Tài liệu So sánh phương pháp idw và kriging trong đánh giá chất lượng không khí thành phố hồ chí minh.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP IDW VÀ KRIGING TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Họ và tên sinh viên: TRẦN THỊ PHƯƠNG Ngành: Hệ thống Thông tin Địa lý Niên khóa: 2013 – 2017 Tháng 6/2017 SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP IDW VÀ KRIGING TRONG ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Tác giả TRẦN THỊ PHƯƠNG Tiểu luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kĩ sư ngành Hệ thống Thông tin Địa lý Người hướng dẫn TS. TRẦN THỐNG NHẤT Tháng 6 năm 2017 LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình thực hiện tiểu luận tốt nghiệp em đã nhận được sự giúp đỡ, chỉ bảo tận tình của quý thầy hướng dẫn và các thầy cô thuộc bộ môn GIS và Tài nguyên để em có thể hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình. Qua đây em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới: Thầy TS. Trần Thống Nhất giảng viên trường Đại học Tài Nguyên Môi trường TP. Hồ Chí Minh, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo và góp ý cho em trong suốt quá trình làm tiểu luận. Em xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy PGS. Nguyễn Kim Lợi, thầy Kỹ sư Nguyễn Duy Liêm cùng tất cả quý thầy cô trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh. Cảm ơn thầy cô về những kiến thức và giúp đỡ chân tình giành cho em trong bốn năm học tập tại trường. Em xin chân thành cảm ơn các anh chị và các bạn đang học tập và làm việc tại Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, những người đã bảo ban, tạo động lực và cho em những kỉ niệm đẹp trong khoảng thời sinh viên. Cuối cùng, con xin nói lời cảm ơn chân thành đến mẹ và anh trai đã chăm sóc, nuôi dạy, bảo ban và luôn động viên tinh thần cho con để con yên tâm học tập. Em xin chân thành cảm ơn! Trần Thị Phương Khoa Môi trường và Tài nguyên Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh Email:[email protected] i TÓM TẮT Cùng với sự phát triển công nghiệp hóa, hiện đại hóa hiện nay là vấn đề môi trường đang ngày càng bị hủy hoại, đặc biệt vấn đề ô nhiễm môi trường không khí. Trung tâm Nghiên cứu môi trường của Trường Đại học Yale và Đại học Columbia của Mỹ đã công bố tại Diễn đàn kinh tế Thế giới ở Davos, Thụy Sĩ cho rằng Việt Nam nằm trong 10 nước có môi trường không khí bị ô nhiễm nhất thế giới. Theo số liệu thống kê của Bộ Y tế, số người bị các bệnh đường hô hấp (thường do ô nhiễm không khí gây ra) chiếm từ 3% - 4% tổng dân số. Tại Việt Nam có 74,5% số người bị bệnh bụi phổi là công nhân của các ngành mỏ, xây dựng, cơ khí và luyện kim do thường xuyên tiếp xúc với bụi (Sở Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh, 2014). Ngoài ra, ô nhiễm không khí còn ảnh hưởng đến hệ sinh thái xung quanh, gây ảnh hưởng không nhỏ đến môi trường. Do đó mà việc đánh giá chất lượng môi trường không khí là vấn đề đang được các nhà nghiên cứu hết sức quan tâm. Cũng chính vì thế mà việc lựa chọn ra phương pháp để có thể phân tích, đánh giá và đưa ra được kết quả cuối cùng tốt nhất mới là vấn đề cần giải quyết trước nhất. Vì thế đề tài “So sánh phương pháp IDW và Kriging trong đánh giá chất lượng không khí TP. Hồ Chí Minh” được thực hiện. Phương pháp tiếp cận của đề tài là sử dụng phần mềm ArcGIS và các thuật toán nội suy (IDW và Kriging), thực hiện so sánh và lựa chọn phương pháp tối ưu cho từng thông số chất lượng không khí, từ đó trực quan hóa để thấy rõ được chất lượng không khí của TP. Hồ Chí Minh. Ngoài ra, bài tiểu luận còn sử dụng phần mềm SPSS 20 để tiến hành phân tích và biểu diễn nồng độ các chất ô nhiễm tại từng trạm quan trắc không khí trong khu vực TP. Hồ Chí Minh. Đề tài nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2/2017 đến tháng 6/2017. Kết quả đạt được của tiểu luận là: Dựa vào dữ liệu quan trắc, đề tài đã tiến hành tính toán chỉ số AQI của từng chất gồm CO, NOx, bụi và trực quan hóa bằng biểu đồ hộp. Thực hiện nội suy và xây dựng được bản đồ chỉ số AQI của từng chất (theo mùa) của 2 phương pháp nội suy IDW và Kriging. ii Thực hiện tính toán được hệ số