Tài liệu Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy theo thời gian ngày của co và pm10 tại một số trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định ở việt nam.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Thu Hường NGHIÊN CỨU TÍNH BIẾN ĐỘNG VÀ NỘI NGOẠI SUY THEO THỜI GIAN NGÀY CỦA CO VÀ PM10 TẠI MỘT SỐ TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TỰ ĐỘNG CỐ ĐỊNH Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Trần Thị Thu Hường NGHIÊN CỨU TÍNH BIẾN ĐỘNG VÀ NỘI NGOẠI SUY THEO THỜI GIAN NGÀY CỦA CO VÀ PM10 TẠI MỘT SỐ TRẠM QUAN TRẮC MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ TỰ ĐỘNG CỐ ĐỊNH Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số : 62 44 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. PHẠM NGỌC HỒ Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận án đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận án này đều được chỉ rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án Trần Thị Thu Hường LỜI CÁM ƠN Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án, tác giả đã nhận được sự hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tận tình của thầy giáo GS.TS.NGƯT Phạm Ngọc Hồ. Người đã trực tiếp chỉ dẫn những định hướng nghiên cứu, kiến thức chuyên môn và hơn hết đã truyền cho tác giả lòng đam mê khoa học, tinh thần tự giác trong học tập và nghiên cứu. Tác giả xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ quý báu đó. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cố GS.TS. Lê Đình Quang, người thầy nhân hậu, hiền từ đã hướng dẫn tác giả tận tình trong quá trình thực hiện nghiên cứu khoa học. Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo Khoa Môi trường, Trung tâm Nghiên cứu quan trắc và Môi hình hóa môi trường và các thầy cô giáo trong Khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã truyền đạt cho tác giả những kiến thức khoa học bổ ích trong chương trình đào tạo nghiên cứu sinh. Tác giả xin cảm ơn Lãnh đạo Tổng cục Môi trường, Lãnh đạo Cục Kiểm soát hoạt động bảo vệ môi trường, Lãnh đạo Trung tâm Mạng lưới khí tượng thủy văn và môi trường, các cán bộ công chức, viên chức của Cục Kiểm soát hoạt động bảo vệ môi trường đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tác giả tham gia khoá học nghiên cứu sinh để hoàn thành tốt luận án này. Tác giả xin cảm ơn sự trợ giúp, động viên to lớn về mặt tinh thần cũng như vật chất của gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này! Tác giả luận án Trần Thị Thu Hường MỤC LỤC MỤC LỤC........................................................................................................ 1 DANH MỤC BẢNG....................................................................................... 4 DANH MỤC HÌNH........................................................................................ 4 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................... 7 CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN.................................. 8 MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 9 1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận án............................................... 9 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................... 10 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 11 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.............................................. 11 5. Những đóng góp mới của luận án............................................................. 12 Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................... 14 1.1. Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy số liệu môi trường không khí trên thế giới........................................................................ 1.1.1. Nghiên cứu tính biến động của các thông số môi trường không khí …….… 1.1.2. Nghiên cứu nội ngoại suy số liệu của các thông số môi trường không khí………………….…………………………………………..……… 1.2. Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy số liệu của các thông số môi trường không khí tại Việt Nam................................................... 1.2.1. Nghiên cứu tính biến động.................................................................... 1.2.2. Nghiên cứu nội ngoại suy (dự báo)........................................................ 1.3. Khái quát ô nhiễm môi trường không khí xung quanh các trạm quan trắc tự động cố định Láng - thành phố Hà Nội, Đà Nẵng thành phố Đà Nẵng và Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh............... 1.3.1. Vị trí địa lý và đặc điểm của các trạm.................................................... 1.3.1.1. Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Láng - thành phố Hà Nội (sau đây viết tắt là Trạm Láng).………………………… 1.3.1.2. Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Đà Nẵng thành phố Đà Nẵng (sau đây viết tắt là Trạm Đà Nẵng)……………… 1.3.1.3. Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Nhà Bè thành phố Hồ Chí Minh (sau đây viết tắt là Trạm Nhà Bè)…….…….. 1.3.2. Ô nhiễm môi trường không khí xung quanh khu vực trạm nghiên cứu……………………………………………………………..……… 1.3.2.1.….….. Đối với khu vực Trạm Láng - thành phố Hà Nội.……….………….. 1 14 14 16 20 20 23 26 26 26 27 28 28 28 1.3.2.2. Đối với khu vực Trạm Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng………...…… 1.3.2.3. Đối với khu vực Trạm Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh…….……. 1.4. Tiểu kết chương 1..................................................................................... 33 38 42 Chương II. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................. 44 2.1. Nội dung nghiên cứu............................................................................... 44 2.2. Tư liệu và xử lý số liệu............................................................................. 45 2.3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................ 2.3.1. Phương pháp tính các đặc trưng số của đại lượng ngẫu nhiên........... 2.3.2. Phương pháp tính các giá trị của hàm cấu trúc theo thời gian của quá trình ngẫu nhiên dừng từ số liệu quan trắc thực tế................................. 2.3.3. Phương pháp hồi quy áp dụng trong lý thuyết quá trình ngẫu nhiên....................................................................................................... 50 54 2.3.4. Mô hình nội ngoại suy thiết lập trên cơ sở lý thuyết quá trình ngẫu nhiên...................................................................................................... 2.3.5. Đề xuất sử dụng quá trình nhiễu động dừng đối với khí CO và bụi PM10........................................................................................................ 2.4. Tiểu kết chương II................................................................................... Chương III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN....................... 3.1. Các đặc trưng số của khí CO và bụi PM10............................................. 3.1.1. Đặc trưng số của khí CO tại các khu vực nghiên cứu............................ 3.1.1.1. Đặc trưng số của khí CO tại trạm Láng............................................... 3.1.1.2. Đặc trưng số của khí CO tại trạm Đà Nẵng......................................... 3.1.1.3. Đặc trưng số của khí CO tại trạm Nhà Bè........................................... 3.1.2. Đặc trưng số của bụi PM10 tại các trạm nghiên cứu.............................. 3.1.2.1. Đặc trưng số của bụi PM10 tại trạm Láng............................................ 3.1.2.2. Đặc trưng số của bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng...................................... 3.1.2.3. Đặc trưng số của bụi PM10 tại trạm Nhà Bè........................................ 3.2. Hàm cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động dừng khí CO.. 3.2.1. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Láng................ 3.2.2. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Đà Nẵng......... 3.2.3. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Nhà Bè............ 3.3. Hàm cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động dừng bụi PM10 56 57 57 58 59 61 61 61 61 65 67 70 70 73 75 77 78 80 81 83 3.3.1. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Láng................ 3.3.2. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Đà Nẵng.......... 83 84 3.3.3. Hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động dừng tại Trạm Nhà Bè............ 86 2 3.4. Thiết lập mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu cho thông số môi trường không khí sử dụng đại lượng ngẫu nhiên nhiễu động dừng...................................................................................................... 3.4.1. Thiết lập mô hình nội ngoại suy của đại lượng ngẫu nhiên nhiễu động dừng....................................................................................................... 3.4.2. Quy trình tính toán nội ngoại suy số liệu áp dụng cho CO và PM10 tại các trạm thuộc khu vực nghiên cứu....................................................... 3.4.2.1. Trường hợp thiếu hụt một vài giá trị x(tk) trong khoảng 06 số liệu 3.4.2.2. Trường hợp thiếu hụt liên tiếp 06 giá trị trong một khoảng 3.4.3. Ứng dụng mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt cho thông số CO và PM10 tại 03 trạm nghiên cứu.................................................. 3.4.3.1. Kết quả nội ngoại suy chuỗi số liệu của thông số CO......................... 3.4.3.2. Kết quả nội ngoại suy chuỗi số liệu của thông số PM10..................... 88 88 92 92 93 95 95 100 3.4.3.3. Ngoại suy số liệu thiếu hụt trên một khoảng [x(t1)-x(t6)].................... 