Tài liệu ứng dụng gis và thuật toán nội suy đánh giá chất lượng không khí tại thành phố biên hòa, tỉnh đồng nai.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG GIS VÀ THUẬT TOÁN NỘI SUY ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TẠI THÀNH PHỐ BIÊN HÒA, TỈNH ĐỒNG NAI Họ và tên sinh viên: TRƯƠNG THANH XUÂN Ngành: Hệ Thống Thông Tin Địa Lý Niên khóa: 2013 – 2017 Tháng 6/2017 ỨNG DỤNG GIS VÀ THUẬT TOÁN NỘI SUY ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TẠI THÀNH PHỐ BIÊN HÒA, TỈNH ĐỒNG NAI Tác giả TRƯƠNG THANH XUÂN Tiểu luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kĩ sư ngành Hệ Thống Thông Tin Địa Lý Giáo viên hướng dẫn: KS. NGUYỄN DUY LIÊM Tháng 6 năm 2017 LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện tiểu luận tốt nghiệp, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ nhiệt tình từ cán bộ tại Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Đồng Nai và quý thầy cô tại Bộ môn GIS và Tài nguyên – Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM để tôi có thể hoàn thành tốt tiểu luận của mình. Qua đây, tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến: Quý Thầy (Cô) Bộ môn GIS và Tài Nguyên – Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM đặc biệt là Thầy PGS.TS. Nguyễn Kim Lợi, đã tận tình giảng dạy và truyền đạt nhiều kiến thức cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. KS. Nguyễn Duy Liêm, công tác tại Bộ môn GIS và Tài nguyên - Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM, người đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, góp ý cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tập thể cán bộ tại Sở Tài Nguyên và Môi Trường tỉnh Đồng Nai đã hỗ trợ nhiệt tình cho tôi trong quá trình thu thập dữ liệu Trương Thanh Xuân Khoa Môi trường và Tài nguyên Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh Số điện thoại: 0975499050 Email: [email protected] i TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu “Ứng dụng GIS và thuật toán nội suy đánh giá chất lượng không khí tại Thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai” đã được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 3/2017 đến tháng 6/2017. Mục tiêu của đề tài: Đánh giá chất lượng không khí cho TP. Biên Hòa dựa trên nồng độ trung bình của từng thông số bụi, SO2, NOx sử dụng công nghệ GIS và thuật toán nội suy từ đó xây dựng bản đồ chất lượng không khí năm 2013. Kết quả nội suy nồng độ bụi cho kết quả tốt nhất ở phương pháp IDW ở tháng 4, tháng 8, tháng 10 và tháng 12, cho kết quả tốt ở phương pháp Kriging vào tháng 2 và tháng 6. Kết quả nội suy nồng độ SO2 cho kết quả tốt nhất ở phương pháp Kriging ở tháng 4, tháng 6, tháng 8, tháng 10 và tháng 12, cho kết quả tốt ở phương pháp IDW vào tháng 2. Kết quả nội suy nồng độ NOx cho kết quả tốt nhất ở phương pháp IDW ở tháng 4, tháng 8, tháng 10 và tháng 12, cho kết quả tốt ở phương pháp Kriging vào tháng 2. Bản đồ chất lượng không khí TP. Biên Hòa được thành lập dựa vào nồng độ trung bình của từng chất trong năm 2013. Nồng độ bụi trung bình có mức cao ở khu vực phường Trảng Dài và toàn vùng Long Bình và 1 phần nhỏ vùng An Bình , Long Bình Tân đây là mức chất lượng không khí xấu. Nồng độ NOx trung bình có mức cao gia tăng ở phần nhỏ vùng Long Bình, vùng An Bình và Tân Phong đặc biệt là phường Trảng Dài có chất lượng không khí ở mức trung bình. Nồng độ SO2 trung bình gia tăng tập trung tại phần nhỏ vùng Long Bình và toàn vùng Trảng Dài nhưng nhìn chung vẩn nằm trong mức cho phép. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................ i TÓM TẮT.............................................................................................................................ii MỤC LỤC .......................................................................................................................... iii DANH MỤC VIẾT TẮT...................................................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ..................................................................................................vii CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................. 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................................... 2 1.2.1. Mục tiêu chung ....................................................................................................... 