tương quan (R2) và chỉ số Agreement (d) để đánh giá mức độ chính xác của từng phương pháp nội suy. Trực quan hóa chất lượng không khí khu vực TP. Hồ Chí Minh bằng cách xây dựng bản đồ phân vùng ô nhiễm không khí dựa vào chỉ số AQImax của từng trạm. iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ i TÓM TẮT.............................................................................................................................ii MỤC LỤC ........................................................................................................................... iv DANH MỤC VIẾT TẮT..................................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................vii DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................ viii CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 2 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 2 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ....................................................................................... 3 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .............................................................................. 4 2.1. Tổng quan đối tượng nghiên cứu................................................................................... 4 2.1.1. Chất lượng không khí ............................................................................................. 4 2.1.2. Các chất ảnh hưởng đến chất lượng không khí ...................................................... 4 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng môi trường không khí ................................. 9 2.2. Tổng quan khu vực nghiên cứu ................................................................................... 12 2.2.1. Điều kiện tự nhiên ................................................................................................ 12 2.2.2. Điều kiện kinh tế - xã hội ..................................................................................... 16 2.2.3. Thực trạng ô nhiễm không khí tại TP. Hồ Chí Minh ........................................... 22 2.3. Tổng quan phương pháp nghiên cứu ........................................................................... 24 2.3.1. Phương pháp Inverse Distance Weight ................................................................ 24 2.3.2. Phương pháp Kriging ........................................................................................... 25 2.3.3. Chỉ số chất lượng không khí (AQI) ..................................................................... 27 2.3.4. Hệ số tương quan (R2) và chỉ số Agreement (d) .................................................. 30 2.4. Tình hình nghiên cứu liên quan đến vấn đề nghiên cứu.............................................. 32 iv 2.4.1. Nghiên cứu trong nước......................................................................................... 32 2.4.2. Nghiên cứu ngoài nước ........................................................................................ 33 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................ 34 3.1. Phần mềm và dữ liệu ................................................................................................... 34 3.1.1. Phần mềm ............................................................................................................. 34 3.1.2. Dữ liệu .................................................................................................................. 34 3.2. Phương pháp thực hiện ................................................................................................ 39 3.2.1. Sơ đồ thực hiện .................................................................................................... 39 3.2.2. Các bước thực hiện............................................................................................... 40 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN ........................................................................... 41 4.1. Xây dựng dữ liệu ......................................................................................................... 