Ô nhiễm bụi PM tại một số thành phố ở Việt Nam – Biến động theo không gian, thời gian của PM10 và PM2.5

Lê Hoàng Anh, Dương Thành Nam, Vương Như Luận

Trung tâm Quan trắc môi trường miền Bắc, Tổng cục Môi trường

 Tóm tắt

Bài báo phân tích dữ liệu bụi (PM₁₀, PM_2.5) tại 06 trạm quan trắc không khí tự động đặt tại các thành phố Hà Nội, Hạ Long (Quảng Ninh), Việt Trì (Phú Thọ), Huế (Thừa Thiên Huế), Đà Nẵng, Nha Trang (Khánh Hoà). Kết quả phân tích dữ liệu bụi (PM₁₀, PM_2.5) cho thấy có sự khác biệt khá lớn giữa các đô thị miền Bắc và duyên hải nam Trung bộ. Tại các trạm quan trắc ở các đô thị lớn miền Bắc nồng độ bụi thường vượt quá giới hạn của QCVN 05:2013/BTNMT. Tại các trạm quan trắc ở các đô thị miền Trung và nam Trung bộ, nồng độ bụi thấp hơn và xấp xỉ so với QCVN 05:2013/BTNMT. Biến động nồng độ bụi theo mùa tại miền Bắc rất rõ (từ tháng 10 đến 4 nồng độ bụi cao hơn so với từ tháng 5 đến tháng 9), còn tại miền Trung và nam Trung bộ sự khác biệt giữa các tháng là không rõ rệt. Các trạm quan trắc đều đặt tại khu vực giao thông do đó nồng độ bụi tăng cao rõ rệt vào các giờ cao điểm buổi sáng (từ 7-8 giờ) và chiều (18-19 giờ), giảm xuống thấp nhất vào giữa trưa (13-14 giờ) và ban đêm (23-01giờ). Tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ trung bình tại các trạm quan trắc nằm trong khoảng 0,57 - 0,72. Tỉ lệ bụi PM_2.5/PM₁₀ có sự thay đổi khá rõ theo mùa, các tháng mùa khô (từ tháng 10 tới tháng 4 năm sau), tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ cao hơn so với các tháng mùa mưa (từ tháng 5 tới tháng 9). Thời gian buổi tối (từ 21 giờ tới 6 giờ sáng hôm sau) tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ cao hơn so với thời gian ban ngày (từ 7 giờ đến 19 giờ).

Từ khóa: Ô nhiễm bụi, PM₁₀, PM_2.5, PM_2.5/PM₁₀, không khí xung quanh.

            1. Đặt vấn đề

            Ô nhiễm không khí, đặc biệt là ô nhiễm bụi PM, đang trở thành vấn đề của các quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Đã có nhiều nghiên cứu xung quanh bụi PM cũng như những tác động xấu của ô nhiễm bụi PM. Bụi PM₁₀ (bụi có kích cỡ nhỏ hơn 10μm) và đặc biệt là bụi mịn PM_2.5 (bụi có kích cỡ nhỏ hơn 2.5μm) có những tác động xấu đến sức khoẻ [1]. So với các thành phố khu vực châu Á, các thành phố của Việt Nam có mức độ ô nhiễm bụi PM tương đối cao [2]. Sự biến động nồng độ bụi PM có mối liên quan chặt chẽ với các nguồn phát sinh và các yếu tố khí hậu, thời tiết [3][4]. Do đó, nghiên cứu đặt ra mục tiêu tìm hiểu biến động theo không gian và thời gian của bụi PM tại một số đô thị của Việt Nam. Đây là một trong những nội dung nghiên cứu của đề tài khoa học công nghệ “Nghiên cứu xác định các nguồn đóng góp chính đối với bụi PM₁₀, PM_2.5 ở đô thị miền Bắc Việt Nam – Thực nghiệm tại Hà Nội, Quảng Ninh và Phú Thọ” do Trung tâm Quan trắc môi trường miền Bắc, Tổng cục Môi trường chủ trì thực hiện.

