Ứng dụng tính toán mô phỏng chất lượng không khí ở TP.HCM

Đây là giải pháp nhằm xây dựng bộ dữ liệu về phát thải, mô phỏng và dự báo khí tượng và chất lượng không khí, đồng thời xây dựng ứng dụng chia sẻ thông tin trên web và mobile.

Song song với quá trình phát triển vượt bậc, trong thời gian qua, TP.HCM đang đối diện với sự ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, mà cụ thể là chất lượng không khí có xu hướng kém đi. Đây không phải là vấn đề riêng lẻ của TP.HCM, mà là thách thức toàn cầu mà nhiều đô thị lớn trên khắp thế giới đang phải đối mặt.

Do chất lượng không khí ảnh hưởng nghiêm trọng trực tiếp đến sức khỏe của người dân, nên việc quan trắc theo dõi thường xuyên chất lượng môi trường sẽ là cơ sở hỗ trợ đắc lực cho hoạt động bảo vệ môi trường và phát triển đô thị bền vững. Bởi lẽ, dữ liệu thu thập được từ quan trắc môi trường chính là thông tin cần thiết để cơ quan chức năng có thể đưa ra cảnh báo kịp thời về chất lượng không khí, đề xuất các biện pháp phòng tránh phù hợp.

Hiện nay, chi phí đầu tư và tái đầu tư cho một hệ thống giám sát chất lượng không khí tự động AOM (Air Quality Monitoring system) vào khoảng 10 tỷ đồng, riêng chi phí vận hành bảo dưỡng hàng năm lên đến 1,5 tỷ. Đây là khoản tiền lớn nằm ngoài khả năng đáp ứng của không ít địa phương.

Ở TP.HCM, công tác quan trắc và đánh giá chất lượng môi trường do Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường (Chi cục Bảo vệ Môi trường - Sở Tài nguyên và Môi trường) thực hiện. Tuy nhiên, do các trạm quan trắc môi trường tự động của Thành phố đã hư hỏng từ năm 2012, nên việc quan trắc môi trường thời gian qua được thực hiện thủ công và bán tự động.

Với định hướng tìm kiếm giải pháp khả thi trong việc theo dõi và dự báo chất lượng không khí, Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán (thuộc Sở KHCN TP.HCM) đã thực hiện nghiên cứu ứng dụng có tên “Xây dựng hệ thống dự báo không khí vùng Thành phố Hồ Chí Minh”, với hướng tiếp cận mới là sử dụng các mô hình quang hóa (CMAQ) kết hợp với mô hình dự báo khí tượng (WRF) để dự báo chất lượng không khí theo thời gian thực ở TP.HCM và một số vùng lân cận.

Giới thiệu về đề tài nghiên cứu này, GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng – Phó Giám đốc Sở KHCN TP.HCM cho biết quá trình mô phỏng chất lượng không khí thực hiện theo Hệ thống mô hình Chất lượng Không khí Cộng đồng Đa quy mô (CMAQ) do Trung tâm Hệ thống Mô hình hóa và Phân tích Cộng đồng (CMAS) của Đại học Bắc Carolina phát triển.

GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng trình bày báo cáo về hệ thống dự báo không khí vùng TP.HCM.

Hệ thống CMAQ chứa 3 thành phần mô hình hóa chính gồm: hệ thống mô hình mô tả trạng thái và sự chuyển động của khí quyển; các mô hình phát thải mô tả các nguồn thải tự nhiên và nhân tạo đưa chất gây ô nhiễm vào bầu khí quyển; hệ thống mô hình vận chuyển hóa chất mô tả sự vận chuyển và biến đổi của các chất gây ô nhiễm trong bầu khí quyển.

Còn quá trình mô phỏng khí tượng thực hiện theo mô hình WRF do Trung tâm Quốc gia về nghiên cứu khí quyển (NCAR) và Trung tâm dự báo môi trường quốc gia (NCEP) phát triển. Mô hình WRF có khả năng mô phỏng khí hậu bằng phương pháp hạ quy mô động lực downscaling (Dynamic downscaling climate simulations), sử dụng hệ phương trình đầy đủ bất thủy tĩnh Euler, hệ tọa độ theo phương thẳng đứng là hệ tọa độ áp suất.

