Luận án Nghiên cứu quy hoạch giao thông vận tải đường bộ đô thị ở Việt Nam theo hướng giảm nhẹ biến đổi khí hậu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHẠM ĐỨC THANH NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐƯỜNG BỘ ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM THEO HƯỚNG GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHẠM ĐỨC THANH NGHIÊN CỨU QUY HOẠCH GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐƯỜNG BỘ ĐÔ THỊ Ở VIỆT NAM THEO HƯỚNG GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 62 58 02 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS NGUYỄN QUANG ĐẠO 2. GS.TS PHẠM CAO THĂNG HÀ NỘI - NĂM 2016 -i- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 15 tháng 01 năm 2016 Tác giả Phạm Đức Thanh -ii- LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Quang Đạo và GS.TS Phạm Cao Thăng đã giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Bộ môn Cầu đường - Sân bay, Viện Kỹ thuật Công trình Đặc biệt, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận án. Tác giả xin cảm ơn Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh. Tác giả xin cảm ơn các thầy, các đồng nghiệp ở Bộ môn Đường ô tô – Đường thành phố, Khoa Cầu đường, Đại học Xây dựng đã có nhiều giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay. Hà Nội, ngày 15 tháng 01 năm 2016 Tác giả Phạm Đức Thanh -iii- MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... II MỤC LỤC ................................................................................................................... III THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................................ VII DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... VIII DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................... X MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 5 1.1 Một số khái niệm về quy hoạch GTVT có liên quan tới BĐKH ......................... 5 1.1.1 Các khái niệm cơ bản về GTVT và BĐKH ........................................................ 5 1.1.2 Nguyên nhân và ảnh hưởng của hiện tượng BĐKH .......................................... 8 1.1.3 Tác động tương hỗ giữa BĐKH và hệ thống GTVT ........................................ 11 1.1.4 Tình hình quy hoạch giao thông vận tải đô thị của Việt Nam hiện nay ........... 15 1.1.5 Các yếu tố và giải pháp cơ bản giảm phát thải KNK và tiêu thụ nhiên liệu của các phương tiện GTVT ....................................................................................... 16 1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam về quy hoạch GTVT liên quan tới giảm nhẹ BĐKH ........................................................................................... 19 1.2.1 Tiến trình thực hiện giảm nhẹ BĐKH trên thế giới và tại Việt Nam ............... 19 1.2.2 Các nghiên cứu về xây dựng khung tiêu chí cho quy hoạch GTVT ................ 20 1.2.3 Các nghiên cứu về tính toán phát thải KNK và tiêu thụ nhiên liệu của các phương tiện giao thông đường bộ ............................................................................. 22 1.2.4 Các nghiên cứu về giảm phát thải KNK trong quy hoạch GTVT .................... 22 1.2.5 Các nghiên cứu về quy hoạch phương tiện, dạng đô thị và cấu trúc không gian đô thị có liên quan tới phát thải KNK ............................................................... 23 1.3 Nhận xét rút ra từ tổng quan ............................................................................... 24 1.4 Các vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu ........................................................... 25 CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG KHUNG TIÊU CHÍ TRONG QUY HOẠCH GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐƯỜNG BỘ ĐÔ THỊ THEO HƯỚNG GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ............................................................................................................. 26 2.1 Cở sở khoa học và thực tiễn xây dựng khung tiêu chí ....................................... 26 2.1.1 Khái niệm về tiêu chí ........................................................................................ 26 -iv- 2.1.2 Cơ sở pháp lý hiện hành và kết quả nghiên cứu trong nước ............................ 29 2.1.3 Từ xu thế của thế giới và các kết quả nghiên cứu ở nước ngoài ...................... 30 2.2 Kiến nghị khung tiêu chí và các giải pháp tổng thể ........................................... 31 2.2.1 Xây dựng khung tiêu chí trong quy hoạch GTVT đường bộ đô thị theo hướng giảm nhẹ BĐKH ............................................................................................. 