Ứng dụng tính toán mô phỏng chất lượng không khí

Sự phát triển nhanh chóng của một số đô thị lớn thường kéo theo một hệ lụy, đó là tình trạng ô nhiễm môi trường, đòi hỏi cần có những giải pháp căn cơ và hành động cụ thể để giải quyết vấn nạn này.

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. Điều này xảy ra do thời gian đầu phát triển, cả cơ quan quản lý lẫn người dân đều không quan tâm đến vấn đề môi trường. Trong vài năm gần đây, mặc dù ý thức người dân đã thay đổi, các cơ quan chức năng bắt đầu quan tâm nhiều hơn đến vấn đề bảo vệ môi trường nhưng hành động cụ thể vẫn còn rất thiếu. Điều này khiến tình trạng ô nhiễm môi trường ở TP.HCM hiện nay đã ở mức độ báo động.

Cụ thể, chất lượng không khí ở TP.HCM có xu hướng kém đi. Chỉ số chất lượng không khí trung bình (AQI) trong quý 1 năm 2017 của TP.HCM được một số cơ quan chức năng, đơn vị nghiên cứu ghi nhận ở mức 100,8; trong khi đó con số này chỉ là 91,2 vào quý I/2016, và nồng độ bụi mịn PM2.5 trung bình đạt 35,8 µg/m3 trong quý I/2017 so với 30,72 µg/m3 của cùng kỳ năm 2016.

Ô nhiễm môi trường không khí, đặc biệt tại các đô thị không chỉ còn là vấn đề riêng lẻ của một quốc gia hay một khu vực mà nó đã trở thành vấn đề toàn cầu. Chất lượng không khí là vấn đề nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của người dân, vì vậy việc đưa những thông tin dự báo chất lượng không khí là rất cần thiết.

Hệ thống quan trắc môi trường đang mang tính thủ công

Quan trắc môi trường là việc theo dõi thường xuyên chất lượng môi trường với các trọng tâm, trọng điểm hợp lý nhằm phục vụ các hoạt động bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Hoạt động quan trắc môi trường bắt đầu hình thành từ những năm 1950 và phát triển mạnh từ những năm 1970.

Tại các nước phát triển như Hoa Kỳ, số trạm quan trắc tự động được đặt theo mật độ dân cư ở khu vực đô thị (200.000 dân/trạm). Các trạm quan trắc có chức năng chính là theo dõi các chất ô nhiễm có liên quan trực tiếp đến sức khỏe con người và dự báo chất lượng không khí. Kết quả của hoạt động quan trắc thường được phổ biến cho công chúng như các bản đồ Ozon (số liệu trung bình 8 giờ) và nồng độ bụi PM2,5 (số liệu trung bình 24 giờ) được công bố trên website của các cơ quan quản lý môi trường. Dựa trên hoạt động quan trắc môi trường, các cơ quan chức năng có thể thường xuyên đưa ra cảnh báo về chất lượng không khí cho khu vực tương ứng để người dân có các biện pháp phòng tránh phù hợp.

Nội dung Hệ thống quan trắc và cảnh báo chất lượng không khí sẽ được đại diện Viện Khoa học và Công nghệ tính toán (Sở KHCN TP.HCM) trình bày tại Hội thảo khoa học Smart City 360 lần thứ II năm 2018 với chủ đề Giải pháp tương tác thời gian thực cho đô thị thông minh diễn ra vào chiều ngày 26/7.

Tại Việt Nam, hệ thống quan trắc môi trường bao gồm: mạng lưới quan trắc môi trường quốc gia (6 trạm quan trắc tự động, cố định); hệ thống quan trắc thuộc Trung tâm Khí tượng thủy văn quốc gia (8 trạm), 2 xe quan trắc tự động di động tại Hà Nội và TP.HCM.

Riêng TP.HCM đã đầu tư lắp đặt có 9 trạm quan trắc môi trường không khí tự động, cố định và một số trạm ven đường, trạm trong khu dân cư. Công tác quan trắc và đánh giá chất lượng môi trường tại TP.HCM do Trung tâm Quan trắc và Phân tích Môi trường (Chi cục bảo vệ môi trường - Sở Tài nguyên và Môi trường TP.HCM) thực hiện. Tuy nhiên, các trạm quan trắc môi trường tự động của Thành phố đã bị hư hỏng từ năm 2012; việc quan trắc môi trường không khí thời gian qua được thực hiện thủ công dẫn đến nhiều nghi ngờ về tính chính xác.

Trong khi đó, các Trung tâm quan trắc môi trường của các tỉnh, thành phố đã và đang có nhu cầu lắp đặt hệ thống giám sát chất lượng không khí tự động AQM (Air Quality Monitoring system). Tuy nhiên, chi phí đầu tư và tái đầu tư cho một trạm quan trắc tự động khoảng 10 tỷ đồng, chi phí vận hành bảo dưỡng khoảng 1,5 tỷ đồng/năm. Số tiền này đôi khi nằm ngoài khả năng đáp ứng ngân sách của các địa phương.

Xây dựng mô hình dự báo chất lượng không khí theo thời gian thực

Thiết bị đo đạc bằng sensor LINKIT one do nhóm nghiên cứu tự phát triển (bên phải) kiểm định với máy đo đạc GRIMM (bên trái)
Với định hướng tìm kiếm một 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 Khoa học và Công nghệ TP.HCM) đã thực hiện đề tài nghiên cứu ứng dụng 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.

Quá trình mô phỏng và tính toán dựa trên dữ liệu phát thải từ các nguồn giao thông và công nghiệp, đây là 2 nguồn chính đóng góp tải lượng phát thải nhiều nhất vào không khí trên địa bàn TP.HCM.

Mô hình dự báo được xây dựng tổng hợp từ các số liệu khảo sát môi trường trong 15 khu công nghiệp nằm trên địa bàn thành phố, kết hợp các 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 tiện giao thông, kết hợp giải thuật nhận dạng và đếm lượng xe trích xuất từ hình ảnh từ camera giao thông tại một số điểm.

Việc điều tra đầy đủ thông tin đảm bảo sự chính xác trong quá trình dự báo giúp cho mô hình 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 không khí một số khu vực. Đây là nguồn số 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.

Giáo sư – Tiến sỹ Nguyễn Kỳ Phùng, Viện trưởng Viện Khoa học và Công nghệ tính toán, Chủ nhiệm đề tài khẳng định “đề tài đã xây dựng được 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 về mặt chi phí, nhân lực và thời gian. Ngoài ra, việc áp dụng kết quả dự báo chất lượng không khí toàn cầu vào việc tính toán dự báo địa phương 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 hơi nữa là vấn đề ô nhiễm xuyên biên giới”.

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

PC WORLD VN, T7/2018

Từ khóa: đô thị thông minh, Smart city 2018