103 3.4.3.4. Sử dụng các hệ số αk đã xác định được từ bộ dữ liệu cơ sở để nội ngoại suy cho một trạm quan trắc bất kỳ có cùng vị trí nghiên cứu vào các thời điểm của năm khác............................................................ 114 3.4.3.5. Sử dụng các hệ số αk đã xác định được từ bộ dữ liệu cơ sở để nội ngoại suy số liệu cho trạm quan trắc thuộc khu vực lân cận................. 126 3.5. Đề xuất giải pháp quản lý, vận hành và bổ khuyết chuỗi số liệu cho các trạm quan trắc tự động cố định môi trường không khí tại ba khu vực nghiên cứu và trên phạm vi cả nước................................... 131 3.5.1. Các giải pháp quản lý............................................................................. 131 3.5.2. Các giải pháp kỹ thuật............................................................................ 131 3.5.3. Những tồn tại trong công tác quản lý, vận hành hệ thống mạng lưới trạm quan trắc môi trường tự động cố định.......................................... 132 3.6. Tiểu kết chương 3.................................................................................... 133 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ................................................................ Kết luận....................................................................................................... Khuyến nghị................................................................................................ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN....................................................................... TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 134 134 136 PHỤ LỤC SỐ 01: Bảng giá trị biến trình ngày đêm, phương sai, độ lệch chuẩn và hệ số biến động của khí CO và bụi PM10 tại 03 trạm nghiên cứu. PHỤ LỤC SỐ 02: Bảng giá trị hàm cấu trúc thời gian của nhiễu động khí CO và bụi PM10 tại 03 trạm nghiên cứu. 3 137 138 DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1. Các thông số đầu vào của khí CO Trạm Láng ngày 15/4/2006................ 96 Bảng 3.2. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Láng 09/9/2005 ................................ 96 Bảng 3.3. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Đà Nẵng 10/02/2005 ....................... 97 Bảng 3.4. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Đà Nẵng 02/3/2005 ......................... 98 Bảng 3.5. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Nhà Bè 06/4/2006 ............................ 98 Bảng 3.6. Kết quả nội ngoại suy khí CO trạm Nhà Bè 10/01/2006 .......................... 99 Bảng 3.7. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Láng 10/4/2008 ........................... 100 Bảng 3.8. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Láng 01/3/2008 ........................... 100 Bảng 3.9. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Đà Nẵng 12/4/2005 ..................... 101 Bảng 3.10. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Đà Nẵng 28/01/2007 ............... 102 Bảng 3.11. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Nhà Bè 11/01/2006 ................... 102 Bảng 3.12. Kết quả nội ngoại suy bụi PM10 trạm Nhà Bè 26/3/2006 ..................... 103 Bảng 3.13. Các thông số đầu vào của bụi PM10 Láng mùa đông ngày 06/12/2007............................................................................................................... 104 Bảng 3.14. Kết quả ngoại suy số liệu từ 7h đến 12h của thông số PM10 tại Trạm Láng tháng 12 năm 2007 .................................................................................. 108 Bảng 3.15. Kết quả hiệu chỉnh giá trị ngoại suy bụi PM10 ..................................... 113 Bảng 3.16. Giá trị nồng độ CO nội ngoại suy và giá trị đo đạc theo số liệu tháng 5 năm 2007 mùa hạ tại trạm Láng .................................................................... 114 Bảng 3.17. Kết quả nội ngoại suy khí CO tại Đà Nẵng tháng 3 năm 2005 ............ 118 Bảng 3.18. Kết quả nội ngoại suy khí CO tại trạm Nhà Bè tháng 5 năm 2004 ...... 122 Bảng 3.19. Kết qủa nội ngoại suy khí CO trạm Nguyễn Văn Cừ tháng 5 năm 2015 ........................................................................................................ 126 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1. Đồ thị biểu diễn số liệu bất thường của thông số CO ............................... 47 Hình 2.2. Sơ đồ phép trung bình hóa theo tập hợp các thể hiện X(t) ....................... 55 Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm của khí CO theo mùa tại trạm Láng 61 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn phương sai của khí CO theo mùa tại trạm Láng ............ 62 Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn của khí CO theo mùa tại trạm Láng ........ 62 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động theo mùa của khí CO tại trạm Láng ..... 63 Hình 3.5. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm của khí CO tại trạm Đà Nẵng ........ 65 Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn phương sai của khí CO theo mùa tại trạm Đà Nẵng ...... 