41 4.1.1. Phân tích dữ liệu................................................................................................... 41 4.1.2. Thực hiện phân chia dữ liệu ................................................................................. 47 4.2. Thực hiện nội suy ........................................................................................................ 47 4.2.1. Chỉ số AQI của CO .............................................................................................. 48 4.2.2. Chỉ số AQI của bụi ............................................................................................... 52 4.2.3. Chỉ số AQI của NOx ............................................................................................. 56 4.3. Thực hiện so sánh độ chính xác giữa hai phương pháp .............................................. 60 4.4. Trực quan hóa so sánh chất lượng không khí TP. Hồ Chí Minh................................. 63 4.5. Thảo luận ..................................................................................................................... 67 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................... 70 5.1. Kết luận........................................................................................................................ 70 5.2. Kiến nghị ..................................................................................................................... 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 72 PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 75 Phụ lục 1. Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh cho phép .................................. 75 v DANH MỤC VIẾT TẮT AQI BTNMT CO D ĐTH-ĐBP GIS GTVT IDW NVL-HTP QCVN R2 THPT TP.HCM TSP UBND Air Quality Index (Chỉ số chất lượng không khí) Bộ Tài nguyên Môi trường Mono Cacbonxide Chỉ số Agreement (chỉ số thỏa thuận) Đinh Tiên Hoàng – Điện Biên Phủ Geography Information Symtem (Hệ thống thông tin địa lý) Giao thông vận tải Inverse Distance Weight ( trọng lượng khoảng cách nghịch đảo) Nguyễn Văn Linh – Huỳnh Tấn Phát Quy chuẩn Việt Nam Hệ số xác định Trung học phổ thông TP. Hồ Chí Minh Bụi tổng hợp Uỷ ban Nhân dân vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2. 1 Triệu chứng nhiễm độc của người tiếp xúc với CO các nồng độ khác nhau ....... 6 Bảng 2. 2 Các triệu chứng bệnh lý do NO2 gây ra............................................................... 7 Bảng 2. 3 Tổng hợp tình hình khí hậu trên địa bàn Tp. HCM qua các năm ...................... 15 Bảng 2. 4 Giá trị sản xuất các ngành TP Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2011-2015 .......... 16 Bảng 2. 5 Dân số và lao động TP. Hồ Chí Minh giai đoạn 2011 - 2015 ........................... 17 Bảng 2. 6 Lao động TP. Hồ Chí Minh ............................................................................... 18 Bảng 2. 7 Thống kê các bãi giao thông tĩnh tại TP. Hồ Chí Minh năm 2015 .................... 22 Bảng 2. 8 Các mức AQI do TCMT ban hành..................................................................... 29 Bảng 2. 9 Giá trị giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh .................... 30 Bảng 2. 10 Mức độ dự đoán của thuật toán nội suy tương ứng với hệ số xác định R2 ...... 31 Bảng 3. 1 Dữ liệu bản đồ nền Khu vực nghiên cứu thuộc TP. Hồ Chí Minh .................... 35 Bảng 3. 2 Dữ liệu quan trắc không khí ............................................................................... 36 Bảng 3. 3 Vị trí quan trắc chất lượng không khí bán tự động ............................................ 37 Bảng 4. 1 Thống kê so sánh theo chỉ số AQI của CO theo phương pháp IDW ................. 50 Bảng 4. 2 Thống kê so sánh theo chỉ số AQI của CO theo phương pháp Kriging ............ 52 Bảng 4. 3 Thống kê so sánh theo chỉ số AQI của bụi theo phương pháp IDW ................. 54 Bảng 4. 4 Thống kê so sánh theo chỉ số AQI của bụi theo phương pháp Kriging ............. 56 Bảng 4. 5 Thống kê so sánh theo chỉ số AQI của NOx theo phương pháp IDW ............... 58 Bảng 4. 