Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SMOKE TÍNH TOÁN KIỂM KÊ PHÁT THẢI PHỤC VỤ DỰ BÁO Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÙNG KINH TẾ TRỌNG ĐIỂM BẮC BỘ Dương Hồng Sơn, Đàm Duy Hùng, Lê Văn Quy, Lê Văn Linh Trung tâm Nghiên cứu Môi trường Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn Môi trường Vùng kinh tế trọng điểm Bắc có ý nghĩa chiến lược công phát triển đất nước, nơi tập trung phần lớn công trình trọng điểm, cảng sông, biển, sân bay khu công nghiệp lớn, tầm cỡ phân bố tỉnh; hoạt động kinh tế diễn ồn sôi động. Sự phát triển kinh tế cách nhanh chóng khu công nghiệp lớn nhỏ tốc độ đô thị hóa nhanh ảnh hưởng xấu tới chất lượng không khí vùng. Do vậy, việc dự báo chất lượng không khí cần thiết đời sống công tác nghiên cứu khoa học. Trong việc kiểm kê phát thải giai đoạn quan trọng nhằm đảm bảo tính xác dự báo chất lượng môi trường không khí. Để giải toán trên, nhóm nghiên cứu ứng dụng mô hình SMOKE để kiểm kê phát thải nguồn gây ô nhiễm tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. Kết kiểm kê phát thải cho thấy nguồn gây ô nhiễm phát thải giao thông (nguồn đường) tác nhân gây ô nhiễm không khí khu đô thị với tỷ lệ đóng góp phát thải giao thông chất tổng lượng phát thải nguồn CO (29%), NOX (26,3%), SO2 (7%), TSP (9,1%). Tương tự với nguồn phát thải từ khu dân cư (nguồn diện) tỷ lệ phát thải CO (18,7 %), NOX (2,6%), SO2 (62%), bụi (1,3%), với nguồn điểm (các khu công nghiệp) CO (52,3%), NOX (71,1%), SO2 (31%) bụi (89,6%). 1. Giới thiệu mô hình Smoke SMOKE công cụ hữu ích xử lý phát thải cho loạt ứng dụng mô hình chất lượng không khí khu vực EMC (Environment Modeling Center) công bố năm 1996, tiếp tục phát triển trường đại học Bắc Carolina. Phiên SMOKE 3.1. SMOKE tính toán khí ô nhiễm chuẩn như: carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOX), hợp chất hữu dễ bay (VOC) tổng khí hữu (TOG), ammonia (NH3), sulfur dioxide (SO2); bụi (PM) có kích thước nhỏ 10 µm (PM10), nhỏ 2.5 µm (PM2.5). SMOKE tính toán nhiều độc tố thuỷ ngân, cađimi, benzen, formaldehyde… Kiểm kê phát thải SMOKE chia thành loại chính: nguồn diện, nguồn điểm, nguồn giao thông nguồn sinh học. Việc phân chia dựa phương pháp khác việc xây dựng kiểm kê đặc trưng, thuộc tính khác nguồn. Trong báo thực kiểm kê chủ yếu nguồn diện, nguồn điểm nguồn giao thông. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 341 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Số liệu sử dụng đất Nguồn sinh học Nguồn giới Số liệu khí tượng Sát nhập nguồn Nguồn diện Thông báo phát thải Số liệu Kiểm kê phát thải Phát thải cho mô hình Nguồn điểm Hình 1. Mối quan hệ liệu SMOKE SMOKE sử dụng hệ thống mã để xác định không gian (quốc gia, tỉnh, huyện) hệ thông mã để phân chia nguồn. Quốc gia Tỉnh Huyện Hình 2. Hệ thống mã không gian SMOKE Hình 3. Hệ thông mã phân chia loại nguồn điểm, nguồn diện nguồn di động 2. Nguồn đường Phân loại đường SMOKE phân loại đường mã AIRS (AIRS-Aerometric Information Retrieval). Mã AIR giống số cuối 10 số mã phân loại nguồn thải (SCC). Để phù hợp với không gian mô hình áp dụng cho Việt Nam mã đại diện ấn định gồm loại; 15 - Đường đô thị chính, 16 - Đường nông thôn phụ, 17 - Đường nông thôn chính, 18 - Đường đô thị phụ. Bảng 1. Mã phân loại loại đường Mã đại diện Tên Mã phân loại đường Tên 15 Đường đô thị 250 170 Đường nhánh nông thôn yếu 16 Đường