Tài liệu Xác lập cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ cẩm phả, quảng ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊA TIN HỌC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT VÙNG MỎ CẨM PHẢ, QUẢNG NINH LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊA TIN HỌC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT VÙNG MỎ CẨM PHẢ, QUẢNG NINH NGÀNH : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ MÃ SỐ : 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS KIỀU KIM TRÚC 2. TS VƯƠNG TRỌNG KHA HÀ NỘI 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan. Nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Lệ Hằng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................... ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU............................... Error! Bookmark not defined. DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................... xi MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 4 3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 4 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................... 5 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 5 6. Những điểm mới của luận án ...................................................................... 6 7. Luận điểm bảo vệ ....................................................................................... 6 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 6 9. Cơ sở tài liệu thực hiện luận án .................................................................. 7 10. Cấu trúc luận án........................................................................................ 7 11. Lời cảm ơn ............................................................................................... 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................ 9 1.1 Khái niệm nước mặt và đánh giá chất lượng nước mặt ............................. 9 1.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt .................................. 13 1.2.1 Nước thải sinh hoạt.............................................................................. 13 1.2.2 Nước thải công nghiệp......................................................................... 15 1.2.3 Nước thải y tế ...................................................................................... 17 1.2.4 Nước thải nông nghiệp ........................................................................ 17 1.3 Sử dụng chỉ số WQI đánh giá chất lượng nước mặt ................................ 17 iii 1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng CSLD và đánh giá chất lượng nước mặt .............................................. 20 1.4.1 Trên thế giới ........................................................................................ 20 1.4.2 Trong nước .......................................................................................... 29 1.5 Khai thác khoáng sản và ảnh hưởng của nó tới chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh ............................................................................ 37 1.5.1 Tài nguyên nước mặt ở vùng mỏ Quảng Ninh ..................................... 37 1.5.2 Ảnh hưởng của khai thác khoáng sản tới chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh .................................................................................. 39 1.6 Tiểu kết chương 1................................................................................... 47 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG ĐỊA TIN HỌC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT ............................................................................................... 48 2.1 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp ứng dụng địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá chất lượng môi trường nước mặt ................................ 48 2.1.1 Khái niệm về Địa tin học và CSLD ..................................................... 48 2.1.2 Khả năng ứng dụng kỹ thuật địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt ............................................................. 50 2.2 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt ... 55 2.3 Phương pháp tính toán chỉ số WQI ......................................................... 58 2.4 Ứng dụng kỹ thuật địa tin học khai thác CSDL chất lượng nước mặt ..... 61 2.4.1 Thành lập bản đồ chất lượng nước mặt bằng phương pháp nội suy...... 61 2.4.2 Phân tích thống kê không gian ............................................................. 63 2.4.3 Mô hình hóa chất lượng môi trường nước............................................ 65 2.5 Lựa chọn công nghệ phù hợp với vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh......... 68 2.5.1 Kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm môi trường trong xây dựng CSDL nước mặt ........................................................................................... 68 iv 2.5.2 Tích hợp tư liệu viễn thám và GIS ....................................................... 70 2.6 Tiểu kết chương 2................................................................................... 76 CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH ................................................................................. 