Luận án tiến sĩ nghiên cứu xây dựng bản đồ phân bố ô nhiễm bụi hỗ trợ quy hoạch

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU NGUYỄN ANH DŨNG NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ Ô NHIỄM BỤI HỖ TRỢ QUY HOẠCH ĐÔ THỊ THÀNH PHỐ HÀ NỘI Ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Mã số: 9850101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Đắc Đồng Hà Nội - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của PGS. Dương Hồng Sơn và TS. Nguyễn Đắc Đồng.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả Nguyễn Anh Dũng ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi khí hậu, Vụ Khoa học và Công nghệ - Bộ Tài nguyên và Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Với lòng biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai thầy PGS.

Dương Hồng Sơn và TS. Nguyễn Đắc Đồng đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu. Hai thầy luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới GS.

Trần Hồng Thái. Thầy đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những ngày đầu tiên xây dựng định hướng nghiên cứu và trong suốt quá trình nghiên cứu, Thầy luôn hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất, đặc biệt về nguồn tài liệu, số liệu tính toán phục vụ Luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn GS. Trần Thục đã có những ý kiến đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thành Luận án.

Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học, các đồng nghiệp tại Vụ Khoa học và Công nghệ, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Viện Khoa học Tài nguyên nước, Tổng cục Môi trường, Chi cục Bảo vệ môi trường Hà Nội, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường TP. Hồ Chí Minh và các cơ quan hữu quan đã có những góp ý về khoa học cũng như hỗ trợ về thông tin, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Bố, Mẹ và những người thân yêu trong gia đình, đặc biệt là Vợ và các con Ellie, Benny, Abby đã luôn ở bên cạnh, động viên cả về vật chất và tinh thần, tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành tốt Luận án của mình. iii MỤC LỤC Lời cam đoan.

II Mục lục. III Danh mục các từ viết tắt. V Danh mục hình.VI Danh mục bảng. IX MỞ ĐẦU.1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ HÀM LƯỢNG BỤI.

Ô nhiễm bụi và ảnh hưởng của ô nhiễm bụi. Các nghiên cứu trên thế giới. Xây dựng bản đồ phân bố bụi. Ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng đến hàm lượng bụi.

Mô hình hồi quy giữa hàm lượng bụi và các yếu tố ảnh hưởng. Các nghiên cứu trong nước. Xây dựng bản đồ phân bố bụi. Ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng đến hàm lượng bụi.

Tổng quan quy hoạch Thủ đô Hà Nội. Quy hoạch Thủ đô Hà Nội qua các thời kỳ. Quy hoạch thủ đô Hà Nội đến năm 2020 tầm nhìn đến 2050. Kết luận của Chương 1.

59 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ HÀM LƯỢNG BỤI. Phương pháp tiếp cận và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp tiếp cận. Phạm vi nghiên cứu.

Số liệu nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp phân tích thống kê mối quan hệ giữa hàm lượng bụi và các yếu tố khí tượng. Phương pháp mô hình hồi quy đa biến giữa các yếu tố khí tượng và hàm lượng bụi.

Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến. Mô hình mạng thần kinh nhân tạo. Xây dựng bản đồ phân bố hàm lượng bụi PM10. Kết luận của Chương 2.

71 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ XÂY DỰNG BẢN ĐỒ PHÂN BỐ HÀM LƯỢNG BỤI PM10 HỖ TRỢ QUY HOẠCH ĐÔ THỊ. Khu vực nghiên cứu và số liệu phục vụ nghiên cứu. Khu vực nghiên cứu. Số liệu phục vụ nghiên cứu.

Biến trình theo không gian và thời gian của hàm lượng bụi PM10. Ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng đến hàm lượng bụi PM10. Xây dựng quan hệ hồi quy sử dụng phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến và mô hình mạng thần kinh nhân tạo. Chuẩn bị số liệu đầu vào.

Xây dựng quan hệ giữa các yếu tố khí tượng và hàm lượng bụi PM10. Lập bản đồ phân bố hàm lượng bụi cho các quận nội đô thành phố Hà Nội. Số liệu đầu vào. Xây dựng bản đồ phân phối hàm lượng bụi PM10.

Ứng dụng bản đồ phân bố hàm lượng bụi PM10 phục vụ quy hoạch đô thị thành phố Hà Nội.109 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 121 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ.123 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.123 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 124 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANN Artificial Neutron Network Mạng thần kinh nhận tạo CART Classification And Regression Trees Cây phân loại và hồi quy CMAQ Community Multi-scale Air Quality Mô hình chất lượng không khí đa Model chất GBD Global Burden of Disease Gánh nặng bệnh tật toàn cầu GDP Gross Domestic Product Tổng sản phẩm quốc nội GIS Geopgraphical Information System Hệ thống thông tin địa lý IDW Inverse Distance Weighting Nội suy khoảng cách nghịch đảo có trọng số ISC3 Industrial Source Complex Model 3 Mô hình tổ hợp nguồn công nghiệp MLP Multi-layer Perceptron Mạng Perceptron tuyến tính đa biến MLR Multiple Linear Regression Hồi quy tuyến tính đa biến MM5 Mesoscale Meteorological Model, Mô hình khí tượng tầm trung phiên Version 5 bản 5 NASA National Aeronautics and Space Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Administration Hoa Kỳ OK Ordinary Kriging Nội suy Kriging thông thường PCRA Principal Component Regression Phân tích thành phần chính Analysis QRM Quantile Regression Model Mô hình hồi quy lượng tử RBF Radial Basis Function Hàm cơ sở bán kính SVM Support Vector Machine Máy vectơ hỗ trợ TS Trend Surface Phương pháp xu thế bề mặt WHO World Health Organisation Tổ chức Y tế thế giới vi DANH MỤC HÌNH Hình 1. Bản đồ tỉ lệ tử vong sớm do ô nhiễm không khí từ 1850 đến 2000.

