Luận văn Xây dựng mạng lưới quan trắc bụi PM10 tỉnh Vĩnh Phúc

nh Tường, Yên Lạc, một phần thị xã Phúc Yên và huyện Tam Dương. Vùng này có đất đai bằng phẳng, thuận tiện phát triển cơ sở hạ tầng, các điểm dân cư đô thị và thích hợp cho sản xuất nông nghiệp. - Địa chất Về địa chất, trên địa bàn tỉnh Vĩnh Phúc có phân bố 6 nhóm đá khác nhau [10]: Các đá biến chất cao: phân bố ở khu vực Bắc Hương Canh, trung tâm các huyện Lập Thạch, Tam Dương tạo thành dải kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Các đá trầm tích lục nguyên màu đỏ: phân bố ở phía Đông Nam huyện Tảm Đảo, vùng Đa Phúc Các đá trầm tích lục nguyên có chứa than: phân bố thành dải hẹp ở khu vực Đạo Trù (huyện Tam Đảo). Các trầm tích Neogen lộ ra ở khu vực Tây Nam huyện Lập Thạch, dọc rìa Tây Nam huyện Tam Đảo, nằm kẹp giữa các hệ thống đứt gãy sông Chảy và sông Lô. Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 22 Trầm tích bở rời: các trầm tích Đệ Tứ phân bố rộng rãi ở phần phía Nam tỉnh, chạy dọc các thung lũng sông Hồng, sông Lô. Các đá phun trào: phân bố ở phần Đông Bắc tỉnh, chiếm toàn bộ dãy núi Tam Đảo, chủ yếu là đá Ryolit, một số là đaxit. Các đá macma xâm nhập: thuộc phức hệ sông Chảy, phân bố ở phía Tây Bắc huyện Lập Thạch. Đặc điểm của các đá này là giàu nhôm, giàu kiềm. b) Đặc điểm khí hậu - thủy văn - Về khí hậu, tỉnh nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm. Nhiệt độ trung bình năm từ 23,2-250C, lượng mưa trung bình hàng năm từ 1.500- 1.700mm; độ ẩm trung bình là 84-85%; số giờ nắng trong năm từ 1.400-1.800 giờ. Hướng gió thịnh hành là hướng Đông Nam thổi từ tháng 4 đến tháng 9, gió Đông Bắc thổi từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau, kèm theo sương muối [16]. Riêng vùng núi Tam Đảo có kiểu khí hậu quanh năm mát mẻ (nhiệt độ trung bình chỉ khoảng 180C) cùng với cảnh rừng núi của vườn quốc gia đã tạo ra vị thế phù hợp cho các hoạt dộng du lịch, vui chơi giải trí. Bảng 7 lượng mưa trung bình các tháng tỉnh Vĩnh Phúc Đơn vị: mm Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Trạm Vĩnh Yên 89 35,4 56,2 101,1 76,8 153,8 198,4 236 220 61,5 9 9,5 Trạm Tam Đảo 10,7 79,5 78,9 112,6 107,8 227,4 167,2 185,5 310,3 117,9 26,6 38 - Về thủy văn, tỉnh Vĩnh Phúc có nhiều sông chảy qua, sông chế độ thủy văn phụ thuộc vào 2 sông chính là sông Hồng và sông Lô. Sông Hồng chảy qua Vĩnh Phúc với chiều dài 50km, đã đem phù sa màu mỡ cho đất đai, song thời gian nước đầu nguồn tràn về cùng với lượng mưa tập trung dễ gây lũ lụt ở nhiều vùng (Vĩnh Tường, Yên Lạc). Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 23 Sông Lô chảy qua Vĩnh Phúc dài 35km, có địa thế khúc khuỷu, lòng sông hẹp, nhiều thác ghềnh nên lũ sông Lô lên xuống nhanh chóng. c) Tài nguyên thiên nhiên Tài nguyên đất Trên địa bàn tỉnh có 2 nhóm đất chính là: đất phù sa và đất đồi núi. - Đất phù sa: bao gồm các loại: + Đất bãi bồi, cồn cát, bãi cát: có khoảng 127ha phân bố ở ven sông, bãi nổi. + Đất phù sa sông Hồng được bồi hàng năm có diện tích vào