Tài liệu Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng nghịch nhiệt đến chất lượng môi trường không khí và sức khỏe cộng đồng tại thành phố hà nội giai đoạn 2011 2015

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG NGHỊCH NHIỆT ĐẾN CHẤT LƢỢNG MÔI TRƢỜNG KHÔNG KHÍ VÀ SỨC KHỎE CỘNG ĐỒNG TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI GIAI ĐOẠN 2011 - 2015 CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG NGUYỄN THẾ ĐỨC HẠNH HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA HIỆN TƢỢNG NGHỊCH NHIỆT ĐẾN CHẤT LƢỢNG MÔI TRƢỜNG KHÔNG KHÍ VÀ SỨC KHỎE CỘNG ĐỒNG TẠI THÀNH PHỐ HÀ NỘI GIAI ĐOẠN 2011 - 2015 NGUYỄN THẾ ĐỨC HẠNH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG MÃ SỐ: 60440301 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ THỊ TRINH HÀ NỘI, NĂM 2017 CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán bộ hƣớng dẫn: TS. Lê Thị Trinh Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Phạm Thị Mai Thảo Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Phạm Đức Phúc Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Ngày ... tháng ... năm 20.. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, những nội dung, số liệu, kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, của tôi, không vi phạm bất cứ điều gì trong luật sở hữu trí tuệ và pháp luật Việt Nam. Nếu sai, tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trƣớc pháp luật. Một số kết quả trong nghiên cứu này đƣợc sự hỗ trợ kinh phí từ đề tài nghiên cứu ứng dụng và phát triển công nghệ của Bộ Tài nguyên Môi trƣờng, mã số TNMT. 2016.04.11: “Nghiên cứu ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí tại Thủ đô Hà Nội và một số tỉnh lân cận” (2016 – 2018) TÁC GIẢ LUẬN VĂN (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Thế Đức Hạnh i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Tiến sĩ Lê Thị Trinh, Khoa Môi trƣờng, thuộc Trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội đã tận tình hƣớng dẫn và truyền đạt cho tôi những kinh nghiệm quý báu, những lời khuyên cần thiết trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS. Trịnh Thị Thủy, ThS. Trịnh Thị Thắm đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài, đồng thời tôi xin cảm ơn các quý thầy cô giáo trong khoa Môi Trƣờng, trƣờng Đại học Tài nguyên và Môi trƣờng Hà Nội đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa học. Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban giám đốc bệnh viện Tai Mũi Họng Trung ƣơng, Bệnh viện Lão khoa Trung ƣơng, lãnh đạo và các cán bộ, chuyên viên tại Phòng Kế koạch - Tổng hợp của bệnh viện Tai Mũi Họng Trung ƣơng, Bệnh viện Lão khoa Trung ƣơng đã tạo điều kiện cung cấp những số liệu cần thiết và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu trên địa bàn thành phố Hà Nội. Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và ngƣời thân luôn quan tâm, động viên giúp đỡ để tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Học viên Nguyễn Thế Đức Hạnh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................. v DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ vi DANH MỤC HÌNH ......................................................................................................... vii MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 2 3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................ 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU..................................................................... 3 1.1. Tổng quan về đối tƣợng nghiên cứu ...................................................................... 3 1.1.1. Hiện tƣợng nghịch nhiệt .................................................................................... 3 1.1.2. Chất lƣợng môi trƣờng không khí tại Hà Nội .................................................... 8 1.1.3. Ảnh hƣởng của chất lƣợng môi trƣờng không khí đến sức khỏe con ngƣời ..... 10 1.2. Tổng quan về phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................. 13 1.2.1. Lý thuyết về phƣơng pháp thống kê ................................................................ 