Mô hình xác định nguồn ô nhiễm bụi mịn: Thế giới và Hà Nội
Trong bài này tôi sẽ giới thiệu với các bạn về những mô hình xác định (phân bổ) nguồn ô nhiễm bụi trên thế giới, mô hình chúng tôi đã dùng để xác định nguồn bụi mịn ở Bắc Kinh và một vài điểm về nguồn ô nhiễm bụi mịn ở Hà Nội.
Mô hình xác định nguồn ô nhiễm bụi
Bầu khí quyển là một hệ phản ứng cực kì phức tạp với một loạt các quá trình lý hóa diễn ra đồng thời, do đó tính toán chính xác sự đóng góp của các nguồn ô nhiễm và mô phỏng nồng độ bụi là không hề đơn giản. Để xác định nguồn ô nhiễm bụi, đã có rất nhiều mô hình được các nhà khoa học trên khắp thế giới phát triển trong hàng chục năm qua. Tiêu biểu nhất là mô hình phát tán bụi (Dispersion models) và mô hình xác định nguồn bụi tại điểm tiếp nhận (Receptor models).
Dưới đây là một vài nét chính về những mô hình này (Hình 1).
Hình 1. Mô hính xác định nguồn bụi.
a) Mô hình phát tán bụi
Mô hình đòi hỏi dữ liệu đầu vào là bộ dữ liệu về phát thải bụi từ các nguồn khác nhau (emission inventory), và dữ liệu về thời tiết (vd từ dữ liệu thời tiết từ mô hình WRF). Mô hình có thể mô phỏng sự lan truyền bụi cho 1 khu vực (vd ADMS, AERMOD), cho thành phố (CMAQ) hoặc vùng (CAMQ, GEO-CHEM, …). Ưu điểm của mô hình giúp ta dự đoán nồng độ bụi cho nhiều khu vực và lên kịch bản với các dữ liệu đầu vào khác nhau của từng nguồn bụi. Mô hình cũng giúp chúng ta đánh giá và hiểu sâu hơn các quá trình hình thành và lan truyền bụi trong khí quyển.
Tuy nhiên, việc kiểm thải là không dễ dàng và dễ có sai số, dẫn tới sự không chắc chắn trong mô hình. Một số mô hình phát tán bụi hiện nay có đi kèm với các phản ứng hóa học (mô hình lan truyền hóa học). Nhưng các phản ứng tạo thành các hạt hữu cơ trong khí quyển thực tế rất phức tạp mà mô hình chưa đáp ứng được, từ đó cũng gây nên sai số trong mô hình này.
b) Mô hình xác định nguồn tại điểm tiếp nhận
Bụi từ các nguồn khác nhau thường có các đặc trưng lý hóa khác nhau. Do đó, nếu ta thu bụi tại 1 điểm và sau đó phân tích thống kế thành phần bụi, ta có thể xác định được bụi từ nguồn nào. Hai mô hình được dùng nhiều là mô hình phân tích thừa số ma trận dương (PMF) và mô hình cân bằng vật chất hóa học (CMB). Cả hai mô hình này đều đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về nguồn bụi tại điểm thu mẫu. Riêng mô hình CMB còn đòi hỏi chi tiết về đặc trưng hóa học của từng nguồn bụi (source profiles).
Chúng ta cũng có thể thu mẫu ở 1 số địa điểm khác nhau và chạy mô hình trên dữ liệu gộp của tất cả các địa điểm thu mẫu. Tuy nhiên giả thiết về đặc trưng các nguồn không đổi khi lan truyền có thể gây tới sự không chắc chắn trong mô hình, cũng như một số nguồn có thể có cùng thành phần nhận biết, dẫn tới gây sai số cho mô hình.
Các mô hình này đều có những ưu nhược điểm khác nhau, các bạn có thể đọc chi tiết trong các giáo trình của ngành hóa học và vật lý khí quyển, cũng như có thể tìm thấy trong rất nhiều các bài báo tổng quan.
Xác định nguồn ô nhiễm bụi mịn ở Bắc Kinh
Đây là một trong bốn dự án lớn trong chường trình liên kết giữa Trung Quốc và Anh Quốc về tìm hiểu nguồn ô nhiễm không khí cũng như ảnh hưởng của ô nhiễm không khí tới sức khỏe con người (The Atmospheric Pollution & Human Health in a Chinese Megacity (APHH China) programme, dự án giai đoạn 1 trong 4 năm 2016-2020 với số tiền tài trợ nghiên cứu lên tới hơn 12 triệu bảng Anh cùng với sự tham gia của hơn 200 nhà khoa học). Các bạn có thể tìm hiểu thêm qua bài báo giới thiệu về dự án dưới đây:
Nhiệm vụ chính của chúng tôi là thu thập mẫu bụi và phân tích thành phần mẫu bụi, cũng như các quá trình lý hóa trong khí quyển ảnh hưởng tới sự hình thành, làn truyền của bụi ở Bắc Kinh. Chúng tôi đã tiến hành 2 chiến dịch thu mẫu vào mùa hè và đông tại ba địa điểm: khu vực nội thành Bắc Kinh, khu vực nông thôn Bắc Kinh, và khu vực nền ngoại thành đầu hướng gió.
