1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Dƣơng Ngọc Bách

NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG TÍNH BIẾN ĐỘNG VÀ QUÁ TRÌNH LAN TRUYỀN BỤI
PM10 TRONG MÔI TRƢỜNG KHÔNG KHÍ Ở HÀ NỘI Chuyên ngành:
Môi trường không khí
Mã số:
62 85 02 10 DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG Hà Nội, 2014
2 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thƣ viện Quốc gia Việt Nam;
- Trung tâm Thông tin- Thƣ viện, Đại học Quốc gia Hà Nội. 3

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những thập kỷ gần đây, Hà Nội đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi
trường, trong đó có môi trường không khí. Đặc biệt là tại các khu công nghiệp, các trục
đường giao thông lớn đều bị ô nhiễm với các cấp độ khác nhau. Đó cũng là hệ quả của sự
gia tăng dân số, gia tăng đột biến của các phương tiện giao thông (ôtô, xe máy), cũng như sự
phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp làm gia tăng lượng
phát thải các chất ô nhiễm, trong đó có các chất khí độc hại như NO
x
, SO
2
, CO và bụi
PM10. Trong khi đó, mặc dù vơi vị thế là thành phố thủ đô nhưng cơ sở hạ tầng của thành
phố còn lạc hậu, hơn nữa công tác bảo vệ môi trường chưa được chú trọng quan tâm đúng
mức nên nhìn chung vấn đề ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm không khí đang là vấn
đề bức xúc trong xã hội.
Trong nỗ lực kiểm soát ô nhiễm, bảo vệ môi trường tại địa phương, từ những năm
2000 thành phố Hà Nội và Bộ Tài nguyên Môi trường đã lắp đặt nhiều trạm quan trắc chất

- Đối tượng nghiên cứu: ô nhiễm bụi, mô hình lan truyền ô nhiễm và nội, ngoại suy bụi
PM10 trong lớp khí quyển sát đất;
- Phạm vi nghiên cứu: khu vực nội đô thành phố Hà Nội;
- Giới hạn phạm vi nghiên cứu:
+ Thông số ô nhiễm: bụi PM10;
+ Trạm quan trắc chất lượng không khí tự động tại Hà Nội;
+ Mô hình hóa quá trình lan truyền bụi PM10 từ nguồn giao thông trên một số tuyến
đường chính tại khu vực nội thành Hà Nội.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tài liệu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu, thu thập số liệu quan trắc bụi
PM10 tại các trạm quan trắc tự động cố định trên địa bàn thành phố Hà Nội;
- Điều tra khảo sát, thu thập lưu lượng xe tại một số tuyến đường tại khu vực nội đô
thành phố Hà Nội;
- Ứng dụng lý thuyết hàm ngẫu nhiên để đánh giá tính biến động và thiết lập mô hình
nội ngoại suy bổ khuyết chuỗi số liệu bụi PM10 tại các trạm quan trắc chất lượng không khí
tự động cố định tại thành phố Hà Nội;
- Nghiên cứu ứng dụng phương pháp mô hình hóa để mô phỏng lan truyền bụi PM10
từ nguồn giao thông tại khu vực nội thành Hà Nội;
- Đề xuất một số giải pháp trong quản lý, kiểm soát ô nhiễm bảo vệ môi trường
không khí thành phố Hà Nội.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Phương pháp hồi cứu;
- Phương pháp điều tra khảo sát thực địa;
- Phương pháp xử lý số liệu thống kê;
- Phương pháp mô hình hoá để mô phỏng lan truyền bụi PM10 trong môi trường
không khí;
5

- Ứng dụng lý thuyết quá trình ngẫu nhiên để thiết lập mô hình nội, ngoại suy bổ
khuyết số liệu quan trắc tự động.