66 Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn của khí CO theo mùa tại trạm Đà Nẵng.................................................................................................................... 66 4 Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động của khí CO theo mùa tại trạm Đà Nẵng.................................................................................................................... 67 Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm của khí CO theo mùa tại trạm Nhà Bè ........................................................................................................................ 68 Hình 3.10. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động ICO theo mùa tại trạm Nhà Bè năm 2005 .................................................................................................................... 68 Hình 3.11. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn của khí CO theo mùa tại trạm Nhà Bè .. 69 Hình 3.12. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động ICO theo mùa tại trạm Nhà Bè ............ 69 Hình 3.13. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm theo mùa của PM10 tại Trạm Láng .................................................................................................................... 71 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn phương sai của PM10 theo mùa tại Trạm Láng ............ 71 Hình 3.15. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo mùa của PM10 tại trạm Láng ......... 72 Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động IPM10 theo mùa tại trạm Láng ............. 72 Hình 3.17. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm theo mùa của PM10 tại Trạm Đà Nẵng .............................................................................................................. 73 Hình 3.18. Đồ thị biểu diễn phương sai của PM10 theo mùa tại Trạm Đà Nẵng ...... 74 Hình 3.19. Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo mùa của PM10 tại Trạm Đà Nẵng.................................................................................................................... 74 Hình 3.20. Đồ thị biểu diễn hệ số biến động theo mùa của PM10 tại Trạm Đà Nẵng.................................................................................................................... 74 Hình 3.21. Đồ thị biểu diễn biến trình ngày đêm theo mùa của PM10 tại Trạm Nhà Bè ................................................................................................................ 75 Hình 3.22: Đồ thị biểu diễn phương sai theo mùa của PM10 tại trạm Nhà Bè .......... 76 Hình 3.23: Đồ thị biểu diễn độ lệch chuẩn theo mùa của PM10 tại Trạm Nhà Bè .... 76 Hình 3.24: Đồ thị biểu diễn hệ số biến động IPM10 theo mùa tại trạm Nhà Bè ......... 77 Hình 3.25. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Láng năm 2004 (τ=9) ...................................................... 78 Hình 3.26. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Láng năm 2005 (τ=9) ...................................................... 79 Hình 3.27. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Láng năm 2006 (τ=9) ...................................................... 79 Hình 3.28. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Láng năm 2007 (τ=9) ...................................................... 79 Hình 3.29. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2004 (τ=9) ................................................ 80 Hình 3.30. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2005 (τ=9) ................................................ 80 5 Hình 3.31 Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2007 (τ=9) ................................................ 81 Hình 3.32. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Đà Nẵng năm 2008 (τ=9) ................................................ 81 Hình 3.33. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Nhà Bè năm 2005 (τ=9)................................................... 82 Hình 3.34. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Nhà Bè năm 2006 (τ=9)................................................... 82 Hình 3.35. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động khí CO tại trạm Nhà Bè năm 2008 (τ=9)................................................... 82 Hình 3.36. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Láng năm 2007 (τ=9).................................................... 83 Hình 3.37. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Láng năm 2008 (τ=9) .................................................... 84 Hình 3.38. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng năm 2004 (τ=9) ............................................. 84 Hình 3.39. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng từ năm 2005 (τ=9) ......................................... 85 Hình 3.40. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng từ năm 2006 (τ=9) ......................................... 85 Hình 3.41. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Đà Nẵng từ năm 2007(τ=9) .......................................... 85 Hình 3.42. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Nhà Bè năm 2004 (τ=9) ................................................ 86 Hình 3.43. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Nhà Bè năm 2005 (τ=9) ................................................ 86 Hình 3.44. Đồ thị biểu diễn đường cấu trúc thời gian thực nghiệm của nhiễu động bụi PM10 tại trạm Nhà Bè năm 2006 (τ=9) ................................................ 87 Hình 3.45. Sơ đồ phân chia các khoảng tính toán nội ngoại suy .............................. 92 Hình 3.46. Đồ thị hàm cấu trúc thực nghiệm theo thời gian của nhiễu động (đường 1) và đường hàm cấu trúc hồi quy theo dạng ln(τ) (đường 2) ............... 95 Hình 3.47. Đồ thị biểu diễn giá trị ngoại suy chuỗi số liệu của bụi PM10 tháng 12 năm 2007 tại trạm Láng .............................................................................. 112 Hình 3.48-3.53. Đồ thị biểu diễn giá trị nội suy chuỗi số liệu của bụi PM10 tháng 5 năm 2007 tại trạm Láng ....................................................................... 117 Hình 3.54-3.59. Đồ thị biểu diễn giá trị nội suy chuỗi số liệu của khí CO tháng 3 năm 2005 tại trạm Đà Nẵng. .......................................................................... 120 6 Hình 3.60-3.65. Đồ thị biểu diễn giá trị nội, ngoại suy chuỗi số liệu của khí CO tháng 5 năm 2004 tại trạm Nhà Bè ................................................................... 124 Hình 3.66-3.71. Đồ thị biểu diễn giá trị nội suy chuỗi số liệu của khí CO tháng 5 năm 2015 tại trạm Nguyễn Văn Cừ ............................................................... 128 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT NỘI DUNG VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT 1 Bảo vệ môi trường 2 Bộ Tài nguyên và Môi trường 3 Chất lượng không khí 4 Khí cacbon mônôxít CO 5 Khí nitơ điôxít NO2 6 Khí oxyde nitơ, gồm các chất: NO, NO2, N2O NOx 7 Khí Sunfua điôxít SO2 8 Khu công nghiệp KCN 9 Môi trường không khí MTKK 10 Ô nhiễm không khí ÔNKK 11 Thành phố 12 13 14 15 16 BVMT Bộ TN&MT CLKK TP Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Láng - thành phố Hà Nội Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định Tổng các hạt bụi lơ lửng có đường kính khí động học nhỏ hơn hoặc bằng 10 µm 7 Trạm Láng Trạm Đà Nẵng Trạm Nhà Bè Trạm quan trắc MTKKTĐ PM10 CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN STT TÊN THUẬT NGỮ 1 Đại lượng ngẫu nhiên 2 Quá trình ngẫu nhiên 3 Đặc trưng số 4 Đặc trưng hàm 5 Đặc trưng biến động 6 Nhiễu động dừng GIẢI THÍCH Đại lượng ngẫu nhiên là đại lượng khi tiến hành một loạt các phép thử trong cùng một điều kiện như nhau thì có thể mỗi lần nhận được giá trị này hoặc giá trị khác không biết trước với một xác xuất nào đó (nồng độ đo được của khí CO và bụi PM10 vào lúc 1h, 2h, ...vào các ngày khác nhau tại một trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định liên tục là giá trị bất kỳ không biết trước). Đại lượng ngẫu nhiên chỉ biến đổi theo thời gian (Nồng độ của khí CO và bụi PM10 biến đổi theo thời gian tại 01 trạm quan trắc tự động liên tục cố định). Được dùng trong Luận án để chỉ: Kỳ vọng toán học (giá trị trung bình), phương sai, độ lệch chuẩn và hệ số biến động. Được dùng trong Luận án để chỉ Hàm cấu trúc và Hàm tương quan. Sự biến đổi của nồng độ chất ô nhiễm theo ngày, đêm của từng mùa trong năm tại các trạm nghiên cứu và giá trị hàm cấu trúc, khoảng bão hòa của hàm cấu trúc thực nghiệm của nhiễu động dừng. Được dùng trong Luận án để chỉ tập hợp các giá trị là hiệu của giá trị nồng độ chất ô nhiễm đo được tại lúc lh, 2h, ..., 24h trừ đi giá trị trung bình tương ứng theo từng mùa nghiên cứu. 8 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận án Trong những năm gần đây quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá diễn ra với tốc độ tương đối nhanh, quá trình phát triển này một mặt góp phần cải thiện chất lượng cuộc sống của nhân dân, song mặt khác đã và đang gây nên những tác động xấu đến môi trường. Chúng ta hiện đang phải đối mặt với hàng loạt những thách thức liên quan tới môi trường như ô nhiễm do sinh hoạt của dân cư, xây dựng đô thị, giao thông… đặc biệt là do hoạt động sản xuất công nghiệp của thành phố. Vì vậy đã có rất nhiều dự án trong và ngoài nước tập trung nghiên cứu về lĩnh vực môi trường không khí, đặc biệt ở các thành phố lớn có tốc độ phát triển nhanh và một số khu vực khác. Song việc điều tra, khảo sát, đánh giá hiện trạng và dự báo xu thế biến động chất lượng môi trường không khí ở nước ta, đặc biệt là tập trung vào các đô thị, khu công nghiệp lớn còn chưa được đề cập tới một cách toàn diện, các mảng số liệu còn rời rạc và