Luận văn Nghiên cứu, phát triển hệ thống giám sát chất lượng môi trường không khí bằng công nghệ Lidar mặt đất và viễn thám, ứng dụng thử nghiệm tại TP. Hà Nội và TP. Đà Nẵng

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu, phát triển hệ thống giám sát chất lượng môi trường không khí bằng công nghệ Lidar mặt đất và viễn thám, ứng dụng thử nghiệm tại TP. Hà Nội và TP. Đà Nẵng

1. i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Những nội dung trong luận văn này là do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Thanh Sơn và PGS.TS Dương Hồng Sơn. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào. Học viên
2. ii LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm bụi mịn PM2.5 ở một số khu vực điển hình TP. Hà Nội” đã được hoàn thành. Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam, các thầy cô trong khoa Môi trường, các Khoa, Phòng ban chức năng đã đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức, tạo điều kiện hướng dẫn tôi hoàn thành chương trình học tập và thực hiện luận văn. Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Ban lãnh đạo Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi được học tập, công tác và hoàn thành tốt luận văn này. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Lê Thanh Sơn và PGS.TS Dương Hồng Sơn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Ngoài ra, tôi xin gửi lời cảm ơn tới đề tài “Nghiên cứu, phát triển hệ thống giám sát chất lượng môi trường không khí bằng công nghệ Lidar mặt đất và viễn thám, ứng dụng thử nghiệm tại TP. Hà Nội và TP. Đà Nẵng”. Và cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, khích lệ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Với điều kiện thời gian cũng như kinh nghiệm còn hạn chế, luận văn không thể tránh được những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý, đánh giá của thầy cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn! Học viên
3. 1 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................................ 1 DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ 3 DANH MỤC HÌNH ............................................................................................. 4 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... 5 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 6 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................. 6 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................ 8 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................. 8 4. Phương pháp nghiên cứu: .............................................................................. 8 5. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài ........................................ 9 6. Bố cục của luận văn ......................................................................................... 9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................... 10 1.1. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM BỤI MỊN PM 2.5 ..................................... 10 1.1.1. Khái niệm, phân loại bụi mịn PM 2.5 ................................................. 10 1.1.2. Các nguồn gây ô nhiễm bụi mịn PM 2.5 ............................................. 12 1.1.3. Tác động của ô nhiễm bụi mịn PM 2.5 ............................................... 16 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Ô NHIỄM BỤI TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC. 20 1.2.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................... 20 1.2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 22 1.3. MÔ HÌNH MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO (ANN) ........................... 27 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU30 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ............................................................................... 30 2.1.1. Thiết bị ................................................................................................. 30
4. 2 2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................................. 30 2.2.1. Phương pháp thu thập, kế thừa dữ liệu ............................................... 30 2.2.2. Phương pháp thực nghiệm .................................................................. 30 2.2.3. Phương pháp phân tích, xử lý số liệu .................................................. 34 2.2.4. Phương pháp mô hình hóa .................................................................. 35 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................... 38 3.1. ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM BỤI MỊN PM2.5 Ở MỘT SỐ KHU VỰC ĐIỂN HÌNH CỦA TP. HÀ NỘI ................................................... 38 3.2. ĐÁNH GIÁ SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ BỤI MỊN PM2.5 THEO THỜI GIAN ................................................................................................................ 40 3.2.1. Quy luật biến thiên nồng độ bụi PM2.5 trong ngày ............................ 41 3.2.2. Quy luật biến thiên nồng độ bụi mịn PM2.5 theo mùa ....................... 46 3.3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỒNG ĐỘ BỤI MỊN PM2.5 Ở TP. HÀ NỘI ............... 48 3.3.1. Ảnh hưởng của tốc độ gió ................................................................... 49 3.3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí ...................................................... 50 3.3.3. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí ......................................................... 52 3.3.4. Ảnh hưởng của lượng mưa .................................................................. 53 3.3.5. Xây dựng quan hệ hồi quy giữa nồng độ bụi mịn PM2.5 và các biến khí tượng bằng mô hình ANN ........................................................................ 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 57 1. Kết luận ....................................................................................................... 57 2. Kiến nghị ..................................................................................................... 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 58 PHỤ LỤC ........................................................................................................... 63