31 2.2.2 Các giải pháp tổng thể trong quy hoạch GTVT theo hướng giảm nhẹ BĐKH 33 2.3 Vận dụng khung tiêu chí vào quy hoạch GTVT ................................................ 35 2.4 Kết luận chương 2 ................................................................................................. 36 CHƯƠNG 3. QUY HOẠCH MẠNG LƯỚI ĐƯỜNG VÀ TUYẾN THEO HƯỚNG GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ........................................................... 37 3.1 Cơ sở khoa học quy hoạch mạng lưới đường và tuyến theo hướng giảm nhẹ BĐKH ........................................................................................................................... 37 3.1.1 Ba bài toán kinh điển trong quy hoạch MLĐ lý thuyết .................................... 37 3.1.2 Các mô hình tính lượng khí phát thải và nhiên liệu tiêu thụ của các phương tiện giao thông đường bộ ........................................................................................... 39 3.1.3 Bài toán tìm đường đi ngắn nhất trong lý thuyết đồ thị ................................... 44 3.1.4 Phương pháp phân tích đa mục tiêu ................................................................. 44 3.2 Phương pháp thực nghiệm xây dựng mô hình tính lượng khí phát thải của các phương tiện giao thông đường bộ đô thị ở Việt Nam ........................................ 46 3.2.1 Địa điểm, đặc điểm mẫu và số lượng mẫu thí nghiệm ..................................... 46 3.2.2 Phương pháp và quy trình đo khí thải .............................................................. 47 3.2.3 Cách đo và xử lý số liệu đo ............................................................................. 48 3.2.4 Tính toán vận tốc xe chạy từ vòng tua động cơ ............................................... 50 3.2.5 Tính toán hàm lượng lượng phát thải theo g/km .............................................. 51 3.2.6 Các bước xây dựng mô hình tính toán khí thải từ số liệu thực nghiệm ........... 51 3.3 Kết quả xây dựng mô hình tính khí thải của ô tô con ở Việt Nam ................... 52 3.3.1 Xây dựng mô hình tính khí thải của ô tô con ở Việt Nam ............................... 52 3.3.2 So sánh mô hình tính khí thải tác giả xây dựng và mô hình COPERT ............ 56 3.3.3 Bình luận về các yếu tố thực tế ảnh hưởng đến kết quả xây dựng mô hình tính khí thải ................................................................................................................ 56 3.3.4 Ứng dụng kết quả mô hình tính khí thải cho các loại ô tô con ở Việt Nam ..... 56 3.4 Kết quả quy hoạch mạng lưới đường lý thuyết theo hướng giảm nhẹ BĐKH 57 -v- 3.4.1 Xét bài toán 1: bài toán đường nối theo mục tiêu tối ưu phát thải KNK và tiêu thụ nhiên liệu ...................................................................................................... 57 3.4.2 Xét bài toán 2: bài toán đường nhánh theo mục tiêu tối ưu phát thải KNK và tiêu thụ nhiên liệu ...................................................................................................... 60 3.4.3 Xét bài toán 3: bài toán lưới đường có quan hệ vận tải tam giác theo mục tiêu tối ưu phát thải KNK và tiêu thụ nhiên liệu ....................................................... 63 3.4.4 Ý kiến của tác giả về việc ứng dụng 3 bài toán quy hoạch MLĐ lý thuyết theo mục tiêu tối ưu phát thải khí và tiêu thụ nhiên liệu vào thực tế ........................ 67 3.4.5 Bình luận về việc phân tích đa mục tiêu trong quy hoạch MLĐ lý thuyết ...... 68 3.5 Kết quả quy hoạch tuyến đường giao thông theo hướng giảm nhẹ BĐKH ..... 69 3.5.1 Nội dung bài toán ............................................................................................ 69 3.5.2 Các bước của thuật toán Dijkstra .................................................................... 69 3.5.3 Xây dựng chương trình .................................................................................... 70 3.5.4 Ví dụ số ............................................................................................................. 71 3.5.5 Ứng dụng bài toán tìm tuyến đường đi tối ưu phát thải KNK và tiêu thụ nhiên liệu trong thực tế .............................................................................................. 72 3.6 Kết luận chương 3 ................................................................................................. 75 CHƯƠNG 4. LỰA CHỌN TỶ LỆ PHƯƠNG TIỆN VÀ DẠNG ĐÔ THỊ THEO HƯỚNG GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ........................................................... 