khoảng 6.167ha, phân bố chủ yếu ở các xã ngoài đê của các huyện Vĩnh Tường, Yên Lạc, Lập Thạch và Sông Lô. + Đất phù sa không được bồi đắp hàng năm đất trung tính, ít chua, không glây hoặc glây yếu: diện tích khoảng 10.043ha, phân bố chủ yếu ở các xã trong đê của huyện Vĩnh Tường, Yên Lạc và phía Nam Bình Xuyên. + Đất phù sa không được bồi trung tính ít chua, glây trung bình hoặc glây mạnh chiếm khoảng 1,58% diện tích tự nhiên của tỉnh, phân bố dọc theo sông Cà Lồ chủ yếu ở các huyện Yên Lạc, Tam Dương, Bình Xuyên. + Đất phù sa màu nâu nhạt, trung tính ít chua, được bồi hàng năm của sông Lô: có diện tích khoảng 3.920ha, phân bố chủ yếu ở các huyện sông Lô, Lập Thạch. + Đất phù sa không được bồi có màu nâu nhạt trung tính, ít chua, không glây hoặc glây yếu, chiếm khoảng 2,75% diện tích tự nhiên của tỉnh. + Đất phù sa không được bồi có màu nâu nhạt, trung tính, glây trung bình hoặc glây mạnh, có diện tích khoảng 1.020ha, phân bố ở các huyện Tam Dương, Lập Thạch, Sông Lô, Vĩnh Tường. Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 24 + Đất dốc tụ ven đồi nú không bạc màu: có diện tích 11.230ha, phân bố tập trung ở các huyện Lập Thạch, Sông Lô, Bình Xuyên, Tam Dương. - Đất đồi núi: diện tích đất đồi núi của tỉnh chiếm khoảng 1/3 diện tích tự nhiên, gồm các loại đất chính như: + Đất Feralitic biến đổi do trồng lúa nước không bạc màu: diện tích khoảng 4.850ha, tập trung ở phía Bắc các huyện Tam Dương, Bình Xuyên, Lập Thạch, Sông Lô. + Đất Feralitic trên núi: diện tích khoảng 10.000ha, ở độ cao từ 150-500m, phân bố ở các huyện Lập Thạch, Sông Lô, Tam Đảo, nhiều nơi trở thành đồi núi trọc, cần phải cải tạo lại rừng. + Đất Feralitic mùn trên núi: diện tích nhỏ trên dãy núi Tam Đảo ở độ cao trên 500m. Ngoài mục đích lâm nghiệp còn có thể ươm cây giống, trồng cây dược liệu, cây xứ lạnh và rau mùa đông. Tài nguyên nước Nguồn nước mặt của trên địa bàn tỉnh khá phong phú nhờ hai hệ thống sông - sông Hồng và sông Lô cùng hệ thống các sông nhỏ như: sông Phó Đáy, sông Phan, sông Cà Lồ và hàng loạt hồ chứa (Đại Lải, Xạ Hương, Vân Trục, Đầm Vạc, Đầm Dưng, Hồ Thanh Lanh...) dự trữ khối lượng nước khổng lồ, đủ để phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt của nhân dân. Nguồn nước ngầm có trữ lượng không lớn, đạt khoảng 1 triệu m3/ngày-đêm. Hiện này nguồn nước ngầm đang được khai thác ở thành phố Vĩnh Yên và thị xã Phúc Yên (với lưu lượng 28.000m3/ngày-đêm) nhưng chất lượng hạn chế. [16] Tài nguyên rừng Tính đến năm 2009, tỉnh Vĩnh Phúc có khoảng 32,7 nghìn ha đất lâm nghiệp, trong đó rừng sản xuất là 10,8 nghìn ha, rừng phòng hộ là 6,6 nghìn ha và rừng đặc Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 25 dụng là 15,4 nghìn ha. Tài nguyên rừng đáng kể nhất là Vườn Quốc gia Tam Đảo với trên 15 nghìn ha, là nơi bảo tồn nguồn gen động thực vật (có trên 620 loài cây thảo mộc, 165 loài chim thú), trong đó có nhiều loại quý hiếm được ghi vào sách đỏ như cầy mực, sóc bay, vượn... Rừng Vĩnh Phúc ngoài việc bảo tồn nguồn gen động