77 3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu ................................................................ 77 3.2 Đặc điểm tư liệu sử dụng trong luận án .................................................. 80 3.2.1 Số liệu quan trắc chất lượng nước mặt ................................................. 80 3.2.2 Dữ liệu viễn thám ................................................................................ 83 3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ............................................................................................................. 86 3.4 Khai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá, giám sát chất lượng môi trường nước mặt .................................................................................... 88 3.4.1 Xây dựng bản đồ chuyên đề các thông số môi trường nước mặt .......... 88 3.4.2 Đánh giá chất lượng nước mặt bằng phương pháp thống kê ............... 90 3.4.3 Đánh giá biến động hàm lượng các thông số chất lượng nước theo quý... 97 3.4.4 Đánh giá chất lượng nước mặt bằng chỉ số WQI ............................... 100 3.4.5 Xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt bằng tư liệu viễn thám ........................................................................................................... 114 3.5 Kết luận chương 3 ................................................................................ 128 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 133 PHỤ LỤC 1............................................................................................... 144 PHỤ LỤC II.............................................................................................. 156 v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT 1 Từ viết tắt Nghĩa tiếng Việt GIS - Geographical Information System Hệ thông tin địa lý 2 WQI - Water Quality Index Chỉ số chất lượng nước 3 TSS - Total Suspended Sediment Tổng chất rắn hòa tan 4 5 BOD - Biochemical Oxygen Demain NSMI - Normalized Suspended Material Index Nhu cầu oxi sinh hóa Chỉ số vật chất lơ lửng chuẩn hóa 6 COD Hàm lượng chất hóa học hòa tan 7 SWAT Mô hình thủy văn, thủy lực SWAT 8 SPOT Vệ tinh SPOT 9 TKV Tập đoàn Than Khoáng sản Việt Nam 10 CSDL Cơ sở dữ liệu 11 IDW 12 NIR - Near Infrared Cận hồng ngoại 13 SWIR - Shortware Infrared Hồng ngoại sóng ngắn 14 QCVN Quy chuẩn Việt Nam 15 RGB Red - Green - Blue 16 IWRA 17 UNECE Phương pháp nội suy khoảng cách ngược có trọng số International Water Resources Association United Nations Commission for Europe Economic vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng lượng nước thải và thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải từ các khu công nghiệp [20] .................................................................. 16 Bảng 1.2 Bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước [21] ...................................................................................................... 20 Bảng 2.1 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng nước [42] ...................................................................................................... 54 Bảng 2.2. Bảng quy định các giá trị qi, BPi ................................................... 59 Bảng 3.1 Tên trạm quan trắc và các thông số môi trường nước mặt vùng Cẩm Phả ............................................................................................................... 82 Bảng 3.2 Đặc điểm các kênh phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ........................... 84 Bảng 3.3 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý I - 2012................. 102 Bảng 3.4 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý II- 2012 ................ 103 Bảng 3.5 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý III- 2012 ............... 104 Bảng 3.6 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý IV- 2012 ............... 105 Bảng 3.7 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý I - 2014................. 105 Bảng 3.8 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý II – 2014 ............... 106 Bảng 3.9 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý III - 2014 .............. 107 Bảng 3.10 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý IV - 2014 ............ 108 Bảng 3.11 WQI năm cho các quý và cho cả năm 2012 ............................... 110 Bảng 3.12 WQI năm cho các quý và cho cả năm 2014 ............................... 111 Bảng 3.13 Bảng đánh giá CLN mặt tại các điểm quan trắc trong các quý I ÷ IV 2012 ...................................................................................................... 112 Bảng 3.14 Bảng đánh giá CLN mặt tại các điểm quan trắc trong các quý I ÷ IV 20141........................................................................................................................ 13 vii Bảng 3.15 Hàm lượng chất lơ lửng trong nước biển ven bờ Cẩm Phả, Quảng Ninh tại các trạm quan trắc và điểm lấy mẫu quý 1 và 4 năm 2016 ............ 116 Bảng 3.16 So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentienl2A ngày 16/04/2016 ................................................................................... 