TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Ứng dụng GIS quản lý chất lượng nước mặt
Hiện nay, các thách thức lớn như bùng nổ dân số, ô nhiễm, phá rừng và thiên tai đều liên quan đến không gian địa lý, đòi hỏi công cụ quản lý trực quan phù hợp với đặc điểm và vị trí địa lý Công nghệ thông tin phát triển liên tục, đã tích hợp sâu vào nhiều lĩnh vực, mở ra thời kỳ mới trong nghiên cứu khoa học Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một ứng dụng quan trọng của công nghệ tin học trong ngành địa lý, giúp trong điều tra cơ bản, quy hoạch đô thị và cảnh báo môi trường Có nhiều định nghĩa về “Hệ thống thông tin địa lý” đã được đề ra, phản ánh vai trò ngày càng quan trọng của công nghệ này trong quản lý không gian địa lý.
GIS được định nghĩa là một hệ thống thông tin đặc biệt có cơ sở dữ liệu gồm các đối tượng, hoạt động hoặc sự kiện phân bố không gian, được biểu diễn bằng điểm, đường và vùng trong hệ thống máy tính Theo Đu younger (1979), GIS xử lý truy vấn dữ liệu theo các đặc điểm điểm, đường, vùng để phục vụ các câu hỏi và phân tích địa lý phức tạp Hệ thống này cho phép quản lý và phân tích dữ liệu không gian một cách hiệu quả, hỗ trợ ra quyết định dựa trên các thông tin địa lý chính xác.
Theo Aronoff (1993) định nghĩa GIS là một hệ thống gồm các chức năng chính như nhập dữ liệu, quản lý và lưu trữ dữ liệu, phân tích dữ liệu cũng như xuất dữ liệu Đây là công cụ quan trọng trong quản lý thông tin không gian, giúp người dùng xử lý và phân tích dữ liệu GIS một cách hiệu quả Việc hiểu rõ các chức năng của GIS đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa các ứng dụng liên quan đến không gian và bản đồ GIS đóng vai trò then chốt trong các lĩnh vực như quản lý đô thị, môi trường và các dự án quy hoạch không gian.
Theo Viện nghiên cứu khoa học Trái đất Mỹ (ESRI), GIS là hệ thống tích hợp phần cứng, phần mềm và dữ liệu để thu thập, quản lý, phân tích và hiển thị các thông tin liên quan đến tính chất địa lý GIS giúp xem, hiểu, truy vấn, trình diễn và hiển thị dữ liệu theo nhiều cách khác nhau để thể hiện các mối quan hệ, mô hình và xu hướng qua bản đồ, biểu đồ, báo cáo và đồ thị, từ đó hỗ trợ đưa ra các quyết định chính xác và hiệu quả trong lĩnh vực địa lý và môi trường.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống sử dụng dữ liệu đầu vào và các thao tác phân tích liên quan đến không gian địa lý để trợ giúp trong việc thu nhận, lưu trữ, quản lý, xử lý, phân tích và hiển thị thông tin không gian từ thế giới thực GIS giúp giải quyết các vấn đề tổng hợp thông tin nhằm hỗ trợ các quyết định về quy hoạch và quản lý đất đai, tài nguyên thiên nhiên, môi trường, giao thông, phát triển đô thị, cũng như lưu trữ dữ liệu hành chính, góp phần nâng cao hiệu quả trong các lĩnh vực này.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một hệ thống lớn chạy trên máy tính mini, có khả năng chứa đựng các chức năng quan trọng như AM/FM Các chức năng này bao gồm tự động hóa bản đồ và các tiện ích dễ dàng trong việc thành lập bản đồ, giúp nâng cao hiệu quả quản lý và phân tích dữ liệu địa lý.
1.1.2 Các thành phần cơ bản củaGIS
Những thành phần chính của GIS là hệ thống máy tính, cơ sở dữ liệu không gian địa lý và người sử dụng như hình 1.1
Hình 1.1 Các thành phần của GIS
Hệ thống máy tính gồm các thành phần chính như phần cứng, phần mềm và các chuỗi mô phỏng hỗ trợ việc nhập dữ liệu, xử lý tiến trình, phân tích, mô hình hóa và trình diễn dữ liệu không gian Các cấu phần này phối hợp tạo nên một hệ thống toàn diện giúp tối ưu hóa quá trình xử lý thông tin, nâng cao hiệu quả trong các hoạt động liên quan đến dữ liệu không gian Hệ thống máy tính đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp các công cụ mạnh mẽ để phân tích và trình bày dữ liệu một cách chính xác và trực quan.