thực vật còn có vai trò điều hòa nguồn nước, khí hậu và có thể phục vụ cho các dịch vụ thăm quan du lịch. Chính vì vậy, việc khôi phục vốn rừng đã mất, trồng thêm và tái tạo rừng là một trong những nhiệm vụ cần được quan tâm trong quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh, đặc biệt là trong việc duy trì, bảo vệ môi trường sinh thái. [16] Tài nguyên khoáng sản Theo đánh giá sơ bộ, tài nguyên khoáng sản của Vĩnh Phúc có thể chia thành các nhóm sau: Nhóm khoáng sản nhiên liệu: gồm than antraxit (trữ lượng khoảng một nghìn tấn) ở Đạo Trù, Tam đảo; than nâu ở các xã Bạch Lưu, Đồng Thịnh (Sông Lô), trữ lượng khoảng vài nghìn tấn; than bùn ở Văn Quán (Lập Thạch), Hoàng Đan, Hoàng Lâu (Tam Dương) có trữ lượng (cấp P2) 693.600 tấn, đã được khai thác làm phân bón và chất đốt. Nhóm khoáng sản kim loại: gồm Barit, đồng, vàng, thiếc, sắt... Các loại khoáng sản này được phát hiện chủ yếu ở đứt gãy Tam Đảo và rải rác ở các huyện Lập Thạch, Tam Dương, Bình Xuyên. Nhóm khoáng sản phi kim loại: chủ yếu là cao lanh, nguồn gốc phong hóa từ các loại đá khác nhau tập trung ở Tam Dương, Vĩnh Yên, Lập Thạch. Cao lanh của Vĩnh Phúc là nguyên liệu sản xuất gạch chịu lửa, đồ gốm sứ, làm chất độn cho sơn, cho cao su, cho giấy ảnh, giấy in tiền... Nhóm vật liệu xây dựng: gồm sét gạch ngói khoảng 10 mỏ với tổng trữ lượng 51,8 triệu m3, sét đồng bằng, sét vùng đồi, sét màu xám đen, xám nâu, cát sỏi Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 26 lòng sông và bậc thềm, cát cuộn sỏi xây dựng (có 4 mỏ, tổng trữ lượng 4,75 triệu m3, đá xây dựng và đá ốp lát (granit và riolit) có 3 mỏ tổng trữ lwọng 307 triệu m3, đá ong có 3 mỏ, tổng trữ lượng 49 triệu m3 Fenspat có 1 điểm, chưa đánh giá được trữ lượng. Ngoài ra, trên địa bàn tỉnh còn có 6 mỏ Puzolan, tổng trữ lượng 4,2 triệu tấn. 1.4.3 Điều kiện kinh tế - xã hội a) Dân số và nguồn nhân lực Dân số tỉnh Vĩnh Phúc theo niên giám thống kê năm 2010 là 1.008.337 người. Trong đó, dân số nam là 497.986 người (chiếm 49,5%) và dân số nữ là 510.351 người (chiếm 50,5%). Bảng 8. phát triển dân số tỉnh Vĩnh Phúc giai đoạn 2005 - 2010 TT Chỉ tiêu Đơn vị 2005 2008 2009 2010 1 Dân số trung bình 103 người 974,9 995,2 1.003,0 1.008,3 2 Tỷ lệ tăng tự nhiên Phần nghìn 12,05 14,92 14,13 13,55 3 Dân số lao động trong độ tuổi 103 người 650 688 703 718 Nguồn: [5] Có thể nhận thấy, quy mô dân số của tỉnh ở mức trung bình, dân số của tỉnh tương đối trẻ, lực lượng lao động trong độ tuổi chiếm tỷ lệ khá cao, chiếm tới 70% dân số. Về chất lượng nguồn lao động, tỷ lệ lao động qua đào tạo của tỉnh đạt 36,4% lực lượng lao động năm 2007, trong đó tỷ lệ lao động đã qua đào tạo trong các ngành nông, lâm, ngư nghiệp đạt 14,76%. Năm 2008, tỷ lệ lao động qua đào tạo tăng lên đáng kể đat 42,9%. Năm 2010, tỷ lệ này đạt 51,2%.