6 Thống kê so sánh theo chỉ số AQI của NOx theo phương pháp Kriging .......... 60 Bảng 4. 7 So sánh R2 và chỉ số Agreement (d) các phương pháp nội suy của chỉ số AQI mùa mưa năm 2014 và 2015 .............................................................................................. 60 Bảng 4. 8 So sánh R2 và chỉ số Agreement (d) các phương pháp nội suy của chỉ số AQI mùa khô năm 2014 và 2015................................................................................................ 61 Bảng 4. 9 Phương pháp nội suy cho từng chỉ số AQI mùa khô năm 2014 và 2015 ......... 62 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2. 1 Bản đồ hành chính TP. Hồ Chí Minh ................................................................. 13 Hình 2. 2 Biểu đồ tăng trưởng phương tiện giao thông giai đoạn 2011-2015 ................... 19 Hình 2. 3 Biểu đồ số tuyến và chiều dài mạng lưới xe buýt tại TP.HCM.......................... 20 Hình 2. 4 Biểu đồ cơ cấu các loại phương tiện xe buýt theo sức chứa tại TP.HCM ......... 21 Hình 2. 5 Phương thức nội suy theo IDW (Mitas, L. & Mitasova, 1999) .......................... 24 Hình 2. 6 Phương thức nội suy theo Kriging (Mitas, L. & Mitasova, 1999) ..................... 26 Hình 3. 1 Bản đồ thể hiện vị trí các trạm quan trắc không khí nội thành .......................... 38 Hình 3. 2 Sơ đồ nghiên cứu ................................................................................................ 39 Hình 4. 1 Biểu đồ thể hiện chỉ số AQI của CO năm 2014 ................................................. 41 Hình 4. 2 Biểu đồ thể hiện chỉ số AQI của CO năm 2015 ................................................. 42 Hình 4. 3 Biểu đồ thể hiện chỉ số AQI của NOx năm 2014 ............................................... 43 Hình 4. 4 Biểu đồ thể hiện chỉ số AQI của NOx năm 2015 ............................................... 44 Hình 4. 5 Biểu đồ thể hiện chỉ số AQI của bụi năm 2014.................................................. 45 Hình 4. 6 Biểu đồ thể hiện chỉ số AQI của bụi năm 2015.................................................. 46 Hình 4. 7 Mẫu nội suy ........................................................................................................ 47 Hình 4. 8 Mẫu kiểm định .................................................................................................... 47 Hình 4. 9 Bản đồ chỉ số AQI của CO trong mùa mưa năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp IDW .............................................................................................................. 48 Hình 4. 10 Bản đồ chỉ số AQI của CO trong mùa khô năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp IDW .............................................................................................................. 49 Hình 4. 11 Bản đồ chỉ số AQI của CO trong mùa mưa năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp Kriging .......................................................................................................... 50 Hình 4. 12 Bản đồ chỉ số AQI của CO trong mùa khô năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp Kriging .......................................................................................................... 51 Hình 4. 13 Bản đồ chỉ số AQI của Bụi trong mùa mưa năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp IDW .............................................................................................................. 52 Hình 4. 14 Bản đồ chỉ số AQI của Bụi trong mùa khô năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp IDW .............................................................................................................. 53 viii Hình 4. 15 Bản đồ chỉ số AQI của Bụi trong mùa mưa năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp Kriging .......................................................................................................... 54 Hình 4. 16 Bản đồ chỉ số AQI của Bụi trong mùa khô năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp Kriging .......................................................................................................... 