ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRONG QUẢN LƯ MÔI TRƯỜNG công nghiỆP
GS.TSKH. BÙI VĂN GA, NGUT NGUYỄN NGỌC DIỆP, PGS.TS.TRẦN VĂN NAM,
BÙI THỊ MINH TÚ, NGUYỄN TRUNG DŨNG
Trung tâm Nghiên cứu Bảo vệ Môi trường-Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt: Ư tưởng về một phần mềm hỗ trợ quản lư môi trường công nghiệp tổng quát ENVINDUS với mô đun cụ thể đối với ô nhiễm môi trường không khí đă được xây dựng. Phần mềm bao gồm một thư viện các phần tử phát ô nhiễm, cơ sở dữ liệu GIS và chương tŕnh tính toán ô nhiễm dựa trên lư thuyết khuếch tán vật chất trong môi trường. Phần mềm này có thể giúp các nhà quản lư có cái nh́n tổng quát về tác động môi trường đối với các phương án đầu tư công nghiệp nhằm đưa ra các quyết định đúng đắn và kịp thời, góp phần đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nước.
1. Quản lư môi trường ở các nước phát triển
Nghiên cứu qui hoạch bảo vệ môi trường trong quá tŕnh phát triển công nghiệp đă được các nước phát triển quan tâm từ rất sớm. Trong qui hoạch các khu công nghiệp ở các nước phát triển ngày nay, vấn đề môi trường luôn được đặt lên hàng đầu. Kinh nghiệm thực tiễn cho thấy đất nước nào thiếu sự chuẩn bị kỹ càng về qui hoạch môi trường hay thiếu sự quan tâm đúng mức trong hoạch định các chính sách môi trường trong quá tŕnh phát triển công nghiệp th́ đất nước đó luôn phải trả giá rất đắt. Thống kê của Tổ chức Y tế Thế giới WHO về mức độ phát ô nhiễm ở một số thành phố của các nước công nghiệp phát triển và của các nước đang phát triển cho thấy rơ điều này. Theo số liệu của bảng thống kê trên, nồng độ các chất gây ô nhiễm môi trường không khí như sau: Brussel (20mg/m3), Tokyo (50mg/m3), New York (57mg/m3), Mexico City (500mg/m3), Bombay (110mg/m3), New Delhi (450mg/m3), Bangkok (220mg/m3), Jakarta (250mg/m3), Bắc Kinh (500mg/m3), Manila (210mg/m3). Giới hạn cho phép của nồng độ các chất ô nhiễm trong không khí là 60mg/m3. Chúng ta thấy mức độ ô nhiễm ở các nước đang phát triển vượt xa so với giới hạn cho phép của WHO.
ở các nước Tây âu và Bắc Mỹ vấn đề qui hoạch môi trường đă trở thành quen thuộc và tuân thủ theo những qui định có tính pháp qui của luật bảo vệ môi trường. ở các nước đang phát triển, do nhu cầu phát triển kinh tế cấp bách trước mắt, t́nh h́nh qui hoạch môi trường có phần hạn chế gây ảnh hưởng trầm trọng đến môi trường chung toàn cầu. Các báo cáo mới đây của Ngân hàng thế giới (WB) về t́nh trạng môi trường ở các nước đang phát triển ở các châu lục khác nhau cho thấy công nghiệp là thủ phạm chính gây ô nhiễm môi trường (Hua Wang, 1999 WB). Cộng đồng thế giới đă liên tiếp tổ chức các diễn đàn khu vực và toàn cầu nhằm t́m kiếm các giải pháp hạn chế ô nhiễm môi trường công nghiệp. Tuy nhiên, người ta vẫn chưa t́m ra được tiếng nói chung về vấn đề này. Tiếp theo Hội nghị Kyoto, Hội nghị Quốc tế về môi trường tại La Haye đă rút ra kết luận là các nước đang phát triển đều rất có thiện chí về hạn chế ô nhiễm môi trường nhưng thiếu phương tiện tài chính, trong khi đó các nước phát triển thừa phương tiện tài chính th́ lại thiếu thiện chí, thể hiện rơ nhất là việc Mỹ mới đây tuyên bố rút khỏi nghị định thư Kyoto.