[16]. b) Kinh tế Sau 15 năm xây dựng và phát triển, kinh tế của tỉnh luôn có tốc độ tăng trưởng ở mức cao, bình quân giai đoạn 1997-2011 đạt 17,2%/năm, trong đó công Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 27 nghiệp - xây dựng tăng 29,3%/năm, dịch vụ tăng 16,4%/năm và nông nghiệp, lâm nghiệp và thủy sản tăng 5,4%/năm. GDP bình quân đầu người (theo giá thực tế) liên tuc tăng, năm 1997 mới chỉ đạt 2,13 triệu đồng/người (tương đương 180USD/người), đến năm 2007 đã cao hơn so với mức bình quân vùng đồng bằng sông Hồng và cả nước; đến năm 2011 đạt 42,9 triệu đồng/người (tương đương 2.045USD/người).[6] c) Y tế, giáo dục - Về y tế, nhìn chung mạng lưới y tế trên địa bàn tỉnh đã đáp ứng cơ bản nhu cầu phòng bệnh và khám chữa bệnh của nhân dân tỉnh Vĩnh Phúc. Nhiều năm qua không để xảy ra các dịch bệnh lớn trên địa bàn. Chất lượng khám chữa bệnh ngày càng được nâng cao. Đảm bảo cung cấp đủ và kịp thời thuốc phòng bệnh và chữa bệnh có chất lượng. - Về giáo dục, mạng lưới các cơ sở giáo dục và đào tạo của tỉnh Vĩnh Phúc đã và đang phát triển ngày càng rộng và phân bố đều khắp các xã, thị trấn. Từ năm 2002, tỉnh đã đạt tiêu chuẩn phổ cập giáo dục tiểu học và trung học cơ sở, tỷ lệ lao động qua đào tạo ngày càng tăng nhanh: năm 2008 là 28%, năm 2010 là 51,2%. d) Cơ sở hạ tầng So với tình hình chung của cả nước, hệ thống cơ sở hạ tầng của Vĩnh Phúc khá phát triển. Cơ sở hạ tầng giao thông được đầu tư nâng cấp, phân bổ rộng khắp và đa dạng. Đến nay, 100% các tuyến Quốc lộ được cứng hóa. Hệ thống điện được quan tâm đầu tư, đến nay 100% các xã trên địa bàn tỉnh được đầu tư xây dựng trạm biến áp và hệ thống đường dây cấp điện. Hệ thống cấp nước cho các khu đô thị và khu công nghiệp, chương trình nước sạch và vệ sinh môi trường nông thôn được triển khai tích cực, tuy nhiên, hệ thống thoát nước trên địa bàn tỉnh hầu hếu mới chỉ đầu tư chắp vá, chưa có tính hệ thống và trạm xử lý chất thải tập trung. Hoạt động Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 28 bưu chính - viễn thông tiếp tục phát triển nhanh, hệ thống cáp quang đã phủ tới 100% các xã. e) Công tác vệ sinh môi trường Hoạt động thu gom chất thải rắn sinh hoạt hiện nay chưa đáp ứng được tình hình thực tế. Toàn tỉnh hiện có 2 bãi chôn lấp rác. Tuy nhiên, các bãi này chưa được thiết kế và xây dựng đạt tiêu chuẩn quy định nên không đảm bảo vệ sinh môi trường. Đối với chất thải rắn sinh hoạt ở nông thôn thì hầu như chưa được tổ chức thu gom mà chủ yếu vẫn đổ tự do gây mất mĩ quan và ô nhiễm môi trường. Các làng nghề trên địa bàn tỉnh đang phát triển nhanh chóng, tuy nhiên công tác vệ sinh môi trường chưa được quan tâm. Toàn tỉnh hiện có 22 làng nghề nhưng hầu hết đều là các cơ sở sản xuất quy mô nhỏ, nằm trong khu dân cư, công nghệ sản xuất thô sơ và mang tính thủ công nên chưa có khả năng đầu tư cho việc xử lý chất thải. Điều này đã và đang gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng trên địa bàn tỉnh. Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 29 Chương 2 - ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Bụi PM10 trong môi trường không khí tỉnh Vĩnh Phúc. - Phạm vi nghiên cứu: Toàn bộ diện tích tỉnh Vĩnh Phúc 2.2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu tổng quát: thiết lập mạng lưới các trạm quan trắc bụi PM10 cho tỉnh Vĩnh Phúc trên cơ sở đánh giá sự biến động theo không gian của số liệu quan trắc. - Mục tiêu cụ thể: + Đánh giá hiện trạng ô nhiễm bụi PM10 tỉnh Vĩnh Phúc. + Xây dựng bản đồ hiện trạng bụi PM10 thổ tỉnh Vĩnh Phúc + Thiết lập mạng lưới điểm quan trắc sơ bộ + Tối ưu hóa số lượng và vị trí của các điểm quan trắc bụi PM10. 2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Phương pháp thu thập, kế thừa Thu thập, tổng hợp, phân tích, đánh giá các tài liệu từ các nghiên cứu khác, kế thừa có chọn lọc những tài liệu này. Kết quả của phương pháp này là đánh giá được hiện trạng tài liệu (phương thức nghiên cứu, cách tiếp cận, phạm vi nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng, kết quả đạt được,...) theo các giai đoạn khác nhau để xây dựng kế hoạch khảo sát, nghiên cứu bổ sung hợp lý. 2.3.2. Phương pháp điều tra, khảo sát, phân tích Tiến hành khảo sát thực địa, điều tra chung về hiện trạng môi trường không khí, hiện trạng ô nhiễm bụi PM10, đo đạc và lấy kết quả hàm lượng bụi PM10 trong Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 30 không khí. Quá trình đo đạc giá trị nồng độ bụi được thực hiện bằng máy đo bụi cầm tay Kanomax. Tiến hành đo đạc nồng độ bụi tại 60 điểm cùng một thời điểm, đảm bảo tính đồng bộ của số liệu đo đạc tại các điểm. Quá trình đo đạc và thu thập dữ liệu được tiến hành trong năm 2011, với 2 đợt quan trắc: đợt 1 vào tháng 4/2011 và đợt 2 vào tháng 10/2011. 2.3.3. Phương pháp nội suy Trong bài toán này, để xác định các điểm xây dựng trạm quan trắc, chúng tôi tiếp cận bài toán theo phương pháp nội suy và giải bài toán bằng phương pháp tối ưu bầy kiến. Theo đó, việc thiết lập mạng quan trắc sẽ tiến hành trên cơ sở việc lựa chon loại bỏ m điểm quan trắc trong mạng lưới quan trắc sơ bộ ban đầu để kết quả nội suy từ mạng quan trắc mới giống với kết quả nội suy từ mạng quan trắc ban đầu nhất. Các bước tiến hành có thể tóm tắt như sau: - Đầu tiên, tiến hành đo đạc tại 60 điểm quan trắc và xây dựng bản đồ ô nhiễm bụi cho tỉnh Vĩnh Phúc trên cơ sở phương pháp nội suy. - Sử dụng thuật toán tối ưu bầy kiến xác định việc loại bỏ m điểm quan trắc nào sẽ cho ra sai số nội suy so với mạng lưới quan trắc ban đầu là thấp nhất. - Tổng hợp kết quả những mạng lưới quan trắc tối ưu nhất với từng giá trị m cụ thể. - Lựa chọn mạng lưới tối ưu nhất về số lượng trạm quan trắc (60-m) cũng như vị trí đặt 60-m trạm quan trắc này. Nội suy Kriging Kriging là một nhóm các kỹ thuật sử dụng trong địa thống kê để nội suy một giá trị của trường ngẫu nhiên tại điểm không được đo đạc thực tế từ những điểm được đo đạc gần đó. Hiện nay, có rất nhiều các phương pháp nội suy đã được phát triển, với độ chính xác và các trường hợp sử dụng khác nhau. Tuy nhiên, nghiên cứu này lựa Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 31 chọn phương pháp nội suy Kriging bởi các lý do như: (1) Kriging là phương pháp có độ chính xác cao khi