Phần cứng là các thành phần vật lý của hệ thống máy tính, bao gồm các thiết bị có thể nhìn thấy và thao tác trực tiếp Đây có thể là hệ thống dựa trên máy vi tính độc lập hoặc các trạm làm việc được kết nối để đảm bảo hoạt động hiệu quả Trong tất cả các trường hợp, phần cứng đóng vai trò là nền tảng vật lý hỗ trợ toàn bộ hoạt động của hệ thống công nghệ thông tin.
Phần mềm: hiện nay, có nhiều phần mềm GIS phổ biến và mỗi phần mềm có thể mạnh riêng nhƣ: ArcInfo, MapInfo, ArcView, ArcGis, ENVI,
Nguồn thông tin quan trọng bao gồm các loại bản đồ như bản đồ địa hình, bản đồ hiện trạng sử dụng đất cùng với dữ liệu điều tra và dữ liệu từ các trạm theo dõi môi trường Các nguồn dữ liệu này phải cung cấp đầy đủ các thông tin cần thiết theo yêu cầu của hệ thống, chẳng hạn như tọa độ địa lý, quy mô, thuộc tính (đặc điểm) và các mối quan hệ liên quan Việc cập nhật và tích hợp dữ liệu chính xác từ các nguồn này giúp nâng cao hiệu quả phân tích và quản lý không gian địa lý.
Con người là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống, đóng vai trò chủ chốt trong việc phát huy hiệu quả hoạt động Những người làm công tác quản lý cần có khả năng nhận định chính xác, xác định phạm vi suy diễn thông tin và kết nối các mảng dữ liệu trong hệ thống Sự tác động của con người trong quản lý góp phần tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo hệ thống vận hành hiệu quả hơn.
Các nguồn cơ sở dữ liệu không gian địa lý bao gồm bản đồ số, ảnh không gian, ảnh vệ tinh, bản biểu thống kê và các tài liệu liên quan khác, đóng vai trò quan trọng trong phân tích và quản lý dữ liệu không gian.
Cơ sở dữ liệu không gian địa lý được phân loại thành hai thành phần chính: cơ sở dữ liệu về mặt hình học và các thuộc tính Dữ liệu hình học bao gồm ba yếu tố quan trọng: điểm, đường thẳng và đa giác, tồn tại dưới dạng Vector hoặc Raster, nhằm mô tả hình dạng, kích thước, vị trí và kiểu dáng của các đối tượng địa lý.
Người sử dụng cần chọn đúng thông tin cần thiết và thiết lập các chuẩn dữ liệu phù hợp để đảm bảo tính chính xác của phân tích GIS Việc cập nhật thông tin thường xuyên giúp nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của các phân tích đầu ra Điều này hỗ trợ trong việc đưa ra các mục đích và kế hoạch phù hợp, khả thi dựa trên dữ liệu GIS chính xác và cập nhật.
1.1.3 Mô hình dữ liệu củaGIS
Dữ liệu GIS bao gồm 2 phần dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính
Dữ liệu không gian là loại dữ liệu mô tả các đối tượng có vị trí trên bề mặt Trái Đất Hệ thống GIS sử dụng hai dạng mô hình dữ liệu địa lý chính là mô hình vector và mô hình raster Trong mô hình vector, dữ liệu không gian được biểu diễn bằng điểm, đường hoặc vùng trên bản đồ, phù hợp với các đối tượng có hình dạng rõ ràng Ngược lại, mô hình raster thể hiện dữ liệu không gian qua mạng lưới các pixel, thích hợp cho các dữ liệu liên quan đến ảnh hoặc bản đồ số có độ phân giải cao.
Hình 1.2.Chồng lớp các mô hình vector và raster
Dữ liệu thuộc tính mô tả đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng tại các vị trí địa lý xác định, đóng vai trò quan trọng trong phân tích không gian Công nghệ GIS nổi bật với khả năng liên kết và xử lý đồng thời dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính, giúp nâng cao hiệu quả trong quản lý và ra quyết định Thông thường, dữ liệu thuộc tính trong GIS được chia thành 4 loại chính, đáp ứng nhu cầu phân tích đa dạng trong các lĩnh vực địa lý và quy hoạch.