13 1.2.2. Các ứng dụng thực tế của phƣơng pháp thống kê trong hƣớng nghiên cứu của đề tài ................................................................................................................... 17 1.3. Các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí và sức khỏe cộng đồng. ............................. 18 1.3.1. Nghiên cứu ngoài nƣớc ................................................................................... 18 1.3.2. Nghiên cứu trong nƣớc ................................................................................... 24 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, THỜI GIAN VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 27 2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 27 2.2. Thời gian nghiên cứu .......................................................................................... 27 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu và cách thức thực hiện................................................. 27 2.3.1. Phƣơng pháp nghiên cứu tài liệu ..................................................................... 27 2.3.2. Phƣơng pháp thống kê số liệu ......................................................................... 27 2.3.3. Phƣơng pháp so sánh, phân tích, đánh giá ....................................................... 36 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ........................................... 37 3.1. Đặc điểm, thời điểm và tần suất xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt tại thành phố Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2011 - 2015.................................................. 37 3.1.1. Đặc điểm của hiện tƣợng nghịch nhiệt tại thành phố Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2011 – 2015................................................................................................... 37 iii 3.1.2. Thời điểm, tần suất xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt tại thành phố Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2011 - 2015 .................................................................... 38 3.2. Đánh giá thống kê của các bộ số liệu trong vấn đề nghiên cứu ............................ 41 3.3. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí tại thành phố Hà Nội..................................................................................................... 43 3.3.1. Đánh giá diễn biến của chất lƣợng môi trƣờng không khí tại thành phố Hà Nội trong giai đoạn 2011 - 2015 ................................................................................ 43 3.3.2. Mối liên hệ giữa hiện tƣợng nghịch nhiệt và chất lƣợng môi trƣờng không khí tại thành phố Hà Nội ........................................................................................... 46 3.3.3. Phân tích hồi quy và tƣơng quan giữa hai bộ số liệu những ngày xuất hiện nghịch nhiệt và chất lƣợng môi trƣờng không khí...................................................... 51 3.3.4. Đánh giá ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí tại thành phố Hà Nội ................................................................................. 53 3.4. Mối liên hệ giữa sự xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt và sức khỏe cộng đồng ........................................................................................................................... 54 3.4.1. Mối liên hệ giữa sự xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt và số lƣợng bệnh nhân đến Bệnh viện Lão Khoa Trung ƣơng ............................................................... 54 3.4.2. Mối liên hệ giữa sự xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt và số lƣợng bệnh nhân đến Bệnh viện Tai Mũi Họng Trung ƣơng ........................................................ 60 3.4.3. Phân tích hồi quy và tƣơng quan giữa hai bộ số liệu những ngày xuất hiện nghịch nhiệt và số lƣợng bệnh nhân đến khám và điều trị tại các bệnh viện............... 64 3.4.4. Đánh giá mối liên hệ giữa sự xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt và sức khỏe cộng đồng ......................................................................................................... 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................... 