nội suy số liệu từ tập hợp các điểm phân bố rời rạc, phân cụm hoặc phân tuyến; đa số các trường hợp này đều sử dụng Kriging là phương pháp nội suy hiệu quả nhất. (2) Trong các đánh giá chất lượng môi trường hiện nay ở Việt Nam và trên thế giới, Kriging là phương pháp nội suy được sử dụng phổ biến nhất. Vì vậy, tiếp cận bài toán thiết lập mạng quan trắc bằng phương pháp nội suy sẽ đảm bảo cho những đánh giá dựa vào dữ liệu từ các mạng lưới quan trắc (sau khi được thiết lập) sẽ ít sai lệch với hiện trạng môi trường nhất. Kriging thuộc nhóm thuật toán bình phương tối thiểu tuyến tính. Mục đích của phương pháp kriging là ước tính giá trị của một hàm số thực chưa biết f tại một điểm x* cho ra các giá trị của hàm tại các điểm khác x1,xn. Cách tính theo kriging được gọi là tuyến tính vì giá trị phỏng đoán (x*) là một tổ hợp tuyến tính được biểu diễn như sau: (x*) = ∑ ( ∗) () Các trọng số  là các đáp án của hệ các phương trình tuyến tính, được tạo ra bằng phương pháp cộng mà f là sample-path của một quá trình ngẫu nhiên F(x), và sai số (x) = F(x) - ∑ () () được giảm đến mức tối thiểu trong một số trường hợp. Ví dụ, tính theo Simple Kriging có nghĩa là tính trung bình và hiệp phương sai của F(x) đã biết và sau đó phương pháp suy đoán kriging là công cụ để tối thiểu hóa hiệp phương sai của sai số dự đoán. 2.3.4. Phương pháp tối ưu bầy kiến Tối ưu bầy kiến (Ant Colony Optimization) tuy không phải là một phương pháp hoàn toàn mới, tuy nhiên, đây lại là phương pháp đang rất được quan tâm vì Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 32 những hiệu quả nổi trội của nó so với các phương pháp khác trong việc giải các bài toán tối ưu hóa tổ hợp (Combinatorial optimization proplems). a. Hành vi của đàn kiến trong tự nhiên: Quá trình nhận thức đặc biệt của đàn kiến trong tự nhiên chỉ đơn giản là quá trình nhận thức ngẫu nhiên và hoàn toàn mò mẫm. Trong thực tế, khi nghiên cứu về loài kiến, con người đã nhận ra rằng điều quan trọng nhất tạo nên thành công và ưu thế vượt trội của cuộc sống bầy đàn so với từng cá thể đơn lẻ là hành vi liên lạc giữa các con kiến với những cá thể trong đàn dựa trên việc sử dụng pheromones - một phương pháp tạo dựng và trao đổi thông tin hiệu quả. Quá trình tiết ra vết mùi pheromones và hành vi của một số loài kiến đã được điều tra có kiểm soát trong các thử nghiệm của một số nhà nghiên cứu. Vấn đề được đem ra xem xét là quá trình lựa chọn đường đi trong quá trình tìm kiếm thức ăn của đàn kiến. Kiến luôn phải chọn con đường ngắn nhất vì chất dịch pheromone mà chúng tiết ra để đánh dấu sẽ bốc hơi theo thời gian. Một trong những thí nghiệm nổi bật nhất là thí nghiệm về chiếc cầu đôi của và các đồng nghiệp. trong thí nghiệm của mình, Deneubourg đã sử dụng một cây cầu nối tổ của đàn kiến với nguồn thức ăn. Họ chạy các thử nghiệm với tỉ lệ r = ll/ls khác nhau (với ll là chiều dài của nhánh cầu dài và ls là chiều dài của nhánh cầu ngắn hơn. Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 33 Hình 3: sơ đồ thí nghiệm chiếc cầu đôi của Deneubourg Kết quả là, với chỉ số r càng lớn thì quá trình chọn lọc nhánh cầu càng nhanh và càng hiệu quả. Khi bắt đầu, trên 2 nhánh của cây cầu đều chưa có pheromones. Do đó, các con kiến có thể chọn một trong các nhánh với cùng một xác suất. Tuy nhiên, do sự lựa chọn là ngẫu nhiên nên trong cùng một khoảng thời gian, số lượng các con kiến đi trên nhánh ls sẽ nhiều hơn số lượng kiến đi trên nhánh ll. Thêm nữa, vì những con kiến sẽ tiết pheromones trong khi di chuyển cùng với sự bay hơi của pheromones theo thời gian, dần dần mật độ pheromones trên nhánh ls sẽ càng cao hơn so với trên nhánh ll. Điều này dẫn tới việc gia tăng số lượng các cá thể kiến lựa chọn nhánh có lượng mùi pheromones lớn, và như vậy đến một thời gian nào đó tất cả đàn kiến sẽ hội tụ về cùng một nhánh ls. b. Phương pháp tối ưu bầy kiến Nhận thấy những ưu điểm vượt trội trong hành vi bầy đàn của kiến, từ những năm 90 của thế kỉ trước, các nghiên cứu đã cố gắng xây dựng những mô hình phỏng sinh học nhằm ứng dụng hành vi của các đàn kiến trong tự nhiên để giải quyết những bài toán khó tìm ra lời giải bằng các phương pháp thông thường. Một trong những bài toán như thế là bài toán người đi du lịch - TSP. Tổ kiến Thức ăn ls ll Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 34 Trong bài toán TSP, mục đính là tìm đường đi ngắn nhất giữa các thành phố. Mỗi một cá thể kiến tại thành phố i là một tác nhân cập nhật pheromones trên mỗi đoạn đường nó đi qua và sau đó chọn lựa thành phố j tiếp theo với một xác suất phụ thuộc vào khoảng cách dij (từ thành phố i tới thành phố j) và mật độ pheromones trên đoạn đường đó (τij). τij trên mỗi đoạn i-j được cập nhập theo công thức: Trong đó, 1-ρ biểu thị sự bay hơi của pheromones giữa lần cập nhập thứ t và t+1; Trong đó, ∆() là sự thay đổi pheromones do kiến k di chuyển từ thành phố i-j; còn m là tổng số lượng kiến trong một đàn. ∆() được cho bởi công thức: ∆() = ê ê đ ̣ℎ () â 0, ườ ℎợ ℎ́ Trong đó, Q là hệ số liên quan đến lượng các vệt mùi đã đi qua của kiến; là tổng chiều dài tuyến đường mà kiến k đi qua. e • ∆() là chiến lược kiến ưu thế; trong đó, e là hệ số pheromones ưu thế, nó là một số nguyên; ∆() là chỉ số pheromone của những con kiến tốt nhất mỗi lần lặp, ∆() = Q/ , trong đó là chiều dài đường đi của kiến ưu thế. Điều này sẽ định hướng đàn kiến tới giải pháp tốt nhất với xác suất lớn nhất. Tiếp theo, những con kiến quyết định thành phố j tiếp theo sẽ đến từ thành phố i theo xác suất được tính bởi công thức: Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 35 (t) = () ∑ [()][]∈ với j Trong đó, ηij = 1/dij, với dij là khoảng cách giữa hai thành phố; và β là hệ số điều chỉnh mối tương quan giữa pheromone và ηij (nếu = 0 thì các thành phố gần nhất sẽ có khả năng được chọn cao nhất; nếu β = 0 thì chỉ có các thông tin về pheromone được sử dụng và xác suất (t) không phụ thuộc vào khoảng cách giữa các thành phố, điều này làm cho các kết quả tìm kiếm được nghèo nàn và bài toán dễ rơi vào