6

9. Cấu trúc luận án:
Cấu trúc của luận án, ngoài phần mở đầu và kết luận gồm 3 chương, bố cục luận án
gồm:
- Mở đầu
- Chương I. Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu
- Chương II. Phương pháp nghiên cứu
- Chương III. Kết quả và thảo luận
- Kết luận và kiến nghị
- Tài liệu tham khảo
- Phụ lục
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về nghiên cứu biến động của
bụi PM10 và mô hình hóa quá trình lan truyền bụi PM10 trong khí quyển.
1.2. Tổng quan về ô nhiễm bụi
Tổng quan về nguồn gây ô nhiễm và tác hại của bụi PM10, cũng như đặc tính của
bụi PM10 trong khí quyển.
1.3. Tổng quan mạng lƣới quan trắc chất lƣợng không khí tự động cố định
(Trạm QTCLKKTĐCĐ)
Trạm quan trắc chất lượng không khí tự động cố định tại Hà Nội là loại trạm quan
trắc có khả năng đo tự động liên tục (24h/24h) các thông số chất lượng không khí
(SO2;NOx;CO;O3;TSP;PM10) và các thông số khí tượng (nhiệt độ; độ ẩm; áp suất; bức
xạ; tốc độ và hướng gió).
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
2.1. Cơ sở lý thuyết hàm ngẫu nhiên
 Phƣơng pháp tính các đặc trƣng thống kê của yếu tố Bụi PM10
Nếu coi yếu tố Bụi PM10 như một quá trình ngẫu nhiên X(t), khi đó để khảo sát tính
khả biến của nó theo thời gian, ta tính các đặc trưng số và hàm tương quan (tự tương quan),

1
σ = (x -X)
N-1


Hệ số biến động:
x
vx
σ
C=
X

Hàm tương quan thời gian:
N-K
x 1 i i+k
i=1
1
R (Kτ )= (x -X)(x -X)
N-K


Hàm tương quan chuẩn hoá:
x1
x1
2
x
R (Kτ)
r (Kτ )=
σ


mô hình nội, ngoại suy bổ khuyết chuỗi số liệu bụi PM10
 Đối với quá trình ngẫu nhiên X(t) thỏa mãn tính dừng :
Trong trường hợp này giá trị trung bình X(t) = const với mọi (t),còn các hàm
tương quan R(t
1
,t
2
) và hàm cấu trúc D(t
1
,t
2
) chỉ phụ thuộc vào hiệu giữa hai thời điểm
 = t
1
– t
2
. Các hàm này là những hàm chẵn, nghĩa là R() = R(-) và D() = D(-).
Đối với hàm tương quan R() là hàm giảm đơn điệu, khi  → ∞ thì R() → 0, ngược
lại hàm cấu trúc D() là hàm tăng đơn điệu đến một giá trị 
∞
thì D() đạt trạng thái
bão hòa, nghĩa là khi →
∞
thì D() = const (hình 2.1)
Ứng dụng tính chất dừng của X(t), người ta đã xây dựng các mô hình nội,
ngoại suy dựa trên hàm tương quan R() [ ]. Trong [ ] đã sử dụng mối quan hệ giữa
hàm tương quan R() và hàm cấu trúc D() để thiết lập mô hình nội, ngoại suy cho
8

quá trình X(t) dừng thông qua hàm cấu trúc D(). Các mô hình đó được trình bày tóm


không vượt quá độ tán
(phương sai)
2
C

của đại lượng C(t), do đó để việc đánh giá sai số của phương pháp
dự báo trong trường hợp này được thuận lợi hơn, ta sử dụng đại lượng vô thứ nguyên
n

