp đã quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và làm Luận văn. Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học Viên Lê Văn Quy
4. MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG iii DANH MỤC HÌNH iii DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT vi MỞ ĐẦU 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU 3 1.1 Tổng quan về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội miền Bắc Việt Nam 3 1.1.1 Vị trí địa lý, địa hình 3 1.1.2 Khí hậu 4 1.1.3 Dân cư 5 1.1.4 Kinh tế 6 1.1.5 Hiện trạng chất lượng không khí từ các kết quả quan trắc tại các trạm quốc gia 7 1.2 Tổng quan các nghiên cứu mô hình hóa lan truyền ô nhiễm xuyên biên giới ở trong mƣớc và nƣớc ngoài 10 1.2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 10 1.2.2 Các nghiên cứu ở trong nước 28 1.3 Tổng quan về mô hình chất lƣợng không khí CMAQ 30 1.3.1 Các phương trình cơ bản của mô hình 30 1.3.2 Các mô đun khoa học 34 1.3.3 Các bộ xử lý đầu vào 37 CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 2.1 Đối tƣợng và nội dung nghiên cứu 41 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 41 2.1.2 Nội dung nghiên cứu 41 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 41 2.2.1 Phương pháp thu thập xử lý số liệu 41 2.2.2 Phương pháp mô hình toán 42 2.2.3 Phương pháp kế thừa 44 i
5. 2.2.4 Phương pháp GIS 45 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 46 3.1 Miền lƣới tính 46 3.2 Số liệu đầu vào 47 3.3 Kiểm định mô hình 50 3.4 Mô hình hóa quá trình lan truyền ô nhiễm không khí xuyên biên giới 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 ii
6. DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Tỷ lệ đóng góp phát thải tại Bangladesh 23 Bảng 2. Ma trận nguồn thải và nơi tiếp nhận 67 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Bản đồ hành chính Miền Bắc 3 Hình 2. Địa hình các tỉnh Miền Bắc 4 Hình 3. Nồng độ SO2 trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I 8 Hình 4. Nồng độ NO2 trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I 8 Hình 5. Nồng độ CO trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I 9 Hình 6. Nồng độ bụi trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I 9 Hình 7. Biến thiên trung bình (%) theo ngày (8AM-8PM) của O3 trung bình cho Bắc Mỹ 12 Hình 8. Biến thiên trung bình (%) theo ngày (8AM-8PM) cho PM2,5 cho Bắc Mỹ . 12 Hình 9. Các đóng góp chính do lắng đọng NO2 vào Đức 13 Hình 10. Phân bố không gian của tầng Ô zôn đƣợc mô mô phỏng từ mô hình 14 Hình 11. So sánh từ mô hình và kết quả thực nghiệm 15 Hình 12. Bản đồ phân bố nồng độ PM10 hàng năm với độ phân giải của bản đồ là 10 km cho năm 2005 (Horalek 2007) 16 Hình 13. Đóng góp do vận chuyển PM 10 ở (a) Heraklion, (b) Athens theo tính toán từ mô hình SKIRON, giai đoạn 2003-2006 (g/m3) 17 Hình 14. Nồng độ NO2 lớn nhất theo giờ (trên) và PM10 vƣợt giá trị giới hạn ngày (dƣới) do hoạt động vận chuyển năm 2003 ở Tây Ban Nha 18 Hình 15. Nồng độ NO2 trung bình năm (2005) với độ phân giải 20 km (trái) 19 Hình 16. Phân bố theo không gian nồng độ trung bình tháng SO2 và NOX tính từ mô hình vào tháng 3/2005 20 Hình 17. Phân bố theo không gian nồng độ trung bình tháng HNO3 và NH3 21 iii