Chúng tôi đã thu mẫu bụi theo ngày bằng các máy thu bụi mịn và đã tiến hành đo đạc nồng độ cũng như thành phần bụi theo thời gian thực (hàng giờ) bằng rất nhiều các thiết bị hiện đại khác. Sau đó chúng tôi tiến hành phân tích thành phần bụi cũng như ứng dụng mô hình tìm nguồn bụi lên dữ liệu đã phân tích.
Mỗi mô hình tính toán thống kê như PMF hay CMB đều có những giả định kèm theo sai số có thể xảy ra ở dữ liệu đầu vào, dẫn tới sự không chắc chắn trong mô hình. Do vậy để có kết quả tối ưu, dự án của chúng tôi đã kết hợp và so sánh nhiều mô hình khác nhau (Hình 2). Kết quả từ mô hình tại điểm tiếp nhận cũng được kết hợp với các mô hình lan truyền cũng như các thí nghiệm về các quá trình lý hóa trong khí quyển ở Bắc Kinh. Các bạn có thể tìm hiểu một số kết quả từ dự án qua bài thuyết trình của tôi tại đây:
Thành phần hóa học và nguồn ô nhiễm bụi PM2.5 ở Bắc Kinh
Hình 2. Phân tích thành phần hóa học và mô hình tìm nguồn bụi mịn ở Bắc Kinh
Nghiên cứu về nguồn bụi ở Việt Nam
Điểm qua trên dưới chục các nghiên cứu định lượng nguồn ô nhiễm của Hà Nội, các nhà nghiên cứu chủ yếu dùng mô hình thống kê như phân tích thừa số ma trận dương (PMF). Tôi khá ngạc nhiên khi viên năng lượng nguyên tử VN đã dùng kĩ thuật PIXE (một kĩ thuật khó) để phân tích nồng độ nguyên tố và có một bộ số liệu rất quý và dài hơi (8 năm).
Các nghiên cứu đó thực hiện đã lâu và chưa đầy đủ nhưng chúng ta vẫn có thể liệt kê ra các nguồn bụi mịn có đóng góp nhiều như: bụi thứ cấp, giao thông, nguồn vận chuyển từ xa/bụi than, công nghiệp xi măng/luyện kim, đốt rơm rạ và sinh hoạt. Các nguồn nhỏ hơn có bụi đường, xây dựng, và muối biển. Một số ít nghiên cứu dùng các mô hình lan truyền hoặc vận chuyển hóa học. Các bạn có thể đọc chi tiết ở một tổng quan hữu ích từ nhóm chị Thanh-FIMO dưới đây:
Current Status of PM2.5 Pollution and its Mitigation in Vietnam
Theo quan sát của tôi thì nguồn số liệu phân tích thành phần hóa học hữu cơ còn rất khiêm tốn mặc dù các viện và đại học của chúng ta khá mạnh về các phương phân tích như dùng sắc kí khí. Hi vọng dự án liên kết giữa VN và UK gần đây về ONKK ở HN và TP HCM do chị Hiền và anh Lê ở Đại học quốc gia TP HCM và Hà Nội chủ trì có thể bổ sung thiếu sót này (dự án: A Two City study of Air Quality in Vietnam). Theo tôi được biết, dự án giữa World Bank và TP Hà Nội cũng đang phân tích những thành phần này trong mẫu bụi mịn (PM2.5), trong đó có phân tích định lượng levoglucosan-một đặc trưng quan trọng về nguồn ô nhiễm bụi từ đốt sinh khối.
Việc định lượng nguồn ô nhiễm cần được nghiên cứu và thực hiện một cách bài bản và liên tục. Do đó theo tôi chúng ta vẫn cần đầu tư nhiều hơn vào việc kiểm kê nguồn thải, trang bị các thiết bị đo đạc thành phần theo thời gian thực, và cũng cần nhiều hơn những nghiên cứu sâu hơn về các quá trình ảnh hưởng tới các chất ô nhiễm ở khí quyển Hà Nội.
Leave a comment