70 1. Kết luận ................................................................................................................. 70 2. Kiến nghị ............................................................................................................... 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................ 72 PHỤ LỤC 1A .................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 1B .................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 1C .................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 2 ....................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 3 ....................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 4 ....................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 5 ....................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 6 ....................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 7 ....................................................................... Error! Bookmark not defined. iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AQI Air Quality Index AIRS Atmospheric Infrared Sounder ALRI Acute lower respiratory ARDs Acute respiratory diseases BC Black Cacbon BN Bệnh nhân BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng BV Bệnh viện EPA United States Environmental Protection Agency HEI Health Effects Institute HH-TM Hô hấp – tim mạch ÔNKK Ô nhiễm không khí QCCP Quy chuẩn cho phép QCVN Quy chuẩn Việt Nam TƢ Trung ƣơng WHO World Health Organization v DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Các nhóm bệnh theo mã ICD-10 sử dụng trong nghiên cứu ........................... 31 Bảng 3.1. Bảng thống kê tần suất xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt từ năm 2011-2015 .......... 40 Bảng 3.2. Bảng kiểm định phân phối chuẩn cho các bộ số liệu ...................................... 42 Bảng 3.3. Hàm lƣợng trung bình năm của NOx, SO2, PM10, PM2.5 trong những ngày xảy ra hiện tƣợng nghịch nhiệt và những ngày bình thƣờng tại thành phố Hà Nội từ năm 2011-2015 .............................................................................................................. 50 Bảng 3.4. Bảng phân tích hệ số tƣơng quan và hệ số xác định giữa ngày xuất hiện nghịch nhiệt với các chỉ tiêu về chất lƣợng môi trƣờng không khí tại thủ đô Hà Nội...... 52 Bảng 3.5. Bảng thống kê tổng số lƣợng bệnh nhân của bệnh viện Lão Khoa Trung ƣơng từ năm 2011 đến năm 2015 ................................................................................... 55 Bảng 3.6. Bảng thống kê số lƣợng bệnh nhân trung bình năm đến khám và điều trị tại BV Lão Khoa TƢ trong khoảng thời gian có nghịch nhiệt và ngày bình thƣờng ............ 59 Bảng 3.7. Bảng thống kê tổng số lƣợng bệnh nhân của bệnh viện Tai Mũi Họng Trung ƣơng từ năm 2011 đến năm 2015 ................................................................................... 61 Bảng 3.8. Bảng thống kê số lƣợng bệnh nhân trung bình năm đến khám và điều trị tại BV Tai Mũi Họng TƢ trong khoảng thời gian có nghịch nhiệt và ngày bình thƣờng ..... 62 Bảng 3.9. Bảng phân tích tƣơng quan giữa ngày xuất hiện nghịch nhiệt và số lƣợng bệnh nhân đến khám và điều trị tại Hà Nội trong giai đoạn 2011-2015 .......................... 66 Bảng 3.10. So sánh kết quả nghiên cứu của luận văn với các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về cùng vấn đề nghiên cứu .................................................................................... 68 vi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Hiện tƣợng nghịch nhiệt bức xạ ....................................................................... 4 Hình 1.2. Hiện tƣợng nghịch nhiệt bình lƣu .................................................................... 5 Hình 1.3. Hiện tƣợng nghịch nhiệt lắng chìm .................................................................. 6 Hình 1.4. Diễn biến chỉ số chất lƣợng không khí AQI ở 4 trạm quan trắc tự động, liên tục giai đoạn 2011 – 2015 ............................................................................................... 9 Hình 1.5. Các yếu tố cơ bản khi phân tích vấn đề sức khỏe của con ngƣời .................... 