55 Hình 4. 17 Bản đồ chỉ số AQI của NOx trong mùa mưa năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp IDW .............................................................................................................. 56 Hình 4. 18 Bản đồ chỉ số AQI của NOx trong mùa khô năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp IDW .............................................................................................................. 57 Hình 4. 19 Bản đồ chỉ số AQI của NOx trong mùa mưa năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp Kriging .......................................................................................................... 58 Hình 4. 20 Bản đồ chỉ số AQI của NOx trong mùa khô năm 2014 và năm 2015 theo phương pháp Kriging .......................................................................................................... 59 Hình 4. 21 Bản đồ thể hiện chỉ số AQI mùa mưa năm 2014 ............................................. 63 Hình 4. 22 Bản đồ thể hiện chỉ số AQI mùa khô năm 2014 .............................................. 64 Hình 4. 23 Bản đồ thể hiện chỉ số AQI mùa mưa năm 2015 ............................................. 65 Hình 4. 24 Bản đồ thể hiện chỉ số AQI mùa khô năm 2015 .............................................. 66 ix CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài TP. Hồ Chí Minh được xem là hạt nhân của vùng Kinh tế trọng điểm phía Nam, là trung tâm kinh tế, văn hóa, giáo dục và là một trong những nơi năng động nhất của vùng Đông Nam Bộ. Nơi đây là điểm đến lý tưởng của một lượng lớn lao động từ các tỉnh về Thành phố để tìm việc làm. Điều này làm cho dân số TP. Hồ Chí Minh tăng dần theo thời gian, cụ thể năm 2015 là 8.247.829 người, tăng hơn 700.000 người so với năm 2011 (Chi cục Thống kê TP. Hồ Chí Minh, 2016). Trong những năm gần đây, tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ giúp cho TP. Hồ Chí Minh có những bước tiến dài trong phát triển ngành công nghiệp và dịch vụ, hơn nữa còn tạo điều kiện thu hút vốn đầu tư nước ngoài. Nhưng cũng chính vì thế, các hoạt động phát triển kinh tế và nhu cầu thiết yếu của con người đã tác động mạnh mẽ lên môi trường làm cho tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng. Trong các thành phần của môi trường, môi trường không khí có ý nghĩa sống còn để duy trì sự sống trên Trái đất, trong đó có sự sống của con người. Tuy nhiên, không khí cũng là môi trường phát tán các chất ô nhiễm dạng khí nhanh nhất trong 3 thành phần môi trường đất, nước, không khí. Theo báo cáo quan trắc chất lượng môi trường cho thấy ô nhiếm chất lượng không khí trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh chủ yếu là do bụi lơ lửng, các khí độc như CO, SO2, … với 60% số liệu bụi quan trắc tại 12 vị trí giao thông vượt QCVN 05:2013/BTNMV. Đặc biệt là hàm lượng bụi lơ lửng quan trắc được trong tháng 10 cho thấy trong 20 trạm quan trắc có đến 8 trạm cho thấy bụi vượt quá quy chuẩn cho phép cao nhất đến 1,79 lần như Gò Vấp, ngã tư An Sương, Hiệp Bình Phước (Sở Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh, 2016). Diễn biến chất lượng không khí đang diễn ra phức tạp trên địa bàn TP. Hồ Chí Minh, nó mang lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng cho sự sống của con người và cả các động, thực vật. Chính vì vậy, việc đánh giá chất lượng ô nhiễm môi trường nói chung, đặc biệt là ô nhiễm không khí đang là vấn đề cần được quan tâm. Cùng với sự phát triển của công nghệ GIS đã giúp cho việc đánh giá chất lượng không khí một cách chính xác hơn theo nhiều phương pháp như Inverse Distance Weight (IDW) và Kriging. Xác định 1 phương pháp nội suy chất lượng không khí tốt nhất là một việc thiết yếu để có thể đánh giá chính xác về chất lượng không khí giúp cho các nhà quản lý cũng như chính bản thân mỗi người dân có thể nắm bắt được tình hình cụ thể chất lượng không khí tại nơi mình sinh sống. Chính vì vậy mà đề tài “So sánh phương pháp IDW và Kriging trong đánh giá chất lượng không khí TP. Hồ Chí Minh” được thực hiện. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu  Mục tiêu chung Trực quan hóa so sánh hai phương pháp IDW và Kriging bằng cách nội suy nồng độ các chất ô nhiễm trong đánh giá chất lượng không khí TP. Hồ Chí Minh.  Mục tiêu cụ thể Thực hiện xử lý số liệu và biễu diễn nồng độ các chất ô nhiễm không khí sử dụng biểu đồ hộp (Box plot) Nội suy chỉ số AQI của các chất, so sánh và đánh giá các thuật toán nội suy bằng hệ số xác định R2 và chỉ số Agreement (d). Trực quan hóa chất lượng không khí khu vực TP. Hồ Chí Minh bằng cách xây dựng bản đồ phân vùng ô nhiễm không khí 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nội suy Inverse Distance Weight và Kriging trong đánh giá chất lượng không khí: CO, NOx, bụi TSP  Phạm vi nghiên cứu Khu vực nội thành TP. Hồ Chí Minh. 2 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý nghĩa khoa học Ứng dụng các công vụ phân tích GIS trong việc trực quan hóa so sánh hai phương pháp IDW và Kriging, phân tích đánh giá chất lượng môi trường không khí tạo tiền đề cho quá trình xây dựng cở sở dữ liệu, phướng pháp mới làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm đưa ra giải pháp bảo vệ môi trường.  Ý nghĩa thực tiễn Trực quan hóa so sánh hai phương pháp IDW và Kriging bằng cách nội suy nồng độ các chất ô nhiễm không khí giúp cho các nhà quản lý môi trường có thể lựa chọn phương pháp tối ưu trong đánh giá chất lượng không khí TP. Hồ Chí Minh. Bài nghiên cứu sử dụng phương pháp biểu đồ hộp để so sánh và đánh giá chất lượng không khí. 3 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Tổng quan đối tượng nghiên cứu 2.1.1. Chất lượng không khí Vấn đề ô nhiễm môi trường là một vấn đề mang tính chất toàn cầu, yêu cầu phải có biện pháp giải quyết trên toàn thế giới. Vì vậy trên thế giới, mỗi quốc gia đều xây dựng các chỉ tiếu với nồng độ giới hạn cho phép đối với từng chất đặc trưng cho chất lượng môi trường không khí. Ô nhiễm môi trường không khí diễn ra khi các chất đặc trưng cho chất lượng môi trường không khí có nồng độ vượt tiêu chuẩn giới hạn cho phép. Bất cứ một chất dạng nào khi thải ra môi trường không khí với nồng độ vừa đủ gây ảnh hưởng đến con người, ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng, phát triển của động thực vật, phá hủy vật liệu, làm giảm cảnh quan môi trường đều gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến chất lượng môi trường khu vực đó (Bùi Sỹ Lý, 2007). 2.1.2. Các chất ảnh hưởng đến chất lượng không khí a. Phân loại và tác hại Dựa vào nguồn gốc phát sinh, có thể chia thành hai loại như sau: Chất ô nhiễm sơ cấp: Là các chất ô nhiễm được thải trực tiếp từ nguồn ô nhiễm. Ví dụ như các chất SO2 NOx, bụi… thải ra từ quá trình đốt nhiên liệu. Chất ô nhiễm thứ cấp: Là các chất ô nhiễm được tạo thành từ các chất ô nhiễm sơ cấp do quá trình biến đổi hóa học trong khí quyển (Đinh Xuân Thắng, 2007). Các chất như CO, SOx, NOx, bụi (TSP) là những chất gây ô nhiễm không khí phổ biến thường phát sinh ra từ hoạt động sản xuất và giao thông.  Sunfua đioxit (SO2) Sunfua đioxit (SO2) được xem là quan trọng nhất trong họ sunfua oxit (SOx), là loại khí không màu, có mùi vị hăng, không cháy, có độ tan lớn và nặng hơn không khí. Khí 4 SO2 là chất gây ô nhiễm không khí có nồng độ thấp trong khí quyển, xuất hiện chủ yếu ở tầng đối lưu. Nguồn phát thải: SO2 được phát sinh ra trong quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch của các nhà máy điện và các cơ sở công nghiệp nhỏ hơn bao gồm: các công trình công nghiệp như chiết xuất kim loại từ quặng, các nguồn tự nhiên như núi lửa, các đầu máy, tàu và phương tiện khác. Khi nồng độ SO2 đạt đến năm phần triệu thì các hội chứng bệnh lý ở người tiếp xúc bắt đầu xuất hiện. Tác hại: khí SO2 rất độc hại đối với sức khỏe của con người và sinh vật, gây ra các bệnh về phổi. SO2 trong khí quyển gặp mưa và các tác nhân oxy hóa (sấm chớp) tạo thành mưa axit gây nguy hại đối với các công trình kiến trúc, làm hư hỏng, giảm tuổi thọ của các sản phẩm vải nilon, tơ nhân tạo, đồ da giày. Ngoài ra nó còn gây ảnh hưởng xấu đến quá trình sinh trưởng của rau quả. Đối với con người và động vật, SO2 gây ra các bệnh về đường hô hấp và có thể gây tử vong ở nồng độ cao.  