nông thôn phụ 190 Đường nhánh nông thôn thứ yếu 110 Đường nối vùng nông thôn 17 Đường nông thôn 130 Đường nông thôn yếu 342 Đường đô thị yếu Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Mã đại diện Mã phân loại đường Tên Đường đô thị phụ 18 Tên 150 Đường nông thôn thứ yếu 310 Đường đô thị thứ yếu Phân loại phương tiện Từ loại phương tiện SMOKE. Mô hình hệ số phát thải giao thông MOBILE phân chia chi tiết thành 28 loại đưa hệ số phát thải cho toàn 28 loại phương tiện đó. Để thực hệ số phát thải này, nhân tố phát thải cho loại phương tiện MOBILE lấy trung bình trọng số theo phần trăm VMT (Vehicle miles traveled) ấn định tới loại phương tiện đó, tổng kết loại phương tiện lại để tạo hệ số phát thải cho loại phương tiện. (Bảng 2) Bảng 2. Mã loại xe SMOKE Mô tả Mã Hệ số loại phương tiện MOBILE6 0100 LDGV: Xe vận chuyển chạy xăng – công suất 1.000000 nhỏ (CSN) 0102 LDGT1: Xe tải chạy xăng CSN 1(0 - 6.000lbs, 0.230998 GVWR, 0-3.750 lbs. LVW) 0104 LDGT2: Xe tải chạy xăng CSN (0-6.000lbs, 0.769002 GVWR, 3.751-5.750 lbs. LVW) 0107 HDGV: Xe chạy xăng – công suất lớn (CSL) 3000 LDDV: Xe chạy dầu CSL 3006 LDDT: Xe tải chạy dầu CSN 3007 HDDV: Xe tải chạy dầu 0108 MC: Xe máy 1.000000 GVWR: Trọng lượng loại xe tính theo đơn vị lbs, lbs = 454g 3. Nguồn điểm Là nguồn phát thải (những sở sản xuất có ống khói, sử dụng nhiên liệu dầu, than, gas để phục vụ cho hoạt động đốt cháy). Ở phạm vi rộng, nguồn điểm sở sản xuất có công đoạn sản xuất phát thải khí ô nhiễm lớn. Các nguồn thải xác định vị trí điểm thải chủ yếu, vị trí chúng xác định thông báo định kỳ. Nguồn điểm thường chia nhỏ thành nguồn nhà máy phát điện (EGU) không nhà máy phát điện (non-EGU), đặc biệt kiểm kê chuẩn nhà máy phát điện nguồn NOx SO2. Ví dụ nguồn nhà máy phát điện bao gồm nhà máy hoá chất gia công nội thất. Nguồn thải điểm bao gồm kiểm kê chuẩn lẫn độc tố. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 343 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Xử lý phát thải nguồn điểm SMOKE tập trung vào việc chuyển đổi phát thải theo năm, tháng, ngày thành phát thải sẵn sàng cho mô hình theo ô lưới chất hoá học sử dụng mô hình chất lượng không khí. 4. Nguồn diện Nguồn diện nguồn không di chuyển được, dự tính cho vùng rộng (thường quận/huyện hay khoảng không gian) mà số liệu thu thập điểm: nguồn xây dựng (dân dụng dân cư), nguồn đun nấu từ hộ gia đình. Thông tin đun nấu hộ dân: Số hộ dân đơn vị hành chính, tỷ lệ số hộ gia đình sử dụng nhiên liệu (củi, gas than) để đun nấu, loại than (hệ số chất ô nhiễm than), thói quen, thời gian sử dụng nhiên liệu để đun nấu người dân hai khu vực nông thôn thành thị. Trong chương trình xử lý nguồn diện, SMOKE đọc liệu thô (dữ liệu đầu vào dạng tấn/năm) xử lý biến đổi chúng dạng phát thải hàng phù hợp với định dạng liệu mô hình lan truyền ô nhiễm. Phân loại Nhập kiểm kê Chia lưới Sát nhập Cấp phát thời gian Chương trình Hướng trao đổi số liệu Hình 4. Các bước xử lý nguồn diện 5. Kết tính toán Trong Smoke, hoạt động xử lý không gian, lưới hóa xác định lưới tính cho miền mô hình hóa chất lượng không khí với vị trí nguồn file kiểm kê Smoke. Để phù hợp với không gian Smoke, mã quốc gia gán cho khu vực Đông Nam Á 0, cài đặt mã bang gán cho Việt Nam 84, mã hạt gán cho tỉnh thành khu Kinh tế Trọng điểm Bắc Bộ từ 001, 002, 003, . ấn định GMT cho thời gian địa phương. Miền lưới tính toán cho