124 Bảng 3.17 So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentienl2A ngày 02/12/2016 ................................................................................... 124 Bảng 3.18 Hàm lượng NH4+ trong nước biển ven bờ Cẩm Phả, Quảng Ninh tại các trạm quan trắc và điểm lấy mẫu quý 1 và 4 năm 2016 ..................... 125 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tỉ lệ phân bố tài nguyên nước theo các lưu vực sông [19] ............. 10 Hình 1.2 Tỉ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt [19] ....................................................................................... 14 Hình 1.3 Nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm ở Quảng Ninh (nguồn: internet) . 15 Hình 1.4 Vị trí một số trạm quan trắc trong nghiên cứu của Alssgeer et al. (2017)........................................................................................................... 22 Hình 1.5 Giao diện ứng dụng GIS phục vụ quản lý chất lượng nước mặt trong nghiên cứu của Boubakri, Rhinane (2017).................................................... 22 Hình 1.6 Giao diện ứng dụng GIS quản lý chất lượng nước ở Washington (Bilhimer, 2012) .......................................................................................... 23 Hình 1.7 Kết quả nội suy hàm lượng Canxi, Magie, Clo trong nước ngầm khu vực Bhadravathia bằng phương pháp IDW ................................................... 24 Hình 1.8 Kết quả nội suy hàm lượng pH trong nghiên cứu của Gharbia et al (2016)........................................................................................................... 25 Hình 1.9 Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Weipi He [46] ......................................................................................................... 26 Hình 1.10 Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và NH3-N trong nghiên cứu của Weipi He ............................................................................. 26 Hình 1.11 Tư liệu ảnh Landsat 8 và sơ đồ các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Li et al. (2018) [50] .................................................... 27 Hình 1.12 Ô nhiễm nước mặt do khai thác than ở suối Diễn Vọng, Mông Dương, Cẩm Phả (nguồn Internet)................................................................ 40 Hình 1.13 Tác động của khai thác than đối với các thành phần tài nguyên, môi trường ................................................................................................... 43 Hình 1.14 Tác động bồi lấp sông suối trong khai thác than tại Cẩm Phả, Quảng Ninh (nguồn Internet) ....................................................................... 45 ix Hình 1.15 Diễn biến một số thông số chất lượng nước khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh giai đoạn 2005 – 2009 (nguồn: Tổng Công ty than khoáng sản Việt Nam) .................................................................................................... 46 Hình 2.1 Minh họa về các kỹ thuật trong công nghệ Địa tin học (nguồn Internet)........................................................................................................ 48 Hình 2.2 Ví dụ về cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực Parkowe, Ba Lan (Absalon et al., 2002) [25] ................................................ 52 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt ............................................................................................................... 56 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ phân bố các thông số chất lượng nước từ cơ sở dữ liệu .................................................................................... 62 Hình 2.5 Ví dụ về sử dụng phương pháp nội suy không gian trong đánh giá chất lượng nước khu vực hồ Tonle Sap, Cambodia (a – Simple Kriging, b – Ordiginal Kriging, c – IDW) (Chum et al., 2017) [36].................................. 63 Hình 2.6 Sự thay đổi về không gian đối với các thông số chất lượng nước pH, COD, TN, F (Lee and White,1992) [48] ....................................................... 65 Hình 2.7 Các thành tố chính trong mô hình môi trường................................ 66 Hình 2.8 Mô tả mô hình AQUATOX trong đánh giá ô nhiễm nước ngọt ..... 67 Hình 2.9 Giao diện phần mềm EQWin Data Manager .................................. 69 Hình 2.10 Kết quả xác định hàm lượng chlorophyll-a từ ảnh vệ tinh Spot, khu vực hồ chứa Te-Chi, Đài Loan (Yang et al., 1996) [76]................................ 71 Hình 2.11 Các thành phần của bức xạ Mặt Trời đi tới nguồn nước được bộ cảm biến ghi nhận ........................................................................................ 72 Hình 2.12 Các thành phần bức xạ thu nhận từ đầu thu [54, 55] .................... 74 Hình 3.1 Bản đồ hành chính thành phố Cẩm Phả, Quảng Ninh .................... 77 Hình 3.2 Một số hoạt động kinh tế – xã hội tại Cẩm Phả, Quảng Ninh ......... 80 x Hình 3.3 Tư liệu ảnh Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, RGB=432 ................................................................................ 85 Hình 3.4 Tư liệu ảnh Sentinel-2A chụp ngày 01/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, RGB=432 ................................................................................ 