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 (tt)

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: 9.52.05.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Trắc địa Mỏ Khoa Trắc địa Bản đồ và Quản lý đất đai Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Kiều Kim Trúc 2. TS. Vương Trọng Kha Phản biện 1: PGS.TS Trần Xuân Trường Phản biện 2: GS.TS Võ Chí Mỹ Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại ..............................., Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi …..giờ … ngày … tháng… năm 2018. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất 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 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 2 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 công-nông 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 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 3 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. 2. Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu a/ Mục tiêu: 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. b/ Nhiệm vụ: - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: tổng quan về tài nguyên nước mặt và các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt ở Việt Nam, 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 4 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, thử nghiệm cho khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh. - 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. 3. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu a/ Đối tượng nghiên cứu Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là chất lượng nước mặt khu vực khai thác mỏ. b/ 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. 4. 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 5 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. 5. Các 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. 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. 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 6 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. 8. Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 03 chương cùng phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm nước mặt và đánh giá chất lượng nước mặt 1.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt 1.2.1 Nước thải sinh hoạt 1.2.2 Nước thải công nghiệp 1.2.3 Nước thải y tế 1.2.4 Nước thải nông nghiệp 1.3 Sử dụng chỉ số WQI đánh giá chất lượng nước mặt Để đánh giá chất lượng nước cũng như mức độ gây ô nhiễm nước có thể dựa vào một số chỉ tiêu tổng hợp. Các chỉ tiêu này được chia thành 3 nhóm: nhóm chỉ tiêu vật lý (pH, độ màu, độ đục, chất rắn lơ lửng), nhóm chỉ tiêu hóa học (hàm lượng oxy hòa tan trong nước - DO, nhu cầu oxy sinh học - BOD, nhu cầu oxy hóa học - COD, kim loại nặng, các hợp chất photpho, sunphat, các hợp chất nitơ...) và nhóm chỉ tiêu sinh học (vi khuẩn E.coli). Việc đánh giá chất lượng nước mặt bằng theo các chỉ tiêu tổng hợp có thể được thực hiện bằng cách so sánh với QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Chỉ số chất lượng nước (viết tắt là WQI) là một chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước và khả năng sử dụng của nguồn nước đó và được biểu diễn qua một thang điểm. Đây là một phương pháp đánh giá chất lượng nước hiệu quả, được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam [1,7,12,16]. Chỉ số WQI có giá trị trong khoảng từ 0 đến 100, trong đó chất lượng nước được chia thành 5 cấp như bảng 1.2. 