Để từng bước cải thiện t́nh trạng ô nhiễm môi trường, các quốc gia đang phát triển đang đẩy mạnh công tác quản lư và qui hoạch môi trường và kêu gọi sự hưởng ứng, đồng t́nh của công chúng và của chính những người "gây ô nhiễm". Nhiều dự án của chính phủ các nước ASEAN như dự án PROPER của Indonesia, dự án ECOWATCH của Philippine đă tỏ ra rất thành công trong việc điều chỉnh t́nh trạng suy thoái môi trường.
Sự phát triển công nghiệp và sự gia tăng đầu tư nước ngoài không phải luôn đi kèm theo suy thoái về môi trường như chúng ta thường nghĩ. Nghiên cứu mới đây của David Wheeler thuộc Nhóm Nghiên Cứu Phát Triển WB cho thấy, nhờ cải thiện qui hoạch môi trường và có chính sách đúng đắn về quản lư môi trường mà những quốc gia có t́nh trạng ô nhiễm nặng nề nhất trước đây như Trung Quốc, Brazil, Mêhicô... đă có mức độ ô nhiễm môi trường giảm đáng kể theo sự gia tăng đầu tư nước ngoài. Mặt khác theo nghiên cứu của David Wheeler, Đại học Boston về quan hệ giữa qui mô xí nghiệp và mức độ phát ô nhiễm ở Brazil và Mexico cho thấy trừ những ngành công nghiệp đặc biệt như lọc dầu, công nghiệp hóa học... các xí nghiệp vừa và nhỏ có mức độ phát ô nhiễm trên đầu một công nhân nói chung thấp hơn xí nghiệp lớn.
2. ứng dụng công nghệ thông tin trong quản lư môi trường
Quản lư môi trường công nghiệp là mối quan tâm hàng đầu của tất cả các quốc gia trong quá tŕnh công nghiệp hóa. Sai lầm về quản lư môi trường luôn phải trả giá rất đắt, cả về vật chất lẫn sức khỏe và tính mạng của cộng đồng của nhiều thế hệ.
Quản lư môi trường theo phương pháp cổ điển dựa vào tính toán mức độ phát thải và xác định vùng ảnh hưởng cho từng trường hợp cụ thể. Điều này đ̣i hỏi thời gian dẫn đến sự chậm trễ trong quyết định tiếp nhận đầu tư. Ngược lại, những quyết định vội vàng, thiếu sự cân nhắc cẩn thận về tác động môi trường có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng trong tương lai.
Trong bối cảnh sự cạnh tranh kinh tế và thu hút đầu tư trên thế giới và khu vực diễn ra mạnh mẽ như hiện nay, những bản qui hoạch cứng nhắc không c̣n phù hợp nữa. Mọi h́nh thức qui hoạch hiện đại đều mang tính mở và động, nghĩa là có thể điều chỉnh khi cần thiết nhằm tối ưu hóa lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường. Đối với những khu vực đang trên đà phát triển công nghiệp và thu hút đầu tư, tính mở và động của các phương án qui hoạch c̣n có ư nghĩa lớn. V́ vậy việc thiết lập một công cụ toán học nhằm hỗ trợ cho các nhà quản lư trong lĩnh vực này là rất cần thiết.
Để làm được điều này, phần mềm quản lư môi trường công nghiệp phải tạo ra sự giao diện giữa các phần tử phát ô nhiễm và cơ sở dữ liệu GIS về tự nhiên, kinh tế-xă hội... để tính toán vùng ảnh hưởng của đối tượng xem xét một cách tự động. Do vậy phần mềm có thể đưa ra nhiều giải pháp về địa điểm khác nhau, giúp cho các cơ quan quản lư có cơ sở để xem xét lựa chọn phương án thích hợp.