có dạng sau:
)(
2
1
)0(
22
2
2


C
n
C
n
c
n
n
D
B


phỏng lan truyền ô nhiễm khí và bụi cho các loại đường giao thông khác nhau như đường
bộ, nút cắt giao thông, cầu vượt, đường hầm, bãi đỗ xe.
Trong phần mềm này có tích hợp 3 mô hình lan truyền ô nhiễm không khí khác nhau
như: (1) mô hình CALINE4, (2) mô hình CAL3QHC và (3) mô hình CAL3QHCR, trong đó
mô hình CALINE4 được phát triển bởi Sở Giao thông Vận tải bang California (Mỹ), hai mô
hình còn lại được phát triển bởi Cục Bảo vệ môi trường Mỹ (USEPA).
2.2.2.Mô hình CAL3QHC
Cơ sở lý thuyết mô hình CAL3QHC được trình bày chi tiết trong tài liệu
[52;53].
Lý do lựa chọn mô hình CAL3QHC để mô phỏng lan truyền ô nhiễm bụi
PM10 từ nguồn giao thông Hà Nội là:
- Mô hình CAL3QHC được phát triển trên cơ sở cải tiến từ mô hình CALINE3 và
được nâng cấp để có thể ứng dụng mô phỏng lan truyền ô nhiễm bụi do nguồn
giao thông;
- Mô hình CAL3QHC cho phép tính toán mô phỏng lan truyền ô nhiễm khí, bụi với
các loại đường giao thông khác nhau như đường nội đô, đường cao tốc, cầu trên
cao, bãi đỗ xe và tại các nút giao thông.
- Mô hình CAL3QHC đã được thẩm định bởi Cục Bảo vệ môi trường Mỹ và được
tích hợp trong phần mềm CALRoads View 6.2.6 có bản quyền của hãng Lakes
Environmental (Canada).
2.3.Điều kiện địa lý tự nhiên kinh tế xã hội thành phố Hà Nội
Tóm tắt đặc điểm điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội thành phố Hà Nội.
2.4. Hiện trạng môi trƣờng không khí Hà Nội
2.4.1.Các nguồn gây ô nhiễm không khí
2.4.2.Hiện trạng ô nhiễm không khí
10

- Môi trường khu công nghiệp, cụm công nghiệp và làng nghề;
- Môi trường giao thông.


-
-
Trạm Nguyễn Văn Cừ
2010
-
76
76
76
2011
-
87
87
87
2012
-
92
92
92

3.1.2.Đặc trưng thống kê bụi PM10
Bảng 3.1.2.1.1. Đặc trƣng thống kê bụi PM10 (µg/m³) tại Trạm LÁNG
Đặc trưng thống kê
Năm

2010
2011
2012
Trung bình
95
95

7099
4988
4609

11 Bảng 3.1.2.2. Đặc trƣng thống kê bụi PM10 (µg/m³) tại Trạm Nguyễn Văn Cừ
Đặc trưng thống kê
Năm

2010
2011
2012
Trung bình
109
110
53
Sai số chuẩn
0.9
0.7
0.4
Trung vị
92
99
46
Số trội
46
136
71

- Trong giai đoạn 2009-2011, trị số nồng độ biến trình ngày mùa Đông cao hơn các
mùa khác và thấp nhất vào mùa Hạ.
 Trạm Nguyễn Văn Cừ
- Trong giai đoạn 2009-2012, biến trình ngày của bụi PM10 tại trạm Nguyễn Văn Cừ
nhìn chung có xu thế giống nhau, nồng độ cao nhất trong hai khoảng thời gian từ
(8g00-9g00) và (18g00-20g00), thấp nhất vào khoảng thời gian (13g00-15g00).Trị số
nồng độ trung bình giờ lớn nhất và thấp nhất trong ngày chênh lệch từ 1,4-1,7
lần.Trong khi đó, biến trình ngày của bụi PM10 trong năm 2010 không theo qui luật
này, nồng độ cao nhất vào lúc 12g00 và 20g00, thấp nhất vào lúc 15g00.
12