10 Hình 1.6. Đƣờng cong phân phối chuẩn ........................................................................ 15 Hình 1.7. So sánh nồng độ trung bình NO2, PM2.5 trong thời điểm xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt và ngày bình thƣờng trong giai đoạn 2003-2007 tại thành phố Hamilton, Canada ........................................................................................................................... 20 Hình 1.8. Mối tƣơng quan giữa hàm lƣợng BC và PM2.5 trung bình ngày với cƣờng độ nghịch nhiệt tại Chile ..................................................................................................... 21 Hình 1.9. Số ngày xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt trong từng tháng tƣơng ứng với độ dày của nó tại Muscat, Oman trong năm 2003........................................................... 23 Hình 1.10. Số ca cấp cứu hằng ngày trung bình theo tháng tại bệnh viện hoàng gia Oman năm 2003 ............................................................................................................ 23 Hình 2.1. Sơ đồ mô tả tiêu chí, cách thức thực hiện xây dựng bộ cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu ..................................................................................................................... 28 Hình 2.2. Cách thu thập số liệu tại trang http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html .....29 Hình 2.3. Kết quả xác định nghịch nhiệt tại thời điểm 00Z ngày 03/01/2011 ................. 29 Hình 3.1. Giản đồ thiên khí 00Z ngày 28/01/2011 và ngày 07/03/2015 .......................... 38 Hình 3.2. Giản đồ thiên khí 00Z ngày 10/05/2011 và ngày 06/09/2015 .......................... 38 Hình 3.3. Số ngày xuất hiện nghịch nhiệt trong từng tháng từ năm 2011 – 2015 tại thành phố Hà Nội........................................................................................................... 39 Hình 3.4. Số ngày trung bình xuất hiện nghịch nhiệt từ năm 2011 – 2015 ...................... 40 Hình 3.5. Biểu đồ thể hiện tần suất phân phối của các bộ số liệu từ năm 2011 - 2015 .... 43 Hình 3.6. Diễn biến nồng độ bụi PM10 và PM2.5 trung bình năm tại trạm quan trắc tự động Nguyễn Văn Cừ, liên tục trong giai đoạn 2011-2015 ............................................. 44 vii Hình 3.7. Thống kê số ngày có nồng độ PM10 và PM2.5 trung bình 24h không đạt QCVN 05:2013/BTNMT tại trạm quan trắc tự động Nguyễn Văn Cừ giai đoạn 2011 – 2015............................................................................................................................... 45 Hình 3.8. Diễn biến trung bình nồng độ bụi PM10 và PM2.5 theo các tháng giai đoạn 2011 - 2015 tại trạm Nguyễn Văn Cừ, Hà Nội ............................................................... 46 Hình 3.9. Diễn biến hàm lƣợng trung bình các thông số NOx, SO2, PM10, PM2.5 trong môi trƣờng không khí và số ngày xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt theo từng tháng tại thành phố Hà Nội từ năm 2011 – 2015........................................................................... 47 Hình 3.10. Biểu đồ thể hiện diễn biến chất lƣợng môi trƣờng không khí theo ngày và khoảng thời gian xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt trong tháng 01/2011 ....................... 48 Hình 3.11. Biểu đồ thể hiện diễn biến chất lƣợng môi trƣờng không khí theo ngày và khoảng thời gian xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt trong tháng 10/2011 ....................... 48 Hình 3.12. Mô hình hồi quy giữa số ngày xuất hiện nghịch nhiệt và các chỉ tiêu về chất lƣợng môi trƣờng không khí (PM10, PM2.5,, SO2, NOx) tại thành phố Hà Nội ................. 51 Hình 3.13. Mối liên hệ giữa ngày diễn ra nghịch nhiệt và lƣợt bệnh nhân đến khám và điều trị tại bệnh viện Lão Khoa trung ƣơng qua các năm................................................ 56 Hình 3.14. Biểu đồ thể hiện số ngày trung bình nghịch nhiệt và số bệnh nhân BV Lão Khoa TƢ trung bình theo từng tháng trong giai đoạn từ năm 2011-2015 ....................... 57 Hình 3.15. Biểu đồ thể hiện số lƣợng bệnh nhân nhập viện theo ngày trong tháng 02/2014 của BV Lão Khoa TƢ ...................................................................................... 