trường hợp cực tiểu địa phương). là các thành phố láng giềng có thể đi qua của kiến k khi nó ở thành phố i (là tập hợp các thành phố chưa được kiến k đi qua). Tóm lại, với việc phân tích nồng độ pheromones trên các đoạn đường nối giữa các thành phố và quy luật xác suất trên, thì xác suất lựa chọn đoạn đường (i, j) tăng lên khi mà mùi và chỉ số ηij tương ứng của đường đi đó tăng lên. Như vậy, chỉ cần xác định được điểm khởi đầu, điểm kết thúc của kiến, số lượng và vị trí các thành phố mà kiến sẽ đi qua, các thông số về pheromone là có thể tìm được đường đi ngắn nhất qua các thành phố. 2.3.4. Thiết lập mạng lưới quan trắc trên cơ sở tối ưu hóa sai số nội suy bằng phương pháp tối ưu bầy kiến Trong nghiên cứu này, việc ước lượng nồng độ tại một điểm bất kì được xác định bằng phương pháp nội suy Kriging Với mục đích làm giảm số lượng điểm quan trắc mà sai số dữ liệu đo đạc so với mạng lưới quan trắc ban đầu là nhỏ nhất nghiên cứu này đã tiếp cận trực tiếp vào nguyên nhân làm xuất hiện sai số khi giảm số lượng các điểm quan trắc: chính là việc nội suy số liệu vùng nghiên cứu dựa trên một số lượng nhỏ hơn các điểm quan trắc so với 60 điểm ban đầu Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 36 Khi loại bỏ một điểm quan trắc sơ bộ i bất kì trong mạng lưới quan trắc ban đầu, số liệu tại điểm i sẽ được nội suy từ các điểm khác trong mạng lưới quan trắc mới. Và quá trình này sẽ làm xuất hiện sai số khi so sánh kết quả nội suy tại điểm i (trong mạng lưới quan trắc mới) với kết quả quan trắc tại điểm i trong mạng lưới ban đầu. Mức chênh lệch được tính theo công thức: d = , − Trong đó:  d là chênh lệch giữa nồng độ quan trắc trực tiếp với nồng độ nội suy từ các điểm khác;  , là nồng độ tại điểm i được nội suy từ các điểm còn lại;  là nồng độ quan trắc được tại điểm i trong mạng lưới ban đầu. Tuy nhiên, nếu chỉ sử dụng công thức này sẽ không thể đánh giá được mức độ biến thiên của dữ liệu ở những điểm có nồng độ khác nhau. Chẳng hạn, sự thay đổi 0.05mg/m3 ở điểm có nồng độ 0,1mg/m3 sẽ có ý nghĩa hơn rất nhiều so với điểm có nồng độ 1mg/m3. Từ đó, đề tài đã tính sai số nội suy tại từng điểm bằng cách sử dụng công thức: ηi = , (,,) Trong đó, ηi là sai số dữ liệu khi loại bỏ một điểm quan trắc sơ bộ i bất kỳ - hay cũng có thể gọi là sai số nội suy tương đối. Nếu sai số nội suy ηi càng lớn thì có nghĩa là không thể nội suy nồng độ tại điểm i từ các điểm xung quanh; ngược lại, nếu sai số nội suy ηi càng nhỏ thì chứng tỏ nồng độ tại điểm i có thể nội suy từ các điểm xung quanh và đây là một trong những điểm bị loại bỏ tiềm năng Nguyễn Đình Phúc Lớp cao học K18 - Chuyên ngành Quản lý Môi trường 37 Khi tiến hành loại bỏ m điểm quan trắc sơ bộ, sự mất mát thông tin (hay sai lệch so với kết quả ban đầu) có thể được định lượng dựa trên sai số nội suy trung bình (AIE - average interpolation error) AIE = ∑ ( , (,, ) Trong đó:  AIE là sai số dữ liệu của toàn bộ khu vực nghiên cứu khi nội suy nồng độ tại 60-m điểm dựa trên giá trị quan trắc tại