Trong báo cáo này chúng tôi sẽ giới thiệu kết quả xây dựng phần mềm hỗ trợ quản lư môi trường công nghiệp, gọi tên là ENVINDUS. Phần mềm này giúp cho các cơ quan quản lư Nhà Nước nói chung và các cơ quan quản lư môi trường nói riêng đánh giá nhanh tác động môi trường của các dự án đầu tư và qui hoạch công nghiệp nhằm đưa ra quyết định đúng đắn và kịp thời, góp phần cải thiện môi trường đầu tư và bảo đảm sự phát triển bền vững của đất nước trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện đại hóa.
Để xây dựng được phần mềm hỗ trợ quản lư môi trường, chúng ta cần có những công cụ sau đây:
1) Định hướng phát triển kinh tế xă hội nói chung và định hướng phát triển công nghiệp nói riêng trên địa bàn áp dụng. Đây là tài liệu quan trọng đầu tiên đối với công tác qui hoạch môi trường nói chung và xây dựng phần mềm hỗ trợ quản lư môi trường công nghiệp nói riêng.
2) Bản đồ nền GIS trên địa bàn khảo sát. Hiện nay chúng ta đă có bản đồ GIS cho toàn quốc với cơ sở dữ liệu khá đầy đủ. Bản đồ Việt Nam số hóa sẽ cho ta những ứng dụng tuyệt vời về quản lư tự động, trong đó có quản lư về môi trường. Dĩ nhiên với độ phân giải cho phép, bản đồ số hóa toàn quốc không cho phép chúng ta có được những thông tin thật sự chính xác tại vị trí khảo sát nhất định đối với một địa phương cụ thể. V́ vậy bản đồ Việt Nam có ư nghĩa đối với quản lư vĩ mô. Đối với quản lư môi trường ở địa phương, hiện tại các Tỉnh, Thành phố trong cả nước cũng đều có bản đồ GIS riêng của ḿnh trên cơ sở bản đồ nền cả nước. Bản đồ địa phương hiện nay ở một số đơn vị hành chính rất chi li và đây là công cụ không thể thiếu trong qui hoạch môi trường tự động.
3) Thống kê về mức độ phát thải của các cơ sở sản xuất công nghiệp: Hiện nay thống kê phát thải đầy đủ nhất đă được Tổ chức Y tế thế giới công bố. Trong tài liệu này chúng ta có thể t́m thấy định mức phát thải trung b́nh của các ngành công nghiệp khác nhau, các yếu tố ảnh hưởng đến mức độ phát thải. Dựa vào tài liệu này, chúng ta có thể xây dựng thư viện các phần tử phát ô nhiễm ứng dụng trong quản lư môi trường tự động.
4) Cơ sở lư thuyết tính toán, kinh nghiệm thực tế trong dự báo tác động của các nguồn phát thải khác nhau đến môi trường cần thiết để gắn kết các phần tử phát ô nhiễm được thiết lập trong thư viện với cơ sở dữ liệu của bản đồ GIS.
Bản đồ số hóa Việt Nam được giới thiệu trên h́nh 1a. Bản đồ Việt Nam hiện tại được xây dựng rất công phu với cơ sở dữ liệu rất phong phú: địa lư tự nhiên, khí hậu, hành chính, kinh tế-xă hội, môi trường, tài nguyên....
Để có thể khảo sát chi tiết, chúng ta có thể cho hiển thị lớp dữ liệu có liên quan hoặc phóng to khu vực xem xét. H́nh 1b giới thiệu khuếch đại khu vực Nam Trung Bộ c̣n h́nh 1c giới thiệu khu vực Trung Trung Bộ. H́nh 2a là bản đồ khuếch đại Tỉnh B́nh Định c̣n h́nh 2b là bản đồ lớp "dân cư" khuếch đại của Thành phố Đà Nẵng. Chúng ta thấy độ phân giải của bản đồ Việt Nam chung không cho phép chúng ta nghiên cứu một cách chi tiết các thông tin liên quan đến địa phương. V́ vậy để tăng độ chính xác của phương pháp, chúng ta cần có bản đồ số hóa của địa phương áp dụng.