7. Hình 18. Quan trắc và mô phỏng PM2,5 trung bình 24 giờ ở Dhaka 22 Hình 19. Phân bố không gian Cột NO2 tầng đối lƣu trong tháng 1 năm 2004. SCIAMACHY (trái) và CMAQ (phải) 23 Hình 20. Phân tích quỹ đạo các các khối không khí từ 16-20/10/2008 giữa seoul và Trung Quốc 24 Hình 21. Sơ đồ của sự xuất hiện PM10 cao tại Seoul, Hàn Quốc trong tháng 10 năm 2008 25 Hình 22. Mô phỏng nồng độ NO2 vào (a) 12 giờ và (b) 14 giờ ngày 4/10/2009 26 Hình 23. Mô phỏng nồng độ O3 vào (a) 6 giờ và (b) 12giờ, (c) 6 giờ và (d) 12 giờ UTC ngày 4/10/2009 27 Hình 24. Hệ thống CMAQ 33 Hình 25. Quan hệ giữa hệ thống mô hình CMAQ với các mô hình phát thải 34 Hình 26. CCTM và các bộ sử lý đầu vào 37 Hình 27. Quá trình sử lý điều kiện ban đầu và điều kiện biên 39 Hình 28. Quá trình xử lý tốc độ quang phân 40 Hình 29. Sơ đồ miên lƣới tính 46 Hình 30. Phân bố phát thải CO, SO2 năm 2010 47 Hình 31. Phân bố phát thải NO2, NH3 năm 2010 48 Hình 32. Phân bố phát thải SO2, NO2 năm 2010 bỏ qua số liệu phát thải 49 Hình 33. Phân bố phát thải SO2, NO2 năm 2010 bỏ qua số liệu phát thải 49 Hình 34. Nồng độ CO trung bình giờ thực đo và mô hình tại trạm Nguyễn Văn Cừ - Hà Nội; tháng 1 (trên), tháng 7 (dƣới) 51 Hình 35. Nồng độ SO2 trung bình giờ thực đo và mô hình tại trạm Nguyễn Văn Cừ - Hà Nội; tháng 1 (trên), tháng 7 (dƣới) 52 Hình 36. Nồng độ NO2 trung bình giờ thực đo và mô hình tại trạm Nguyễn Văn Cừ - Hà Nội; tháng 1 (trên), tháng 7 (dƣới) 53 Hình 37. Phân bố NO2 tháng 1/2010 từ vệ tinh (a) và từ mô hình (b) 54 iv
8. Hình 38. Phân bố NO2 tháng 4/2010 từ vệ tinh Aura-OMI (a) và từ mô hình (b) 55 Hình 36. Phân bố NO2 tháng 7/2010 từ vệ tinh Aura-OMI (a) và từ mô hình (b) 55 Hình 40. Phân bố NO2 tháng 10/2010 từ vệ tinh Aura-OMI (a) và từ (b) 56 Hình 41. Phân bố SO2 tháng 01/2010 từ vệ tinh Aura OMI (a) và từ (b) 56 Hình 42. Phân bố SO2 tháng 04/2010 từ vệ tinh Aura OMI (a) và từ (b) 57 Hình 43. Phân bố SO2 tháng 07/2010 từ vệ tinh Aura OMI (a) và từ (b) 57 Hình 36. Phân bố SO2 tháng 10/2010 từ vệ tinh Aura OMI (a) và từ (b) 58 Hình 45. Phân bố nồng độ CO của từng tháng năm 2010 59 Hình 46. Phân bố nồng độ SO2 của từng tháng năm 2010 60 Hình 47. Phân bố phát thải NO2 của từng tháng năm 2010 61 Hình 48. Phân bố phát thải NH3 của từng tháng năm 2010 62 Hình 49. Phân bố CO trung bình tháng 01/2010 với trƣờng hợp phát thải đầy đủ (bên phải) và phát thải Việt Nam bằng 0 (bên trái) 63 Hình 50. Phân bố SO2 trung bình tháng 01/2010 với trƣờng hợp phát thải đầy đủ (bên phải) và phát thải Việt Nam bằng 0 (bên trái) 64 Hình 51. Phân bố NO2 trung bình tháng 01/2010 với trƣờng hợp phát thải đầy đủ (bên phải) và phát thải Việt Nam bằng 0 (bên trái) 65 Hình 52. Phân bố CO trung bình tháng 07/2010 với trƣờng hợp phát thải đầy đủ (bên phải) và phát thải Trung Quốc bằng 0 (bên trái) 65 Hình 53. Phân bố SO2 trung bình tháng 07/2010 với trƣờng hợp phát thải đầy đủ (bên phải) và phát thải Trung Quốc bằng 0 (bên trái) 66 Hình 54. Phân bố NO2 trung bình tháng 07/2010 với trƣờng hợp phát thải đầy đủ (bên phải) và phát thải Trung Quốc bằng 0 (bên trái) 66 v
9. DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt CMAQ Chemistry-Transport Mô hình lan truyền - hóa học CCTM Model của CMAQ Community Multi-scale Air Mô hình chất lƣợng không khí CMAQ Quality đa quy mô Acid Deposition Monitoring Mạng lƣới lắng đọng A xít EANET Network in East Asia vùng Đông Á European Monitoring and Chƣơng trình định lƣợng và EMEP Evaluation Programme giám sát của Châu Âu GDP Gross domestic product Tổng sản phẩm quốc nội KCN Industrial Park Khu công nghiệp Meteorology-chemistry Chƣơng trình giao diện hóa - MCIP interface processor khí tƣợng National Aeronautics and Cơ quan Hàng không và Vũ NASA Space Administration trụ Mỹ QCVN Quy chuẩn Việt Nam Phổ kế đo sóng (240 - 2380 Scanning Imaging nm) phản xạ, lan truyền, phát SCIAMACHY Absorption spectrometer for xạ từ khí quyển và bề mặt trái Atmospheric Chartography đất Sparse Matrix Operator Mô hình kiểm kê phát thải Ma SMOKE Kernel Emissions Model trận thƣa Weather Research and WRF Mô hình dự báo thời tiết Forecasting vi