7 Bảng 1.2 Bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước Loại Giá trị WQI Mức đánh giá chất lượng nước Thang màu I 91 – 100 Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt Xanh nước biển II 76 – 90 Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng cần các biện pháp xử lý phù hợp Xanh lá cây III 51 – 75 Sử dụng cho mục đích tưới tiêu và mục đích tương đương khác Vàng IV 26 – 50 Sử dụng cho giao thông thủy và các mục đích tương đương khác Da cam V 0 – 25 Nước ô nhiễm nặng, cần các biện pháp xử lý trong tương lai Đỏ 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 1.4.1 Trên thế giới Trong những thập kỷ gần đây, công nghệ địa tin học nói chung, công nghệ GIS và viễn thám nói riêng đã trở thành công cụ hiệu quả trong xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá môi trường nước mặt trên thế giới. Có thể kể đến các nghiên cứu của Bilhimer [28], Boubakri and Rhinane [29], Silberbauer [67], Zaidi [79], Zeilhofer et al. [80],...Từ cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt, các phương pháp nội suy như IDW, Kriging...đã được sử dụng trong các nghiên cứu của Gharbia et al. [40], Gunarathna et al. [43], McKinney and Annning [52], Mayer [53], Nas [53], Oke et al. [59], Raikar et al. [61],...nhằm xây dựng bản đồ phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt. Tư liệu viễn thám cũng được kết hợp với kỹ thuật GIS trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt. Do phản xạ phổ xác định từ ảnh vệ tinh quang học có khả năng thể hiện đặc điểm phản xạ của một số thông số chất lượng nước [62-64], dữ liệu viễn thám đã được sử dụng hiệu quả 8 khi kết hợp với kết quả quan trắc nhằm xây dựng hàm hồi quy đánh giá chất lượng nước. Có thể kể đến các nghiên cứu của Doxaranet al. [37, 38], Cheng and Lei [35], He et al. [46], Olet [60], Wang et al. [73], Sudheer et al. [69], Xing-Ping Wen [78], Yuan - Fong Su [77],… Nước thải do quá trình khai thác khoáng sản là một nguyên nhân quan trọng gây ô nhiễm các nguồn nước mặt và nước ngầm ở các vùng mỏ. Một số nghiên cứu như của Alaghmand et al. [26], Evans [39], Mays [50], Pierre-Yves [65], Twardowska and Szczepanska [70], Tomic [71], Woldai [74]…đã sử dụng kỹ thuật Địa tin học phục vụ xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt các khu vực khai thác mỏ. 1.4.2 Trong nước Các nghiên cứu trước đây ở Việt Nam trong đánh giá chất lượng nước mặt chủ yếu sử dụng chỉ số WQI thông qua các mẫu nước, trong đó có thể kể đến các nghiên cứu của Phạm Thế Anh và Nguyễn Văn Huy [1], Trương Văn Đàn và cộng sự [3], Tôn Thất Lãng [7], Nguyễn Duy Phú [12], Lê Văn Thăng và cộng sự [15]… Từ đầu thế kỷ XXI, ở Việt Nam đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật địa tin học phục vụ xây dựng CSDL và đánh giá chất lượng nước mặt. Có thể kể đến các nghiên cứu của các nhà khoa học tại Cục Viễn thám quốc gia (Bộ Tài nguyên và Môi trường), nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu Hà và cộng sự [5], Nguyễn Quốc Phi và cộng sự [11], Nguyễn Văn Thảo [14], Trịnh Lê Hùng [72]…Đối với khu vực Quảng Ninh, bên cạnh các dự án đánh giá môi trường nước mặt do ảnh hưởng của khai thác than còn có một số nghiên cứu như của Đoàn Văn Kiển và cộng sự [4], Kiều Kim Trúc và cộng sự [17, 18] đã bước