Cacbon monoxit (CO) Cacbon monoxit (CO) là một chất khí không màu, không mùi, và có thể bắt cháy. Nó còn là tạp chất phổ biến nhất và nhiều nhất (về khối lượng) trong khí quyển. Nguồn phát thải: khí CO sinh ra do quá trình đốt nhiên liệu, đặc biệt trong trường hợp cháy không hoàn toàn từ các ống khói, nhà máy, ống xả của nhà máy, ô tô, luyện sắt, thép ở trong các lò cao cùng với than cốc, đá vôi và một số chất khác. Hằng năm trên toàn cầu sản sinh ra khoảng 600 triệu tấn CO. Tác hại: ở nồng độ thấp, CO không độc với thực vật vì cây xanh có thể chuyển hóa CO sang CO2 và sử dụng trong quá trình quang hợp. Nhưng ở nồng độ cao CO có độc tính cao với sức khỏe con người và cực kỳ nguy hiểm. Việc hít thở phải một lượng quá lớn CO hoặc ở trong môi trường có nồng độ CO khoảng 255 ppm sẽ dẫn tới thương tổn do giảm ôxy trong máu gây tổn thương hệ thần kinh cũng như có thể gây tử vong. Cacbon monoxit có ái lực với hồng cầu trong máu và tạo ra cacboxy hemoglobin (COHb) làm hạn chế sự trao đổi và vận chuyển oxy của máu đi nuôi cơ thể theo phản ứng: 5 Hb2O2 + CO  HbCO + O2 Mức độ nhiễm độc CO nặng hay nhẹ phụ thuộc vào nồng độ chất độc trong không khí cũng như thời gian tiếp xúc và liên quan đến đặc tính cơ thể, hoàn cảnh, nơi làm việc. Bảng 2.1 dưới đây chỉ ra các triệu chứng nhiễm độc của người tiếp xúc với CO ở các nồng độ khác nhau. Bảng 2. 1 Triệu chứng nhiễm độc của người tiếp xúc với CO các nồng độ khác nhau Nồng độ Thời gian tiếp xúc Triệu chứng và tác hại (ppm) 200 2-3 giờ Đau đầu nhẹ, mệt mỏi, buồn nôn và choáng váng 400 1 – 2 giờ Đau đầu nặng > 3 giờ Khó thở 45 phút Choáng váng, buồn nôn và co giật 2 – 3 giờ Chết 20 phút Đau đầu, choáng váng và buồn nôn Trong vòng 1 giờ Chết Khoảng 5–10 phút Đau đầu, choáng váng và buồn nôn Khoảng 5–10 phút Chết 6400 Khoảng 1–2 phút Đau đầu, choáng váng và buồn nôn 12800 15 – 20 phút Chết 800 1600 3200 (Trần Ngọc Chấn, 1999)  Nitơ oxit (NOx) Có nhiều loại nitơ oxit như: N2O (đinitơ oxit); NO (nitơ oxit); NO2 (nitơ đioxit); N2O3 (đinitơ trioxit); N2O4 (đinitơ tetraoxit); N2O4 (đinitơ pentaoxit) đang hằng ngày được thải vào khí quyển trong đó NO và NO2 là có số lượng nhiều nhất trong khí quyển. Nguồn phát thải: chúng được hình thành do phản ứng hóa học của khí nitơ với oxi trong khí quyển khi đốt cháy ở nhiệt độ cao (vượt quá 1100°C) và làm lạnh nhanh chóng để tránh sự phân hủy: 6 N2 + xNO2  2 NOx Hằng năm, do hoạt động sản xuất của con người sinh ra khoảng 4,8 triệu tấn NOx (chủ yếu là NO2) và thường tồn tại trong khí quyển khoảng 4 – 5 ngày. Môi trường bị ô nhiễm chất khí NOx chủ yếu là ở các thành phố và khu công nghiệp, nồng độ khí NO thông thường là khoảng 1ppm và nồng độ khí NO2 thông thường khoảng trên 0,5ppm. Cả hai loại khí này có vai trò quan trọng trong sự hình thành khói quang. Ngoài ra, khí NO x còn được thải ra từ hoạt động giao thông, do các nhà máy sản xuất hóa chất, sản xuất giấy, luyện kim loại, nhà máy nhiệt điện hay trong các hoạt động nông nghiệp như sử dụng phân bón, phun thuốc trừ sâu,… Tác hại: Nitơ oxit được biết đến như một chất gây kích thích viêm tấy và có tác hại đối với hệ thống hô hấp. Hemoglobin có ái lực rất lớn đối với NO (bằng khoảng 1500 lần đối với CO), nhưng may mắn thay NO của khí quyển hầu như không có khả năng thâm nhập và mạch máu để phản ứng với hemoglobin. Khí NO2 với nồng độ khoảng 100ppm có thể gây tử vong cho con người và động vật sau vài giây tiếp xúc; nồng độ khoảng 5ppm sau vài phút tiếp xúc có thể dẫn đến ảnh hưởng xấu đối với bộ máy hô hấp.Các triệu chứng bệnh lý do NO2 gây ra được trình bày dưới bảng 2.2. Bảng 2. 2 Các triệu chứng bệnh lý do NO2 gây ra Nồng độ (ppm) Thời gian tiếp xúc Tác hại >= 500 48 giờ Chết người 300 – 400 2 – 10 ngày Gây viêm phổi và chết 150 – 200 3 – 5 tuần Viêm xơ cuống phổi 50 – 100 6 – 8 tuần Viêm cuống phổi và màng phổi (Trần Ngọc Chấn, 1999)  Bụi Bụi là một tập hợp các phần tử vật chất tồn tại dưới dạng khí, rắn hoặc lỏng có kích thước (đường kính) lớn hơn kích thước phân tử nhưng nhỏ hơn 500  m . 