            2. Phương pháp nghiên cứu

            Khu vực nghiên cứu

            Nghiên cứu tại 6 thành phố: Hà Nội, Hạ Long (Quảng Ninh), Việt Trì (Phú Thọ), Huế (Thừa Thiên Huế), Đà Nẵng, Nha Trang (Khánh Hoà). Đây là khu vực đặt các Trạm quan trắc không khí tự động, liên tục do Tổng cục Môi trường quản lý. Các trạm quan trắc này đều được đặt tại các vị trí gần đường giao thông. Khu vực nghiên cứu đặc trưng cho yếu tố địa lý khác nhau (miền bắc – miền trung – duyên hải nam trung bộ, trung du - đồng bằng - ven biển).

Bảng 1. Các trạm quan trắc không khí tự động

            Thu thập dữ liệu

Dữ liệu PM₁₀, PM_2.5 được thu thập bằng thiết bị đo Grimm 180 (bụi-PM) tại 6 trạm quốc gia: Hà Nội (từ tháng 01/2010 - 10/2018), Phú Thọ (01/2013 - 8/2017), Quảng Ninh (1/2014 - 12/2017),  Huế (1/2013 - 12/2015), Đà Nẵng (từ tháng 1/2011 – 10/2018), Khánh Hòa (3/2012 - 12/2015).

            Nồng độ PM₁₀, PM_2.5, CO, O₃ và NO_x đo liên tục (5 phút/lần), tính trung bình giờ trong toàn bộ thời gian dữ liệu được thu thập. Tỷ lệ dữ liệu là 80% (sau khi loại bỏ những giá trị bất thường, dữ liệu trong thời gian hiệu chỉnh máy hoặc thiết bị không hoạt động). Dữ liệu thiếu và dữ liệu bất thường không được đưa vào tính toán thống kê.

            Phân tích dữ liệu

            Để phân tích các diễn biến nồng độ PM₁₀, PM_2.5, trong ngày và mối quan hệ giữa các thông số, sử dụng dữ liệu trung bình giờ của các thông số nói trên. Để so sánh nồng độ PM₁₀, PM_2.5 giữa các mùa trong năm, sử dụng dữ liệu nồng độ trung bình tháng. Ngoài ra báo cáo cũng sử dụng dữ liệu trung bình năm của PM₁₀, PM_2.5 để so sánh sự biến động giữa các đô thị.

            3. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

            3.1. Biến động PM giữa các vùng

            Các đô thị phía bắc Việt Nam đều có nồng độ bụi trung bình năm ở mức cao. Hà Nội là thành phố có mức độ ô nhiễm bụi cao nhất (giá trị trung bình năm của PM₁₀ và PM_2.5 trong thời gian từ 2010 – 2018 giao động trong khoảng tương ứng là 46,2 – 100,8 µg/m³ và 35,5 – 59,4 µg/m³). Việt Trì là một thành phố vùng trung du phía bắc, cũng có nồng độ bụi PM₁₀ và PM_2.5 trung bình năm khá cao, giao động trong khoảng 48,7 – 70,3 µg/m³ và 33,8 – 51,7 µgm^-3 trong các năm 2013 – 2017. Tiếp đến là Hạ Long, một thành phố ven biển Bắc bộ, giá trị trung bình năm của PM₁₀ và PM_2.5 trong thời gian từ 2014 – 2017 giao động trong khoảng 43,9 – 67,7 µg/m³ và 30,2 – 38,8 µg/m³.