57 Hình 3.16. Biểu đồ thể hiện số lƣợng bệnh nhân nhập viện theo ngày trong tháng 09/2013 của BV Lão Khoa TƢ ...................................................................................... 58 Hình 3.17. Số lƣợng bệnh nhân trung bình đến khám và điều trị tại BV Lão Khoa TƢ trong khoảng thời gian có nghịch nhiệt và ngày bình thƣờng ......................................... 60 Hình 3.18. Số lƣợng bệnh nhân trung bình đến khám và điều trị tại BV Tai Mũi Họng TƢ trong khoảng thời gian có nghịch nhiệt và ngày bình thƣờng ................................... 63 Hình 3.19. Mô hình hồi quy tuyến tính đơn giữa số ngày xuất hiện nghịch nhiệt và số lƣợng bệnh nhân đến khám và điều trị tại các bệnh viện ................................................ 65 viii MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Nghịch nhiệt là một hiện tƣợng tự nhiên trong khí quyển, đƣợc xem là một hiện tƣợng rất quan trọng trong nghiên cứu về khí tƣợng học và đánh giá chất lƣợng môi trƣờng không khí. Lớp khí quyển của Trái Đất có 04 tầng rõ rệt gồm: tầng đối lƣu, bình lƣu, quyển giữa và nhiệt quyển. Tầng đối lƣu là tầng có ảnh hƣởng nhiều nhất đến khí hậu trái đất, là nơi có mật độ không khí lớn nhất của khí quyển và là nơi xảy ra hiện tƣợng nghịch nhiệt. Khi xảy ra hiện tƣợng nghịch nhiệt, lớp không khí trong tầng đối lƣu sẽ trở nên ổn định và làm chậm lại mọi chuyển động của dòng không khí theo chiều từ dƣới lên trên hay ngƣợc lại. Độ ổn định do hiện tƣợng nghịch nhiệt gây ra sẽ làm hạn chế sự trao đổi năng lƣợng gió giữa các lớp không khí sát mặt đất và gió ở các lớp khí quyển trên cao, khiến cản trở quá trình khuếch tán của các chất trong môi trƣờng không khí và làm nồng độ của các chất này có thể tăng lên. Sự biến đổi hàm lƣợng của các chất trong thành phần không khí nhƣ SO2, NOx, CO,... do bị ảnh hƣởng của lớp nghịch nhiệt có thể làm suy giảm đến chất lƣợng môi trƣờng không khí. Nhƣ vậy, hiện tƣợng hình thành lớp nghịch nhiệt ở tầng đối lƣu có thể gây ảnh hƣởng đến đời sống của các sinh vật, đặc biệt sẽ ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời sống trong vùng xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt. Trong những năm gần đây trên thế giới đã có một số nghiên cứu về mối tƣơng quan giữa hiện tƣợng nghịch nhiệt và chất lƣợng môi trƣờng không khí xung quanh cũng nhƣ sự xuất hiện của các bệnh về đƣờng hô hấp và tim mạch trong điều kiện xảy ra hiện tƣợng nghịch nhiệt và sự suy giảm chất lƣợng không khí. Đây là hƣớng nghiên cứu mới mang tính chất liên ngành và cần bộ dữ liệu mang tính hệ thống, nên ở Việt Nam, các nghiên cứu trong hƣớng này còn hạn chế. Hà Nội là một trong những đô thị lớn của Việt Nam, bên cạnh những kết quả đạt đƣợc về tăng trƣởng kinh tế thì ô nhiễm môi trƣờng, đặc biệt ô nhiễm môi trƣờng không khí là vấn đề đang hết sức đƣợc quan tâm. Sự gia tăng dân số, đô thị hóa nhanh, kéo theo gia tăng số lƣợng các phƣơng tiện giao thông cá nhân gây áp lực mạnh mẽ đến môi trƣờng không khí tại thành phố Hà Nội, vì vậy tác động của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí sẽ làm ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời do mật độ dân số cao và chất lƣợng môi trƣờng không khí suy giảm. Tuy nhiên, những thông tin và bằng chứng về ảnh hƣởng của ô nhiễm không khí do hiện tƣợng nghịch nhiệt đến sức khỏe con ngƣời ở Việt Nam nói chung và tại thành phố Hà Nội nói riêng vẫn còn rất hạn chế. Những nghiên cứu khởi điểm và đi sâu nghiên cứu ở lĩnh vực này là cần thiết và quan trọng để tăng cƣờng sự hiểu biết cũng nhƣ cung cấp thông tin cho hoạch định chính sách về kiểm soát chất lƣợng môi trƣờng không khí ở nƣớc ta. 1 Với tình hình thực tế và các lý do cấp thiết nêu trên tôi lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng nghịch nhiệt đến chất lượng môi trường không khí và sức khỏe cộng đồng tại thành phố Hà Nội giai đoạn 2011 - 2015” 2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí trên địa bàn Thành phố Hà Nội trong giai đoạn 2011 - 2015. - Bƣớc đầu đánh giá mối liên hệ giữa sự xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt với sự thay đổi chất lƣợng môi trƣờng không khí; ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến sức khỏe cộng đồng. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý luận và thực tiễn về ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí và sức khỏe cộng đồng. - Nghiên cứu đặc điểm, thời điểm và tần suất xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt tại thành phố Hà Nội trong giai đoạn từ năm 2011 – 2015 - Đánh giá ảnh hƣởng của hiện tƣợng nghịch nhiệt đến chất lƣợng môi trƣờng không khí trên địa bàn thành phố Hà Nội trong khoảng thời gian 5 năm, từ năm 2011 2015. - Đánh giá mối liên hệ giữa sự xuất hiện của hiện tƣợng nghịch nhiệt và sức khỏe cộng đồng. 2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về đối tƣợng nghiên cứu 1.1.1. Hiện tƣợng nghịch nhiệt a) Khái niệm Nghịch nhiệt là một hiện tƣợng của khí quyển xảy ra khi nhiệt độ của lớp khí quyển trên cao lớn hơn nhiệt độ của lớp khí quyển phía dƣới. Đây là hiện tƣợng không phù hợp với quy luật phân nhiệt theo độ cao của không khí trong tầng đối lƣu, thông thƣờng, nhiệt độ không khí giảm khoảng 6,4°C cho mỗi kilomet theo chiều cao khí quyển [1]. Khi có hiện tƣợng nghịch nhiệt, lớp không khí ở bên dƣới trở nên ổn định và cản trở mọi chuyển động của không khí theo phƣơng thẳng đứng, điều này làm hạn chế sự trao đổi năng lƣợng của lớp không khí sát mặt đất và lớp khí quyển trên cao, do đó làm cản trở quá trình xáo trộn các chất trong bầu khí quyển [12]. b) Phân loại Dựa vào nguyên nhân hình thành hiện tƣợng nghịch nhiệt mà nghịch nhiệt đƣợc phân chia làm 3 loại chính nhƣ sau: - Nghịch nhiệt bức xạ (Radiation inversion): hay còn gọi là nghịch nhiệt đêm, đây là loại nghịch nhiệt đƣợc hình thành bởi sự mất nhiệt của bề mặt đất vào ban đêm do hiện tƣợng bức xạ nhiệt. Loại nghịch nhiệt này có thể xảy ra quanh năm, tuy nhiên tần suất xuất hiện nhiều và cƣờng độ nghịch nhiệt mạnh thì thƣờng xảy ra vào các tháng mùa đông (từ tháng 10 đến tháng 1 năm sau). Độ dày và nhiệt độ của lớp nghịch nhiệt tăng dần trong khoảng thời gian từ đêm về sáng. Hiện tƣợng nghịch nhiệt bức xạ xuất hiện thƣờng kèm theo sƣơng mù bức xạ, cả hai hiện tƣợng này sẽ không còn khi trời có nắng [12]. Khi mặt trời lên cao, mặt đất và từng lớp không khí mỏng đƣợc nung nóng từ từ để hình thành lớp không khí gần nhƣ đoạn nhiệt (adiabatic) ở sát mặt đất. Không khí trong lớp đoạn nhiệt này không thể thâm nhập vào lớp nghịch nhiệt còn lại bên trên nó từ đêm hôm trƣớc do tính ổn định cao. Nhƣng ở ranh giới vẫn có sự hòa trộn giữa lớp không khí đoạn nhiệt mới hình thành với lớp không khí nghịch nhiệt, cộng với đó là lớp bức xạ mặt trời mỗi lúc một mạnh hơn, làm cho lớp không khí đoạn nhiệt cứ tăng dần và cuối cùng loại bỏ hoàn toàn lớp nhịch nhiệt. Vào mùa đông, hiện tƣợng nghịch nhiệt có thể kéo dài cả ban ngày khi năng lƣợng mặt trời không đủ sức để phá vỡ lớp nghịch nhiệt [12]. Hình 1.1 thể hiện sự hình thành của hiện tƣợng nghịch nhiệt bức xạ. 3 Hình 1.1. Hiện tƣợng nghịch nhiệt bức xạ Nguồn: C. Donald Ahrens (2009) [12] - Nghịch nhiệt bình lƣu (Frontal Inversion): đƣợc tạo thành do sự khác nhau về địa hình làm cho lớp không khí nóng chuyển động bên trên lớp không khí lạnh. Bao gồm 2 trƣờng hợp: khi có luồng không khí nóng chuyển động bên trên bề mặt lạnh, hay khi có luồng không khí lạnh ở trên cao tràn xuống thấp trong khi bên trên nó vẫn tồn tại lớp không khí nóng. Loại nghịch nhiệt này thƣờng xảy ra tại những vùng có ao hồ, đầm lầy, khu vực có cấu trúc nhƣ một thung lũng,… Hình 1.2 thể hiện sự hình thành của hiện tƣợng nghịch nhiệt bình lƣu. + Trƣờng hợp khi có luồng không khí nóng chuyển động bên trên bề mặt lạnh. Trƣờng hợp này thƣờng xảy ra khi có dòng không khí từ phía khuất gió của sƣờn núi thổi xuống chân núi. Dòng không khí này sẽ ấm lên theo quá trình nén ép đoạn nhiệt và nó len vào bên trên lớp không khí lạnh ở sát mặt đất dƣới chân núi gây ra hiện tƣợng nghịch nhiệt với cƣờng độ mạnh và có thể kéo dài [12]. + Trƣờng hợp khi có luồng không khí lạnh ở trên cao tràn xuống thấp trong khi bên trên nó vẫn tồn tại lớp không khí nóng. Trƣờng hợp này xảy ra khi dòng không khí lạnh từ các vùng cao vào ban đêm tràn xuống các vùng thấp (thung lũng) tạo thành lớp không khí lạnh nằm bên dƣới lớp không khí ấm và dẫn đến hiện tƣợng nghịch nhiệt ở đáy [12]. 