(a) (b) (c)
H́nh 1: Bản đồ GIS Việt Nam (a), Vùng Nam Trung Bộ (b), Trung Trung Bộ (c)
(a) (b)
H́nh 2: Bản đồ số hóa Tỉnh B́nh Định (a), Thành phố Đà Nẵng (b)
Bản đồ nền GIS của Đà Nẵng hiện nay c̣n thiếu một số thông tin liên quan đến phân bố nhiệt độ, tốc độ và hướng gió, nước ngầm. Những thông tin này cần thiết để tính toán lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường.
Đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu quản lư chất thải khí và chất thải rắn nên cần bổ sung thêm nhiệt độ trung b́nh cũng như thay đổi tốc độ và hướng gió theo các tháng trong năm. Quản lư môi trường nước (nước mặt và nước ngầm) sẽ là đối tượng nghiên cứu của một đề tài khác.
Dựa trên thống kê mức độ phát thải của Tổ chức Y tế Thế Giới WHO. Trong tài liệu này, tải lượng các chất ô nhiễm được cho theo đơn vị khối lượng sản phẩm. Do vậy chúng ta có thể tính toán được tải lượng của từng chất ô nhiễm khi biết được công suất của nhà máy hay của qui tŕnh công nghệ.
Trong cơ sở dữ liệu này, chúng tôi đưa toàn bộ các loại h́nh phát thải cũng như của tất cả các qui tŕnh công nghệ có trong tài liệu thống kê của WHO để làm nền tảng nghiên cứu phát triển sau này. ở đây chỉ có mức độ phát thải thể khí được quan tâm cũng như chỉ sử dụng một số loại h́nh sản xuất liên quan đến địa phương theo kế họach phát triển kinh tế xă hội mà Thành phố đă đề ra.
H́nh 3: Bản đồ GIS cơ sở hạ tầng Đà Nẵng
3. Tổ chức cơ sở dữ liệu
Kỹ thuật chung của việc tổ chức dữ liệu các nguồn phát ô nhiễm ở đây là:
- Dữ liệu nằm trong các files Acces
- Dùng ADO của Delphi để quản lư dữ liệu đó
- Do số record của file dữ liệu khá dài ( trên 1000 record), mỗi record ứng với một cơ sở phát ô nhiễm, mà cơ sở này có thể chứa các nguồn phát ô nhiễm khác nhau, do đó để truy cập được nhanh chóng đến nguồn phát ô nhiễm, chúng ta tiến hành lần lượt từ nhóm chính (master group) đến nhóm con cấp 1 rồi đến con cấp 2.
Sau khi làm thủ tục vào cơ sở dữ liệu, chúng ta tiến hành chọn dữ liệu theo tŕnh tự sau:
- Đưa chuột chọn tên một Group Name, ứng với Group Name đó đưa chuột chọn một Factory Type, ứng với Factory Type này có thể có nhiều tên nhà máy hay công trường, hăy đưa
chuột vào bảng thứ ba và chọn nguồn ô nhiễm khảo sát. Trong ví dụ này chúng ta chọn giá trị ứng với cột CO của nhà máy Sulfate (Kraft) Pulping nằm trong nhóm con Manufacturing of Paper and Paper Products của nhóm chính MANUFACTURING OF WOOD & WOOD PRODUCTS, INCLUDING FURNITURE.
Nếu ở ô giá trị không chứa giá trị số mà chứa công thức th́ bạn có thể dùng máy tính con cài sẵn trong giao diện để tính giá trị từ công thức.