chưa được đồng bộ hoá. Việc đánh giá tính biến động theo thời gian và không gian của các thông số môi trường không khí dựa trên chuỗi số liệu đo đạc thực nghiệm để phục vụ công tác đánh giá hiện trạng và cảnh báo ô nhiễm cũng như phục vụ cho quy hoạch phát triển kinh tế, xã hội là hết sức quan trọng. Hiện nay, ngoài những phương pháp thu thập số liệu đo đạc bằng các thiết bị thông dụng truyền thống, Nhà nước đã đầu tư lắp đặt một số trạm quan trắc môi trường tự động cố định với trang thiết bị hiện đại, cung cấp bộ số liệu liên tục và đáng tin cậy. Tuy nhiên, kinh phí trợ giúp cho bảo trì bảo dưỡng còn rất hạn chế, vì vậy số liệu quan trắc của các trạm này do nhiều lý do khách quan và chủ quan không tránh khỏi sự thiếu hụt cần phải có những nghiên cứu nhằm bổ khuyết số liệu thiếu hụt để có đủ dữ liệu phục vụ nghiên cứu đánh giá hiện trạng và cảnh bảo ô nhiễm. Mặt khác, hướng nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá định lượng dựa trên công cụ toán - vật lý để tính toán sự lan truyền và dự báo chất ô nhiễm đang được triển khai áp dụng mạnh mẽ trên thế giới và ở nước ta. Tuy nhiên, ở nước ta việc 9 kiểm chứng độ chính xác và việc tham số hoá đầu vào của các mô hình bằng số liệu đo đạc thực tế dựa trên các trạm quan trắc tự động và quan trắc theo các thiết bị thông dụng còn rất nhiều hạn chế bởi các lý do: số trạm quan trắc tự động tại các tỉnh/thành phố được trang bị còn quá ít, khuyết số liệu tại nhiều thời điểm; số liệu quan trắc định kỳ không đồng bộ và có độ quán tính lớn nên thiếu số liệu biến thiên liên tục theo thời gian và không gian có đủ độ tin cậy để phục vụ cho hướng nghiên cứu này. Trước tầm quan trọng của số liệu quan trắc môi trường không khí, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 16/2007/QĐ-TTg ngày 29 tháng 01 năm 2007 về việc phê duyệt “Quy hoạch tổng thể mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia đến năm 2020”, trong đó mạng lưới quan trắc môi trường, gồm quan trắc môi trường nền và quan trắc môi trường tác động được xây dựng dựa trên cơ sở duy trì, nâng cấp các trạm, điểm quan trắc môi trường hiện có và xây dựng bổ sung các trạm, điểm quan trắc mới. Ngày 12 tháng 01 năm 2016, Thủ tướng Chính phủ tiếp tục ban hành Quyết định số 90/QĐ-TTg về việc phê duyệt “Quy hoạch mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia giai đoạn 2016 - 2025, tầm nhìn đến năm 2030”, trong đó Mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia là một hệ thống mở, liên tục được bổ sung, nâng cấp và hoàn thiện, được kết nối và chia sẻ thông tin từ Trung ương đến địa phương với sự quản lý thống nhất của Bộ Tài nguyên và Môi trường. Việc nghiên cứu tính biến động để nắm được quy luật biến đổi của các thông số ô nhiễm, trên cơ sở đó ứng dụng mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt nhằm phục vụ công tác đánh giá hiện trạng, cảnh báo ô nhiễm một cách khách quan, đầy đủ có tính thời sự và cần thiết trong điều kiện hiện nay ở nước ta. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu này được tiến hành với các mục tiêu sau: - Phân tích các đặc trưng biến động (đặc trưng số bao gồm: giá trị trung bình, phương sai, độ lệch chuẩn, hệ số biến động và đặc trưng hàm cấu trúc) của hai thông số khí CO và bụi PM10 theo thời gian dựa trên chuỗi số liệu quan trắc tự động 10 liên tục, chỉ ra được đây là các quá trình dừng hay không dừng và sự khác biệt về đặc trưng cấu trúc thống kê tại 3 khu vực địa lý (Láng - thành phố Hà Nội, Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng và Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh). - Ứng dụng mô hình nội ngoại suy nhằm bổ khuyết số liệu thiếu hụt từ số liệu quan trắc môi trường không khí tự động cố định dựa trên quá trình ngẫu nhiên nhiễu động dừng. - Đề xuất quy trình bổ khuyết số liệu thiếu hụt áp dụng cho khí CO và bụi PM10 tại 03 trạm nghiên cứu, đánh giá sai số tương đối và hiệu suất của mô hình. - Đề xuất các giải pháp quản lý, kỹ thuật trong vận hành các trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định phục vụ công tác giám sát và cảnh báo ô nhiễm không khí ở nước ta. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đặc trưng biến động của khí CO và bụi PM10 theo số liệu quan trắc của trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định bao gồm các đặc trưng số và các đặc trưng hàm. Các đặc trưng số biến động theo thời gian bao gồm: giá trị trung bình, phương sai, độ lệch chuẩn, hệ số biến động và hàm cấu trúc thời gian biến đổi theo thời gian Δt = τ. - Phạm vi nghiên cứu: khí CO và bụi PM10 tại 03 Trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định thuộc các khu vực địa lý khác nhau: + Khu vực phía Bắc: Trạm Láng - thành phố Hà Nội; + Khu vực miền Trung: Trạm Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng; + Khu vực phía Nam: Trạm Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh. - Thời gian lựa chọn chuỗi số liệu nghiên cứu được lấy tại các trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định từ thời điểm các trạm đi vào hoạt động ổn định năm 2004 đến thời điểm tác giả nghiên cứu đề tài luận án tiến sĩ là năm 2010. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Nghiên cứu đặc trưng biến động (đặc trưng số và đặc trưng hàm) của khí CO và bụi PM10 đã khẳng định đây là các quá trình không dừng, từ đó có nghiên cứu sâu trong việc áp dụng lý thuyết quá trình ngẫu nhiên dừng phục vụ bài toán nội 11 ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt tại các trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định. Việc đề xuất sử dụng quá trình ngẫu nhiên với nhiễu động dừng trong đề tài luận án góp phần bổ sung hướng nghiên cứu nội ngoại suy nói riêng và dự báo chất lượng môi trường không khí nói chung ở Việt Nam. Áp dụng mô hình nội ngoại suy thử nghiệm nội ngoại suy cho hai thông số CO và PM10 tại ba khu vực nghiên cứu (Láng - thành phố Hà Nội, Đà Nẵng - thành phố Đà Nẵng, Nhà Bè - thành phố Hồ Chí Minh), kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu suất mô hình đạt độ chính xác cao từ 75% đến 99,99%. Đây là cơ sở để khuyến nghị ứng dụng phương pháp nội ngoại suy cho các thông số khác của các trạm quan trắc môi trường không khí tự động cố định ở nước ta. Ngoài ra, quy trình nội ngoại suy được thiết lập sẽ giúp các quan trắc viên làm việc tại các trạm quan trắc môi trường tự động cố định tính toán bổ khuyết chuỗi số liệu thiếu hụt, đảm bảo cung cấp chuỗi số liệu đầy đủ để xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ cho công tác quản lý môi trường và các nghiên cứu khác có liên quan. 5. Những đóng góp mới của luận án - Phân tích tính biến động của hai thông số CO và PM10 thông qua các đặc trưng số (biến trình ngày đêm, phương sai, độ lệch chuẩn và hệ số biến động) và đặc trưng hàm (hàm cấu trúc) cho thấy các đặc trưng biến đổi trong ngày theo mùa và vị trí địa lý tại các khu vực nghiên cứu. Điều này được giải thích: các yếu tố khí tượng, khí hậu (tốc độ gió, hướng gió, nhiệt độ, lượng mưa, thời gian mưa, độ ẩm, áp suất) và trạng thái tầng kết nhiệt (bất ổn định, cân bằng phiếm định và ổn định) trong lớp không khí gần mặt đất ảnh hưởng rất lớn đến môi trường không khí, nên chúng phá vỡ quy luật biến động của các thông số khảo sát, do đó các đặc trưng số và hàm không thể xem là những quá trình ngẫu nhiên dừng. - Luận án đã áp dụng lý thuyết các quá trình ngẫu nhiên và lần đầu tiên ở Việt Nam đã đề xuất sử dụng quá trình ngẫu nhiên qui tâm (nhiễu động dừng) trong nghiên cứu môi trường không khí để xây dựng hàm cấu trúc của nhiễu động dừng biến đổi theo khoảng thời gian Δt = τ. Trên cơ sở đó xây dựng hàm cấu trúc thực 12 nghiệm của nhiễu động dừng cho 02 thông số CO và PM10 tại 3 trạm nghiên cứu theo các mùa (tại Trạm Láng là mùa xuân, mùa hạ, mùa thu và mùa đông; tại Trạm Đà Nẵng và Nhà Bè là mùa khô và mùa mưa). - Sử dụng phương pháp hồi quy để xấp xỉ đường cong hàm cấu trúc thực nghiệm của nhiễu động dừng dưới dạng hàm lnτ, trên cơ sở đó đánh giá khoảng dừng thích hợp, làm cơ sở cho việc giải hệ phương trình tìm ra các nhân tử nội ngoại suy. Từ đó áp dụng mô hình nội ngoại suy bổ khuyết số liệu thiếu hụt cho hai thông số CO và PM10 đạt hiệu suất cao từ 75 - 99,99%. 13 Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Nghiên cứu tính biến động và nội ngoại suy số liệu môi trường không khí trên thế giới 1.1.1. Nghiên cứu tính biến động của các thông số môi trường không khí Việc nghiên cứu đặc trưng biến động của các thông số môi trường không khí đã được nhiều quốc gia quan tâm nhằm phục vụ công tác đánh giá hiện trạng ô nhiễm, đánh giá xu hướng biến đổi của các chất ô nhiễm phục vụ quá trình hoạch định các chiến lược phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Theo nghiên cứu về đặc trưng biến động của PM10 và mối quan hệ của nó với các yếu tố khí tượng từ năm 2001-2012 ở Bắc Kinh cho thấy: PM10 chịu ảnh hưởng rõ nét của biến trình theo mùa, theo tháng, chất lượng không khí xấu hơn trong mùa xuân, và trở nên tốt hơn trong mùa hè, sau đó có xu hướng tăng dần trong mùa thu và mùa đông. Nói chung áp suất khí quyển là đặc điểm khí tượng quan trọng ảnh hưởng đến PM10, tiếp theo là độ ẩm tương đối và tốc độ gió, các yếu tố khí tượng chi phối ảnh hưởng dẫn đến mức độ ô nhiễm khác nhau trong bốn mùa [72]. Một nghiên cứu về đặc trưng biến động theo không gian và thời gian của PM10 tại Malaysia cho thấy PM10 biến động theo cả không gian và thời gian. Sự thay đổi của nồng độ PM10 có thể được phân thành bốn chế độ chi phối theo đặc trưng biến đổi không gian và thời gian khác nhau. Đầu tiên là khu vực ven biển phía Tây Nam của bán đảo Malaysia cho thấy nồng độ PM10 đạt cực đại trong mùa mưa (mùa hè) tức là khi gió chủ yếu là gió tây nam, và nồng độ tối thiểu trong thời gian gió mùa mùa đông. Thứ hai là khu vực phía tây Borneo với PM10 tăng đột biến tập trung vào tháng Chín, có thể là kết quả