            Các đô thị thuộc miền trung – duyên hải nam trung bộ mức độ ô nhiễm bụi thấp hơn so với các đô thị phía bắc. Thành phố Huế, nằm ở miền trung Việt Nam, gần biển nhưng vẫn ảnh hưởng bởi một phần khí hậu miền Bắc gió mùa, có nồng độ PM₁₀ và PM_2.5 trung bình năm xấp xỉ ngưỡng quy chuẩn, từ 38,4 – 41,7 µg/m³ và 22,1 – 24,5 µg/m³ trong các năm từ 2013 – 2015. Các đô thị dịch vào phía nam như Đà Nẵng và Nha Trang, với vị trí gần biển, nồng độ PM₁₀ và PM_2.5 trung bình năm đều trong giới hạn cho phép của QCVN. Giá trị trung bình năm của PM₁₀ và PM_2.5 tại trạm Đà Nẵng giao động trong khoảng 22,0 – 28,8 µg/m³ và 15,7 – 21,8 µg/m³ trong thời gian từ 2011 – 2018 và trạm Nha Trang tương ứng là 21,7 – 32,6 µg/m³ và 14,9 – 19,4 µg/m³ trong thời gian từ 2012 – 2015.

Tỉ lệ các giá trị trung bình 24 giờ của PM₁₀ và PM_2.5 vượt quá giới hạn của QCVN 05:2013/BTNMT của các trạm Hà Nội, Quảng Ninh, Phú Thọ cũng cao hơn so với các trạm Huế, Đà Nẵng và Khánh Hòa (Bảng 2).

Thông số PM10

Thông số PM2.5

Hình 1. Trung bình năm PM₁₀ và PM_2.5 tại các trạm quan trắc tự động

Bảng 2. Tỉ lệ vượt quá giới hạn trong QCVN 05: 2013 (Trung bình 24 giờ)

 3.2. Biến động PM theo mùa trong năm

Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa, tuy nhiên hai miền bắc, nam lại có những đặc trưng thời tiết khác nhau. Phía bắc có 4 mùa: xuân, hè, thu, đông với hai mùa gió chính: gió mùa đông bắc lạnh và khô vào mùa đông tạo nên mùa đông lạnh (từ tháng 9 (10) tới tháng 3 (4) năm sau), gió tây nam nóng khô và đông nam ẩm ướt vào mùa hè (từ tháng 5 -8). Phía nam có 2 mùa: mùa khô với gió đông bắc và mùa mưa với gió tây nam.

Xu hướng biến động của PM₁₀ và PM_2.5 tại các thành phố phía bắc Việt Nam phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện thời tiết khí hậu. Mùa đông, gió mùa Đông Bắc mang bụi từ các nguồn ở xa tới, cùng khí hậu khô, lạnh, áp suất cao làm nồng độ bụi PM trong không khí tăng cao. Ngược lại, trong mùa hè, các tỉnh thành phía bắc chịu tác động của gió Tây Nam và Đông Nam thổi ra biển hoặc lên phía Bắc, cùng những cơn mưa thường xuyên rửa trôi bụi bẩn trong không khí. Kết quả là, các tỉnh thành phía Bắc có nồng độ bụi PM trong mùa hè giảm đi rất nhiều so với mùa đông. Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra các biến động theo mùa ở miền Bắc Việt nam với các xu hướng này [5][2] [6] [4].

Dữ liệu của các trạm ở Hà Nội, Phú Thọ, Quảng Ninh là những thành phố miền Bắc thể hiện đúng các quy luật kể trên. Giá trị bụi PM₁₀ và PM_2.5 đặc biệt cao trong các tháng 10 đến tháng 3, thấp hơn trong các tháng chuyển mùa tháng 4, tháng 9, và thấp nhất trong các tháng mùa hè từ tháng 5 đến tháng 8. Huế nằm ở vùng tiếp giáp giữa Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ, nên vẫn bị tác động nhiều bởi xu hướng biến thiên theo mùa này.

Các thành phố phía nam Việt Nam, bao gồm Đà Nẵng và Nha Trang có khí hậu nhiệt đới gió mùa với nền nhiệt ổn định, ít biến động, nên nồng độ bụi PM₁₀ và PM_2.5 giữa các tháng trong năm không có sự khác biệt rõ rệt.