đầu sử dụng kỹ thuật địa tin học phục vụ quản lý, đánh giá và ứng phó với ô nhiễm nước mặt. 1.5 Khai thác khoáng sản và ảnh hưởng của nó tới chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh 1.5.1 Tài nguyên nước mặt ở vùng mỏ Quảng Ninh Quảng Ninh có hệ thống sông, suối dài trên 10 km, diện tích lưu vực xấp xỉ 3000 km2. Các sông lớn là sông Ka Long, Tiên Yên, Ba Chẽ có diện tích lưu vực gần 1000 km2. Mạng lưới sông, suối dày đặc, mật 9 độ trung bình 1 - 1,9km/km2, có nơi đến 2-2,4 km/km2. Ngoài các con sông lớn, tỉnh Quảng Ninh còn có một số con sông nhỏ có chiều dài khoảng 10km, lưu vực dưới 300 km2, phân bố dọc theo ven biển từ thị xã Móng Cái đến huyện Hoàng Bồ, Đông Triều, Yên Hưng. 1.5.2 Ảnh hưởng của khai thác khoáng sản tới chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh Để sản xuất 1 tấn than cần bóc đi từ 8 - 10 m3 đất phủ và thải ra từ 1 - 3 m3 nước thải mỏ. Chỉ tính riêng trong năm 2006, các mỏ than của Tập đoàn Than khoáng sản Việt Nam đã thải vào môi trường tới 182.6 m3 đất đá, khoảng 70 triệu m3 nước thải mỏ, dẫn đến một số vùng bị ô nhiễm đến mức báo động, trong đó có Cẩm Phả. Năm 2009, tổng lượng nước thải mỏ là hơn 38 triệu m3 (chưa kể nước rửa trôi từ các bãi thải mỏ). Chất lượng nước mặt khu vực Cẩm Phả đã bị suy giảm trong nhiều năm. Các chỉ số TSS, BOD, COD v.v..trong nước tại sông Mông Dương, suối Bàng Nâu, suối Bàng Tẩy, suối Khe Chàm v.v.. quan trắc trong giai đoạn năm 2005-2009 là khá cao, vượt tiêu chuẩn cho phép, hàm lượng cặn lơ lửng trong các năm 2006, 2007, 2008 vượt QCVN về nước mặt từ 1÷15,2 lần. Hầu hết nước mặt trong các sông, suối khu vực Cẩm Phả, đặc biệt là các vị tró gần khu vực khai thác than đều bị ô nhiễm chất hữu cơ, vô cơ và ô nhiễm dầu mỡ. Kết quả quan trắc trong giai đoạn 2005-2009 cho thấy: hàm lượng amoni, nitrit trong nước song, suối đều tăng cao so với tiêu chuẩn. Các thông số kim loại nặng độc hại, vi sinh vật trong nước đều nằm vượt ngưỡng cho phép của QCVN. 1.6 Tiểu kết chương 1 Đánh giá chung tình hình áp dụng công nghệ công nghệ Địa tin học xây dựng CSDL và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ ở nước ta nhận thấy còn chưa đồng bộ, chưa hoàn chỉnh, chưa đều khắp và đặc biệt chưa đề cập đến yếu tố thời gian và chưa thể hiện sự thống nhất đồng dạng trong thiết kế cấu trúc dữ liệu. Phần kết quả chính thường là bản đồ với các lớp thông tin khác nhau, có các bảng dữ liệu thông số môi trường nhưng chỉ thể hiện giá trị mà thiếu liên kết với thông tin địa lý và sự thể hiện thời gian diễn biến. Đồng thời số lượng 10 thông tin còn hạn hẹp và hiển thị một cách khó theo dõi, kết quả mô hình hóa dữ liệu chưa sát với thực tế. Do đó tính ứng dụng của các công trình này chưa phù hợp thực tiễn. Đối với công tác quan trắc môi trường nước vùng mỏ, có thể nhận thấy khối lượng công việc là rất lớn, dẫn đến khối lượng dữ liệu cũng rất lớn, được nhiều cơ quan khác nhau quan trắc trong nhiều năm, mỗi năm nhiều đợt, và mỗi đợt nhiều thông số, nhiều trạm đo. Khối lượng dữ liệu lớn nhưng tình trạng quản lý còn nhiều khó khăn, hạn chế. Các biểu mẫu báo cáo giữa các cơ quan, giữa các đợt quan trắc khác nhau thì khác nhau. Dữ liệu chưa được cập nhật thành CSDL thống nhất, chưa tiêu chuẩn hóa, gây khó khăn cho người sử dụng. Công nghệ địa tin học nói chung, công nghệ GIS và viễn thám nói riêng là một công cụ hiệu quả trong xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt. Các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy, khả năng phân tích không gian của GIS kết hợp những ưu điểm của công nghệ viễn thám như diện tích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn, dải phổ da dạng…đã mang lại hiệu quả to lớn trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt. 