- Trị số nồng độ trung bình các ốp thời gian gian giữa các năm (2009-2011) biến động
trong khoảng 20%-50%, trong khi đó năm 2012 trị số nồng độ trung bình các ốp thời
gian tương ứng chỉ bằng 44%-63% so với trung bình ba năm trước đó.
- Trong giai đoạn 2011-2012, trị số nồng độ biến trình ngày mùa Đông cao hơn các
mùa khác và thấp nhất vào mùa Thu, trong khi đó năm 2010 trị số nồng độ biến trình
ngày cao nhất vào mùa Xuân và thấp nhất vào mùa Thu.
- Đặc trưng biến trình ngày của bụi PM10 tại trạm Nguyễn Văn Cừ được trình bày
trong các hình 3.1.3.1b-5b. Hình 3.1.3.7a. Nồng độ bụi PM10 trung bình ngày,
năm 2010 (Trạm Láng) Hình 3.1.3.7b. Nồng độ bụi PM10 trung bình tháng,
năm 2010 (Trạm Láng) Hình 3.1.3.7c. Tần suất nồng độ bụi PM10 trung

14

3.2.4.1(a,b,c,d,e) đến hình 3.2.4.7(a,b,c,d,e)).
- Trong năm 2012, tại trạm Nguyễn Văn Cừ, hướng gió Bắc cũng là hướng mang đến nồng độ
bụi PM10 rất lớn, trong khí đó tần suất gió hướng Bắc ở khu vực này chiếm khoảng 3,3%.
- Từ các hình 3.1.3.22a -3.1.3.24a cũng cho thấy hoa ô nhiễm bụi PM10, bụi PM2.5 và bụi
PM1 đều có hình dáng giống nhau, điều này cho thấy có thể bụi PM10, PM2.5 và bụi PM1
tại khu vực này do cùng một số nguồn mang đến. Hình 3.1.3.20a. Hoa ô nhiễm PM10 năm 2011 (Trạm Láng) Hình 3.1.3.21a. Hoa ô nhiễm PM10 năm 2012 (Trạm Láng)

Hình 3.1.3.22a. Hoa ô nhiễm PM10 năm 2010 (Trạm NVC)

3.2. Ứng dụng phần mềm CALRoads View mô phỏng ô nhiễm giao thông từ một
số tuyến đƣờng tại Hà Nội
3.2.1. Thông tin tuyến đường khảo sát tại Hà Nội
Bảng 3.2.1.1a. Thông số tuyến đường khảo sát

KH
Tên đƣờng
Hƣớng
đi
Độ rộng lòng
đƣờng
Vỉa hè
Dải phân

R22
Giải Phóng
↓
15
5
1
3
R31
Tây Sơn
↑
5.5
3
-
29
R32
Tây Sơn
↓
6.5
3.5
-
29
R41
Chùa Bộc
←
7
6
-
115
R42
Chùa Bộc

6
2
(62);(40)
R71
Nguyễn Chí Thanh
↑
10.5
5
14
30
R71
Nguyễn Chí Thanh
↓
10
5
14
30
B81
Cầu Chương Dương
↑
10
-
-
70
B82
Cầu Chương Dương
↓
10
-
-
(m)
(m)
(m)
(độ)
R10a
Phạm Văn Đồng
↑
10
3
-
11
R10b
Phạm Văn Đồng
↓
10
3
-
11
R11a
Trần Cung
↑
5
2
-
165
R11b
Trần Cung
↓

2
40
R14a
Kim Mã (Cầu Giấy)
←
10
4
-
112
R14b
Kim Mã (Cầu Giấy)
→
12
4
-
112
R15a
Bưởi
↑
5
2
-
35
R15b
Bưởi
↓
10
2
-
35

tải
Xe
buýt
Xe
máy
Tổng
Kim
Mã
Sơn Tây
Núi Trúc
784
32
0
19
5488
6323
Núi Trúc
Nguyễn Thái
Học
1497
41
0
51
6689
8278 2281
73
0

Tây
Sơn
Ô Chợ Dừa
Ngã Tư Sở
489
12
0
25
5924
6450
Chùa Bộc
Ô Chợ Dừa
612
24
0
28
5639
6303 1101
36
0
53
11563
12753
Chùa
Bộc
Phạm Ngọc
Thạch

0
35
10400
11472
Giải Phóng
Ngã Tư Sở
854
32
0
31
7523
8440 1855
68
0
66
17923
19912
16