Hình 2. Trung bình tháng của PM₁₀ và PM_2.5 tại các trạm quan trắc trong giai đoạn từ khi lắp đặt trạm đến 10/2018

 3.3. Biến động PM giữa các giờ trong ngày

Các trạm quan trắc của 6 thành phố đều là những trạm đặt tại khu vực giao thông, do đó nồng độ PM₁₀ và PM_2.5 tăng cao rõ rệt vào các giờ cao điểm buổi sáng (từ 7-8 giờ) và chiều (18-19 giờ), giảm xuống thấp nhất vào giữa trưa (13-14 giờ) và ban đêm (23h-1h). Xu hướng này thể hiện rõ ở các trạm phía bắc, do các trạm này được đặt tại các tuyến đường có lưu lượng xe cộ lớn (Nguyễn Văn Cừ - Hà Nội, Hùng Vương – Việt Trì, Hồng Hà – Hạ Long). Các trạm đặt tại các tuyến đường có mật độ giao thông không cao (Hùng Vương – Huế, Lê Duẩn – Đà Nẵng, Đồng Đế - Nha Trang) sự sai khác giữa giờ cao điểm và các giờ khác không nhiều.

Hình 3. Diễn biến nồng độ bụi PM₁₀ và PM_2.5 trong ngày tại các trạm quan trắc trong giai đoạn từ khi lắp đặt trạm đến 10/2018

 3.4. Tỷ lệ PM_2.5 trong PM₁₀

Phân bố kích cỡ hạt điển hình của các hạt lơ lửng trong không khí bao gồm một tỉ lệ khá lớn bụi mịn (PM2.5) [12]. Tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ đã được nhiều nghiên cứu trên thế giới thực hiện và thường giao động trong khoảng từ 0,5-0,8. Chẳng hạn, tỷ lệ PM_2.5/PM₁₀ tại Milan (Italia) là 0,61 - 0,63 [7]; tại Bắc Kinh (Trung Quốc) là 0,54 [8]; tại Hông Kông (Trung Quốc) là 0,53 - 0,78 [9]; tại Thụy Sĩ là 0,75 – 0,76 [10]; và tại Trung và Đông Âu là 0,55 – 0,78 [11].

Tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ giữa các khu vực khác nhau phụ thuộc chủ yếu vào nguồn gốc sinh ra bụi và có sự thay đổi theo các mùa trong năm. Kết quả tính toán cho 06 trạm quan trắc không khí tại Việt Nam cho thấy tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ trung bình nằm trong khoảng 0,57 – 0,72 (Bảng 3).

Bảng 3. Tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ tại các trạm quan trắc

Bụi mịn PM_2.5 và bụi thô PM_10-2.5 khác nhau tương đối về thành phần vật lý và hoá học. Chúng thường có nguồn gốc khác nhau hoặc do các hoạt động khác nhau của một nguồn phát sinh. Bụi thô thường có là các vật chất có nguồn gốc từ địa chất, sinh ra từ các hoạt động cơ học. Bụi mịn bao gồm chính là các vật chất thứ cấp, được hình thành trong không khí từ các phản ứng hoá học, bao gồm cả các sol khí.

Tỉ lệ bụi PM_2.5/PM₁₀ có sự thay đổi khá rõ theo mùa, các tháng mùa khô (từ tháng 10 tới tháng 4 năm sau), tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ cao hơn so với các tháng mùa mưa (từ tháng 5 tới tháng 9). Điều này cho thấy, vào mùa khô, tỷ lệ các vật chất thứ cấp chiếm tỷ lệ cao hơn do có thể do phát thải từ việc đốt nhiên liệu nhiều hơn; điều khí khí hậu khô, ít mưa làm giảm khả năng làm sạch không khí; có thể do vận chuyển từ xa đối với bụi mịn trong thời gian gió mùa đông bắc.

Ngược lại, vào mùa mưa (mùa hè) do lượng mưa nhiều, nhiệt độ cao làm tăng khả năng phát tán của các khí và các vật chất thứ cấp nên tỷ lệ PM_2.5 cũng giảm đi rõ rệt. Ngoài ra, trong mùa hè, hướng gió chủ đạo là gió tây nam và đông nam từ biển thổi vào không làm gia tăng nồng độ bụi mịn.