2 1.2.2. Mục tiêu cụ thể ....................................................................................................... 2 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................................. 2 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................ Error! Bookmark not defined. 2.1. Tổng quan về chất lượng không khí .............................................................................. 3 2.1.1. Khái niệm chất lượng không khí ............................................................................ 3 2.1.2. Phương thức lan truyền cơ bản .............................................................................. 3 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí................................................... 3 2.2. Tổng quan khu vực nghiên cứu ..................................................................................... 5 2.2.1. Đặc điểm các thông số chất lượng không khí ........................................................ 5 2.2.2. Vị trí địa lý ............................................................................................................. 7 2.2.3. Điều kiện tự nhiên .................................................................................................. 8 2.2.4. Điều kiện kinh tế - xã hội ....................................................................................... 9 2.2.5. Hiện trạng chất lượng không khí trên địa bàn........................................................ 9 2.3. Tổng quan về thuật toán nội suy.................................................................................. 10 a. Khái niệm ................................................................................................................... 10 iii b. Phân loại ..................................................................................................................... 10 2.4. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước ........................................................ 12 CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................ 14 3.1. Dữ liệu ......................................................................................................................... 14 3.2. Phương pháp ................................................................................................................ 15 3.3. Hệ số xác định R2 và chỉ số Nash – Sutcliffe (NSI) .................................................... 16 CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN ........................................................................... 18 4.1. Kết quả nội suy và đánh giá độ chính xác ................................................................... 18 4.1.1. Kết quả nội suy nồng độ của bụi .......................................................................... 18 a. Theo phương pháp IDW ............................................................................................. 18 b. Theo phương pháp Kriging ........................................................................................ 20 c. Theo phương pháp Spline .......................................................................................... 22 4.1.2. Kết quả nội suy nồng độ của NOx ........................................................................ 25 a. Theo phương pháp IDW ............................................................................................. 25 b. Theo phương pháp Kriging ........................................................................................ 27 c. Theo phương pháp Spline .......................................................................................... 29 4.1.3. Kết quả nội suy nồng độ của SO2 ........................................................................ 31 a. Theo phương pháp IDW ............................................................................................. 31 b. Theo phương pháp Kriging ........................................................................................ 33 c. Theo phương pháp Spline .......................................................................................... 35 4.1.4. So sánh độ chính xác các phương pháp nội suy................................................... 37 4.2. Bản đồ đánh giá chất lượng không khí ........................................................................ 