- Đặc tính của đối tƣợng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có thể thực hiện SQL và phân tích
- Số liệu hiện tƣợng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt động thuộc vị trí xác định
- Chỉ số địa lý: tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị,… liên quan đến các đối tƣợng địa lý
Thuật toán nội suy
Nội suy không gian là kỹ thuật tính toán giá trị của các điểm chưa biết dựa trên các điểm đã biết trong miền bao đóng của tập giá trị đó Quá trình này sử dụng các phương pháp hoặc hàm toán học nhằm mở rộng dữ liệu từ các điểm biết sang các điểm chưa biết một cách chính xác và hiệu quả Nội suy không gian đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như địa chất, môi trường, và GIS, giúp dự đoán và phân tích dữ liệu không đầy đủ dựa trên dữ liệu có sẵn.
Hiện nay, có nhiều thuật toán nội suy khác nhau, nhƣng mỗi thuật toán có điểm mạnh riêng Có thể phân loại theo cách sau:
- Nội suy điểm/ Nội suy bề mặt
- Nội suy toàn diện/ Nội suy địa phương
- Nội suy chính xác/ Nội suy gần đúng
Có 3 phương pháp nội suy thông dụng trong ArcGIS đó là IDW, Spline, Kriging
Phương pháp IDW (Inverse Distance Weighted) xác định giá trị của các điểm chưa biết bằng cách tính trung bình trọng số dựa trên khoảng cách đến các điểm đã biết giá trị trong vùng lân cận của mỗi pixel Các điểm càng xa điểm cần tính giá trị thì càng ít ảnh hưởng đến kết quả tính toán, giúp đảm bảo độ chính xác và phản ánh đúng đặc tính của dữ liệu không gian Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong phân tích không gian nhằm dự đoán giá trị một cách hiệu quả dựa trên dữ liệu điểm đã có.
Công thức nội suy của phương pháp này
Trong đó: i: các điểm dữ liệu đã biết giá trị n: số điểm đã biết
Zi: gía trị điểm thứ i d: khoảng cách đến điểm i k: hằng số DW
Hình 1.3 Phân bố không gian giá trị pH của hồ Trúc Bạch theo phương pháp IDW
Bài giảng Công nghệ quản lý Môi trường (2017)
GIS được ứng dụng đầu tiên trong nội suy các chỉ tiêu quan trắc chất lượng nước, với sự phân bố không gian các dữ liệu được thực hiện bằng phương pháp nội suy theo khoảng cách (IDW) do Shepard đề xuất Thuật toán IDW xác định giá trị tại các điểm cần nội suy bằng cách tính trung bình có trọng số của các điểm quan trắc lân cận, trong đó các điểm gần hơn có trọng số lớn hơn, thể hiện mức độ ảnh hưởng cao hơn đối với điểm cần nội suy Công thức nội suy theo IDW thể hiện rõ việc cộng các giá trị của các điểm lân cận theo các trọng số tỉ lệ nghịch với khoảng cách, giúp cho mô hình trở nên chính xác hơn trong việc dự đoán dữ liệu không xác định.
S 0 , n là số lƣợng điểm quan trắc lân cận
Z(S i ) là giá trị điểm quan trắc lân cận S i ̂( )là giá trị nội suy của điểm cầnnội suy i là trọng số đƣợc xác định bởi công thức (2):
Trong phương pháp nội suy, khoảng cách không gian giữa điểm cần nội suy S₀ và các điểm lân cận Sᵢ đóng vai trò quan trọng, với công thức bao gồm số mũ p để điều chỉnh mức độ ảnh hưởng của các điểm xa hơn Thông thường, giá trị p được chọn là 2, giúp giảm tác động của các điểm ở xa, qua đó nâng cao độ chính xác của phép nội suy Mối quan hệ giữa mức độ ảnh hưởng và khoảng cách không gian thể hiện rõ ràng qua hình 1.5, cho thấy ảnh hưởng giảm dần khi khoảng cách tăng lên.
Hình 1.4 Điểm cần nội suy và điểm quan trắc lân cận
Hình 1.5 Mối quan hệ giữa mức độ ảnh hưởng và khoảng cách
Một số ƣu điểm của IDW
- IDW nên đƣợc sử dụng khi có một tập hợp các điểm dày đặc, phân bố rộng khắp trên bề mặt tính toán
- Phương pháp này nhanh chóng, dễ thực hiện
Spline Utilizes a mathematical function to minimize the overall curvature of the surface, resulting in a smooth and accurate surface through the input points Điều này giúp tạo ra các bề mặt bằng phẳng, chính xác và tối ưu hóa quá trình mô phỏng trong thiết kế và kỹ thuật Các phương pháp spline đảm bảo tính linh hoạt và độ chính xác cao, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.