4 Hình 1.2. Hiện tƣợng nghịch nhiệt bình lƣu Nguồn: C. Donald Ahrens (2009) [12] - Nghịch nhiệt lắng chìm (Subsidence inversion) hay còn gọi là nghịch nhiệt nén, là hiện tƣợng nghịch nhiệt đƣợc hình thành do lớp không khí phía trên đƣợc nén và làm nóng bởi sự gia tăng áp suất khí quyển. Nghịch nhiệt lắng chìm thƣờng xuất hiện ở những vùng có áp suất cao khi có mây che phủ bầu trời và hấp thụ năng lƣợng bức xạ từ Mặt trời chiếu xuống. Trong vùng này có dòng chảy chậm của không khí hƣớng xuống dƣới và gió nhẹ. Khối không khí nặng chìm xuống dƣới sẽ làm tăng nhiệt độ của bản thân theo quá trình đoạn nhiệt và thƣờng trở thành lớp không khí ấm hơn so với lớp không khí ở phía dƣới. Kết quả là lớp nghịch nhiệt bị lắng chìm, lớp nghịch nhiệt này thƣờng ở độ cao từ 400 - 500m đến 4000 - 5000m trên mặt đất [12]. Sự hình thành của hiện tƣợng nghịch nhiệt lắng chìm đƣợc thể hiện trong hình 1.3. 5 Hình 1.3. Hiện tƣợng nghịch nhiệt lắng chìm Nguồn: C. Donald Ahrens (2009) [12] Trên cùng một địa điểm vào cùng một thời điểm có thể có hai lớp nghịch nhiệt cùng song song tồn tại: một lớp ở sát mặt đất đến độ cao 100 - 200m và một lớp ở độ cao từ 900 - 1100m [1]. c) Các yếu tố hình thành nên hiện tượng nghịch nhiệt Hiện tƣợng nghịch nhiệt là một trong những hiện tƣợng diễn ra tự nhiên trong môi trƣờng, hầu hết các ngày trong năm đều có hiện trƣợng nghịch nhiệt trong các tầng khí quyển. Tuy nhiên, để hiện tƣợng nghịch nhiệt hình thành và diễn ra mạnh mẽ, sâu sắc hơn thì cần nhiều yếu tố và các điều kiện kết hợp thuận lợi. Ban ngày, mặt đất hấp thụ các bức xạ mặt trời và nóng lên, ban đêm quá trình này diễn ra ngƣợc lại, mặt đất và các vật chất bức xạ nhiệt để trở nên lạnh dần, nhất là vào thời điểm gần sáng. Do đó vào mùa đông hay lúc gần sáng lớp không khí gần mặt đất mới có nhiệt độ khá thấp, trong khi lớp không khí phía trên nơi hấp thụ nhiệt bức xạ lại có nhiệt độ cao. Nguyên nhân đó đã hình thành hiện tƣợng nghịch nhiệt [1]. Hiện tƣợng nghịch nhiệt bức xạ hay nghịch nhiệt về đêm diễn ra mạnh mẽ hơn khi có các điều kiện lý tƣởng sau: không khí ổn định không có gió, đêm kéo dài, không khí khá khô và trời nhiều mây. 6 Hiện tƣợng nghịch nhiệt diễn ra mạnh hơn trong điều kiện không khí ổn định và không có gió. Điều này là do khi lớp không khí bề mặt có nhiệt độ thấp hơn lớp không khí phía trên nó đã hình thành nên hiện tƣợng nghịch nhiệt, kết hợp với việc không có gió khiến cho các khối không khí không bị xáo trộn và ổn định. Những tháng có đêm kéo dài cũng góp phần khiến cho hiện tƣợng nghịch nhiệt diễn ra mạnh hơn, ví dụ nhƣ những tháng mùa đông. Nghịch nhiệt bức xạ cũng dễ xảy ra hơn ở những thời điểm không khí khô và trời nhiều mây do trong điều kiện thời tiết nhiều mây và tƣơng đối khô sẽ làm chậm tốc độ làm mát bề mặt. Vì vậy, thời điểm mùa đông, hiện tƣợng nghịch nhiệt có thể diễn ra cả ban ngày [1]. Hiện tƣợng nghịch nhiệt có thể hình thành và đƣợc tăng cƣờng trong những điều kiện sau: - - Thời tiết: Mùa đông nghịch nhiệt thƣờng kéo dài do các yếu tố thời tiết nhƣ sƣơng mù, mây, nhất là mây thấp và che kín bầu trời làm cho bức xạ mặt trời không đủ sức làm ấm mặt đất và phá vỡ lớp nghịch nhiệt [1]. Khả năng hấp thụ nhiệt và nhả nhiệt của bề mặt đất: mặt đất trơ trụi hấp thụ và nhả nhiệt nhanh hơn so với mặt đất có lớp thực vật che phủ. Tại các thành phố, bề mặt đất là lớp vật liệu xây dựng, nhà cửa, đƣờng xá,…có khả năng bức xạ cũng nhƣ hấp thụ nhiệt rất tốt, do vậy mà chúng nóng lên hay lạnh đi rất nhanh, do đó tạo điều kiện thuận lợi cho hình thành hiện tƣợng nghịch nhiệt. Và tƣơng tự với mặt đất có lớp tuyết phủ, nghịch nhiệt kéo dài hơn do lớp tuyết phản xạ rất tốt tia nắng mặt trời [1]. - Sự di chuyển của các khối không khí trong tự nhiên do yếu tố địa hình: đôi khi khối không khí lạnh chảy từ đỉnh núi xuống thung lũng, không khí lạnh này sau đó luồng bên dƣới khối không khí nóng từ các thung lũng, hay ngƣợc lại, dòng không khí từ trên cao tràn xuống chân núi và dòng khí này ấm lên do quá trình ép nén đoạn nhiệt và nó len vào bên trên lớp không khí lạnh sát mặt đất dƣới chân núi [1]. Cả hai trƣờng hợp