39 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ........................................................................... 44 5.1 Kết luận .................................................................................................................... 44 5.2 Kiến nghị .................................................................................................................. 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 46 iv DANH MỤC VIẾT TẮT AQI Air Quality Index (Chỉ số chất lượng không khí) CO Air Cacbon Quality oxitIndex (Chỉ số chất lượng không khí). GIS Geographic Geographic Information Information System System (hệ (hệ thống thống thông thông tin tin địa địa lý). lý) IDW Inverse Inverse Distance Distance Weighting. Weighting SO2 Sunfuadioxit. Sunfuadioxit KCN Khu Khu công công nghiệp. nghiệp NO2 Nitrogen Nitrogen dioxide. dioxide TCMT Tổng Tiêu chuẩn cục môi môi trường. trường TCVN Tiêu Tiêu chuẩn chuẩn Việt Việt Nam. Nam Xử lý chất thải rắn. v Thành phố Biên Hòa DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Giá trị giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh ....................... 3 Bảng 3.1 Dữ liệu bản đồ nền TP. Biên Hòa ....................................................................... 14 Bảng 3.2 Dữ liệu quan trắc không khí TP. Biên Hòa ......................................................... 14 Bảng 3.3 Mức độ dự đoán của thuật toán nội suy tương ứng với chỉ số R2 ....................... 17 Bảng 3.4 Mức độ dự đoán của thuật toán nội suy ứng với chỉ số NSI ............................... 17 Bảng 4.1 Nội suy nồng độ Bụi theo phương pháp IDW .................................................... 19 Bảng 4.2 Hệ số xác định R2 và NSI của Bụi theo phương pháp IDW ............................... 20 Bảng 4.3 Nội suy nồng độ Bụi theo phương pháp Kriging ................................................ 21 Bảng 4.4 Thống kê hệ số xác định R2 và NSI của Bụi theo phương pháp Kriging ........... 22 Bảng 4.5 Nội suy nồng độ Bụi theo phương pháp Spline .................................................. 23 Bảng 4.6 Thống kê hệ số xác định R2 và NSI của Bụi theo phương pháp Spline.............. 24 Bảng 4.7 Nội suy nồng độ NOx theo thuật toán IDW ....................................................... 25 Bảng 4.8 Thống kê hệ số xác định R2 và NSI của NOx theo phương pháp IDW .............. 26 Bảng 4.9 Nội suy nồng độ NOx theo phương pháp Kriging .............................................. 27 Bảng 4.10 Thống kê hệ số xác định R2 và NSI của NOx theo phương pháp Kriging ........ 28 Bảng 4.11 Nội suy nồng độ NOx theo phương pháp spline ............................................... 29 Bảng 4.12 Thống kê hệ số xác định R2 và NSI của NOx theo phương pháp Spline .......... 30 Bảng 4.13 Nội suy nồng độ SO2 theo phương pháp IDW ................................................. 31 Bảng 4.14 Thống kê hệ số xác định R2 và NSI của SO2 theo phương pháp IDW ............. 33 Bảng 4.15 Nội suy nồng độ SO2 theo phương pháp Kriging ............................................. 34 Bảng 4.16 Thống kê hệ số xác định R2 và NSI của SO2 theo phương pháp Kriging ......... 35 Bảng 4.17 Nội suy nồng độ SO2 theo phương pháp Spline ............................................... 36 Bảng 4.18 Thống kê hệ số xác định R2 và chỉ số NSI của SO2 theo phương pháp Spline 37 Bảng 4.19 So sánh hệ số R2 và NSI của các thông số qua 3 phương pháp nội suy ........... 38 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Bản đồ vị trí địa lý Tp. Biên Hòa tỉnh Đồng Nai .................................................. 8 Hình 2.2 Nội suy theo phương pháp Spline ....................................................................... 11 Hình 3.1 Bản đồ thể hiện các trạm quan trắc không khí của TP. Biên Hòa ....................... 15 Hình 3.2 Sơ đồ tiến trình thực hiện .................................................................................. 116 Hình 4.1 Bản đồ đánh giá chất lượng không khí Tp. Biên Hòa theo nồng độ Bụi năm 2013 ............................................................................................................................................ 39 Hình 4.2 Bản đồ đánh giá chất lượng không khí Tp. Biên Hòa theo nồng độ NOx năm 2013 .................................................................................................................................... 