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 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 2.1.1 Khái niệm về Địa tin học và cơ sở dữ liệu Địa tin học (Geomatics), hay còn gọi là Công nghệ không gian địa lý là ngành khoa học thu thập, lưu trữ, xử lý và cung cấp thông tin địa lý, hoặc thông tin không gian tham chiếu. Geomatics là một thuật ngữ khoa học còn tương đối mới, được đề xuất bởi Dubuisson (1969) với mục đích kết hợp khoa học Trắc địa (Geodesy) và Tin học địa lý (Geoinformation). Nó bao gồm các công cụ và kỹ thuật được sử dụng trong đo đạc khảo sát Trái Đất như viễn thám, bản đồ, hệ thông tin địa lý (GIS), hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS, GLONASS, Galileo, Compass), địa lý và các khoa học liên quan. Thuật ngữ này đã được sử 11 dụng đầu tiên ở Canada, sau đó được Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Organization for Standardization) và nhiều cơ quan quốc tế khác sử dụng. Cơ sở dữ liệu (Database) là một tập hợp các thông tin được thu thập theo mục đích sử dụng nào đó, được lưu trữ trong máy tính theo những quy tắc nhất định. Đó là tập hợp dữ liệu mà có thể điều khiển và lưu trữ một số lượng lớn dữ liệu và dữ liệu có thể chia sẻ giữa các ứng dụng khác nhau. Cơ sở dữ liệu là một thành phần quan trọng, được xem như là cốt lõi của hệ thông tin địa lý. Tùy mục đích và yêu cầu của người dùng mà người ta thiết kế cơ sở dữ liệu (tổ chức và cấu trúc) có mức độ phức tạp khác nhau. 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 Công nghệ GIS với khả năng lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu là một công cụ hiệu quả trong xây dựng cơ sở dữ liệu cũng như đánh giá chất lượng môi trường nước mặt. Các phần mềm GIS thông dụng hiện nay như AcrGIS, MapInfo, MicroStation…đều cho phép xây dựng cơ sở dữ liệu nói chung, cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt nói riêng một cách thuận tiện. Dữ liệu quan trắc có thể được chuẩn hóa, chuyển đổi định dạng một cách dễ dàng trên các phần mềm GIS, lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu thống nhất và sử dụng thuận tiện phục vụ đánh giá chất lượng nước mặt. Người dùng có thể dễ dàng tiếp cận, khai thác, sử dụng và cập nhật dữ liệu chất lượng nước. Cơ sở dữ liệu GIS chất lượng môi trường nước mặt cũng có thể cung cấp thông tin giúp các nhà quản lý đưa ra các biện pháp cụ thể trong đánh giá, giám sát và sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt. Đặc biệt hiện nay với sự phát triển của Internet, một công nghệ mới đã ra đời - công nghệ WebGIS, cho phép người sử dụng có thể khai thác và sử dụng cơ sở dữ liệu ở bất kỳ đâu. Cùng với công nghệ GIS, từ cuối thế kỷ XX, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả quan trọng trong nghiên cứu đánh giá chất lượng nước. Tư liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian đa dạng cho phép nghiên cứu, giám sát các vùng nước ở các quy mô khác nhau (bảng 2.1) 12 Bảng 2.1 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng nước [42] Loại