85 Hình 3.5 Nhập dữ liệu trong EQWin ............................................................ 87 Hình 3.6 Hiển thị cơ sở dữ liệu và đồ thị thông số môi trường nước mặt Cẩm Phả, Quảng Ninh trong phần mềm EQWin ................................................... 88 Hình 3.7 Ví dụ nhập dữ liệu chất lượng nước mặt trong phần mềm EQWin . 89 Hình 3.8 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số Coliform quý IV/2016 .... 89 Hình 3.9 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số COD quý IV/2016 .......... 90 Hình 3.10 Đồ thị thông số BOD5 các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 91 Hình 3.11 Đồ thị thông số Độ pH các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 92 Hình 3.12 Đồ thị thông số NO2 các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn 2014 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 93 Hình 3.13 Đồ thị thông số Coliform các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008. ..................................... 94 Hình 3.14 Đồ thị thông số kim loại nặng tổng Fe các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .................. 95 Hình 3.15 Đồ thị thông số Dầu mỡ các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 97 Hình 3.16 Đồ thị diễn biến hàm lượng TSS theo mùa giai đoạn 2011 - 2016 tại 15 điểm quan trắc nước mặt ở Cẩm Phả, Quảng Ninh ............................. 98 Hình 3.17 Đồ thị diễn biến hàm lượng pH theo mùa giai đoạn 2011 – 2016 tại 15 điểm quan trắc nước mặt ở Cẩm Phả, Quảng Ninh ............................. 99 xi Hình 3.18 Kết quả xác định chỉ số NSMI đối với khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 (a) và 02/12/2016 (b).... 115 Hình 3.19 Sơ đồ các điểm quan trắc, lấy mẫu chất lượng nước khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ........................................................................................ 116 Hình 3.20 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị chỉ số NSMI và hàm lượng chất lơ lửng trong nước biển khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ngày 16/04/2016 ................................................................................................. 118 Hình 3.21 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị chỉ số NSMI và hàm lượng chất lơ lửng trong nước biển khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ngày 02/12/2016 ................................................................................................. 120 Hình 3.22 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 ................. 121 Hình 3.23 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A ngày 16/04/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần thành phố Cẩm Phả ..................................................................................................... 121 Hình 3.24 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A ngày 16/04/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần biển Vân Đồn .......122 Hình 3.25 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 02/12/2016 ................. 122 Hình 3.26 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A ngày 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần thành phố Cẩm Phả ..................................................................................................... 123 Hình 3.27 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A ngày 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần biển Vân Đồn .......123 Hình 3.28 Kết quả xác định hàm lượng NH4+ trong nước mặt khu vực ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 ........................ 127 Hình 3.29 Kết quả xác định hàm lượng NH4+ trong nước mặt khu vực ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 02/12/2016 ........................ 127 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là thành phần thiết yếu của sự sống và môi trường. Có thể coi nước là thành phần quyết định đến sự tồn tại và phát triển của mỗi quốc gia. Việt Nam là một nước có nguồn tài nguyên nước mặt phong phú. Do đặc thù về vị trí địa lý và đặc điểm điều kiện tự nhiên, tổng lượng nước mặt của nước ta phân bố không đồng đều cả về thời gian và không gian, dẫn đến tình trạng có những vùng bị lũ lụt thường xuyên, trong khi đó có những vùng lại bị khô hạn kéo dài. Hơn nữa, mặc dù có nguồn tài nguyên nước dồi dào, tuy nhiên tài nguyên nước mặt ở Việt Nam không phải là vô tận. Nước mặt cũng dễ bị tổn thương do được khai thác tối đa phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt và phát triển kinh tế xã hội. Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế - xã hội, những ảnh hưởng tiêu cực của các hoạt động này đến nguồn nước khiến tình trạng ô nhiễm nước mặt diễn ra nghiêm trọng. Tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá nhanh chóng, hoạt động giao thông đường thủy, hoạt động khai thác khoáng sản, hoạt động nuôi trồng thủy hải sản và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước mặt ở các hệ thống sông, hồ cũng như ven biển. Môi trường nước mặt ở nhiều khu vực trên thế giới đang bị ô nhiễm nặng nề bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn. Xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt đang là một vấn đề có tính cấp thiết, phục vụ công tác quản lý, bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên nước mặt ở Việt Nam. Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú, trong đó một số loại có trữ lượng thuộc loại lớn ở khu vực như than đá, sắt, dầu khí...Khai thác mỏ là ngành công nghiệp giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, góp phần quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội ở 2 nước ta thời gian qua. Bên cạnh những lợi ích to lớn mang lại, công nghiệp khai thác mỏ cũng tác động mạnh mẽ đối với các thành phần tài nguyên, môi trường, phá vỡ thế hài hòa vốn có của cảnh quan thiên nhiên trên một diện tích rộng lớn. Tại các khu vực khai thác mỏ lộ thiên, do không có ao chứa lắng, xử lý nên phần lớn các nhà máy đưa trực tiếp nước thải ra môi trường mà không qua bất kỳ hình thức xử lý nào. Bên cạnh đó, trong những năm trước đây, nhiều đơn vị khai thác khoáng sản chỉ quan tâm đến lợi ích kinh tế trước mắt mà xem nhẹ công tác bảo vệ môi trường. Hậu quả là nhiều thành phần tài nguyên và môi trường vùng mỏ bị tác động và biến đổi mạnh mẽ, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến đời sống dân sinh trong khu vực mà nước mặt là một đối tượng quan trọng. Cũng như nhiều vùng khác trong cả nước, Cẩm Phả là thành phố côngnông nghiệp. Bên cạnh công nghiệp mỏ, các loại hình công nghiệp khác như nhiệt điện, xi măng, cơ khí v.v...ngày càng được phát triển. Cùng với quá trình công nghiệp hoá và đô thị hoá, dân số ngày một tăng, nhu cầu cung cấp nước cho các ngành công-nông nghiệp và sinh hoạt ngày càng lớn. Một nghịch lý đang diễn ra gay gắt: công nghiệp càng phát triển, dân số càng tăng thì tài nguyên nước mặt ngày càng bị suy thoái cả về số lượng và chất lượng. Các nguồn nước mặt trong các ao hồ, sông suối và nước ven biển vùng mỏ Cẩm Phả đang bị ô nhiễm trầm trọng. Ngoài những nguyên nhân phổ quát do ô nhiễm không khí, chất thải rắn, chất thải lỏng từ hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, nông nghiệp và sinh hoạt của người dân, chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả còn bị suy giảm nặng nề bởi nguyên nhân khai thác mỏ. Nước mỏ lộ thiên, hầm lò; nước mỏ từ các cơ sở tuyển khoáng, nước chảy tràn từ bãi thải và bãi chứa than v.v…là các nhân tố làm gia tăng quy mô và mức độ ô nhiễm làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả. Dân số ngày càng tăng, các hoạt động du lịch, công nghiệp khai 3 thác khoáng sản, cơ khí, xi măng ngày càng mở rộng là các nguyên nhân tổng hợp làm suy giảm chất lượng tài nguyên nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả. Mọi nghiên cứu xác định nguyên nhân, phân tích các thành phần, đánh giá chất lượng nguồn nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh là nhu cầu cấp thiết nhằm xác định diễn biến chất lượng nước, phân vùng và nhận diện các thành phần ô nhiễm, hướng tới xây dựng các giải pháp xử lý, quản lý các nguồn nước mặt trong khu vực, góp phần ngăn ngừa, giảm thiểu các tác động tiêu cực, nâng cao chất lượng nước sạch cho dân cư vùng Quảng Ninh nói chung và khu vực Cẩm Phả nói riêng. Có nhiều phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và điều kiện ứng dụng riêng. Dù là đánh giá bằng phương pháp nào cũng phải dựa trên cơ sở dữ liệu. Mặc dù đã được quan trắc nhiều, nhưng dữ liệu nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh vẫn còn bị phân tán về định dạng, về cấu trúc, về chuẩn hoá dữ liệu v.v…Một cơ sở dữ liệu đầy đủ, được xây dựng bằng các phương pháp và công nghệ hiện đại với các khả năng cập nhật, quản lý, phân tích, hiển thị và chia sẻ kịp thời là cơ sở cho công tác đánh giá chính xác và hiệu quả các thành phần tài nguyên, môi trường nói chung và tài nguyên nước mặt nói riêng [10]. Công nghệ địa tin học mà tiêu biểu là viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) là các công cụ hiện đại đáp ứng các yêu cầu đó. Với những lý do trên, đề tài luận án “Xác lập cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh” là xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và có tính khoa học. Kết quả nhận được trong luận án góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ Địa tin học cũng như cung cấp thông tin kịp thời, giúp các nhà quản lý trong giám sát, đánh giá và bảo vệ môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ. 4 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác lập được cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học trong xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên, trong luận án tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:  Nghiên cứu tổng quan về tài nguyên nước mặt và các nguyên nhân gây ra sự suy thoái chất lượng ở vùng mỏ Cẩm Phả, các phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt; tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ứng dụng công nghệ địa tin học trong xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh giá chất lượng nước mặt.  Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nước mặt bằng công nghệ địa tin học phục vụ công tác quản lý, giám sát và đánh giá chất lượng nước mặt.  Thu thập số liệu quan trắc chất lượng nước mặt tại 15 điểm quan trắc trong đất liền và 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu. Thu thập dữ liệu viễn thám (ảnh vệ tinh Sentinel-2A) phục vụ xác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước khu vực ven biển.  