Tuyến đường quan trắc tại Zurich và Winterthur. Phân bố hàm lượng bụi trên tuyến đường quan trắc từ Amsterdam đến khu vực ven biển Petten. Phân bố hàm lượng bụi trên tuyến đường quan trắc ở Helsinki. Phân bố hàm lượng trung bình bụi siêu mịn và bụi PM10 dọc tuyến đường quan trắc ở Antwerp.

Tuyến đường quan trắc tại Mol, Bỉ. Bản đồ phân bố bụi ngày 6/1/2010 tại Somerville, Massachusetts. Phân bố hàm lượng bụi PM10 trên đường ở Las Vegas. Tuyến đường quan trắc tại quận Gangnam, Seoul.

Độ dày quang học của khí ở 555 nm khu vực Châu Âu tháng 8/1997. Hàm lượng bụi PM2,5 trung bình theo hướng gió khu vực nông thôn. Hệ số tương quan Spearman giữa các chất gây ô nhiễm không khí và các yếu tố khí tượng. Hệ số tương quan Pearson giữa hàm lượng bụi PM10, PM2,5 và các yếu tố khí tượng.

Hệ số tương quan Pearson giữa bụi PM10 và các yếu tố khí tượng .15: Bản đồ phân bố hàm lượng bụi TSP mùa đông 2016-2017 .16: Bản đồ phân bố bụi TSP mùa đông 2018-2019. Hàm lượng bụi trung bình trong mùa đông 1998 - 1999. Cột dài và cột ngắn tương ứng với sự xuất hiện của hiện tượng đảo bức xạ về đêm và đảo nhiệt độ. Hàm lượng bụi trung bình 24h và tốc độ gió trung bình ngày giai đoạn 2006-2007.

Hàm lượng PM2,5 và các yếu tố khí tượng trong giai đoạn 1. Hàm lượng PM2,5 và các yếu tố khí tượng trong giai đoạn 2. Tương quan giữa hàm lượng bụi và các yếu tố khí tượng. Bản đồ Quy hoạch sử dụng đất khu dân cư Thủ đô Hà Nội.

Bản đồ Quy hoạch sử dụng đất giao thông Thủ đô Hà Nội. Bản đồ Quy hoạch sử dụng đất công cộng Thủ đô Hà Nội. Bản đồ Quy hoạch sử dụng đất cơ sở giáo dục Thủ đô Hà Nội. Bản đồ Quy hoạch sử dụng đất khu công nghiệp/cụm công nghiệp Thủ đô Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 57 Hình 1.

Bản đồ Quy hoạch sử dụng đất không gian xanh Thủ đô Hà Nội. Sơ đồ các bước thực hiện luận án. Sơ đồ vị trí các trạm quan trắc và trạm khí tượng tại Hà Nội. Mô hình của một neuron nhân tạo với đầu ra k.

Sơ đồ mạng ANN hai lớp ẩn. Vị trí khu vực nghiên cứu trên địa bàn thành phố Hà Nội. Phân phối nhiệt độ, độ ẩm, áp suất khí quyển và tốc độ gió khu vực nghiên cứu trong tháng 1(a) và tháng 7(b) từ số liệu khí tượng toàn cầu WorldClim 2. Biến trình hàm lượng PM10 theo giờ ở trạm Minh Khai và lưu lượng ô tô, xe máy từ 6 đến 19 giờ 80 Hình 3.

Biến trình hàm lượng PM10 tại các trạm Trung Yên 3, Minh Khai và Nguyễn Văn Cừ 80 Hình 3. Biến trình hàm lượng PM10 theo ngày ở trạm Trung Yên 3. Hệ số tương quan giữa hàm lượng PM10 theo giờ và các yếu tố khí tượng (áp suất khí quyển, nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió) tại các trạm Trung Yên 3, Minh Khai và Nguyễn Văn Cừ 84 Hình 3. Tương quan giữa các đặc trưng khí tượng ngày với PM10 tại các trạm Trung Yên 3, Minh Khai và Nguyễn Văn Cừ 86 Hình 3.8: Hoa gió tại trạm Hà Đông.

Hoa ô nhiễm thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng PM10 và hướng gió tại các trạm Trung Yên 3, Minh Khai và Nguyễn Văn Cừ 88 Hình 3. Các bước xây dựng quan hệ hồi quy giữa các yếu tố khí tượng và PM10 sử dụng phương pháp MLR và ANN 89 Hình 3. Ma trận tương quan giữa các biến được xem xét với nhau và với hàm lượng PM10 cho trạm Trung Yên 3 91 Hình 3. Các biến phục vụ xây dựng mô hình MLR sau khi được chuẩn hoá tại trạm Trung Yên 3 92 viii Hình 3.

So sánh hàm lượng PM10 giữa thực đo và tính toán từ các quan hệ hồi quy đa biến tại các trạm quan trắc chất lượng không khí 94 Hình 3.