Độ phân giải cao Độ phân giải trung bình Độ phân giải thấp Vệ tinh-Bộ cảm Digital Globe WorldView – 1 Digital Globe WorldView – 2 NOAA WorldView – 3 Digital Globe Quykckbird GeoEye Geoeye – 1 GeoEye IKONOS Ngày phóng Độ phân giải không gian (m) Độ rộng dải chụp Độ phân giải thời gian (ngày) 18/09/2007 0,5 17,7 1,7 16,4 1,1 13,1 1-4,5 18 2,5 15,2 <3 11,3 3 60 2-3 30 70 5 2 170 16 183 185 185 7,5 185 60 14 45-50 16 16 18 16 16 16 7 10 2330 1-2 1150 Hàng ngày 08/10/2009 13/08/2014 18/10/2001 06/09/2010 24/09/1999 SPOT – 5 HRG 05/05/2002 CARTOSAT ALOS AVNIR – 2 Landsat 8 OLI/TIRS Landsat 7 ETM+ Landsat 5 TM Landsat 5 MSS EO – 1 Hyperion EO – 1 ALI Terra ASTER PROBA CHRIS HICO 05/05/2005 24/01/2006 Terra MODIS 18/12/1999 Envisat – 1 MERIS OrbView – 2 SeaWiFS NIMBUS – 7 CZCS 11/02/2013 15/04/1999 01/03/1984 01/03/1984 21/11/2000 21/11/2000 18/12/1999 22/10/2001 10/09/2009 01/03/2002 1,850,46 1,24-3,70,31 2,620,65 1,650,41 3,2-0,82 2,5; 510-20 2,5 2,5-10 30-15100 30-15-60 30-120 80 30 10-30 15-30-90 18-36 100 250-5001000 3001200 01/08/1997 1130 2806 16 24/10/1978 825 1556 6 13 Loại Vệ tinh-Bộ cảm Ngày phóng ERS – 1 ATSR – 1 ERS – 2 ATSR – 2 ENVISAT AATSR 17/06/1991 22/04/1995 Độ phân giải không gian (m) 1000 1000 Độ rộng dải chụp 500 500 Độ phân giải thời gian (ngày) 3-6 3-6 01/03/2001 1000 500 3-6 Suomi NPP VIIRS 28/10/2011 375-750 3060 1-2 lần/ngày NOAA – 16 AVHRR 21/09/2000 11004000 3000 9 2.2 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt Hình 2.3 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt 14 2.3 Phương pháp tính toán chỉ số WQI Quy trình tính toán và sử dụng WQI trong đánh giá chất lượng môi trường nước bao gồm các bước sau [21]: a) Bước 1: Thu thập, tập hợp số liệu quan trắc từ trạm quan trắc môi trường nước mặt lục địa (số liệu đã qua xử lý). b) Bước 2: Tính toán các giá trị WQI thông số. c) Bước 3: Tính toán WQI. d) Bước 4: So sánh WQI với bảng các mức đánh giá chất lượng nước. 2.4 Ứng dụng kỹ thuật địa tin học khai thác CSDL chất lượng nước mặt 2.4.1 Thành lập bản đồ chất lượng nước mặt bằng phương pháp nội suy 2.4.2 Phân tích thống kê không gian 2.4.3 Mô hình hóa chất lượng môi trường nước 2.5 Lựa chọn công nghệ phù hợp với vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh 2.5.1 Kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm môi trường trong xây dựng CSDL nước mặt Ngày nay, có rất nhiều các phần mềm GIS khác nhau có thể sử dụng hiệu quả trong xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt như ArcGIS, MapInfo, MicroStation...Tùy thuộc vào đặc điểm bộ dữ liệu thu thập được cũng như hiện trạng lưu trữ của dữ liệu có thể lựa chọn phần mềm phù hợp nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu nước mặt. Bên cạnh đó, nhiều phần mềm môi trường cũng cho phép tích hợp với các phần mềm GIS nhằm nâng cao hiệu quả trong xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh giá chất lượng môi trường, trong đó có môi trường nước mặt. Tại Việt Nam, phần mềm môi trường EQWin Data Manager (EQWin) đã bắt đầu được sử dụng và mang lại hiệu quả khả quan trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ. Do vậy, việc kết hợp các ưu điểm của các phần mềm GIS và phần mềm môi trường (EQWin) là một phương án phù hợp trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam phục vụ công tác quản lý và đánh giá chất lượng nước. 2.3.2 Tích hợp tư liệu viễn