đều hình thành nên hiện tƣợng nghịch nhiệt. d) Vai trò của hiện tượng nghịch nhiệt Nghịch nhiệt có vai trò quan trọng trong lĩnh vực khí hậu và đánh giá chất lƣợng môi trƣờng không khí. Khi quy luật phân nhiệt theo độ cao diễn ra bình thƣờng, không khí liên tục đƣợc xáo trộn giữa các khu vực ấm và mát, khi đó các chất ô nhiễm có thể phát tán diện rộng làm giảm nồng độ ô nhiễm của chúng. Nhƣng khi có hiện tƣợng nghịch nhiệt xảy ra, lớp nghịch nhiệt ấm đó đóng vai trò nhƣ một chiếc mũ và dừng quá trình xáo trộn khí quyển, làm nồng độ các chất ô nhiễm có thể tăng cao, gây 7 ảnh hƣởng nghiêm trọng đến chất lƣợng môi trƣờng không khí. Tất cả các loại nghịch nhiệt khi xảy ra đều gây cản trở sự xáo trộn của khí quyển [1]. Việc chất ô nhiễm bị giữ lại trong môi trƣờng không khí, đặc biệt là lớp nghịch nhiệt hình thành gần bề mặt đất gây ảnh hƣởng nghiêm trọng đến sự sống của các sinh vật sống trong khu vực, quan trọng nhất là ảnh hƣởng đến sức khỏe của con ngƣời sống trong vùng xuất hiện hiện tƣợng nghịch nhiệt. 1.1.2. Chất lƣợng môi trƣờng không khí tại Hà Nội Thủ đô Hà Nội trong những năm qua đã có những bƣớc phát triển kinh tế - xã hội một cách mạnh mẽ, vƣợt bậc đã góp phần nâng cao đáng kể điều kiện sống cho ngƣời dân và góp phần đẩy mạnh sự tăng trƣởng kinh tế của cả nƣớc. Tuy nhiên, đi kèm với đó là những áp lực không nhỏ tác động lên môi trƣờng của thủ đô, đặc biệt là môi trƣờng không khí trong những năm gần đây. Gia tăng dân số, đô thị hóa nhanh, kéo theo gia tăng số lƣợng phƣơng tiện giao thông cá nhân, trong khi đó hệ thống giao thông công cộng lại hạn chế gây áp lực mạnh mẽ lên môi trƣờng không khí của các thành phố lớn nhƣ Hà Nội. Bụi và khí thải từ hoạt động giao thông đô thị vẫn là một trong những nguồn ô nhiễm chính đối với môi trƣờng không khí của khu vực. Theo báo cáo hiện trạng môi trƣờng quốc gia giai đoạn 2011 - 2015, kết quả đánh giá chất lƣợng không khí thông qua chỉ số chất lƣợng không khí AQI cho thấy, tại các đô thị lớn nhƣ thủ đô Hà Nội, số ngày có AQI ở mức kém (AQI = 101 - 200) và xấu (AQI = 201 - 300) chiếm tỷ lệ khá lớn. Điển hình nhƣ báo cáo tại trạm quan trắc không khí tự động 556 Nguyễn Văn Cừ (Gia Lâm, Hà Nội) đã cho kết quả rằng, số ngày trong năm 2014 có AQI ở mức kém chiếm tỷ lệ hơn 50% tổng số ngày quan trắc trong năm, thậm chí, có những ngày chất lƣợng không khí suy giảm đến ngƣỡng xấu và nguy hại (AQI>300) [10]. Kết quả về diễn biến chỉ số chất lƣợng không khí AQI tại 4 trạm quan trắc tự động, liên tục từ năm 2011 – 2015 đƣợc thể hiện trong hình 1.4. Số ngày có chỉ số chất lƣợng môi trƣờng AQI ở mức kém đến nguy hại tại trạm Nguyễn Văn Cừ thuộc thành phố Hà Nội là cao nhất trong tất cả các trạm [10]. 8 Hình 1.4. Diễn biến chỉ số chất lƣợng không khí AQI ở 4 trạm quan trắc tự động, liên tục giai đoạn 2011 – 2015 Nguồn: Bộ Tà Nguyên Môi Trường (2015) [1012] Báo cáo hiện trạng môi trƣờng quốc gia năm 2013 với chuyên đề về hiện trạng chất lƣợng môi trƣờng không khí đã chỉ ra rằng, đối với môi trƣờng không khí tại các đô thị lớn nhƣ thủ đô Hà Nội thì nồng độ bụi cao vẫn là vấn đề đáng lo ngại nhất. Tại các điểm quan trắc cạnh đƣờng giao thông, số ngày có giá trị AQI không đảm bảo ngƣỡng khuyến cáo an toàn với sức khỏe cộng đồng do nồng độ bụi PM10 vƣợt giới hạn cho phép của QCVN 05:2013/BTNMT về chất lƣợng môi trƣờng không khí xung quanh vẫn chiếm tỷ lệ lớn. Bên cạnh đó, nồng độ NOx trong không khí cao vƣợt giới hạn cho phép của quy chuẩn cũng góp phần đáng kể trong những ngày giá trị AQI vƣợt ngƣỡng 100 [9]. Nồng độ bụi cũng thay đổi qua các tháng trong năm, theo diễn biến mùa, điều này thể hiện rõ ở khu vực miền Bắc. Số liệu quan trắc tại trạm quan trắc Nguyễn Văn Cừ từ 2011 - 2015, cho thấy ô nhiễm bụi (đặc biệt là bụi mịn PM2.5 và PM1) thƣờng tập trung vào các tháng mùa đông lạnh, ít mƣa từ tháng 11 năm trƣớc đến tháng 3 năm sau [10]. Ở khu vực đô thị nhƣ thành phố Hà Nội, nguồn gốc phát sinh các loại khí NO2, SO2 và CO chủ yếu từ hoạt động giao thông vận tải, SO2 phát thải từ đốt than và dầu chứa lƣu huỳnh (xe buýt, các nhà máy có hoạt động đốt nhiên liệu khác). Nồng độ khí NO2 trong không khí tại các đô thị lớn cũng đã ghi nhận vƣợt ngƣỡng giới hạn cho 9