Nghiên cứu kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá môi trường EQWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt.  Khai thác sử dụng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt nhằm thành lập các bản đồ chuyên đề về các thông số chất lượng nước, đánh giá chất lượng nước bằng chỉ số WQI, đánh giá chất lượng nước kết hợp với tư liệu viễn thám.  Thử nghiệm ứng dụng phần mềm EQWin và WQI trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả. 5 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi không gian: luận án lựa chọn thực nghiệm ở khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh. Phạm vi thời gian: đề tài luận án xây dựng với các số liệu quan trắc môi trường nước mặt được đo trực tiếp tại Cẩm Phả giai đoạn 2011 - 2016. Trong luận án cũng sử dụng 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2A năm 2016 nhằm đánh giá phân bố hàm lượng một số thông số chất lượng nước khu vực ven biển Cẩm Phả. 5. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp phân tích, tổng hợp: tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung luận án; các số liệu, tài liệu về chất lượng nước mặt khu vực nghiên cứu.  Phương pháp thu thập số liệu: trong luận án tiến hành thu thập số liệu tại 15 điểm quan trắc chất lượng nước mặt khu vực đất liền và 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh giai đoạn 2011 - 2016.  Phương pháp GIS: kết hợp các phần mềm GIS (MapInfo, ArcGIS) và phần mềm đánh giá môi trường EQWin Manager trong xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh.  Phương pháp thống kê: sử dụng trong phân tích thống kê nhằm đánh giá diễn biến theo quý và năm chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh tại 15 trạm đo trong đất liền.  Phương pháp viễn thám: sử dụng trong xử lý ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2A nhằm xác định phân bố hàm lượng một số thông số chất lượng nước khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh. 6 6. Những điểm mới của luận án Thứ nhất, kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá môi trường EQWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt là phương án phù hợp và hiệu quả đối với hiện trạng cơ sở hạ tầng và số liệu quan trắc chất lượng nước mặt khu vực khai thác mỏ ở nước ta hiện nay. Thứ hai, cơ sở dữ liệu xây dựng trong luận án là công cụ hiệu quả phục vụ quản lý, đánh giá và giám sát chất lượng môi trường nước mặt thông qua thành lập các bản đồ thông số chất lượng nước, đánh giá bằng chỉ số WQI, kết hợp tư liệu viễn thám trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước… 7. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Công nghệ Địa tin học là công cụ hiệu quả trong xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ trên cơ sở tích hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá môi trường. Luận điểm 2: Ứng dụng cơ sở dữ liệu nước mặt giúp quản lý, giám sát và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt một cách hiệu quả theo thời gian và không gian với sự trợ giúp của công nghệ Địa tin học thông qua các kỹ thuật phân tích, thống kê không gian. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án giúp hoàn thiện cơ sở khoa học và chứng minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương pháp ứng dụng công nghệ Địa tin học trong xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt. Ý nghĩa thực tiễn: cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt xây dựng trong đề tài luận án có thể được khai thác ứng dụng phục vụ công tác quản lý, giám sát và sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt nói chung, tài nguyên nước mặt khu vực khai thác mỏ nói riêng. 7 9. Cơ sở tài liệu thực hiện luận án Bản đồ địa hình: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 năm 2000 do Cục Bản đồ/Bộ Tổng tham mưu xây dựng. Bản đồ này được sử dụng để nắn chỉnh ảnh vệ tinh các thời điểm về hệ tọa độ với hệ quy chiếu VN2000 cũng như phục vụ xây dựng các bản đồ . Dữ liệu quan trắc: bao gồm các số liệu đo đạc, quan trắc chất lượng nước mặt khu vực nghiên cứu giai đoạn 2011 - 2016, trong đó có 15 điểm quan trắc khu vực đất liền và 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh. Tư liệu viễn thám: 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 và 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh. 10. Cấu trúc luận án Luận án bao gồm phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và nội dung chính được trình bày trong 03 chương: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Chương 3: Thực nghiệm xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nhằm đánh giá chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh. 11. Lời cảm ơn Luận án được hoàn thành tại bộ môn Trắc địa Mỏ, trường đại học Mỏ Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Kiều Kim Trúc và TS. Vương Trọng Kha. Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, NCS luôn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của bộ môn Trắc địa mỏ cùng các đơn vị chức năng thuộc trường đại học Mỏ - Địa chất; Sự tạo điều kiện của Ban giám hiệu Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, sự ủng hộ của Lãnh đạo khoa Trắc địa, Bản đồ và Thông tin địa lý thuộc Trường Đại học Tài nguyên và