40 Hình 4.3 Bản đồ đánh giá chất lượng không khí Tp. Biên hòa theo nồng độ SO2 năm 2013 .................................................................................................................................... 41 vii CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Không khí chính là môi trường phát tán các chất ô nhiễm dạng nhanh nhất trong 3 thành phần môi trường đất, nước, khí. SO2 là chất gây ô nhiễm không khí có nồng độ thấp trong khí quyển, tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu, NO2 được hình thành do phản ứng hóa học của khí Nitơ với Oxi trong khí quyển khi đốt cháy ở nhiệt độ cao còn bụi thì tồn tại lâu trong khí quyển gây ô nhiễm cho con người thông qua con đường hô hấp (Trần Ngọc Chấn, 2001). Hoạt động giao thông vận tải, các ngành công nghiệp, thủ công nghiệp và hoạt động xây dựng là những nguồn chính gây ô nhiễm không khí ở các khu đô thị. Theo đánh giá của các chuyên gia, ô nhiễm không khí ở đô thị do giao thông gây ra chiếm tỷ lệ khoảng 70%, hoạt động giao thông đóng góp tới gần 85% lượng khí CO; các hoạt động công nghiệp đóng góp khoảng 70% khí SO2; hoạt động giao thông và hoạt động sản xuất công nghiệp có tỷ lệ đóng góp đối với NO2 xấp xỉ nhau. Một lượng khí thải như bụi, SO2, NO2 được thải vào môi trường không khí là một trong những vấn đề trọng tâm phức tạp bởi khó đánh giá và dự báo mức độ thiệt hại kéo theo nhiều hệ lụy quan trọng ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, hệ sinh thái và làm biến đổi khí hậu (Cục Bảo vệ Môi trường, 2006). Biên Hòa là một thành phố rất phát triển với những khu công nghiệp lớn nhỏ khác nhau. Khối lượng Bụi phát thải năm 2013 khoảng 18 tấn/giờ, SO2 khoảng 3,4 tấn/giờ, NOx khoảng 1,5 tấn/ngày (Sở Tài nguyên và Môi trường Đồng Nai, 2013). Một yếu tố góp phần gây ảnh hưởng chất lượng môi trường không khí, chủ yếu tại khu vực các khu công nghiệp là tốc độ xây dựng hạ tầng cơ sở ngày một gia tăng, đặc biệt là các khu công nghiệp mới đang kêu gọi đầu tư. Do đó, việc đáng giá chất lượng môi trường không khí là một vấn đề cần được quan tâm và đánh giá đúng đắn. Đánh giá chất lượng không khí trước đây chỉ mang cấp độ số liệu và tại vị trí lấy mẫu. Hiện nay, khi đánh giá chất lượng của vùng hay phạm vi nào đó GIS thường kết hợp với thuật toán hoặc mô hình nhằm tăng hiệu quả cũng như một cách tổng quát về bức tranh toàn cảnh vấn đề nghiên cứu. Nội suy không gian là quá trình tính toán giá trị của các điểm chưa biết từ điểm đã biết trên miền bao đóng của tập giá trị đã biết bằng một 1 phương pháp hay hàm toán học nào đó. Điển hình như đề tài “Ứng dụng GIS và thuật toán nội suy dự báo mức độ ô nhiễm không khí TP. Hồ Chí Minh trong tương lai” (Hồ Sỹ Anh Tuấn, 2011). Từ các điểm được đo đạc, GIS tính toán thông số ô nhiễm cho các vị trí khác trên bề mặt, từ đó kết quả được thể hiện thành bản đồ ô nhiễm không khí. Ngoài ra, trong đề tài “Ứng dụng GIS nghiên cứu ô nhiễm ở thị xã Bỉm Sơn, tỉnh Thanh Hóa” (Lê Duy Hiếu, 2015), tác giả đã so sánh nồng độ bụi trong trong không khí giữa các tháng thông qua chỉ số AQI và xây dựng bản đồ phân vùng phát tán bụi trong bán kính 200 m tại các điểm quan trắc bụi bằng GIS. Kết quả phân vùng được thể hiện trên bản đồ một cách rõ ràng, dễ quan sát, dễ hiểu cho người xem, thích hợp cho việc tuyên truyền và phổ biến cho mọi người. Qua đó có thể thấy với sự phát triển của công nghệ thông tin đặc biệt là công nghệ GIS có thể đánh giá chính xác thực trạng ở nhiều đối tượng khác nhau. Chính vì vậy đề tài “Ứng dụng GIS và thuật toán nội suy đánh giá chất lượng không khí tại TP. Biên Hòa tỉnh Đồng Nai” được thực hiện. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1. Mục tiêu chung Đánh giá chất lượng không khí cho TP. Biên Hòa dựa trên nồng độ trung bình của từng thông số bụi, SO2, NOx sử dụng công nghệ GIS và thuật toán nội suy dựa vào các điểm quan trắc lấy mẫu và dựa vào đó xây dựng bản đồ chất lượng không khí. 1.2.2. Mục tiêu cụ thể Nội suy các chỉ số của các chất bụi, SO2, NOx bằng phương pháp IDW, Spline, Kriging. Lựa chọn phương pháp nội suy phù hợp nhất cho việc thành lập bản đồ đánh giá chất lượng không khí trên địa bàn TP. Biên Hòa. Đánh giá chất lượng không khí TP. Biên Hòa thông qua bản đồ chất lượng không khí. 