H́nh 4: Tổ chức cơ sở dữ liệu
4. ENVINDUS 1.0: tính toán phát thải trong môi trường không khí
4.1. Kết quả tính toán lư thuyết dạng tia phun
H́nh 5 giới thiệu ảnh hưởng của tốc độ phun đến biên dạng của tia khi tốc độ gió bên ngoài cố định và r=2kg/m3. Chúng ta thấy khi tốc độ phun thấp th́ các chất trong tia (có khối lượng riêng lớn hơn không khí) rơi xuống khu vực gần chân ṿi phun (ống khói) hơn so với khi vận tốc phun lớn. Kết quả tương tự nhận được khi tốc độ gió của môi trường thay đổi (h́nh 6). Kết quả này cho phép chúng ta dự đoán được vùng chịu ảnh hưởng bởi chất thải thoát ra khỏi ống khói công nghiệp để trên cơ sở đó thiết kế ống khói và qui hoạch vùng dân cư thích hợp.
H́nh 5: Ảnh hưởng của tốc độ phun đến biên dạng tia (U¥=5m/s; r=2kg/m3; D=0,3m; q=90°)
H́nh 6: Ảnh hưởng của tốc độ gió đến biên dạng tia (Uo=10m/s; r=1,5kg/m3; D=0,3m; q=90°)
Khối lượng riêng chất thải trong tia ảnh hưởng mạnh đến biên dạng của tia phun. Cùng một điều kiện như nhau, khối lượng riêng của chất thải càng lớn th́ vùng ảnh hưởng bởi các chất trong tia càng gần tâm ṿi phun. Khi khối lượng riêng của chất thải nhỏ hơn không khí, các chất có mặt trong tia khuếch tán vào không gian dưới tác dụng của lực trọng trường. H́nh 7 giới thiệu biên dạng của tia ứng với các chất thải có khối lượng riêng khác nhau. Tính toán được áp dụng trong trường hợp cực đoan khi chất thải được giả định là thuần khiết (nồng độ ban đầu của chất thải c=1).Trong thực tế của ống khói công nghiệp, nồng độ ban đầu của các chất ô nhiễm rất thấp và giá trị của nó giảm nhanh do không khí khuếch tán vào trong tia.
H́nh 8 giới thiệu profil tốc độ của chất thải trong tia ứng với hai trường hợp tốc độ gió của môi trường khác nhau. Càng về phía đuôi của tia, ảnh hưởng của tốc độ phun ban đầu giảm dần, chỉ c̣n lại ảnh hưởng của tốc độ gió bên ngoài.
Trường nồng độ của chất thải trong tia khi nồng độ ban đầu c=1 tŕnh bày trên h́nh 9 và h́nh 10. Chúng ta thấy nồng độ của chất thải trong tia giảm nhanh chóng theo chiều dài của tia do lượng khí kéo theo vào tia làm loăng hỗn hợp. Kết quả này cho phép chúng ta dự đoán vùng chịu ảnh hưởng bởi các chất ô nhiễm trong ống khói và tính toán được nồng độ của từng chất ô nhiễm ở các vị trí khác nhau quanh chân ống khói công nghiệp
4.2. Tính toán sự phân bố nồng độ các chất ô nhiễm trên mặt đất
Trên đây chúng ta đă xác định được biên dạng của cột khí sau khi thoát ra khỏi miệng ống khói và sự phân bố nồng độ các chât ô nhiễm trong cột khí. Biên dạng của tia trong không gian có ư nghĩa trong việc đánh giá tác động đến không lưu, đặc biệt khi khu công nghiệp đặt gần sân bay và những nơi có hoạt động của phương tiện bay tầng thấp.
Đối với với hoạt động b́nh thường của con người, sự phân bố các chất ô nhiễm trên mặt đất là mối quan tâm hàng đầu. Sự phân bố này được xác định theo các biểu thức kinh điển kiểu Gauss. Theo đó, sự phân bố nồng độ theo hai phương x, y trong trường hợp z = 0 (trên mặt đất) được xác định theo biểu thức:
(19)
Trong biểu thức trên H là chiều cao hiệu quả của nguồn thải (m); M là lượng phát thải chất ô nhiễm (g/s); Uo là vận tốc gió trung b́nh (m/s); y là khoảng cách trên mặt đất theo phương vuông góc với chiều gió (m); sy, sz là các hệ số khuếch tán theo phương ngang và phương đứng (m).