Phương pháp nội suy Spline là phương pháp nội suy tổng quát, phương pháp này hiệu chỉnh bề mặt đường cong
Một số ƣu điểm của Spline:
Các thuật toán được sử dụng để làm mịn bề mặt kết quả, giúp đảm bảo mô hình hiển thị một cách ổn định và ít dao động giữa các điểm quan trắc Điều này giúp cải thiện độ chính xác và tính khả thi của các bản đồ mô hình, đồng thời nâng cao chất lượng dữ liệu đầu ra Việc áp dụng các phương pháp làm mịn phù hợp là yếu tố quan trọng để tạo ra các kết quả tin cậy và phản ánh đúng thực tế khảo sát.
Splines là phương pháp phù hợp để nội suy các yếu tố khí hậu theo khoảng thời gian hàng tháng hoặc hàng năm, giúp phân tích dữ liệu khí hậu một cách chính xác và liên tục trong dài hạn Tuy nhiên, phương pháp này ít thích hợp để sử dụng với dữ liệu theo khoảng thời gian hàng ngày hoặc hàng giờ do độ chính xác và khả năng mô phỏng các biến đổi ngẫu nhiên thấp hơn Do đó, việc lựa chọn phương pháp nội suy phù hợp phụ thuộc vào khoảng thời gian phân tích dữ liệu khí hậu nhằm đảm bảo kết quả chính xác và phù hợp với mục đích nghiên cứu.
Kriging là một nhóm các kỹ thuật trong địa thống kê dùng để nội suy giá trị của trường ngẫu nhiên, chẳng hạn như độ cao của địa hình, tại các điểm chưa được đo đạc dựa trên dữ liệu từ các điểm đo lân cận Phương pháp này giúp dự đoán chính xác hơn và tối ưu hóa quá trình phân tích dữ liệu địa chất, đất đai hay môi trường Với khả năng khai thác các mối quan hệ không gian, Kriging là công cụ quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng địa lý, đảm bảo độ tin cậy cao trong các dự báo địa chất và các lĩnh vực liên quan.
Công thức của Kriging nhƣ sau:
T* : giá trị cần ƣớc lƣợng tại 1 tọa độ trong không gian
Hình 1.6 Phân bố không gian giá trị pH của hồ Trúc Bạch theo phương pháp Spline
Bài giảng Công nghệ quản lý Môi trường (2017) u: giá trị trung bình
W: trọng số phụ thuộc vào vị trí của dữ liệu
: giá trị những điểm khác n: số dữ liệu xung quanh dùng để ƣớc lƣợng giá trị T
Kriging là phương pháp nội suy giá trị cho các điểm xung quanh một điểm cụ thể, trong đó các điểm gần điểm gốc có ảnh hưởng lớn hơn so với những điểm nằm xa Quá trình thực hiện Kriging bao gồm hai bước chính: đầu tiên là ước lượng mức độ tương quan giữa các điểm, sau đó mới tiến hành việc nội suy dựa trên các mối quan hệ này Phương pháp này giúp xác định giá trị một cách chính xác và hiệu quả trong khảo sát đất đai, địa chất và các lĩnh vực liên quan.
Phương pháp này có nhiều ưu điểm nổi bật, trong đó giá trị của các điểm nội suy không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách mà còn phản ánh sự phân bố không gian của các điểm Nhờ đó, các giá trị nội suy mang tính tương quan không gian cao hơn, giúp nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.
Một bất lợi là nó đòi hỏi nhiều thời gian tính toán và mô hình hóa, và đòi hỏi nhiều dữ liệu đầu vào
Nhận xét chung về 3 thuật toán
IDW và Spline là hai phương pháp tạo bề mặt dựa trên các mẫu, dựa trên mức độ tương đồng hoặc mức độ làm mịn Trong đó, phương pháp spline đi chính xác qua từng điểm mẫu, còn IDW thì không đi qua bất kỳ điểm nào, giúp tạo ra các bề mặt mượt mà hơn Kriging là phương pháp thống kê địa lý sử dụng kỹ thuật phân tích mạnh mẽ để dự đoán các giá trị dựa trên dữ liệu mẫu, phù hợp cho các ứng dụng cần độ chính xác cao trong phân tích không gian.