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng: Các khí thải gây ô nhiễm do hoạt động sản xuât công nghiệp bao gồm: SO2, NO2, bụi. Phạm vi nghiên cứu: TP. Biên Hòa thuộc tỉnh Đồng Nai. 2 CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1. Tổng quan về chất lượng không khí 2.1.1. Khái niệm chất lượng không khí Chất lượng không khí được đánh giá qua chỉ số AQI- chỉ số thông báo chất lượng không khí hàng ngày. AQI đại diện cho nồng độ các chất ô nhiễm như nó cho biết độ sạch hoặc độ nhiễm của không khí và các vấn đề sức khỏe có thể con người gặp phải trong vài giờ hoặc vài ngày sau khi hít phải khí ô nhiễm (Nguyễn Văn Dũng và Vũ Thị Lan Anh, 2015). Bảng 2.1 Giá trị giới hạn các thông số cơ bản trong không khí xung quanh Đơn vị: Microgam trên mét khối (µg/m³) Thông số Trung bình 1 giờ Trung bình 8 giờ SO2 NO2 Bụi TSP CO 350 200 300 30000 10000 Trung bình 24 giờ 125 100 200 - Trung bình năm 50 40 100 - (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2013) Ghi chú: dầu (-) là không quy định. 2.1.2. Phương thức lan truyền cơ bản Chất ô nhiễm khi thải vào khí quyển, chúng sẽ lan truyền và phát tán trong không khí phụ thuộc rất nhiều vào gió, đặc tính của môi trường không khí, địa hình khu vực, bản chất chất ô nhiễm và nguồn phát thải. Nguồn phát thải vào không khí bao gồm hai nguồn chính: từ các ống khói và từ ao, hồ thiết bị. Trong đó, khí thải từ các ống khói có kiểm soát dễ dàng hơn. Bụi, SO2, NOx, CO, CO2, O3... là những chất ô nhiễm không khí phổ biến thường phát sinh từ các hoạt động sản xuất và giao thông. 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng không khí a) Yếu tố tự nhiên Ảnh hưởng của gió: Gió gây ra dòng chảy rối không khí ở lớp sát mặt đất. Nhờ có gió chất ô nhiễm được khuếch tán rộng ra làm cho nồng độ chất ô nhiễm giảm xuống rất nhiều so với ban đầu. Gió là nhân tố đặc biệt quan trọng trong việc khuếch tán bụi và hơi 3 hóa chất nặng hơn không khí. Khác với các dòng chảy tầng xuất hiện khi gió yếu, dòng chảy rối của không khí được đặc trưng bằng việc xáo trộn các phần từ khí ở các lớp sát cạnh nhau. Do các xáo trộn này, các phần tử chất ô nhiễm cũng được nhanh chóng di chuyển sang các lớp không khí lân cận (Đinh Xuân Thắng, 2007). Kết quả là sự khuếch tán chất ô nhiễm mạnh mẽ hơn, hiệu quả hơn. Mặc dù có những thống kê theo dõi chặt chẽ theo phép xác định các giá trị và phương thức tức thời cũng như tần suất ở mỗi cấp gió và hướng gió. Nếu tốc độ gió bằng 2 m/s, khoảng cách giữa hai hạt bụi là 2m, còn khi tốc độ gió là 6 m/s thì khoảng cách này là 6 m. Như vậy, tốc độ gió càng lớn thì thể tích không khí đi qua điểm cửa ra của bụi trong một đơn vị thời gian càng lớn, nồng độ của bụi càng nhỏ hơn. Nồng độ giảm do giãn nở của phễu bụi, theo hướng gió và phụ thuộc vào cường độ, tốc độ của dòng khí. Tốc độ gió cũng ảnh hưởng đến cường độ của đối lưu cưỡng bức được tạo ra trong lớp biên bởi độ đứt của gió và bởi sự tương tác của khí với các yếu tố nhám của mặt đệm. 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 khi có gió yếu, vì trong trường hợp này dịch chuyển có trật tự theo phương ngang và khuếch tán rối là yếu nhất (Đinh Xuân Thắng, 2007). Ảnh hưởng của độ ẩm và mưa: Trong điều kiện độ ẩm lớn, các hạt bụi lơ lửng trong không khí có thể liên kết với nhau thành các hạt to hơn và rơi nhanh xuống đất. Từ mặt đất, các vi sinh vật phát tán vào không khí, độ ẩm lớn tạo điều kiện vi sinh vật phát triển nhanh chóng và bám vào các hạt bụi ẩm lơ lửng trong không khí lan truyền đi xa, truyền nhiễm bệnh. Độ ẩm còn có các tác dụng hóa học với các chất khí thải công nghiệp, ví dụ SO2, SO3 hóa hợp với hơi nước trong không khí tạo thành H2SO3 và H2SO4. Mưa có tác dụng làm sạch môi trường không khí nhưng các hạt mưa kéo theo các hạt bụi và hòa tan một số chất độc hại rồi rơi xuống đất, gây ô nhiễm đất và ô nhiễm nước. Mưa làm sạch bụi ở các lá cây, dó đó làm tăng khả năng hút bụi của các dải cây xanh cách ly bảo vệ khu dân cư (Đinh Xuân Thắng, 2007). Ảnh hưởng của địa hình: Ở các vùng địa hình không bằng phẳng, có đồi, việc phát tán chất ô nhiễm có biểu hiện phụ thuộc vào địa hình rất rõ nét bởi vì phân bố hướng và 4 tốc độ gió rất khác so với địa hình vùng bằng phẳng, xuất hiện các vùng xoáy quẩn ở dưới các lũng sâu, phía sau các đồi dốc cũng như có thể có các luồng gió lạnh trượt dọc theo các triền dốc xuống các thung lũng. Các nghiên cứu thực nghiệm chứng tỏ không khí ở phía sau đồi, do hiệu ứng quẩn gió nên nồng độ chất ô nhiễm lớn hơn. Hướng chuyển động và lực của không khí sát mặt đất trong khu vực có đồi núi khác xa với hướng và tốc