10. MỞ ĐẦU Ô nhiễm môi trƣờng đang là vấn đề toàn cầu, đƣợc nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm, đặc biệt là ô nhiễm không khí do các quá trình vật lý, hóa học xảy ra trong khí quyển và các hoạt động phát triển kinh tế-xã hội của con ngƣời. Ô nhiễm không khí không có biên giới và quy mô tác động của nó đã vƣợt ra khỏi phạm vi của mỗi quốc gia. Các nghiên cứu đều cho thấy, ô nhiễm không khí đang góp phần gây nên các hiện tƣợng mƣa axit, hiệu ứng nhà kính, suy thoái tầng ô zôn, , đe dọa trực tiếp tới sự phát triển của cộng đồng loài ngƣời ở hiện tại và các thế hệ tƣơng lai. Hiện nay, Chính phủ và nhiều tổ chức của các quốc gia trên thế giới đã và đang thảo luận để đƣa ra những giải pháp nhằm kiểm soát, giảm thiểu lƣợng khí thải vào bầu khí quyển; nhiều chƣơng trình, dự án đƣợc triển khai để đánh giá mức độ ô nhiễm không khí, tìm ra các nguồn gây ô nhiễm cũng nhƣ những tác động nguy hiểm tới môi trƣờng sống và sức khỏe con ngƣời. Các giải pháp cụ thể đƣợc triển khai nhƣ tăng cƣờng hợp tác toàn cầu, đầu tƣ nâng cao chất lƣợng thiết bị quan trắc, thiết lập các mạng lƣới quan trắc, phát triển các hệ thống mô hình dự báo chất lƣợng không khí, nâng cao ý thức công đồng về tầm quan trọng của chất lƣợng không khí. Ô nhiễm không khí không dừng lại ở các đƣờng biên giới giữa các quốc gia, qua các nghiên cứu cho thấy nhiều quốc gia vừa là nguồn gây ô nhiễm nhƣng cũng vừa là nguồn tiếp nhận ô nhiễm, chẳng hạn nhƣ ô nhiễm xảy ra giữa Mỹ với các nƣớc láng giềng Mexico và Canada; Singapore, Malaysia bị thiệt hại nặng do thảm họa cháy rừng ở Inđônesia; nồng độ các chất ô nhiễm không khí tại Nhật Bản có sự đóng góp lớn từ các nƣớc Trung Á, Do đó, trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu đa dạng về phƣơng pháp, rộng về quy mô và đƣợc hỗ trợ nhiều về thiết bị máy móc cũng nhƣ tài chính để nghiên cứu về vấn đề này. Ngoài ra, cũng đã và đang hình thành nên các cơ chế giữa các nƣớc có chung đƣờng biên giới, giữa các nƣớc trong một khu vực nhằm kiểm soát và hạn chế ảnh hƣởng của ô nhiễm xuyên biên giới. Nhiều quốc gia trên thế giới đã liên kết với nhau để thiết lập một số trạm quan trắc chất lƣợng không khí ở biên giới để đánh giá nguy cơ lan truyền ô 1
11. nhiễm. Mạng lƣới quan trắc chất lƣợng không khí thƣờng đặt tại các khu vực nhạy cảm gần biên giới nhằm dễ kiểm soát nguồn thải các chất ô nhiễm. Bên cạnh đó, việc sử dụng các mô hình toán để nghiên cứu, mô phỏng các quá trình lan truyền ô nhiễm trong không khí trên quy mô lớn, nhằm đánh giá ô nhiễm không khí xuyên biên giới đƣợc nhiều các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và ứng dụng thành công cho nhiều khu vực. Ở Việt Nam, những ảnh hƣởng do quá trình ô nhiễm xuyên biên giới chƣa thấy rõ ràng nhƣng bắt đầu có những biểu hiện của nó. Ở các tỉnh Lạng Sơn, Lào Cai, những nơi mà các nhà nghiên cứu cho rằng không có nguồn gây ô nhiễm không khí đáng kể nhƣng kết quả quan trắc lại cho thấy những giá trị của SO2, NOx khá cao và đặc biệt là có hiện tƣợng mƣa axit trong thời điểm mùa đông, khi khu vực phía Bắc Việt Nam chịu ảnh hƣởng của các đợt gió mùa đông bắc từ Trung Quốc sang. Một số nghiên cứu của các tác giả nƣớc ngoài cho thấy: Trên 50 % lƣợng SO2 lắng đọng tại miền Bắc Việt Nam có nguồn gốc từ Trung Quốc; lƣợng SO2 lắng đọng tại Trung Quốc gấp 1 - 3 lần ngƣỡng cho phép của tiêu chuẩn Châu Âu trong đó lắng đọng tại Việt Nam là xấp xỉ ngƣỡng này. Từ kinh nghiệm của các nƣớc trên thế giới, Việt Nam cần phải có những nghiên cứu cụ thể về lan truyền ô nhiễm xuyên biên giới và đánh giá mức độ ảnh hƣởng của ô nhiễm không khí từ các quốc gia lân cận. Cấu trúc luận văn Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan về các nghiên cứu Chƣơng 2. Đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 3. Kết qủa nghiên cứu và thảo luận Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo 2
12. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội miền Bắc Việt Nam 1.1.1 Vị trí địa lý, địa hình Bắc Bộ (Miền Bắc) nằm ở vùng cực Bắc lãnh thổ Việt Nam, phía Bắc giáp Trung Quốc, phía Tây giáp Lào và phía Đông giáp biển Đông. Đƣợc bắt đầu từ vĩ độ 19053’ Bắc đến 23023’ Bắc với chiều dài là 1.650 km, chiều ngang Đông - Tây là 500 km, rộng nhất so với Trung Bộ và Nam Bộ. Hình 1. Bản đồ hành chính Miền Bắc Địa hình Bắc Bộ đa dạng và phức tạp. Bao gồm đồi núi, đồng bằng, bờ biển và thềm lục địa. Có lịch sử phát triển địa hình và địa chất lâu dài, phong hóa mạnh mẽ. Có bề mặt thấp dần, xuôi theo hƣớng Tây Bắc - Đông Nam, đƣợc thể hiện thông qua hƣớng chảy của các dòng sông lớn. Khu vực đồng bằng rộng lớn nằm ở lƣu vực sông Hồng, có diện tích 14,8 ngàn km2 và bằng 4,5% diện tích cả nƣớc. Đồng bằng dạng hình tam giác, đỉnh là Thành phố Việt Trì và cạnh đáy là đƣờng bờ biển phía đông. Đây là đồng bằng châu thổ lớn thứ hai Việt Nam (sau Đồng bằng sông Cửu Long diện tích 15.000 km2) do sông Hồng và sông Thái Bình bồi đắp. Phần lớn bề mặt đồng bằng có địa hình khá bằng phẳng, có độ cao từ 0,4 - 12m so với mực nƣớc biển. 3
13. Hình 2. Địa hình các tỉnh Miền Bắc Liền kề với đồng bằng sông Hồng về phía tây và tây bắc là khu vực Trung du và miền núi có diện tích khoảng 102,9 ngàn km2 và bằng 30,7% diện tích cả nƣớc. Địa hình ở đây bao gồm các dãy núi cao và rất hiểm trở, kéo dài từ biên giới phía Bắc (nơi tiếp giáp với Trung Quốc) tới phía tây tỉnh Thanh Hoá. Trong khu vực này từ lâu đã xuất hiện nhiều đồng cỏ, nhƣng thƣờng không lớn và chủ yếu nằm dải dác trên các cao nguyên ở độ cao 600 – 700m. Về phía khu vực đông bắc phần lớn là núi thấp và đồi nằm ven bờ biển Đông, đƣợc bao bọc bởi các đảo và quần đảo lớn nhỏ. Ở Vịnh Bắc Bộ tập trung quần thể bao gồm gần 3.000 hòn đảo nằm trong các khu vực biển Vịnh Hạ Long, Bái Tử Long, Cát Hải, Cát Bà, Bạch Long Vĩ. Và nhiều bờ biển đẹp nhƣ bờ biển Trà Cổ, Bãi Cháy, Tuần Châu và Vân Đồn thuộc tỉnh Quảng Ninh; Cát Bà, Đồ Sơn thuộc thành phố Hải Phòng; Đồng Châu thuộc tỉnh Thái Bình; Hải Thịnh, Quất Lâm thuộc tỉnh Nam Định. 1.1.2 Khí hậu Bắc Bộ quanh năm có nhiệt độ tƣơng đối cao và ẩm, nền khí hậu chịu ảnh hƣởng từ lục địa Trung Hoa chuyển qua và mang tính chất khí hậu lục địa. Trong 4
14. khi một phần khu vực duyên hải lại chịu ảnh hƣởng tính chất khí hậu cận nhiệt đới ấm và gió mùa ẩm từ đất liền. Toàn vùng có khí hậu cận nhiệt đới ẩm quanh năm với 4 mùa rõ rệt xuân, hạ, thu, đông. Đồng thời hàng năm chịu ảnh hƣởng của gió mùa Đông Bắc và gió mùa Đông Nam. Nhiệt độ trung bình năm tăng dần từ phía Bắc xuống phía Nam và có khí hậu giao hoà, là đặc trƣng của khu vực đồng bằng Bắc Bộ và ven biển. Thời tiết mùa hè từ tháng 5 đến tháng 9 nóng ẩm và mƣa cho tới khi gió mùa nổi lên. Mùa Đông từ tháng 10 tới tháng 4 trời lạnh, khô, có mƣa phùn. Nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 250C, lƣợng mƣa trung bình từ 1.700 đến 2.400mm. Vào mùa Đông nhiệt độ xuống thấp nhất trong các tháng mƣời hai và tháng giêng. Thời gian này ở khu vực miền núi phía bắc (nhƣ Sa Pa, Tam Đảo, Hoàng Liên Sơn) có lúc nhiệt độ còn lúc xuống dƣới 00C, xuất hiện băng giá và có thể có tuyết rơi. Khí hậu vùng Bắc Bộ cũng thƣờng phải hứng chịu nhiều tác động xấu của thời tiết, trung bình hàng năm có từ 6 đến 10 cơn bão và áp thấp nhiệt đới gây ra lũ lụt, đe doạ trực tiếp đến cuộc sống và ngành nông nghiệp của toàn địa phƣơng trong vùng. 1.1.3 Dân cư Tính đến thời điểm 0 giờ ngày 01/04/2009 dân số Việt Nam là 85.789.573 ngƣời. Khu vực đồng bằng sông Hồng là nơi tập trung dân cƣ đông nhất, có tới 19.577.944 ngƣời (khu vực Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền Trung 18.835.485, đồng bằng sông Cửu Long 17.178.871 ngƣời). Khu vực đồng bằng Sông Hồng có mật độ dân cƣ dày đặc nhất (khoảng 1225 ngƣời/km2). Dân số khu vực thành thị chiếm 29,2% dân số toàn Bắc Bộ và có tốc độ gia tăng ở mức cao, bình quân có thêm 3,4%/năm (tỷ lệ tăng dân số ở khu vực nông thôn chỉ là 0,4%/năm). Trong khi đó, ở khu vực Trung du miền núi với diện tích rộng lớn, tài nguyên thiên nhiên phong phú lại thiếu nguồn nhân lực khai thác và có mật độ dân số thấp hơn rất nhiều so với khu vực đồng bằng (khu vực Tây bắc có mật độ dân 69 ngƣời/km2). 5
15. Tại khu vực đông dân nhƣ đồng bằng Sông Hồng và các khu vực thuộc vùng kinh tế trọng điểm đều có mật độ dân số rất cao. Tuy tạo đƣợc những mặt tác động tích cực, là nguồn nhân lực dồi dào để phát triển kinh tế, là thị trƣờng tiêu thụ rộng lớn, là thế mạnh để thu hút nguồn đầu tƣ từ nƣớc ngoài Nhƣng mặt khác đã gây ra những tác động tiêu cực không nhỏ. Khi dân số đông mà kinh tế chậm phát triển thì sẽ hạn chế trong việc giải quyết công ăn việc làm, nâng cao đời sống vật chất và tinh thần đến mỗi ngƣời dân lao động. Đồng thời các nhu cầu phúc lợi xã hội cũng bị hạn hẹp theo. Ngoài ra, ở những nơi tập trung đông dân cƣ sinh sống dễ dẫn đến tình trạng môi trƣờng bị gia tăng tác động, gây ô nhiễm, dịch bệnh, suy giảm các nguồn tài nguyên thiên nhiên khu vực. Công tác phân bổ dân cƣ không đồng đều do cả khách quan lẫn chủ quan gây nên sự không hợp lý trong việc khai thác tài nguyên thiên nhiên, sử dụng lao động, gia tăng chênh lệch kinh tế - xã hội đối với các khu vực trong vùng, làm suy giảm hiêụ quả trong quá trình xây dựng và phát triển chung của toàn xã hội. Ba thành phố lớn nhất là Hà Nội, Hải Phòng, Nam Định. Thành phố Hà Nội đã hơn 1000 năm tuổi, Nam Đinh hơn 750 năm và Hải Phòng hơn 100 năm. 1.1.4 Kinh tế Hiện tại cũng nhƣ tƣơng lai khu vực đồng bằng sông Hồng luôn đóng vai trò quan trọng vào sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội chung ở Việt Nam. Là nơi có vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên rất thuận lợi. Tài nguyên thiên nhiên phong phú, đa dạng, dân cƣ đông đúc, mặt bằng dân trí cao. Sự tập trung dân cƣ có mật độ cao liên quan đến nhu cầu và môi trƣờng lao động, tính cộng đồng và truyền thống văn hoá dân tộc. Một nơi có truyền thống lâu đời về thâm canh lúa nƣớc, có những trung tâm công nghiệp và hệ thống đô thị phát triển là điều kiện rất thuận lợi cho công cuộc phát triển các ngành nghề lao động sản xuất từ phổ thông đến hiện đại, mang đến sự thuận lợi cho công cuộc định cƣ lâu dài của con ngƣời. Là vựa lúa lớn thứ hai của Việt Nam (sau Đồng bằng sông Cửu Long) có đƣợc đất đai màu mỡ do phù sa của sông Hồng và sông Thái Bình bồi đắp. Số đất đai để phát triển nông nghiệp trên 70 vạn ha, chiếm 56% tổng diện tích tự nhiên 6
16. toàn vùng. Ngoài lúa nƣớc, các địa phƣơng nông nghiệp ở đồng bằng sông Hồng đều chú trọng phát triển loại cây ƣa lạnh có hiệu quả kinh tế cao nhƣ ngô, khoai tây, su hào, cải bắp, cà chua, những loại cây này đa phần đƣợc trồng hoa xen canh giữa các mùa vụ. Bắc Bộ là vùng có đƣờng bờ biển dài, có cửa ngõ lớn và quan trọng thông thƣơng với các khu vực lân cận và thế giới qua cảng biển Hải Phòng (thuộc thành phố Hải Phòng). Tài nguyên thiên nhiên gồm có các mỏ đá (ở Hải Phòng, Hà Nam, Ninh Bình), sét cao lanh ở Hải Dƣơng, than nâu ở Hƣng Yên và mỏ khí đốt ở Tiền Hải đã đƣợc tiến hành khai thác từ nhiều năm nay. Đặc biệt, trong lòng đồng bằng sông Hồng đang tồn tại hàng chục vỉa than lớn nhỏ có tổng trữ lƣợng vào khoảng 210 tỷ tấn (theo dự đoán qua số liệu khảo sát vào những năm 70 của thế kỷ trƣớc). Trải rộng trên diện tích 3500km2, trải dài từ Hà Nội đến Thái Bình rồi ra đến bờ biển Đông. Các