Nguyễn
Văn Cừ

Cầu CD
Cầu Chui
557
97
0

7247
Đê La
Thành
Huỳnh Thúc
Kháng
835
59
0
31
6651
7576 1427
100
0
56
13240
14823
Cầu
Chƣơng
Dƣơng
Long Biên
Nội Thành
933
119
0
119
18949
20120

339
17
40
1
1619 2546
709
37
76
2
3370
Nút giao Cổ Nhuế - Phạm Văn Đồng
5991
529
0
0
16709
23229
Nút giao Cầu Giấy
5105
377
0
0
16407
21889
17
97.04
96.99
Tổng giờ đo có số liệu
ốp
8693
2135
2202
2198
2158 Đơn vị
2011
Xuân
Hạ
Thu
Đông
Tốc độ gió tb
m/s
1.28
1.46
1.63
1.13
0.9

1.4
1.47
1.67
1.29
1.17
Dữ liệu sử dụng
%
98.16
92.98
93.2
93.18
92.74
Tổng giờ đo có số liệu
ốp
8599
2134
2208
2201
2056 Đơn vị
2010-12
Xuân

Đơn vị
2010
Xuân
Hạ
Thu
Đông
Tốc độ gió tb
m/s
1.11
1.15
1.2
1.09
0.98
Dữ liệu sử dụng
%
99.6
98.38
98.43
98.44
98.43
Tổng giờ đo có số liệu
ốp
8725
2124
2197
2208
2196

1983
1435
18
Đơn vị
2012
Xuân
Hạ
Thu
Đông
Tốc độ gió tb
m/s
1.06
1.07
1.02
1.05
1.09
Dữ liệu sử dụng
%
96.95
88.15
89.03

Dữ liệu sử dụng
%
89.78
64.63
70.83
70.19
68.47
Tổng giờ đo có số liệu
ốp
23593
4910
6523
6326
5834

 Chế độ gió trạm Nguyễn Văn Cừ:
Hình 3.2.4.7a.Hoa gió 2010-12_Trạm NVC
Hình 3.2.4.8a.Phân bố tần suất tốc độ gió năm 2010-12  Chế độ gió trạm LÁNG:

19 Hình 3.2.5.2a.Kết quả mô phỏng ô nhiễm tại tuyến đường Kim Mã (Worst-Case) Hình 3.2.5.3a.Kết quả mô phỏng ô nhiễm tại tuyến đường Kim Mã (hướng gió Bắc)
Hình 3.2.5.1n.Mô phỏng ô nhiễm tại nút giao thông Cầu Giấy (Worst-Case) Hình 3.2.5.2n. Mô phỏng ô nhiễm tại nút giao thông Cầu Giấy (hướng gió 55º) Hình 3.2.5.3n. Mô phỏng ô nhiễm tại nút giao thông Cầu Giấy (hướng gió 110º) 20


Đồ thị biểu diễn hàm cấu trúc PM10 được trình bày trong các hình dưới đây.
21

 Trạm Nguyễn Văn Cừ

Hình 3.3.1.1.Hàm cấu trúc chuẩn hóa bụi PM10, mùa Xuân-2012 (Trạm Nguyễn Văn Cừ)

3.3.2. Kết quả nội ngoại suy chuỗi số liệu bụi PM10 theo thời gian
Mô hình nội, ngoại suy số liệu được thiết lập, tính toán để tìm ra công thức
ngoại suy bổ khuyết số liệu theo chuỗi thời gian. Kết quả nghiên cứu đã xác định
được công tức ngoại suy đối với khoảng thời gian sau 1 giờ.
Kết quả ngoại suy số liệu tại trạm Nguyễn Văn Cừ được áp dụng thử nghiệm
cho từng tháng ứng với mỗi mùa trong năm (Xuân, Hạ, Thu, Đông). Sai số trung
bình thống kê được tính toán trên cơ sở so sánh số liệu ngoại suy với số liệu đo đạc
thực tế trong khoảng từ 15 ngày-20 ngày của mỗi tháng, tương ứng với từ 360 – 480
ốp số liệu, sai số của mô hình nội, ngoại suy giao động từ 13%-28%.
Bảng 3.3.2.1 Sai số trung bình của mô hình ngoại suy số liệu
Tháng (ngoại suy
số liệu)
Sai số trung
bình
Tháng (ngoại
suy số liệu)
Sai số trung
bình
Tháng 1/2012
13%
Tháng 7/2012
27%
Tháng 2/2012