76 4.1 Cơ sở khoa học và thực tiễn chọn tỷ lệ phương tiện và dạng đô thị theo hướng giảm nhẹ BĐKH .............................................................................................. 76 4.1.1 Khái niệm ......................................................................................................... 76 4.1.2 Giới thiệu các mô hình phát triển không gian đô thị ........................................ 77 4.1.3 Đặc điểm dạng đô thị trải rộng và dạng đô thị nhỏ gọn ................................... 82 4.1.4 Tác động của phương tiện giao thông đô thị tới hình dạng đô thị ................... 85 4.1.5 Ba giai đoạn phát triển phương tiện của thời đại ô tô và đường cao tốc .......... 87 4.1.6 Các tổ hợp và tỷ lệ phương tiện giao thông đô thị ........................................... 88 4.1.7 Chọn phương tiện vận tải dựa trên năng lực vận chuyển, mức tiêu hao nhiên liệu và phát thải KNK bình quân giai đoạn khai thác ............................................... 89 4.2 Phương pháp điều tra khảo sát tỷ lệ sử dụng phương tiện giao thông cơ giới đường bộ đô thị ở Việt Nam ....................................................................................... 91 4.2.1 Mục đích và phương pháp điều tra ................................................................... 91 4.2.2 Phương pháp lấy mẫu ....................................................................................... 92 -vi- 4.2.3 Đối tượng điều tra ............................................................................................. 92 4.3 Kết quả lựa chọn tỷ lệ phương tiện và dạng đô thị theo hướng giảm nhẹ BĐKH ........................................................................................................................... 93 4.3.1 Điều tra tỷ lệ sử dụng phương tiện giao thông cơ giới đường bộ đô thị ở Việt Nam ................................................................................................................... 93 4.3.2 Xây dựng mối quan hệ giữa tỷ lệ phương tiện và mật độ dân cư đô thị .......... 94 4.3.3 Lựa chọn phương thức vận tải trên đường phố chính đô thị theo hướng giảm nhẹ BĐKH ................................................................................................................. 96 4.3.4 Chọn dạng đô thị có hệ thống GTVT thích hợp cho việc giảm nhẹ BĐKH .. 103 4.4 Một số ví dụ minh họa chọn tỷ lệ phương tiện và dạng đô thị ở Việt Nam theo hướng giảm nhẹ BĐKH .................................................................................... 108 4.4.1 Ví dụ chọn tỷ lệ phương tiện cho một số thành phố ở Việt Nam ................... 108 4.4.2 Quy hoạch trục đường Hùng Vương theo hướng chuỗi mô hình TOD kết hợp với tuyến xe buýt nhanh BRT nhằm giảm nhẹ BĐKH .................................... 111 4.5 Kết luận chương 4 ............................................................................................... 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 126 -vii- THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AASHTO Hiệp hội giao thông vận tải Hoa Kỳ (American Association of State Highway and Transportation Offcials) BĐKH Biến Đổi Khí Hậu COPERT Là mô hình tính toán khí thải và nhiên liệu tiêu thụ của các phương tiện giao thông đường bộ (COmputer Programme to calculate Emissions from Road Transport) EPA Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (United States Enviromental Protection Agency) EEA Cơ quan môi trường Châu Âu (European Enviroment Agency) GTCC Giao thông công cộng GTVT Giao Thông Vận Tải GDP Tổng sản phẩm quốc nội (Gross Domestic Product) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) HDM-4 Mô hình quản lý và phát triển đường bộ - 4 (Highway Development and Management System – 4) IEA Cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency) IPCC Ủy ban Liên chính phủ về BĐKH (Intergovermental Panel on Climate Change) KNK Khí nhà kính MLĐ Mạng lưới đường NBD Nước biển dâng NOx Gồm khí NO (Nitơ oxít) và khí NO2 (Nitơ đioxít) PTBV Phát triển bền vững PTVTCN Phương tiện vận tải cá nhân PTVTCC Phương tiện vận tải công cộng TDM Quản lý nhu cầu giao thông (Transportation Demand Managemnet) TOD Phát triển đô thị gắn với các đầu mối giao thông công cộng (Transit Oriented Development) UNDP Chương trình phát triển Liên Hợp Quốc (Union Nation Development Programme) VOCs Hỗn hợp các chất hữu cơ độc hại bay trong không khí làm ô nhiễm môi trường (Volatile Organic Compounds) VKT Lượng xe luân chuyển (Vehicle Kilomet Traveled) -viii- DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Hệ số quy đổi các loại khí thải và nhiên liệu sang khí CO2 (kg) ............... 