vỉa than này có chiều dày từ 2 đến 3m, có nơi tới 20m. Là những vỉa than có độ ổn định địa chất và chất lƣợng rất tốt. Tuy nhiên, đồng bằng sông Hồng vẫn là một khu vực thiếu nguyên liệu phục vụ cho các ngành công nghiệp đang phát triển và luôn phải nhập từ các vùng khác. Một số lƣợng không nhỏ tài nguyên đang bị suy thoái do khai thác quá mức. Do nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới và gió mùa nên nền kinh tế vùng nói chung cũng phải chịu ảnh hƣởng từ các rủi ro do thiên tai gây nên 1.1.5 Hiện trạng chất lượng không khí từ các kết quả quan trắc tại các trạm quốc gia Song song với quá trình phát triển kinh tế, Bắc Bộ cũng đang phải chịu những ảnh hƣởng tiêu cực từ các vấn đề ô nhiễm môi trƣờng nói chung và ô nhiễm không khí nói riêng. Trong đó, các nguồn gây ô nhiễm môi trƣờng không khá đa dạng, tác động trực tiếp và gián tiếp tới các hoạt động phát triển kinh tế xã hội và đời sống hàng ngày của ngƣời dân. Các nguồn chính gây ô nhiễm môi trƣờng không khí gồm: Giao thông vận tải; sản xuất công nghiệp; xây dựng và dân sinh; nông nghiệp và làng nghề. 7
17. So sánh nồng độ các chất ô nhiễm không khí từ năm 2004 đến năm 2008 giữa các địa phƣơng thuộc mạng lƣới quan trắc của các Trạm vùng đồng bằng Bắc Bộ (Nguồn: Tổng Cục Môi trường 2010) cho thấy: Biểu đồ biểu diễn nồng độ SO2 trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại trạm vùng 1 Hà Nội Hải Phòng 0,300 Hạ Long Vinh Huế 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 Nồng(mg/m3) độ 0,000 2004 2005 2006 2007 2008 Năm QT Hình 3. Nồng độ SO2 trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I Nồng độ SO2 tại Hà Nội từ năm 2004 – 2008 luôn cao hơn so với các địa phƣơng khác trong mạng lƣới các địa phƣơng quan trắc thuộc trạm vùng 1. Tiếp đến là nồng độ SO2 quan trắc đƣợc ở thành phố Hải Phòng. Có thể nhận thấy đây là hai đô thị phát triển nhất ở khu vực phía Bắc, vì vậy nồng độ chất ô nhiễm trong không khí đo đƣợc cao hơn so với các địa phƣơng khác là điều hoàn toàn hợp lý. Thành phố có nồng độ SO2 cao tiếp theo là Hạ Long, thành phố phát triển về du lịch, dịch vụ và công nghệ đóng tàu. Ở thành phố Vinh và thành phố Huế, nồng độ trung bình của SO2 nhìn chung không có nhiều khác biệt. Biểu đồ biểu diễn nồng độ NO2 trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại trạm vùng 1 Hà Nội Hải Phòng 0,050 Hạ Long Vinh Huế 0,040 0,030 0,020 0,010 Nồngđộ (mg/m3) 0,000 2004 2005 2006 2007 2008 Năm QT Hình 4. Nồng độ NO2 trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I 8
18. Tƣơng tự đối với SO2, nồng độ NO2 tại Hà Nội từ năm 2004 – 2008 nhìn chung cao hơn so với các địa phƣơng khác trong mạng lƣới quan trắc các địa phƣơng thuộc trạm vùng 1. Ở các địa phƣơng còn lại nhƣ Tp. Hạ Long, Tp. Huế, Tp. Hải Phòng, Tp. Vinh nồng độ NO2 nhìn chung không có nhiều khác biệt. Nồng độ NO2 tại tất cả 5 địa phƣơng đều cao nhất vào năm 2006 và thấp nhất vào năm 2005. Biểu đồ biểu diễn nồng độ CO trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại trạm vùng 1 Hà Nội Hải Phòng 5,000 Hạ Long Vinh Huế 4,000 3,000 2,000 1,000 Nồngđộ (mg/m3) 0,000 2004 2005 2006 2007 2008 Năm QT Hình 5. Nồng độ CO trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I Đối với chỉ tiêu CO, nồng độ CO tại các địa phƣơng trong mạng lƣới các địa phƣơng quan trắc thuộc trạm vùng 1 nhìn chung không có nhiều khác biệt. Nồng độ CO ở Huế là thấp nhất, do đây là nơi ít bị ảnh hƣởng từ các hoạt động công nghiệp. Biểu đồ biểu diễn nồng độ bụi trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại trạm vùng 1 Hà Nội Hải Phòng Hạ Long Vinh 0,500 Huế 0,400 0,300 0,200 0,100 Nồngđộ (mg/m3) 0,000 2004 2005 2006 2007 2008 Năm quan trắc Hình 6. Nồng độ bụi trong không khí tại các địa phƣơng quan trắc tại vùng I 9