thám và GIS Việc tích hợp viễn thám và GIS tạo thuận lợi trong việc xây dựng và cập nhật dữ liệu. Do số lượng các điểm quan trắc có hạn, việc sử 15 dụng các phương pháp nội suy GIS để xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước không phải lúc nào cũng đạt độ chính xác cao, đặc biệt khi sử dụng cho một khu vực rộng lớn. Hơn nữa, khả năng cập nhật dữ liệu bằng các quan trắc thực địa là một hạn chế đáng kể do tốn kém thời gian và chi phí. Tích hợp viễn thám và GIS cho phép giải quyết vấn đề này trên cơ sở mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng các thông số chất lượng nước. Vì thời gian cập nhật ảnh vệ tinh tại một điểm trên mặt đất khá ngắn, có thể sử dụng các mô hình hàm số thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ bề mặt và hàm lượng các thông số chất lượng nước để xây dựng bản đồ đánh giá chất lượng nước. 2.6 Tiểu kết chương 2 Từ những thập kỷ cuối thế kỷ XX, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thám, hệ thông tin địa lý..., công nghệ địa tin học đã được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước mặt. Công nghệ địa tin học đã trở thành một công cụ quan trọng trong xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt. Cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt có thể được khai thác sử dụng phục vụ đánh giá, giám sát chất lượng nước thông qua các phương pháp như phân tích thống kê, nội suy không gian phục vụ xây dựng bản đồ hàm lượng các thông số chất lượng nước, phân tích không gian hoặc kết hợp với tư liệu viễn thám. Những năm gần đây, cùng với sự phát triển của hệ thông tin địa lý trên nền Internet, một công nghệ mới ra đời - công nghệ WebGIS cho phép nâng cao hiệu quả trong công tác quản lý, giám sát và sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt. Chương 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH 3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu Bể than Cẩm Phả là một phần của bể than Quảng Ninh, với tổng tiềm năng ước tính trên 3 tỷ tấn trong tổng số 8,4 tỷ tấn trữ lượng than Quảng Ninh. Diện tích đất tự nhiên của Cẩm Phả là 48,623 km2, dân số khoảng 16.745 (năm 2006) [80]. Trong thời gian qua, tình trạng ô nhiễm môi trường nói chung, ô nhiễm nước mặt nói riêng ở Cẩm Phả có 16 những diễn biến hết sức phức tạp, trong đó nguyên nhân chính là từ ảnh hưởng của hoạt động khai thác khoáng sản (hình 3.3). 3.2 Đặc điểm tư liệu sử dụng trong luận án 3.2.1 Số liệu quan trắc chất lượng nước mặt Mạng lưới quan trắc các điểm nước mặt trong đất liền bao gồm 15 điểm, ký hiệu từ NM1 đến NM15 với các tên địa danh như Cảng Hà Ráng, Suối Vũ Môn, Sông Mông Dương... là các điểm chịu ảnh hưởng của việc khai thác than như chảy qua ranh giới khai trường, tiếp nhận nước thải mỏ và nước thải sinh hoạt của các hộ dân nằm xen kẽ trên tuyến thải nước thải của mỏ (bảng 3.1). Bảng 3.1 Tên trạm quan trắc và các thông số môi trường nước mặt vùng Cẩm Phả 3 Tên các trạm quan trắc Điểm giao giữa ba suối Bàng Tẩy, Bàng Nâu, Khe Chàm Trung lưu sông Mông Dương (cầu Ngầm) Suối H10 4 Suối Lép Mỹ COD 5 Suối Hà Ráng (gần cổng Xí nghiệp than Hà Ráng) BOD5 6 Cảng Hà Ráng II NH4+ - Máy quang phổ hấp thụ Suối Khe Rè (chân cầu 10 QL 18A) Suối Vũ Môn Suối Ông Linh Suối cầu 1 Suối cầu 2 Suối cầu 4 Suối cầu 5 (suối Hoá Chất) Suối cầu 6 Suối Khe Sim NO2- nguyên tử AAS - 800 STT 1 2 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Thông