7 Bảng 1.2 Mức tăng nhiệt độ và mức thay đổi lượng mưa trong 50 năm qua ở các vùng khí hậu của Việt Nam [41] ................................................................................. 8 Bảng 1.3 Mức thay đổi lượng mưa ngày lớn nhất (%) vào cuối thế kỷ 21 .......... 9 so với thời kỳ 1980-1999 theo kịch bản phát thải trung bình [6] ............................ 9 Bảng 1.4 Dân số cả nước và dân số ở đô thị Việt Nam ........................................... 15 Bảng 1.5 Tốc độ tăng trưởng phương tiện cơ giới đường bộ ở Việt Nam .............. 15 Bảng 2.1 Các tiêu chí và chỉ tiêu chung PTBV kết cấu hạ tầng giao thông [48] .... 27 Bảng 2.2 Các chỉ tiêu về tài nguyên và môi trường nhằm giám sát và đánh giá PTBV Việt Nam ........................................................................................................ 28 Bảng 2.3 Một số chỉ tiêu chủ yếu trong việc giảm cường độ phát thải KNK [18] .. 30 Bảng 2.4 Khung tiêu chí quy hoạch GTVT đường bộ đô thị theo hướng giảm nhẹ BĐKH........................................................................................................................ 31 Bảng 2.5 Đề xuất các giải pháp trong quy hoạch GTVT theo hướng giảm nhẹ BĐKH........................................................................................................................ 34 Bảng 3.1 Lượng CO2 phát thải của các loại phương tiện giao thông [46] ............. 39 Bảng 3.2 Mức tiêu hao nhiên liệu và phát thải KNK bình quân trong giai đoạn khai thác của các loại phương tiện [95] ............................................................................ 39 Bảng 3.3 Lượng khí phát thải của các loại phương tiện giao thông đường bộ ....... 40 Bảng 3.4 Khí thải của các loại xe di chuyển với vận tốc thiết kế theo JTJ-005.96 [76] ............................................................................................................................ 41 Bảng 3.5 So sánh các phương pháp tính toán khí thải và nhiên liệu tiêu thụ .......... 43 Bảng 3.6 Thị phần ứng dụng của các phương pháp phân tích đa mục tiêu [79] ..... 45 Bảng 3.7 Đề xuất số lượng xe ô tô con theo tiêu chuẩn khí thải Euro 2 lấy mẫu đo khí thải ....................................................................................................................... 47 Bảng 3.8 Quan hệ khí thải và vận tốc của ô tô con theo tiêu chuẩn khí thải Euro 2 ................................................................................................................................... 52 Bảng 3.9 Thành phần dòng xe và tốc độ các loại xe trên đường chính và đường nhánh ......................................................................................................................... 60 Bảng 3.10 Thành phần xe và tốc độ tương ứng trên các đoạn đường ..................... 63 Bảng 3.11 Thành phần xe và tốc độ tương ứng trên các đoạn đường ..................... 67 -ix- Bảng 4.1 Đặc điểm của dạng đô thị trải rộng [60] [61] ............................................ 82 Bảng 4.2 Đặc điểm của dạng đô thị nhỏ gọn [63] [74] ............................................ 84 Bảng 4.3 Tổ hợp phương tiện vận tải công cộng [43] ............................................ 88 Bảng 4.4 Tỷ lệ các loại hình phương tiện theo khả năng phục vụ hành khách ....... 89 Bảng 4.5 Năng lực vận chuyển tối đa của các loại hình vận tải .............................. 91 Bảng 4.6 Tỷ lệ các đối tượng ở Hà Nội ................................................................... 92 Bảng 4.7 Thống kê đối tượng điều tra ..................................................................... 92 Bảng 4.8 Tổng hợp số lượng người chọn hình thức đi lại tương ứng với chiều dài quãng đường khác nhau trong số 1000 người khảo sát ............................................. 93 Bảng 4.9 Tỷ lệ sử dụng phương tiện giao thông cơ giới đường bộ đô thị (tác giả) 94 Bảng 4.10 Tính toán khí thải và tiêu thụ nhiên liệu của các phương án tổ chức giao thông trên đường phố chính 6 làn xe (3 làn xe cơ giới mỗi chiều) ........................... 98 Bảng 4.11 Hai phương án tỷ lệ phương tiện trên đường trục chính đô thị 6 làn xe theo mục tiêu giảm thiểu khí thải và tiêu thụ nhiên liệu (tác giả đề xuất) ................ 98 Bảng 4.12 Tính toán khí thải và tiêu thụ nhiên liệu của các phương án tổ chức giao thông trên đường phố chính 4 làn xe (2 làn xe cơ giới mỗi chiều) ........................... 99 Bảng 4.13 Phương án tỷ lệ phương tiện trên đường trục chính đô thị 4 làn xe theo mục tiêu giảm thiểu khí thải và tiêu thụ nhiên liệu (tác giả đề xuất) ........................ 99 Bảng 4.14 Tính toán khí thải và tiêu thụ nhiên liệu củ