19. Nồng độ bụi tại Hà Nội từ năm 2004 – 2008 cũng luôn cao hơn so với các địa phƣơng khác trong mạng lƣới các địa phƣơng quan trắc thuộc trạm vùng 1. Đây cũng là thành phố có mật độ dân cƣ và các loại phƣơng tiện giao thông cao nhất miền Bắc. 1.2 Tổng quan các nghiên cứu mô hình hóa lan truyền ô nhiễm xuyên biên giới ở trong mƣớc và nƣớc ngoài 1.2.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài Các mô hình lan truyền chất ô nhiễm (CTMs) là các công cụ quan trọng đƣợc sử dụng để tìm ra quá trình vận chuyển và đánh giá tác động của lan truyền ô nhiễm quy mô lớn. Xác định các biện pháp hiệu quả để giảm thiểu ô nhiễm tại một điểm cụ thể đòi hỏi phải xác định lƣợng thải từ các nguồn địa phƣơng và các nguồn thải từ nơi khác lan truyền đến, phân biệt các nguồn tự nhiên và các nguồn do con ngƣời tạo ra cũng nhƣ nguồn địa phƣơng, vùng, xuyên biên giới, và xuyên lục địa. Trên thực tế, rất hiếm gặp nồng độ hoặc lắng đọng các chất khí ô nhiễm tại một điểm cụ thể chỉ là do khí thải tại điểm đó gây ra. Thông thƣờng, nồng độ hoặc lắng đọng ô nhiễm đƣợc hình thành từ các vùng khác nhau và khoảng thời gian tồn tại trong khí quyển khác nhau, hầu nhƣ nó có đa nguồn. Khi mà các quan trắc không thể đáp ứng đƣợc việc giải thích sự hình thành và di chuyển các chất ô nhiễm trong khí quyển, các mô hình đã đƣợc sử dụng rộng rãi để cung cấp các thông tin cần thiết. CTMs là các mô hình tính toán liên kết với các nguồn phát thải chất ô nhiễm để tìm ra sự phân bố trong môi trƣờng và tích hợp với các quá trình khí tƣợng, hóa học, vật lý để kiểm soát thành phần và sự vận chuyển ô nhiễm không khí trong bầu khí quyển. Trong những thập kỷ vừa qua, khả năng dự báo chất lƣợng không khí đã đƣợc cải thiện đáng kể do sự phát triển khả năng đo đạc và mô hình hóa khí quyển, vận chuyển và các quá trình di chuyển. Mô hình CTMs theo dõi sự di chuyển của một số chất hóa học trong những giai đoạn vật lý khác nhau tƣơng tác với hàng trăm phản ứng hóa học. Ngoài ra, các thành phần vận chuyển của CTMs có tƣơng tác chặt chẽ với các mô hình khí tƣợng động lực. Khả năng tính toán và hiệu quả đã 10
20. tiến triển đến mức độ mô hình CTMs có thể tính toán các phân bố ô nhiễm trong khu vực đô thị với độ phân giải không gian nhỏ hơn 1 km, và có thể bao chùm toàn bố trái đất với độ phân giải ngang nhỏ hơn 100 km. Đánh giá tác động của các nguồn phát thải từ xa đến địa phƣơng đòi hỏi phải có phƣơng pháp để theo dõi sự đóng góp ô nhiễm từ địa phƣơng (ví dụ, các mối quan hệ nguồn nhận). Mối quan hệ nguồn thải – nguồn nhận (S-P) là việc lƣợng tử hóa sự phân bố của nguồn phát thải đến nồng độ hoặc sự lắng đọng của các ô nhiễm điển hình tại bất kỳ điểm nhận nào. Trong khi mô hình CTMs đƣợc sử dụng để tính toán các mối quan hệ giữa S-R liên quan đến khoảng cách ngắn (hàng trăm km). Các mô hình là công cụ không thể thiếu để thúc đẩy sự hiểu biết của chúng ta về sự vận chuyển ô nhiễm với quy mô lớn. Tuy nhiên, mức độ chính xác trong mô hình dự báo lại bị hạn chế bởi sự không chắc chắn trong các dữ liệu đầu vào, và các giả định trong mô hình bao gồm: đầu vào phát thải các chất ô nhiễm, quá trình hóa học và động học hình thành và biến đổi các chất gây ô nhiễm. Hiện nay, các mô hình CTMs thƣờng đƣợc ƣớc tính sai số dựa trên các nguồn số liệu quan trắc khác nhau và sự giả định đầu vào. Nghiên cứu ở Bắc Mỹ Đƣợc công bố vào năm 2011, K. Wyat Appel và nhóm nghiên cứu đã ứng dụng hệ thống mô hình CMAQ để mô phỏng chất lƣợng không khí tại khu vực Bắc Mỹ và Châu Âu vào năm 2006. Đây là mô hình đánh giá chất lƣợng môi trƣờng không khí phù hợp với nhiều khu vực trên thế giới. Mô hình thực hiện đánh giá sự hoạt động của O3 tại tầng đối