Hình 1.7 Phân bố không gian giá trị pH của hồ Trúc Bạch theo phương pháp Kriging
Trong bài giảng Công nghệ quản lý môi trường (2017), tập trung vào mối quan hệ giữa các điểm có giá trị đã biết và kỹ thuật trung bình trọng số phức tạp Nghiên cứu so sánh độ chính xác của hai phương pháp IDW và Kriging trong việc đánh giá chất lượng nước, nhằm xác định phương pháp tối ưu để xây dựng bản đồ nồng độ các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước sông Tích Kết quả cho thấy, Kriging có độ chính xác cao hơn IDW, giúp cải thiện hiệu quả trong việc lập bản đồ phân bố chất lượng nước ao hồ, sông suối Phương pháp Kriging được đề xuất là công cụ hiệu quả nhất để hỗ trợ quản lý tài nguyên nước và quyết định bảo vệ môi trường.
Tổng quan về chất lượng nước
Chất lượng nước ảnh hưởng toàn diện đến hệ sinh thái và đời sống con người, tác động trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng, hoạt động kinh tế và đa dạng sinh học Các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học của nước đều đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng sử dụng nước hiệu quả và an toàn Đảm bảo chất lượng nước là yếu tố then chốt để duy trì sự phát triển bền vững của cộng đồng và bảo vệ môi trường tự nhiên.
1.3.2 Thông số chất lượng nước
Giá trị pH của nước thải đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý, giúp lựa chọn phương pháp phù hợp và điều chỉnh lượng hóa chất cần thiết Các công trình xử lý nước theo phương pháp sinh học thường hoạt động tốt trong phạm vi pH từ 6,5 đến 9,0, với môi trường lý tưởng là từ 7 đến 8 để vi khuẩn phát triển tối ưu Các nhóm vi khuẩn khác nhau có giới hạn pH phù hợp riêng, ví dụ như vi khuẩn nitrit phát triển thuận lợi nhất từ pH 4,8 đến 8,8, trong khi vi khuẩn nitrat thích hợp trong khoảng pH từ 6,5 đến 9,3.
1.3.2.2 Tổng chất rắn lơ lửng – TSS
TSS (Tổng chất rắn lơ lửng) bao gồm các chất có khối lượng nhỏ không chìm xuống nước, mà bị giữ lại trong dung dịch Chất này có thể bao gồm các keo keo trong nước như keo SiO₂, Al(OH)₃, Fe(OH)₃, cùng với các hạt mùn, đất, cát có kích thước nhỏ không vượt quá khả năng lắng xuống đáy Đơn vị đo TSS là mg/l, giúp đánh giá mức độ ô nhiễm của nước.
Chất lơ lửng đóng vai trò quan trọng đối với hệ sinh thái thủy sinh, cung cấp nguồn thức ăn cho nhiều sinh vật không xương sống trong nước Tuy nhiên, chúng cũng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình quang hợp của các loài thủy sinh khi làm giảm độ trong của nước Các chất rắn lơ lửng làm nước bị đục, làm giảm tầm nhìn xa và cản trở ánh sáng mặt trời truyền qua, ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật thủy sinh Do đó, việc kiểm soát lượng chất lơ lửng trong nước là cần thiết để duy trì cân bằng sinh thái và khả năng quang hợp của các loài thủy sinh.
Oxi hòa tan (DO - Dissolved Oxygen) là lượng khí oxy hòa tan trong nước, đóng vai trò thiết yếu cho sự sống của các sinh vật dưới nước như cá, tôm, động vật lưỡng cư và côn trùng Nồng độ oxy hòa tan cao giúp duy trì môi trường sống khỏe mạnh cho các sinh vật thủy sinh Việc đảm bảo lượng oxy hòa tan phù hợp là yếu tố quan trọng trong công tác bảo vệ và duy trì hệ sinh thái thủy vực.
Dissolved Oxygen (DO) thường được hình thành do sự hòa tan của oxi trong khí quyển và một phần nhỏ từ quá trình quang hợp của tảo Nồng độ DO trong tự nhiên thường dao động từ 8-10ppm, phụ thuộc vào nhiệt độ, quá trình phân hủy hóa chất và các tác nhân khác Khi nồng độ DO giảm xuống quá thấp, sẽ gây ra hiện tượng khó thở, ảnh hưởng tiêu cực đến hoạt động của các loài động thực vật dưới nước và có thể dẫn đến tử vong hàng loạt DO là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm nước, đặc biệt trong ngành thủy điện.