Như phần trên đă tŕnh bày, sự phân bố nồng độ các chất ô nhiễm trên mặt đất phụ thuộc vào cấp độ ổn định của khí quyển và vận tốc gió. Vận tốc gió có thể xác định theo thống kê c̣n cấp độ ổn định khí quyển phụ thuộc rất nhiều thông số có tính chất định tính. Để có thể lựa chọn một cách hợp lư thông số này chúng ta cần khảo sát thực nghiệm thống kê trong một thời dài. Khi có đầy đủ dữ liệu này chúng ta có thể tính toán hoàn toàn tự động.
Do vậy khi chưa có thông tin chắc chắn về cấp độ ổn định của khí quyển, phần mềm này dành cho người sử dụng tự chọn cấp ổn định dựa trên vận tốc gió và các yếu tố khác có liên quan đến thời tiết. Việc lựa chọn này được tiến hành rất thuận tiện. ưu điểm của việc lựa chọn này là người sử dụng có thể so sánh nhiều phương án khác nhau để chọn ra phương án tối ưu nhất.
Các h́nh 11 giới thiệu ảnh hưởng của cấp độ ổn định, h́nh 12 giới thiệu ảnh hưởng của tốc độ gió và h́nh 13 giới thiệu ảnh hưởng của chiều cao ống khói đến sự phân bố nồng độ SO2 trên mặt đất. Kết quả tính toán trên ứng với phát thải của ḷ hơi công suất 1 tấn hơi/giờ, nhiên liệu sử dụng là dầu DO.
5. Tŕnh tự thao tác phần mềm ENVINDUS 1.0
Mô-đun đầu tiên được xây dựng đối với phần mềm ENVINDUS liên quan đến đánh giá tác động môi trường đối với khí thải công nghiệp. Sự phân bố các chất ô nhiễm trong khí quyển và trên mặt đất được tính toán theo lư thuyết đă nêu trên đây. Bước đầu tiên là dịch chuyển con trỏ đến vị trí dự kiến đặt nhà máy. Tải lượng khí thải qua ống khói cũng như các điều kiện ban đầu của khí thải được xác định dựa trên các thông tin liên quan đến công suất và các đặc trưng của nhà máy. Cơ sở dữ liệu GIS cung cấp các thông tin về nhiệt độ, gió và các điều kiện tự nhiên, xă hội của khu vực xem xét. Tŕnh tự thao tác phần mềm ENVINDUS được tŕnh bày trên sơ đồ h́nh 14.
ENVINDUS 1.0 sẽ tính toán dạng luồng khói sau khi ra khỏi ống khói và phân bố các chất ô nhiễm trên mặt đất ở khu vực chịu ảnh hưởng. Kết quả thể hiện ngay trên bản đồ GIS do đó người sử dụng có thể biết được ngay tác động môi trường của dự án. Do giao diện giữa phần tử phát ô nhiễm và môi trường GIS được thực hiện một cách tự động nên người sử dụng có thể đặt nhà máy ở bất kỳ địa điểm nào để khảo sát tính ưu việt của từng phương án trước khi đưa ra quyết định cuối cùng (h́nh 15)
6. Kết luận
Phần mềm ENVINDUS với thư viện phần tử phát ô nhiễm phong phú và cơ sở dữ liệu GIS sẽ giúp cho các nhà quản lư có cái nh́n khách quan và trực tiếp về vùng tác động môi trường đối với các đề án nhà máy, khu công nghiệp mới... trên cơ sở đó đưa ra quyết định đúng đắn và kịp thời nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững.
ENVINDUS 1.0 đặt nền tảng ban đầu cho một phần mềm quản lư môi trường tổng hợp. Phần mềm sẽ phát huy tác dụng tích cực khi cơ sở dữ liệu GIS trong cả nước được hoàn thiện. Mặt khác, nếu có sự cộng tác của các nhà lập tŕnh chuyên nghiệp th́ kỹ thuật giao diện của chương tŕnh sẽ hoàn hảo và việc sử dụng phần mềm này sẽ thuận tiện hơn.