số Thiết bị đo và phân tích pH Máy HYDROLAB Mỹ DO SS - NO3 As Cd Pb Cr6+ Cu Fetp Hg Máy HYDROLAB Mỹ - Máy so mầu UV-VIS Bên cạnh đó, trong luận án cũng sử dụng số liệu quan trắc chất lượng nước mặt ven biển giai đoạn 2012 - 2016 tại 05 trạm khu vực 17 Cẩm Phả, Quảng Ninh, bao gồm Bến rót than cảng Km6 Công ty than Dương Huy, Bến rót than cảng Cửa Ông, Bến rót than Công ty kho vận và cảng Cẩm Phả, Bến rót than cảng Khe Dây và bến rót than cảng Km6 Tổng công ty Đông Bắc. Ngoài số liệu tại 05 trạm quan trắc, trong nghiên cứu cũng sử dụng thêm số liệu lấy mẫu chất lượng nước tại 15 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh (bảng 3.15). 3.2.2 Dữ liệu viễn thám Dữ liệu viễn thám sử dụng trong luận án bao gồm 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 và 02/12/2016 khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh. Các ảnh có chất lượng tốt, không bị ảnh hưởng bởi mây, sương mù và được chụp gần với thời gian quan trắc chất lượng nước tại 05 trạm quan trắc ven biển Cẩm Phả. Trong luận án sử dụng các kênh ở dải sóng nhìn thấy (xanh lam, xanh lục, đỏ) và cận hồng ngoại, có độ phân giải không gian 10 m để xác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước. Hình 3.3, 3.4: Dữ liệu ảnh Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 (trái) và 02/12/2016 (phải) khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, RGB=432 3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh Cơ sở dữ liệu thông số môi trường gồm hai thành phần chính là cơ sở dữ liệu bản đồ nền và dữ liệu thông số môi trường. Cơ sở dữ liệu bản đồ nền được thiết kế với các lớp thông tin chính như: Hệ thống đường Giao thông vận tải (với tên được đặt là GT_nCPha); Hệ thống thủy văn sông suối hồ nước (TV_nCPha); Bản đồ các vùng khai thác khoáng sản hay các mỏ than (CPha_mine); Bản đồ đường đồng mức địa hình (Contour_diahinh_nCPha); Bản đồ nền hành chính 18 (bando_CPha_sh); Khung tọa độ (Frame)… 3.4 Khai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá, giám sát chất lượng môi trường nước mặt 3.4.1 Xây dựng bản đồ chuyên đề các thông số môi trường nước mặt Sau khi xây dựng cơ sở dữ liệu từ các số liệu quan trắc và dữ liệu bản đồ, cơ sở dữ liệu này có thể được sử dụng nhằm thành lập các bản đồ chuyên đề về các thông số môi trường nước mặt. Bản đồ chuyên đề các thông số môi trường nước mặt như TSS, pH, BOD5, COD...là một thông tin đầu vào hết sức quan trọng trong các mô hình đánh giá chất lượng nước cũng như các mô hình môi trường khác. Hình 3.8 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số Coliform quý IV/2016 3.4.2 Đánh giá chất lượng nước mặt bằng phương pháp thống kê Sử dụng phần mềm EQWin, trong luận án tiến hành đánh giá diễn biến hàm lượng các thông số chất lượng nước tại các trạm quan trắc theo từng quý giai đoạn 2011 - 2016. 60 55 50 BOD - 5 Day (mg/l) 45 40 35 30 25 Suoi Ong Linh Suoi Cau 6 Suoi Cau 5 Suoi Cau 4 Suoi Cau 2 Suoi Cau 1 Suoi H10 Suoi Khe Re QCVN 08:2008/BTNMT BOD - 5 Day (mg/l) 65 20 15 10 5 0 02-11 08-11 02-12 08-12 02-13 08-13 02-14 08-14 02-15 08-15 02-16 08-16 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Cang Ha Rang Suoi Ha Rang Suoi Khe SIm Suoi Lep My Nga 3 Suoi Vu Mon Song MD QCVN 08:2008/BTNMT 02-11 08-11 02-12 08-12 02-13 08-13 02-14 08-14 02-15 08-15 02-16 08-16 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, 08:2015