Hình 4. Tỉ lệ PM₁₀/PM_2.5 theo tháng tại các trạm quan trắc trong giai đoạn từ khi lắp đặt trạm đến 10/2018

Sự biến động của tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ trong ngày có ảnh hưởng rất lớn do sự đóng góp của bụi thô. Thời gian buổi tối (từ 21h tới 6h sáng hôm sau) tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ cao hơn so với thời gian ban ngày (từ 7h đến 19h). Tỷ lệ PM_2.5/PM₁₀ thấp vào ban ngày cho thấy có sự đóng góp đáng kể từ các nguồn sơ cấp như bụi đường và các hoạt động cơ giới (làm tăng nồng độ bụi thô PM_10-2.5).

Hình 5. Tỉ lệ PM₁₀/PM_2.5 theo giờ tại các trạm quan trắc trong giai đoạn từ khi lắp đặt trạm đến 10/2018

            Kết luận

Kết quả phân tích dữ liệu bụi (PM₁₀, PM_2.5) cho thấy có sự khác biệt khá lớn giữa các đô thị miền Bắc và duyên hải nam Trung bộ. Tại các trạm quan trắc ở các đô thị lớn miền Bắc nồng độ bụi thường vượt quá giới hạn của QCVN 05:2013/BTNMT. Tại các trạm quan trắc ở các đô thị miền Trung và nam Trung bộ, nồng độ bụi thấp hơn và xấp xỉ so với QCVN 05:2013/BTNMT. Biến động nồng độ bụi theo mùa tại miền Bắc rất rõ (từ tháng 10 đến 4 nồng độ bụi cao hơn so với từ tháng 5 đến tháng 9), còn tại miền Trung và nam Trung bộ sự khác biệt giữa các tháng là không rõ rệt. Các trạm quan trắc đều đặt tại khu vực giao thông do đó nồng độ bụi tăng cao rõ rệt vào các giờ cao điểm buổi sáng (từ 7-8 giờ) và chiều (18-19 giờ), giảm xuống thấp nhất vào giữa trưa (13-14 giờ) và ban đêm (23h-1h). Tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ trung bình tại các trạm quan trắc nằm trong khoảng 0,57 – 0,72. Tỉ lệ bụi PM_2.5/PM₁₀ có sự thay đổi khá rõ theo mùa, các tháng mùa khô (từ tháng 10 tới tháng 4 năm sau), tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ cao hơn so với các tháng mùa mưa (từ tháng 5 tới tháng 9). Thời gian buổi tối (từ 21h tới 6h sáng hôm sau) tỉ lệ PM_2.5/PM₁₀ cao hơn so với thời gian ban ngày (từ 7h đến 19h).

            Tài liệu tham khảo

[1]      Z. H. Zhang, A. Khlystov, L. K. Norford, Z. K. Tan, and R. Balasubramanian, “Characterization of traffic-related ambient fine particulate matter (PM2.5) in an Asian city: Environmental and health implications,” Atmos. Environ., vol. 161, pp. 132–143, 2017.

[2]      N. T. Kim Oanh et al., “Particulate air pollution in six Asian cities: Spatial and temporal distributions, and associated sources,” Atmos. Environ., vol. 40, no. 18, pp. 3367–3380, 2006.

[3]      Y. Wang, Q. Ying, J. Hu, and H. Zhang, “Spatial and temporal variations of six criteria air pollutants in 31 provincial capital cities in China during 2013-2014,” Environ. Int., vol. 73, pp. 413–422, 2014.

[4]      H. Xuan Co, Hoang; Trung Dung, Nghiem; Thi Kim Oanh, Nguyen; Thanh Hang, Nguyen; Hong Phuc, Phuc; Anh Le, “Levels and Composition of Ambient Particulate Matter at a Mountainous Rural Site in Northern Vietnam,” Aerosol Air Qual. Res., pp. 1917–1928, 2014.