5. 3 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các nhóm ngành sản xuất và khí thải phát sinh điển hình ....... 14 Bảng 3.1: Tương quan Spearman giữa nồng độ bụi PM2.5 và yếu tố khí tượng .. ..46 Bảng 3.2: Tương quan Spearman giữa nồng độ bụi mịn PM2.5 và yếu tố tốc độ gió theo các mùa trong năm 2018 ............................................................ 50 Bảng 3.3: Tương quan Spearman giữa nồng độ bụi mịn PM2.5 và yếu tố nhiệt độ không khí theo các mùa trong năm 2018 .............................................. 51 Bảng 3.4: Tương quan Spearman giữa nồng độ bụi mịn PM2.5 và yếu tố độ ẩm không khí theo các mùa trong năm 2018 ................................................. 52 Bảng 3.5: Tương quan Spearman giữa nồng độ bụi mịn PM2.5 và yếu tố lượng mưa theo các mùa trong năm 2018 ........................................................... 54
6. 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Bụi PM 2.5 ............................................................................ 12 Hình 1.2: Đường xâm nhập của bụi mịn vào cơ thể con người ............ 18 Hình 1.3: Sơ đồ mô hình mạng thần kinh nhân tạo 3 lớp ..................... 28 Hình 2.1: Thiết bị lấy mẫu bụi thể tích lớn Kimono để xác định nồng độ bụi mịn PM2.5 .28 Hình 3.1: Kết quả đo bụi PM2.5 tại một số khu vực của thành phố Hà Nội tháng 3/2020 .....35 Hình 3.2: Diễn biến nồng độ bụi PM2.5 trung bình giờ các ngày trong năm 2018 của TP. Hà Nội . ..39 Hình 3.3: Diễn biến nồng độ bụi PM2.5 trung bình giờ các ngày trong mùa xuân (a), mùa hè (b), mùa thu (c) và mùa đông (d) của TP. Hà Nội năm 2018 .40 Hình 3.4: Diễn biến nồng độ bụi PM2.5 trong ngày theo tháng năm 2018 của TP. Hà Nội ....................................................................................... 45 Hình 3.5: Diễn biến độ ẩm trong ngày theo tháng năm 2018 của TP. Hà Nội ................................................................................................................... 46 Hình 3.6: Diễn biến nồng độ bụi PM2.5 các mùa năm 2018 của TP. Hà Nội ................................................................................................................... 47 Hình 3.7: Diễn biến nhiệt độ trung bình ngày của các tháng trong năm 2018 của TP. Hà Nội ....................................................................................... 51 Hình 3.8: Sơ đồ mô phỏng mạng ANN sử dụng trong luận văn .......... 54 Hình 3.9: So sánh kết quả dự báo bụi PM2.5 và kết quả thực đo tính toán của tập số liệu huấn luyện (a) và kiểm định (b) ...................................... 56
7. 5 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu viết tắt Tiếng Việt AQI Chỉ số chất lượng không khí ANN Mạng thần kinh nhân tạo BAM Thiết bị giám sát suy giảm beta IARC Cơ quan Nghiên cứu ung thư quốc tế ONKK Ô nhiễm không khí ONMT Ô nhiễm môi trường WHO Tổ chức Y tế thế giới
8. 6 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ô nhiễm không khí hiện đang là mối quan tâm chung của xã hội toàn cầu. Trong những thập kỷ gần đây, thành phố Hà Nội đang phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường (ONMT) không khí, đặc biệt là ô nhiễm bụi mịn PM2.5. Theo đánh giá của Bộ Tài nguyên và Môi trường, thủ đô Hà Nội đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm không khí ngày càng gia tăng, đặc biệt là ô nhiễm bụi và tiếng ồn[1]. Theo công bố trong Báo cáo chất lượng không khí Việt Nam năm 2016 của Liên Minh năng lượng bền vững Việt Nam, nồng độ bụi mịn PM2.5 trung bình năm 2016 ở tại Hà Nội lên tới 50,5 µg/m3, cao gấp đôi so với quy chuẩn Quốc gia QCVN 05:2013/BTNMT và gấp 5 lần so với ngưỡng trung bình theo hướng dẫn khuyến nghị của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO). Ngày 3/3/2016, Đại sứ quán Mỹ ở Hà Nội đã công bố trị số quan trắc bụi PM2.5 tại Hà Nội vào giờ cao điểm (8-9 giờ sáng) là 383µg/m3. Ô nhiễm bụi mịn PM 2.5 gây ra những ảnh hưởng lớn đến sức khỏe của con người. Vì có kích thước rất nhỏ nên bụi PM 2.5 rất nguy hiểm, có khả năng đi sâu vào tận các phế nang trong phổi và vào máu. Những chất này khi vào cơ thể sẽ gây kích ứng như hắt hơi, sổ mũi, khiến con người có phản ứng ho, khạc đờm kéo dài. Đặc biệt, bị phơi nhiễm với bụi PM 2.5 sẽ làm tăng nguy cơ mắc các bệnh như hen suyễn, bệnh phổi tắc nghẽn mạn tính viêm phổi, các chứng bệnh hô hấp, tim mạch, tiểu đường và ung thư phổi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Uớc tính nó đã góp phần gây ra 7 triệu ca chết sớm mỗi năm, trong khí có tới 92% dân số thế giới phải hít thở bầu không khí độc hại (WHO, 2016). Một nghiên cứu của Tổ chức Y tế thế giới WHO và Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế IARC đã cho thấy mối tương quan tỷ lệ thuận giữa mức độ ô nhiễm bụi không khí với tỷ lệ người mắc ung thư. Cụ thể là mật độ PM10 trong không khí tăng lên 10 µg/m3 thì tỷ lệ ung thư tăng 22% và mật độ PM2.5 tăng thêm 10 µg/m3 thì tỷ lệ ung thư phổi tăng đến 36%.