độ gió ở những nơi cao hơn đồi núi hay ở các vùng trống trải. Vì vậy, khi xem xét khả năng phát tán chất ô nhiễm ở các vùng này cần phải xem xét vị thế thực tế của nơi đặt nguồn thải với các điều kiện gió địa phương (Đinh Xuân Thắng, 2007). b) Yếu tố con người Trong khu công nghiệp, sự chuyển động của không khí cùng với các phần tử bụi và hơi khí chứa trong nó khác với ở vùng trống trải (không có vật cản). Nhà cửa, công trình sẽ làm thay đổi trường vận tốc của không khí. Ở phía trên công trình vận tốc chuyển động của không khí tăng lên; phía sau công trình, vận tốc không khí giảm xuống và đến khoảng cách xa nào đó vận tốc gió mới đạt tới trị số ban đầu. Ở phía trước công trình, một phần động năng của gió biến thành thế năng và tạo thành áp lực, ở phía sau công trình có hiện tượng gió xoáy và làm loãng không khí, tạo ra áp lực âm. Ngoài ra, trong khu công nghiệp, có các không khí chuyển động do các nguồn nhiệt công nghiệp thải ra, cũng như các lượng nhiệt bức xạ mặt trời đốt nóng các mái nhà, đường và sân bãi gây nên sự chênh lệch nhiệt độ và tạo thành sự chuyển động của không khí ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố các chất ô nhiễm (Trần Ngọc Chấn, 2001). 2.2. Tổng quan khu vực nghiên cứu 2.2.1. Đặc điểm các thông số chất lượng không khí a) Đioxit Sunfua (SO2) Khí SO2 là chất ô nhiễm được xem là quan trọng nhất trong họ sunfua oxit. Đây là loại khí không màu, có mùi vị hăng, không cháy, có độ tan lớn. Ðioxit sunfua (SO2) là chất gây ô nhiễm không khí có nồng độ thấp trong khí quyển, tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu (Trần Ngọc Chấn, 2001). Nguồn phát thải: SO2 sinh ra do núi lửa phun, do đốt nhiên liệu than, dầu, khí đốt, sinh khối thực vật, quặng sunfua, v.v... nhưng chủ yếu là do đốt nhiên liệu chứa lưu huỳnh trong sản xuất và trong sinh hoạt. Khí SO2 phát thải do nung và luyện pirit sắt, 5 quặng lưu huỳnh, do các quá trình trong các phân xưởng rèn, đúc, nhiệt luyện và cán thuộc ngành công nghiệp luyện kim, các quá trình hóa học sản xuất H2SO4, sản xuất sunfit, tẩy len, sợi, tơ lụa, trùng hợp, dung khí SO2 như phương tiện sát trùng, trong máy lạnh, lọc sản phẩm, dầu lửa, sản phẩm cao su, phân bón v.v… (Trần Ngọc Chấn, 2001). Tác hại: SO2 rất độc hại đối với sức khoẻ của người và sinh vật, gây ra các bệnh về phổi khí phế quản. SO2 trong không khí khi gặp oxy và nước tạo thành axit, tập trung trong nước mưa gây ra hiện tượng mưa axit. SO2 tác dụng với nước trong môi trường không khí ẩm ướt tạo thành H2SO3. SO2 trong khí quyển gặp mưa và các tác nhân ô xi hóa (sấm chớp) tạo thành mưa axit. SO2 gây hại đối với các công trình kiến trúc. SO2 làm hư hỏng, giảm tuổi thọ của các sản phẩm vải nilon, tơ nhân tạo, đồ da giày. SO2 ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng của rau quả. b) Nitơ Oxit Nitơ oxit (NOx): Có nhiều loại Nitơ oxit như NO, NO2, NO3, N2O... do hoạt động của con người thải vào khí quyển nhưng chỉ NO và NO2 là có số lượng quan trọng nhất trong khí quyển. Chúng được hình thành do phản ứng hóa học của khí Nitơ với oxi trong khí quyển khi đốt cháy ở nhiệt độ cao (Trần Ngọc Chấn, 2001). Nguồn phát thải: Môi trường không khí bị ô nhiễm chất khí NOx chủ yếu là ở các thành phố và khu công nghiệp, trong đó nồng độ khí NO2 thông thường khoảng trên 0.5ppm. Loại khí này đều có vai trò quan trọng trong sự hình thành khói quang hóa. Các nguồn phát thải NOx từ các nhà máy nhiệt điện, nhà máy sản xuất HNO3 và các hóa chất… đóng góp 60% NOx trong khí quyển, 40% còn lại do các động cơ đốt của ô tô. Bất cứ nhà máy nào phát thải NOx đều với tải lượng lớn, ví dụ nhà máy điện 750 MW dùng nhiên liệu khí thay than có tải lượng NOx là 75-100 tấn/ngày. Tác hại: NO2 là loại khí gây hiệu ứng nhà kính, được sinh ra trong quá trình đốt các nhiên liệu hoá thạch. Hàm lượng của nó đang tăng dần trên phạm vi toàn cầu, hàng năm khoảng từ 0,2 -0,3%. Một lượng nhỏ NO2 khác xâm nhập vào khí quyển do kết quả của quá trình nitrat hoá các loại phân bón hữu cơ và vô cơ. NO2 xâm nhập vào không khí sẽ không thay đổi dạng trong thời gian dài, chỉ khi đạt tới những tầng trên của khí quyển nó mới tác động một cách chậm chạp với nguyên tử oxy. Con người tiếp xúc với NO2 khoảng 0.06 ppm đã bị trầm trọng thêm các bệnh về phổi. Vì vậy, có thể nói rằng, không 6 khí ở các vùng đô thị bị nhiễm bẩn khí NO2 sẽ gây tác hại đối với sức khỏe của con người (Trần Ngọc Chấn, 2001). c) Bụi