lƣu và bụi PM2,5, PM10 cho hai lục địa. Mô hình đánh giá theo ngày (8AM-8PM, LST) cho thấy tỷ lệ O3 khuếch tán xuống tầng thấp khoảng 13% vào mùa đông ở Bắc Mỹ, tỷ lệ khuếch tán O3 chủ yếu đƣợc đánh giá ở giữa và đáy tầng đối lƣu; mô hình cho thấy tỷ lệ khuếch tán O3 theo ngày vào mùa đông cao ở Châu Âu, trung bình 8,4%. Tỷ lệ khuếch tán O3 theo ngày khoảng 4-5% vào mùa Xuân ở cả 2 lục địa, trong khi vào mùa hè tỷ lệ này cao ở Bắc Mỹ khoảng 9,8% và khoảng 1,6% tại Châu Âu. Vào mùa thu ở cả hai khu vực, tỷ lệ này đƣợc đánh giá khá lớn, khoảng 30% tại Châu Âu. Đặc điểm của PM2,5 thay đổi theo mùa 11
21. và phụ thuộc vào bề mặt địa hình ở cả 2 châu lục. Đối với Bắc Mỹ PM2,5 có nồng độ lớn vào mùa đông và mùa thu Hình 7. Biến thiên trung bình (%) theo ngày (8AM-8PM) của O3 trung bình cho Bắc Mỹ Hình 8. Biến thiên trung bình (%) theo ngày (8AM-8PM) cho PM2,5 cho Bắc Mỹ Nghiên cứu ở Châu Âu Các nƣớc trong liên minh Châu Âu là những quốc gia đều tiên trên thế giới ký kết các công ƣớc, nghị định thƣ về ô nhiễm xuyên biên giới và một chƣơng trình giám sát và đánh giá các chất ô nhiễm không khí vận chuyển xa (EMEP - European 12
22. Monitoring and Evaluation Programme) đã đƣợc thành lập. Mục tiêu của chƣơng trình này là: cung cấp cho các Chính phủ Châu Âu thông tin về lắng đọng, nồng độ các chất ô nhiễm; định lƣợng và thông tin về vận chuyển xuyên biên giới của các chất ô nhiễm không khí. EMEP đào tạo, hỗ trợ khoa học cho Công ƣớc về ô nhiễm không khí xuyên biên giới (LRTAP), đặc biệt trong các lĩnh vực quan trắc khí quyển, mô hình hóa, kiểm kê/dự báo phát thải, đánh giá tổng hợp. Hàng năm EMEP cung cấp các thông tin về quá trình ô nhiễm xuyên biên giới trong phạm vi EMEP (bao gồm tất cả các quốc gia đã ký kết Công ƣớc với các nƣớc láng giềng), dựa trên thông tin về các nguồn phát thải và dữ liệu quan trắc đƣợc cung cấp bởi các nƣớc thành viên tham gia Công ƣớc. Năm 2008, EMEP đã đƣợc mở rộng, bao gồm cả các nƣớc EECCA (Đông Âu, Caucasus và Trung Á), các báo cáo hàng năm của EMEP liên quan đến hai câu hỏi cơ bản về ô nhiễm không khí xuyên biên giới. Đó là: khu vực phát thải các chất ô nhiễm và khu vực mà các chất ô nhiễm đã vận chuyển đến (một quốc gia hay một vùng). Từ năm 2008 các dữ liệu khí tƣợng của ECMWF (Trung tâm dự báo thời tiết trung hạn Châu Âu) đã đƣợc sử dụng để chạy mô hình, mỗi mô hình chạy phát thải cho một chất cụ thể (hoặc một nhóm chất). Mục đích của các báo cáo hiện trạng EMEP hàng năm nhằm cung cấp một cái nhìn tổng quan về hiện trạng ô nhiễm không khí xuyên biên giới ở châu Âu, theo dõi quá trình vận chuyển các chất nhằm kiểm soát phát thải. Hình 9. Các đóng góp chính do lắng đọng NO2 vào Đức 13
23. Trong khuôn khổ Công ƣớc về ô nhiễm không khí xuyên biên giới, Liên minh Châu Âu đã sử dụng vệ tinh theo dõi sự lan truyền xuyên biên giới của CO, NO2 và O3 giữa khu vực phía đông nƣớc Mỹ, Châu Âu và Châu Á; sử dụng lidar để theo dõi dòng chuyển động của các sol khi và các hạt sơ cấp của nó từ lục địa Châu Á và Bắc Mỹ (2007). Theo Y. Yu, làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển và Thiết bị thuộc đại học Hertfordshire Vƣơng Quốc Anh và nhóm nghiên cứu đã ứng dụng hệ thống mô hình MM5 – SMOKE – CMAQ để mô phỏng nồng độ các chất ô nhiễm của hiện tƣợng mù quang hóa tại phía đông nam nƣớc Anh. Hình 10. Phân bố không gian của tầng Ô zôn đƣợc mô mô phỏng từ mô hình MM5 – SMOKE – CMAQ Việc kiểm định hệ thống mô hình với kết quả thực nghiệm cho thấy sự phù hợp cả về biến trình và bậc đại lƣợng của các chất ô nhiễm nhƣ NO2, PM2,5, O3. Do vậy việc sử dụng hệ thống mô hình là một trong những phƣơng pháp hữu hiệu trong nghiên cứu, dự báo chất lƣợng không khí hoặc tính toán lan truyền các chất ô nhiễm. 14