của sự chuyển dịch về phía Bắc của đới hội tụ (ITCz) và sự xuất hiện sớm của mùa mưa. Thứ ba là khu vực phía Bắc của bán đảo Malaysia với sự biến đổi mạnh nồng độ PM10 theo mùa, thành phần này thể hiện hai cực đại tập trung trong suốt mùa đông và mùa hè, cũng như hai cực tiểu trong thời gian liên quan tới gió mùa. Thứ tư là đặc điểm của khu vực phía Bắc Borneo cho thấy sự biến động yếu của nồng độ PM10. Nói chung, sự biến động theo 14 mùa của nồng độ PM10 thường gắn với biến đổi theo mùa của lượng mưa trong cả nước. Bên cạnh đó nồng độ PM10 cũng biến động rõ rệt trong khoảng thời gian giữa hai mùa. Những biến động xảy ra theo mùa khá mạnh, phương sai xảy ra lớn nhất trong mùa hè và thấp nhất vào mùa đông [63]. Nghiên cứu về tính biến động của PM1.0, PM2.5, and PM10 (PM) và mối liên hệ với các bon đen (BC) cho thấy: sự thay đổi về khối lượng trung bình hàng tháng của nồng độ của PM có hình dạng parabol lõm, với các giá trị cao nhất xảy ra trong tháng Giêng và giá trị thấp nhất xuất hiện vào tháng Tám hoặc tháng Chín. Ngoài ra, mối quan hệ rõ hơn theo mùa giữa PM và BC chỉ xảy ra trong mùa hè và mùa thu, do nhiều yếu tố như địa hình, nhiệt độ, và không khí trong mùa đông và mùa xuân. Cuối cùng, phân tích các biến động trong ngày của PM và BC đã chỉ ra rằng lượng khí thải giao thông trong giờ cao điểm, các chất ô nhiễm từ bên ngoài và sự tích lũy khí thải, tất cả góp phần vào tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng của Vũ Hán vào mùa đông [74]. Một nghiên cứu khác về sự biến đổi không gian và thời gian của PM 1, PM2.5 và PM10 tại 03 khu vực đô thị và 01 khu vực nông thôn tại Áo cho thấy: tại tất cả các khu vực nghiên cứu nồng độ PM10 cao hơn trong mùa đông. Tại khu vực nông thôn không thể hiện chu kỳ theo mùa rõ rệt. Biến trình ngày đêm về cơ bản có hai cực đại trong buổi sáng và vào buổi chiều, đồng thời ở mùa đông rõ rệt hơn mùa hè. Mặc dù các vùng nghiên cứu cho thấy nông thôn ít khác biệt so với các thành phố, ban ngày cực đại xuất hiện vào mùa hè khoảng giữa trưa và trong mùa đông trong các giờ buổi chiều [55]. Trong nghiên cứu của các nhà khoa học Nhật Bản về sự biến đổi theo thời gian và không gian của CO khu vực phía Tây Thái Bình Dương cho thấy: Nồng độ CO trung bình cho thấy giảm rõ rệt theo hướng Bắc-Nam, với giá trị đặc biệt cao ở các vĩ độ Bắc. Nồng độ tối đa và tối thiểu của chu kỳ CO mùa xuất hiện vào mùa xuân và mùa hè. Giá trị nồng độ cao của CO và chu kỳ theo mùa lớn quan sát được ở các vĩ độ Bắc gây ra bởi sự lan truyền CO do hoạt động nhân sinh ở Đông Á và sự thay đổi của khối không khí kết hợp với hoàn lưu gió mùa châu Á. Sự biến động về 15 thời gian và không gian của nồng độ CO quan sát ở phía Tây Thái Bình Dương được mô tả khá rõ bởi mô hình Chaser. Đặc biệt, nồng độ trung bình và chu kỳ theo mùa của nồng độ CO tính cho Nam bán cầu liên hệ chặt chẽ với các kết quả giám sát. Kết quả mô hình cũng cho thấy rằng CO thải ra ở Trung Quốc đóng một vai trò quan trọng trong việc phân bố nồng độ CO tại khu vực giữa phía Bắc của phía Tây Thái Bình Dương, CO có nguồn gốc ở Bắc Mỹ và Châu Âu được vận chuyển trên một quãng đường dài trong mùa đông và rõ ràng đã quan sát được trong phía Tây Bắc của Thái Bình Dương, CO từ Nam Mỹ và Nam Phi ảnh hưởng đến vùng phía Tây Nam Thái Bình Dương [59]. Một nghiên cứu khác về tính biến động của CO và O3 ở bề mặt đã được thực hiện tại Rishiri, một hòn đảo phía Bắc Nhật Bản cho thấy: O3 biến đổi theo mùa, tối đa vào mùa xuân và tối thiểu vào mùa hè, mà thường được quan sát thấy ở khu vực giữa vĩ độ từ xa ở Bắc bán cầu. Chu kỳ theo mùa của CO cho thấy sự tăng nồng độ theo chu kỳ trong thời gian từ mùa hè đến đầu mùa thu năm 1998, cho thấy một nguồn lớn của CO ở khu vực lân cận. Kết quả từ hình ảnh vệ tinh cho thấy nồng độ trung bình của CO trong cùng thời kỳ liên quan đến sự kiện cháy rừng nghiêm trọng và đám khói lan rộng ở xa phía đông Siberia. Nghiên cứu cho rằng vụ cháy rừng Taiga ở xa phía đông Siberia đã có một tác động đáng kể đến nồng độ CO quan sát thấy ở các vùng nghiên cứu từ mùa hè đến đầu mùa thu năm 1998 [58]. Các nghiên cứu trên đều cho thấy sự biến động của các thông số môi trường không khí xung quanh có ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng như: nhiệt độ, độ ẩm, lượng mưa, hướng gió, tốc độ gió, bên cạnh đó là các tác động của các nguồn thải từ các hoạt động dân sinh, công nghiệp, giao thông hay cháy rừng… Các nghiên cứu hầu hết đều chia chuỗi số liệu quan trắc được của các thông số môi trường không khí theo mùa để nghiên cứu tính biến động theo thời gian và không gian. 1.1.2. Nghiên cứu nội ngoại suy số liệu của các thông số môi trường không khí Việc sử dụng số liệu của các trạm quan trắc tự động cố định trong nghiên cứu các mô hình nội ngoại suy để có cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá ô nhiễm, cảnh báo ô nhiễm là hết sức quan trọng. Tuy nhiên, việc vận hành các trạm quan trắc 16