Tính toán, xác định được các đặc trưng thống kê và tính biến động của PM10 tại Hà
Nội, trong đó tập trung vào các đặc trưng như: Biến trình ngày đêm của PM10; các đặc
trưng thống kê của PM10 như nồng độ trung bình, trung vị, số trội, độ lệch chuẩn, khoảng
biến thiên, khoảng tứ phân vị, tần suất ô nhiễm, hàm cấu trúc thời gian và hoa ô nhiễm
PM10.
Đã thiết lập mô hình nội, ngoại suy bổ khuyết chuỗi số liệu PM10 theo thời gian cho
trạm quan trắc chất lượng môi trường không khí tự động cố định tại Hà Nội. Kết quả đánh
giá sai số tương đối của mô hình từ 13%-28%, ứng với hiệu suất của mô hình nội, ngoại suy
đạt được độ chính xác từ 72%-87%.
Đã ứng dụng mô hình CAL3QHC mô phỏng lan truyền ô nhiễm PM10 từ một số
tuyến đường nội độ ở Hà Nội.
Khuyến nghị
Qua quá trình thực hiện đề tài và các kết quả nghiên cứu thu được, tác giả đề xuất
một số khuyến nghị sau:
- Tiếp tục nghiên cứu đánh giá thống kê về quy luật diễn biến của nồng độ bụi trên
cơ sở các số liệu từ các trạm quan trắc không khí tự động cố định, đồng thời kết hợp với các
số liệu khí tượng thủy văn, tình hình đặc điểm và thời tiết khu vực để có các kết luận chính
xác hơn về tính biến động của chất ô nhiễm trên.
- Mở rộng phạm vi nghiên cứu cho toàn khu vực thành phố, tính toán so sánh số liệu
với các trạm quan trắc tự động khác trên địa bàn thủ đô.
- Tiếp tục nghiên cứu để ứng dụng ngoại suy số liệu quan trắc trong khoảng thời gian
dài hơn (48 giờ và 72 giờ).
- Chuỗi số liệu quan trắc của các trạm quan trắc chất lượng không khí tự động có độ
tin cậy cao, rất cần thiết cho các công trình nghiên cứu khoa học cũng như dễ dàng cập nhật
sử dụng cho các nhà quản lý để có thể đưa ra quyết định phù hợp kịp thời trong công tác bảo
vệ môi trường, thành phố cần duy trì và phát triển các loại trạm này đáp ứng yêu cầu phát
triển của thủ đô.

23


Khoa học và Công nghệ tập 27 (5S), tr. 121-127.
6. Pham Ngoc Ho, Tran Hong Con, Dong Kim Loan, Duong Ngoc Bach, Pham Thi Viet Anh,
Luong Thi Mai Ly, Pham Thi Thu Ha and Nguyen Khac Long (2012) “Determination of the
Emission Factors from Burning Common Domestic Cooking Fuels in Vietnam and its
Application for Calculation of their Pollution Load”, Environment Asia Vol.6(1), pp. 43-48.
7. Dƣơng Ngọc Bách, Phạm Ngọc Hồ, Nguyễn Thị Ngoan, Phạm Thị Thu Hà (2013), “Tính
toán mô phỏng lan truyền ô nhiễm không khí từ tổ hợp ống khói nhà máy xi măng Bỉm Sơn,
tỉnh Thanh Hóa”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 29, Số 3S
, tr. 1-7.