khu kinh tế trọng điểm Bắc Bộ với bước lưới 2km x 2km, tọa độ ô lưới trung tâm 210N 1060E, bao gồm 156 ô lưới theo trục x 156 ô lưới theo trục y. Kết ma trận lưới tính ma trận thưa, miêu tả phát thải cho nguồn ô lưới đưa miền tính. Ma trận lưới tính ứng dụng cho kiểm kê phát thải để chuyển đổi kiểm kê phát thải nguồn tới phát thải lưới tính. Hình 5. Sơ đồ miền tính 344 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Trong nghiên cứu này, sử dụng số liệu điều tra khảo sát năm 2007 bổ sung số liệu vào năm 2010 với kết kiểm kê phát thải cho số tỉnh, thành phố sau: Bảng 3. Tổng lượng phát thải số tỉnh, thành phố khu kinh tế trọng điểm Bắc Tỉnh Hà Nội Hải Phòng Hải Dương CO NOX SO2 TSP [tấn/năm] [tấn/năm] [tấn/năm] [tấn/năm] Điểm 40632 16881 6415 73378 Diện 16008 610 15416 1057 Đường 29349 7507 1887 9444 Điểm 17420 5583 3358 23908 Diện 5380 205 5182 356 Đường 8337 1818 387 1800 Điểm 18422 6303 3178 28692 Diện 5963 227 5742 394 Đường 4703 1235 278 1493 Nguồn Có thể thấy số liệu kiểm kê đưa bảng thấp so với thực tế, việc kiểm kê số liệu phát thải gặp nhiều khó khăn thiếu sở liệu phát thải nguồn, cần số lượng lớn nhân lực tham gia điều tra khảo sát khu dân cư, tất tuyến đường, tất nhà máy, khu công nghiệp, . Tuy nhiên qua điều tra khảo sát ứng dụng mô hình Smoke kết đạt khả quan. Qua kết thấy phần trăm đóng góp từ nguồn sau: Tỷ lệ đóng góp phát thải giao thông chất tổng lượng phát thải nguồn CO (29%), NOX (26,3%), SO2 (7%), TSP (9,1%). Tương tự với nguồn phát thải từ khu dân cư (nguồn diện) tỷ lệ phát thải CO (18,7 %), NOX (2,6%), SO2 (62%), bụi (1,3%), với nguồn điểm (các khu công nghiệp) CO (52,3%), NO X (71,1%), SO2 (31%) bụi (89,6%). Trong mô hình Smoke, nguồn phát thải kiểm kê độc lập sau nguồn sáp nhập thành file thống nhằm cung cấp đầu vào cho mô hình chất lượng không khí. Mỗi chất phát thải kết tổng hợp nhiều nguồn phát thải khác nhau. Kết mô hình SMOKE file đầu dạng netcdf thể thông qua phần mền VERDI-4.1. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 345 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI (a) (b) (c) (d) Hình 6. Phân bố phát thải 19 01/07/2010; (a) CO, (b): SO2, (c): NOX, (d): PM10 Phân bố phát thải chủ yếu tập trung thành phố lớn Hà Nội Hải Phòng nơi có mật độ giao thông lớn. (Hình 6) cho thấy phát thải chủ yếu tập trung dọc tuyến Hà Nội – Hưng Yên – Hải Dương – Hải Phòng, phát thải lớn điểm có khu công nghiệp (các chấm màu đỏ nới có phát thải lớn, tương ứng với khu công nghiệp) Hình 7. Biến trình phát thải trung bình ngày 01-07-2010 346 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Biến trình phát thải trung bình tính toán cho ngày 01/07/2010 thể (Hình 7) cho kết hợp lý so với hoạt động kinh tế, dân sinh. Phát thải đạt giá trị lớn vào khoảng từ 16 đến 20 thời điểm số lượng hoạt động phương tiện giao thông lớn nhất, đặc biệt Thủ đô Hà Nội, thời điểm hoạt động dân sinh đun nấu diễn với mật độ lớn. Phát thải đạt giá trị thấp vào thời điểm đêm rạng sáng. 6. Kết luận kiến nghị Mô hình cho kết phát thải theo ô lưới phụ thuộc vào kích thước ô lưới lựa chọn tính toán. Kết cho thấy, lượng phát thải khu kinh tế trọng điểm Bắc Bộ tập trung chủ yếu thành phố lớn với mật độ giao thông lớn. Với tỉnh có mật độ giao thông nhỏ lượng phát tải tập trung khu công nghiệp, nhà máy khu dân cư. Kết phát thải theo ô lưới từ mô hình làm đầu vào thuận lợi cho mô hình chất lượng không khí nay. Để tăng kết xác cho mô hình, có số kiến nghị sau: - Xây dựng đầy đủ số liệu phát thải nhà máy, khu công nghiệp, thống kê đầy đủ số liệu phương tiện giao thông khu kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. - Xây dựng kiểm kê đầy đủ thông tin sử dụng nhiên liệu khu dân cư. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Dương Hồng Sơn (2008), Xây dựng tin dự báo chất lượng không khí cho vùng kinh tế trọng điểm Việt Nam, đề tài cấp Bộ TN&MT. 2. Rafael Borge, Julio Lumbreras, Encarnacion Rodrı´guez (2008). Development of a high-resolution emission inventory for Spain using the SMOKE modelling system: A case study for the years 2000 and 2010. 3. SMOKE v3.0 User’s Manual. 4. Zhining Tao (2005). Area, mobile, and point source contributions to ground level ozone: a summer simulation across the continental USA APPLICATION OF SMOKE MODEL IN EMISSION INVENTORY FOR AIR QUALITY FORECAST FOR THE NORTHERN VIETNAM FOCAL ECONOMIC ZONE Duong Hong Son, Dam Duy Hung, Le Van Quy, Le Van Linh Center for Environmental Research Vietnam Institute of Meteorology Hidrology and Environment The Northern Vietnam Focal Economic Zone is an important region in the development of the country, where concentrates the most important works. The river and sea ports, airports, large industrial parks are distributed homogeneous in the Zone’s provinces so that economic activities is always noisy and bustling. Rapid economic development in the large and small industrial parks as well as urbanization speed are affecting seriously on air quality in the region. Therefore, predicting air quality is necessary for the daily life as well as for scientific research. In which, the emission inventory is an important stage aimed to ensure accurately in forecasting air quality. Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 347 Hội thảo khoa học Quốc gia Khí tượng Thủy văn, Môi trường Biến đổi khí hậu lần thứ XVI To solve this problem, our research group has applied SMOKE model to inventory the emission of sources of air pollution in the provinces belong to The Northern Vietnam Focal Economic Zone. Results of emission inventory showed that traffic pollution emission sources (line source) is the main one causing air pollution in the urban areas. The substances contribution from traffic emission against to total emission is CO (29%), NOX (26.3%), SO2 (7%), and TSP (9.1%). Similar to the emissions in the residential areas (area source), the rate of emission is CO (18.7%), NOX (2.6%), SO2 (62%), TSP (1.3%), and point source (industrial parks) is CO (52.3%), NOX (71.1%), SO2 (31%) and TSP (89.6%). 348 Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường . gây ô nhiễm tại các tỉnh thuộc vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ. Kết quả kiểm kê phát thải cho thấy nguồn gây ô nhiễm phát thải giao thông (nguồn đường) là tác nhân chính gây ra ô nhiễm không khí. về Khí tượng Thủy văn, Môi trường và Biến đổi khí hậu lần thứ XVI Tập 2: Thủy văn - Tài nguyên nước, Biển, Môi trường 341 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SMOKE TÍNH TOÁN KIỂM KÊ PHÁT THẢI PHỤC VỤ DỰ BÁO. quan trọng nhằm đảm bảo tính chính xác trong dự báo chất lượng môi trường không khí. Để giải quyết bài toán trên, nhóm nghiên cứu chúng tôi đã ứng dụng mô hình SMOKE để kiểm kê phát thải các