[5]      P. D. Hien, V. T. Bac, H. C. Tham, D. D. Nhan, and L. D. Vinh, “Influence of meteorological conditions on PM 2.5 and PM 2.5− 10 concentrations during the monsoon season in Hanoi, Vietnam,” Atmos. Environ., vol. 36, no. 21, pp. 3473–3484, 2002.

[6]      C. Dung Hai and N. T. Oanh, “Effects of local, regional meteorology and emission sources on mass and compositions of particulate matter in Hanoi,” Atmos. Environ., vol. 78, 2012.

[7]      G. M. Marcazzan, S. Vaccaro, G. Valli, and R. Vecchi, “Characterisation of PM10 and PM2.5 particulate matter in the ambient air of Milan ( Italy ),” Atmos. Environ., vol. 35, pp. 4639–4650, 2001.

[8]      Y. SUN, Z. GUOSHUN, T. AOHAN, W. YING, and A. ZHISHENG, “Chemical Characteristics of PM2.5 and PM10 in Haze - Fog Episodes in Beijing,” Environ. Sci. Technol., vol. 40, no. 10, pp. 3148–3155, 2006.

[9]      A. E. I. Asia et al., “Characterization of chemical species in PM2.5 and PM10 aerosols in Hong Kong,” Atmos. Environ., vol. 37, pp. 31–39, 2003.

[10]   R. Gehrig and B. Buchmann, “Characterising seasonal variations and spatial distribution of ambient PM10 and PM2.5 concentrations based on long-term Swiss monitoring data,” Atmos. Environ., vol. 37, pp. 2571–2580, 2003.

[11]   J. S. Pastuszka et al., “PM10 and PM2.5 concentrations in Central and Eastern Europe : results from the Cesar study,” Atmos. Environ., vol. 35, pp. 2757–2771, 2001.

[12]   Edward J. Bouwer, “Investigative Strategies for Lead-Source Attribution at Superfund Sites Associated with Mining Activities” , Chapter: 3 Environmental Dispersal of Lead, 2017.

Particulate matter pollution in some cities in Vietnam - Temporal variations and spatial distribution of ambient PM₁₀ and PM_2.5 concentrations

Le Hoang Anh, Duong Thanh Nam, Vuong Nhu Luan

North Centre for Environmental Monitoring

Vietnam Administration Environment

Abstract

Particulate Matter (PM10, PM2.5) data were collected from 06 monitoring stations at 6 cities: Hà Nội, Hạ Long (Quảng Ninh), Việt Trì (Phú Thọ), Huế (Thừa Thiên Huế), Đà Nẵng, Nha Trang (Khánh Hoà). This study found that there is a large difference between Particulate Matter (PM10, PM2.5) data in Northern urban areas and that in South Central Coast. At monitoring stations in large Northern urban areas, the PM concentrations often exceed the limit of QCVN 05: 2013/BTNMT. At those in the central and southern central urban areas, the PM concentrations are found lower and quite close to that of QCVN 05: 2013/BTNMT. Seasonal variations of PM concentrations in the North seem very clear (PM concentrates higher in dry season than ones in rainy season), while Seasonal variations of PM concentrations in Central and Southern Centre are considerably remarkable. Monitoring stations are mostly located in the traffic area therefore the PM concentrations increases markedly in the rush hours (morning from 7-8AM and afternoon from 6-7PM), the dust concentration decreases to the lowest at midday (1-2PM hours) and at night (11PM-1AM). The average PM2.5 / PM10 ratio at the monitoring stations ranged from 0.57 to 0.72. The ratio of dust PM2.5/PM10 varies significantly with seasons, found high in dry season (from October to April) than it in rainy seasons (from May to September). At nighttime (from 9PM to 6AM), the ratio of dust PM2.5/ PM10 is higher than it in daytime (from 7AM-7PM).

Keyword: Particulate matter pollution, PM₁₀, PM_2.5, PM_2.5/PM₁₀, ambient air