9. 7 Thành phố Hà Nội là trung tâm kinh tế, văn hóa, chính trị của cả nước, do đó nơi đây tập trung rất nhiều các khu, cụm công nghiệp, các làng nghề, các trung tâm thương mại, nhà ga, bến xe, bến tàu, các nút giao thông lớn. Đây có thể là các nguồn chính gây ONMT không khí, nhất là ô nhiễm bụi mịn PM2.5 ở TP. Hà Nội. Tuy nhiên, mức độ ô nhiễm không khí ở mỗi khu vực trên lại rất khác nhau do đặc thù các nguồn phát thải. Ngoài ra, nồng độ bụi PM2.5 tại các thời điểm khác nhau trong ngày, theo các tháng, các mùa khác nhau trong năm là cũng khác nhau do các yếu tố khí tượng, thời tiết đã ảnh hưởng đến sự lan truyền và sự phân bố bụi mịn PM2.5 ở các khu vực. Thông số khí tượng là yếu tố không thể kiểm soát được nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc làm thay đổi hàm lượng các chất ô nhiễm trong môi trường không khí. Do đó, việc nghiên cứu hiện trạng phân bố bụi mịn PM2.5 theo không gian và thời gian ở Hà Nội là rất quan trọng, giúp đánh giá, kiểm soát chất lượng không khí và đưa ra dự báo, cảnh báo về ô nhiễm bụi mịn PM2.5 – hiện đang là vấn đề bức xúc, thu hút sự chú ý của người dân ở Hà Nội. Trên cơ sở đó, đề tài “Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm bụi mịn PM2.5 ở một số khu vực điển hình của thành phố Hà Nội” được thực hiện nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm bụi mịn PM2.5 ở một số khu vực điển hình của TP. Hà Nội như các khu, cụm công nghiệp, làng nghề, các nút giao thông lớn, nhà ga, bến tàu, các trung tâm thương mại hay khu dân cư; nghiên cứu sự biến thiên nồng độ bụi theo thời gian trên cơ sở phân tích thống kê mối tương quan giữa các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, tốc độ gió; lượng hóa mối quan hệ giữa các đại lượng này bằng mô hình mạng thần kinh nhân tạo (ANN). Kết quả của luận văn sẽ góp phần đưa ra các đánh giá, dự báo chính xác hơn về ONMT không khí nói chung, ô nhiễm bụi mịn PM2.5 nói riêng ở các khu vực khác nhau và các thời điểm khác nhau, góp phần xây dựng các phương án giảm thiểu ONMT không khí, bảo vệ môi trường, ứng phó biến đổi khí hậu và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
10. 8 2. Mục tiêu nghiên cứu a. Mục tiêu chung: Nghiên cứu sự phân bố nồng độ bụi mịn PM2.5 tại một số khu vực điển hình của thành phố Hà Nội theo không gian và theo thời gian trong sự tương tác với một số yếu tố khí tượng b. Mục tiêu cụ thể - Đánh giá được hiện trạng ô nhiễm bụi mịn PM2.5 ở một số khu vực nội đô điển hình (nút giao thông, khu, cụm công nghiệp, làng nghề, bến tàu, bến xe, ) của TP. Hà Nội. - Đánh giá được sự biến thiên nồng độ bụi mịn PM2.5 tại các thời điểm khác nhau trong ngày, các tháng và các mùa trong năm tại TP. Hà Nội. - Đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng đến sự phân bố hàm lượng bụi PM2.5 tại TP. Hà Nội. - Xây dựng được quan hệ hồi quy giữa biến nồng độ bụi mịn PM2.5 và các biến khí tượng làm cơ sở để dự đoán tình hình ô nhiễm bụi mịn PM2.5 trên các khu vực khác nhau và ở các thời điểm khác nhau của thành phố Hà Nội. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Bụi mịn PM2.5 - Phạm vi nghiên cứu: TP. Hà Nội 4. Phương pháp nghiên cứu: Có 4 phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong quá trình nghiên cứu bao gồm: - Phương pháp thu thập, kế thừa dữ liệu; - Phương pháp phân tích, xử lý số liệu; - Phương pháp thực nghiệm; - Phương pháp mô hình hóa.