Bụi là 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 micromet. Tùy theo kích thước của các hạt cấu tạo nên bụi, người ta chia thành: Bụi lắng (bụi trọng lượng, bụi lơ lửng (bụi lơ lửng tổng số TSP) bụi lơ lửng tồn tại lâu trong khí quyển gây ô nhiễm cho con người thông qua con đường hô hấp. Nguồn phát thải: Nguồn tự nhiên là đất, đá, các phản ứng giữa các phát thải tự nhiên, nhiên liệu và các quá trình công nghệ như khai mỏ, luyện kim, đánh bóng, các lò đốt, lò nấu, dệt sợi. Các phát thải công nghệ thoáng như xử lý vật liệu, vận chuyển...Các quá trình công nghệ nhanh: bụi đường, hoạt động nông nghiệp, xây dựng, cháy...Giao thông vận tải: ống xả xe cộ, các hoạt động liên quan đến quá trình cháy nổ, do khớp nối và sự mài mòn khi ngừng hoạt động. Tác hại: TCVN 2005 qui định bụi tổng cộng trong không khí xung quanh 0,5 mg/m3. Bụi 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, v.v… là những tác nhân gây bệnh ung thư đối với người và động vật. Bụi gây tác hại làm ghỉ kim loại, bẩn nhà cửa, quần áo, vải vóc…Ngoài ra còn gây thiệt hại cho một số công nghiệp vô trùng như công nghiệp dược phẩm và công nghệ thực phẩm (Đinh Xuân Thắng, 2007). 2.2.2. Vị trí địa lý Biên Hòa là thành phố duy nhất của tỉnh Đồng Nai, tính đến thời điểm năm 2010. tổng diện tích tự nhiên là 264,08 km2. Biên Hòa nằm phía Tây của tỉnh Đồng Nai, phía Bắc giáp huyện Vĩnh Cửu, phía Nam giáp huyện Long Thành, phía Đông giáp huyện Trảng Bom, phía Tây và Tây Bắc giáp huyện Dĩ An, huyện Tân Uyên (tỉnh Bình Dương) và quận 9 (Thành phố Hồ Chí Minh) (Ủy ban nhân dân TP. Biên Hòa, 2011). Thành phố Biên Hòa có 30 đơn vị hành chính trực thuộc, trong đó gồm có 23 phường và 7 xã. 7 Hình 2.1 Bản đồ vị trí địa lý Tp. Biên Hòa tỉnh Đồng Nai 2.2.3. Điều kiện tự nhiên Do chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa chính vì vậy khí hậu Tp. Biên Hòa chia thành 2 mùa rõ rệt gồm mùa mưa và mùa khô. Mùa mưa thường bắt đầu từ tháng 5 và kéo dài đến tháng 10 , mùa khô thường bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau. Nhiệt độ trung bình năm từ khoảng 25,4oC đến 27,2oC. Biên Hoà phần lớn thuộc về lĩnh vực an ninh quốc phòng, diện tích dành cho an ninh quốc phòng khoảng 3.875 ha (chiếm tỷ lệ 24,99%), còn lại là đất sử dụng cho công nghiệp trên 2.191 ha (14,13%), đất ở tại đô thị trên 2.615 ha (16,87%), đất ở tại nông thôn 256,33 ha (1,65%), đất nông nghiệp trên 3.499 ha (22,56%). Khoảng 3.000 ha đất còn lại bao gồm đất trụ sở cơ quan, công trình sự nghiệp, đất mục đích công cộng, tôn giáo, đất sông suối và mặt nước chuyên dùng và đất phi nông nghiệp. Vì quỹ đất không cân đối nên việc khai thác phát triển đô thị và an sinh xã hội của Biên Hoà còn nhiều hạn chế, nhất là 8 quỹ đất dành cho các dịch vụ công ích, giao thông đô thị và các khu thương mại – dịch vụ (Ủy Ban Nhân Dân tỉnh Đồng Nai, 2016). 2.2.4. Điều kiện kinh tế - xã hội Biên Hòa có tiềm năng to lớn để phát triển để phát triển công nghiệp với nền đất lý tưởng, thuận lợi cho việc xây dựng kết cấu hạ tầng khu công nghiệp, có nguồn tài nguyên khoáng sản với trữ lượng khai thác đáng kể. Biên Hòa có tiềm năng to lớn để phát triển công nghiệp với nền đất lý tưởng, thuận lợi cho việc xây dựng kết cấu hạ tầng khu công nghiệp, có nguồn tài nguyên khoáng sản về vật liệu xây dựng với trữ lượng khai thác đáng kể, nhất là tài nguyên khoáng sản về vật liệu xây dựng, thuận lợi về nguồn cung cấp điện, có nguồn nước dồi dào đủ cung cấp nhu cầu sản xuất và sinh hoạt (sông Đồng Nai), ngoài ra nguồn nhân lực với trình độ cao đã tăng cường nguồn lực con người cho yêu cầu phát triển công nghiệp hóa - hiện đại hóa. Về cơ cấu kinh tế, năm 2015 công nghiệp - xây dựng chiếm 61,68%, dịch vụ chiếm 38,17% và nông lâm nghiệp chiếm 0,15% (Ủy Ban Nhân Dân TP. Biên Hòa, 2011). Dân số theo thống kê năm 2011 là 800.000 người. Nguyên nhân của sự gia tăng dân số thành phố là do dân di cư rất lớn từ các nơi khác đến làm việc tại các khu công nghiệp tạo nên nguồn nhân lực rất dồi dào (Ủy Ban Nhân Dân TP. Biên Hòa, 2011). 