7 Tùy theo kích thước của các hạt cấu tạo nên bụi, người ta chia thành: Bụi lắng (bụi trọng lượng): có kích thước lớn hơn 100  m nhưng nhỏ hơn 500  m . Các bụi này có kích thước tương đối lớn nên không tồn tại lâu trong khí quyển và rơi xuống mặt đất gây ô nhiễm môi trường đất, nước và hệ sinh thái. Bụi lơ lửng (bụi lơ lửng tổng số TSP) là tập hợp các hạt bụi có kích thước  100  m . Do kích thước nhỏ, nên tốc độ rơi của bụi không đáng kể, coi như bằng 0. Vì thế, bụi lơ lửng tồn tại lâu trong khí quyển gây ô nhiễm cho con người thông qua con đường hô hấp. Kích thước của bụi lơ lửng càng nhỏ càng dễ xâm nhập vào cơ thể gây nên bệnh ung thư phổi và đường ruột ở người và động vật. Trong nghiên cứu tác động của bụi lơ lửng đến sức khỏe cộng đồng, người ta chia bụi lơ lửng tổng số thành các loại bụi sau:  Bụi PM10: là các hạt bụi có đường kính động học  10  m .  Bụi PM5: là các hạt bụi có đường kính động học  5  m .  Bụi PM2,5: là các hạt bụi có đường kính động học  2,5  m .  Bụi PM1: là các hạt bụi có đường kính động học  1  m . Nguồn phát thải: bụi sinh ra do quá trình vận động của tự nhiên như động đất, núi lửa, sol khí biển, cháy rừng, bão bụi, bụi thực vật như bụi gỗ, bông, bụi phấn hoa hay bụi động vật như len, lông… Và sinh ra từ các quá trình hoạt động sản xuất sinh hoạt của con người như giao thông vận tải, nhựa hóa học, cao su,… Ngoài ra, bụi còn sinh ra do quá trình sản xuất công nghiệp nặng như chế biến than, luyện kim, các ngành hóa chất, công nghiệp xây dựng… Tác hại: Với những hạt bụi có kích thước lớn, khó xâm nhập vào bên trong cơ thể, gây tác hại cho da, mắt, gây nhiễm trùng và dị ứng. Còn với những hạt bụi có kích thước nhỏ, xâm nhập vào phổi gây kích thích cơ học, xơ hóa phổi dẫn đến các bệnh về hô hấp như khó thở, ho và khạc đờm, ho ra máu, đau ngực… một số bụi như bụi kim loại, sỏi đá, các hydrocacbon thơm đa vòng… là những tác nhân gây bệnh ung thư đối với người và động vật. Bụi có tác hại làm gỉ kim loại, bẩn nhà cửa, quần áo, vải vóc… ngoài ra còn gây 8 thiệt hại cho một số ngành công nghiệp vô trùng như công nghiệp dược phẩm và công nghệ thực phẩm (Phạm Ngọc Hổ và cộng sự, 2009). b. Phương thức lan truyền của các chất trong không khí Chất ô nhiễm khi thải vào khí quyển sẽ chịu ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng thủy văn, địa hình cùng với các yếu tố về nguồn ô nhiễm làm cho chúng bị phát tán, pha loãng trong khí quyển và đồng thời xảy ra các quá trình biến đổi hóa học. Hầu hết các nghiên cứu phát tán chất ô nhiễm được nghiên cứu trong lớp khí quyển gần mặt đất từ độ cao trên 100m đến khoảng vài ngàn mét. Sự thay đổi về đối lưu nhiệt làm thay đổi về tốc độ gió cũng thường xảy ra trong lớp khí quyển này. Các biến đổi này thường ảnh hưởng trực tiếp đến sự đối lưu của không khí đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình phát tán chất ô nhiễm trong khí quyển. Các yếu tố về khí tượng thủy văn ảnh hưởng rất nhiều đến sự lan truyền của các chất trong không khí, nhất là tốc độ gió. Tốc độ gió chuyển động trong không khí luôn biến đổi cả chiều đứng và chiều ngang làm xáo trộn tầng khí quyển và dẫn đến xáo trộn sự phát tán, pha loãng khí thải trong khí quyển, là yếu tố quan trọng làm cho khí quyển không ổn định và luôn luôn biến đổi. Thông thường nếu trong cùng một điều kiện như nhau, nếu tốc độ gió càng lớn thì khả năng phát tán và pha loãng khí thải càng cao. 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng môi trường không khí  Ảnh hưởng của gió Gió là yếu tố khí tượng cơ bản nhất có ảnh hưởng đến sự lan truyền chất đọc hại trong không khí. Gió tạo ra các dòng không khí chuyển động rối trên mặt đất. Nồng độ của chất ô nhiễm tại một điểm phụ thuộc rất nhiều và hướng gió và vận tốc gió thổi. Gió có vận tốc lớn ở tầng không khí sát mặt đất vào ban ngày, còn ban đêm thì ở tầng cao. Hướng gió cũng có thể gây ra sự dịch chuyển của bụi trên khoảng cách lớn. Khi gió mạnh, khoảng cách này có thể rất lớn nhưng nồng độ lại giảm đi nhiều. Sự dịch chuyển của bụi như vậy từ một nguồn duy nhất không gây ra hậu quả đáng kể. Điều kiện tối ưu nhất để ô nhiễm mạnh xuất hiện là khi có gió yếu, vì trong trường hợp này dịch chuyển có trật tự theo phương ngang và khuếch tán rối là yếu nhất. 9