Theo GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng, quá trình mô phỏng và tính toán dựa trên dữ liệu phát thải từ các nguồn giao thông và nghiệp, bởi đây là 2 nguồn chính đóng góp tải lượng phát thải nhiều nhất vào không khí TP.HCM. Mô hình dự báo được xây dựng tổng hợp từ số liệu khảo sát môi trường tại 473 công ty nằm trong 15 khu nghiệp, 400 doanh nghiệp nằm nằm ngoài khu công nghiệp trên địa bàn Thành phố, kết hợp một số báo cáo giám sát môi trường thuộc quản lý của Ban quản lý các Khu chế xuất - Khu công nghiệp (HEPZA) và Chi cục Bảo vệ môi trường TP.HCM. Số liệu khí tượng được thu thập tại các trạm ở TP.HCM, Bình Dương, Biên Hòa (Đồng Nai). Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng phát triển một mô hình tính toán về khí thải phát ra từ các phương giao thông, kết hợp giải thuật nhận dạng và đếm lượng xe trích xuất từ hình ảnh từ camera giao thông ở 55/300 địa điểm phân bố đều ở các quận huyện, có chất lượng hình ảnh tốt và góc quan sát rộng.

Việc tiến hành điều tra đầy đủ thông tin sẽ đảm bảo sự chính xác trong quá trình dự báo, giúp mô hình tăng khả năng dự báo chính xác với độ tin cậy cao và sát với hiện trạng thực tế. Trong quá trình điều tra bổ sung, nhóm nghiên cứu còn thực hiện thêm nhiệm vụ đo đạc quan trắc chất lượng ở không khí một số khu vực nhằm thu thập dữ liệu chính cho mô hình hiệu chỉnh và đánh giá kết quả mô phỏng. Một số thử nghiệm dự báo được thực hiện cuối năm 2017 và đánh giá so sánh với trạm khí tượng Nhà Bè cho thấy mô hình mô phỏng và dự báo đạt kết quả khá chính xác.

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình dự báo chất lượng không khí phù hợp với khu vực TP.HCM. Việc áp dụng dữ liệu camera trong hệ thống giám sát camera giao thông của Thành phố là phương pháp mới, phù hợp với mục tiêu xây dựng bộ dữ liệu giao thông chi tiết và có mức độ phân bố rộng hơn so với các phương pháp truyền thống ngoài thực địa, giúp tiết kiệm đáng kể chi phí, nhân lực và thời gian thực hiện. Ngoài ra, việc áp dụng kết quả dự báo chất lượng không khí toàn cầu vào việc tính toán dự báo địa phương cũng là một yếu tố quan trọng đảm bảo tính đúng đắn trong bài toán mô phỏng chất lượng không khí địa phương khi chịu ảnh hưởng của các khu vực lân cận và xa hơn nữa là vấn đề ô nhiễm xuyên biên giới.

GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng kỳ vọng sắp tới nhóm nghiên cứu sẽ phát triển thành công loại cảm biến nhỏ gọn (có thể gắn lên xe máy hoặc xe buýt) để thu thập nhanh chóng và chính xác hơn dữ liệu chất lượng không khí theo thời gian thực. Đây là việc làm cần thiết để đẩy nhanh việc chuyển hóa dữ liệu quan trắc thành “đầu vào” cần thiết cho công tác dự báo quy luật phát thải, khả năng phát thải, qua đó giúp cơ quan quản lý nhà nước có biện pháp ngăn chặn, xử lý kịp thời tình trạng ô nhiễm.

Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán sẽ triển khai mở rộng đề tài.

Không chỉ thế, GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng còn mong muốn đề tài này đặt trở thành bước tiến lớn cho một sản phẩm khoa học trí tuệ Việt hàng đầu do chính những sinh viên – nghiên cứu sinh trong nước nghiên cứu và sản xuất, chứ không cần phải bỏ tiền mua thiết bị của nước ngoài để thực hiện.

Nhóm nghiên cứu cũng đang tính toán chế tạo loại sensor có khả năng đo độ mặn nhằm mở rộng tính năng của đề tài sang đo đạc môi trường nước”, GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng cho biết thêm.

Từ thành công của đề tài, Viện Khoa học và Công nghệ Tính toán đang tiếp tục triển khai các hệ thống quan trắc tự động, kết hợp những ứng dụng trực tuyến và phần mềm theo dõi tự động chất lượng không khí trên điện thoại di động. Những hệ thống nói trên được mong đợi sẽ cung cấp nhiều hơn nữa thông tin về chất lượng không khí đồng bộ và giúp quá trình mô phỏng hoạt động chính xác theo thời gian thực.

Báo cáo “Ứng dụng tính toán mô phỏng chất lượng không khí ở TP.HCM” được GS.TS Nguyễn Kỳ Phùng trình bày trong khuôn khổ Hội thảo Ứng dụng GIS toàn quốc năm 2018 lần thứ X với chủ đề “Hướng tới đô thị thông minh” do Viện Địa lý Tài nguyên TP.HCM đăng cai tổ chức ngày 27/10/2018.

Từ khóa: GIS, Hoàng Kim, truyền thông khoa học công nghệ