2.2.5. Hiện trạng chất lượng không khí trên địa bàn Chất lượng môi trường không khí trên địa bàn TP.Biên Hòa năm 2013 so với những năm trước đây thì độ ô nhiễm đang ngày một tăng cao. Khu vực giao thông chất lượng kém hơn so với các khu vực khác, vấn đề ô nhiễm chủ yếu xảy ra là ô nhiễm bụi lơ lửng tổng số (bụi TSP), bụi hô hấp (bụi PM10), tiếng ồn và benzen. Theo số liệu thống kê từ thanh tra Sở Tài nguyên Môi Trường Đồng Nai, trong 10 tháng đầu năm 2013, qua thanh tra, kiểm tra các cơ sở sản xuất cho thấy có 26 cơ sở có kết quả đo đạc chất lượng khí thải chưa đạt so với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp, khối lượng CO phát thải năm 2013 thống kê được là khoảng 18 tấn trên 1 giờ, SO2 khoảng 3.4 tấn trên 1 giờ, NOx khoảng 1.5 tấn trên 1 ngày. Đồng thời, công nghệ xử lý khí thải hiện tại áp dụng tại các cơ sở chủ yếu là quá trình hấp thụ. Ngoài ra, để giảm chi phí sản xuất nhằm tăng hiệu quả kinh tế, một số doanh nghiệp đã chuyển đổi sử nhiên liệu đốt từ dầu DO, FO sang củi, than cám, gỗ vụn,...nhưng chưa kịp thời đầu tư 9 kèm theo các giải pháp bảo vệ môi trường không khí đã góp phần gia tăng ô nhiễm môi trường không khí khu vực công nghiệp và các khu vực xung quanh. Mức độ áp dụng và hiệu quả xử lý chất ô nhiễm tại nguồn phát thải chưa tốt (Nguyễn Thị Kim Oanh, 2014). 2.3. Tổng quan về thuật toán nội suy a. Khái niệm Phương pháp nội suy không gian hiện nay được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới. Sự quan trọng của phương pháp nội suy phụ thuộc vào diện tích vùng khảo sát bởi vì mục tiêu của sự nội suy không gian là xây dựng bề mặt xấp xỉ tốt nhất với các dữ liệu thực nghiệm. Chính vì vậy, với mỗi phương pháp nội suy được sử dụng thì độ chính xác phải đạt được tốt nhất. Xây dựng tập giá trị các điểm chưa biết từ tập điểm đã biết trên miền bao đóng của tập giá trị đã biết bằng một phương pháp hay một hàm toán học nào đó được xem như là quá trình nội suy. b. Phân loại Thuật toán nội suy Inverse Distance Weighting (IDW): Là một trong những kỹ thuật phổ biến nhất để nội suy các điểm phân tán. Phương pháp IDW xác định giá trị của các điểm chưa biết bằng cách tính trung bình trọng số khoảng cách các giá trị của các điểm đã biết giá trị trong vùng lân cận của mỗi pixel. Những điểm càng cách xa điểm cần tính giá trị càng ít ảnh hưởng đến giá trị tính toán, các điểm càng gần thì trọng số càng lớn. IDW là phương pháp nội suy đơn giản nhất, là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong các chức năng phân tích của GIS. Phương pháp nội suy định lượng khoảng cách ngược cho rằng mỗi điểm đầu vào có những ảnh hưởng cục bộ làm rút ngắn khoảng cách. Phương pháp này tác dụng vào những điểm ở gần điểm đang xét hơn so với những điểm ở xa. Số lượng các điểm chi tiết, hoặc tất cả những điểm nằm trong vùng bán kính xác định có thể được sử dụng để xác định giá trị đầu ra cho mỗi vị trí. Phương pháp IDW xác định các giá trị cell bằng cách tính trung bình các giá trị của các điểm mẫu trong vùng lân cận của mỗi cell. Điểm càng gần điểm trung tâm (mà ta đang xác định) thì càng có ảnh hưởng nhiều hơn. Chẳng hạn, khả năng tiêu dùng của khách hàng sẽ giảm theo khoảng cách. 10 Thuật toán nội suy Spline: Các đa thức bậc thấp là những đường cong đơn giản được sử dụng rộng rãi trong nối đường cong. Thay vì dùng các đa thức khác nhau để nối các điểm kề nhau, nối các đoạn sau cho thật mịn. Một trường hợp đặc biệt liên hệ sự tính toán tương đối trực tiếp, phương pháp này gọi là nội suy Spline. Phương pháp nội suy Spline là phương pháp nội suy tổng quát, phương pháp này hiệu chỉnh bề mặt đường cong đến mức tối thiểu tại những điểm đầu vào. Có thể hình dung nó như là uốn cong miếng bìa nhựa để đi qua các điểm mà tổng bề mặt đường cong giảm đến mức tối thiểu. Phương pháp này thực hiện phép tính toán nhằm định ra số lượng các điểm đầu vào gần nhất đi qua những điểm mẫu (Jin Li và Andrew D.Heap, 2008). Hình 1.2 Nội suy theo phương pháp Spline Thuật toán nội suy Kriging: Hiện nay trên thế giới có rất nhiều thuật toán nội suy, mỗi thuật toán đều có ưu và nhược điểm khác nhau. Kriging nội suy giá trị cho các điểm xung quanh một điểm giá trị. Những điểm gần điểm gốc sẽ bị ảnh hưởng nhiều hơn những điểm ở xa. Kriging sử dụng một trọng số, phân công ảnh hưởng nhiều hơn đến các điểm dữ liệu gần nhất trong nội suy các giá trị cho các địa điểm không rõ. Kriging phụ thuộc vào mối quan hệ không gian và thống kê để tính toán bề mặt. Quá trình của Kriging bắt đầu với ước tính semivariance và sau đó thực hiện phép nội suy. Kriging là một nhóm các kỹ thuật sử dụng trong địa thống kê, để nội suy một giá trị của trường ngẫu nhiên (như độ cao z của địa hình) tại điểm không được đo đạc thực tế từ những điểm được đo đạc gần đó (Nguyễn Hải Hòa và Nguyễn Hữu An, 2016). 11