1.3.2.4 Nhu cầu ôxy hóa học
Trong đó, COD (Chemical Oxygen Demand) thể hiện lượng oxy cần thiết để oxy hóa toàn bộ các hợp chất hóa học trong nước, bao gồm cả vô cơ lẫn hữu cơ Nhu cầu oxy hóa học này phản ánh mức độ ô nhiễm của nước, giúp đánh giá chất lượng nước một cách chính xác COD là chỉ tiêu quan trọng để đo lường lượng hợp chất hữu cơ và vô cơ gây ô nhiễm trong môi trường nước, hỗ trợ các công tác kiểm soát và xử lý nước sạch hiệu quả.
COD được sử dụng rộng rãi để đo gián tiếp khối lượng các hợp chất ô nhiễm hữu cơ trong nước bề mặt như sông và hồ Phép đo COD đóng vai trò quan trọng trong đánh giá chất lượng nước, giúp xác định mức độ ô nhiễm hữu cơ một cách chính xác và nhanh chóng.
1.3.2.5 Nhu cầu ôxy sinh học
Nhu cầu ôxy sinh học (BOD) là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) được xác định dựa trên kinh nghiệm phân tích từ nhiều phòng thí nghiệm để tìm hiểu mối liên hệ giữa nhu cầu oxy và hoạt động sinh học hiếu khí trong nước thải hoặc dòng chảy bị ô nhiễm.
BOD (Thông số oxy hòa tan sinh học) được ứng dụng để đánh giá tính chất nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất xác định lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong nguồn nước, giúp đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước đó Việc đo BOD đóng vai trò then chốt trong quản lý, xử lý nước thải nhằm bảo vệ môi trường và đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng nước.
Các chỉ tiêu NO 2 - , PO 4 3- … dùng để đánh giá các quá trình phân hủy các chất hữu cơ chứa nito, phospho trong nước
1.4 Đánh giá hiệu quả sử dụng GIS đánh giá chất lượng môi trường nước mặt
Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ trong quản lý sử dụng nước là vấn đề được nhiều quốc gia quan tâm, đặc biệt ở các khu vực phát triển như Mỹ, châu Âu và châu Úc, nơi môi trường luôn được đặt lên hàng đầu Các nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước của lưu vực, nhằm ứng phó với tác động của biến đổi khí hậu và biến đổi sử dụng đất Trong phương pháp đánh giá chất lượng nước, hai phương pháp phổ biến là ứng dụng mô hình toàn và phương pháp nội suy, với các mô hình toán tiêu biểu như MIKE, NAM, SWAT, QUAL2E, WASP5, CE-QUAL-RIV1 Ngoài ra, nhiều nghiên cứu còn sử dụng hệ thống GIS và phương pháp nội suy không gian để nâng cao hiệu quả quản lý chất lượng nước, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Cynthia Meyer (2006) đã thực hiện nghiên cứu về đánh giá chất lượng nước tại hạt Pinellas, Hoa Kỳ, nhằm cung cấp dữ liệu chính xác cho việc quản lý nguồn nước Trong nghiên cứu, tác giả sử dụng phương pháp nội suy không gian IDW để phân tích chỉ tiêu DO, giúp xác định mức độ ô nhiễm và xu hướng biến đổi của chất lượng nước Kết quả nghiên cứu hỗ trợ các nhà quản lý trong việc sàng lọc thông tin và thực hiện các đánh giá về sự suy thoái chất lượng nước mặt của Tampa Bay một cách hiệu quả.
Rajkumar V Raikar và cộng sự (2012) đã ứng dụng GIS để phân tích chất lượng nước ngầm tại Bhadravathi taluk, sử dụng phương pháp nội suy không gian IDW nhằm tạo ra các bản đồ thể hiện phân bố không gian của các chỉ số lý hóa khác nhau Các bản đồ này giúp xác định các khu vực thích hợp cho hoạt động sử dụng nước uống dựa trên tính chất nước ngầm Chỉ số chất lượng nước (WQI) cho thấy sự chênh lệch đáng kể giữa các mẫu nước, nhấn mạnh tầm quan trọng của việc có các kỹ thuật xử lý chất thải hiệu quả để ngăn ngừa ô nhiễm nước Đây là những công cụ quan trọng trong việc quản lý và bảo vệ nguồn nước ngầm bền vững.
Adebayo Olubukola Oke và cộng sự (2013) đã nghiên cứu thành lập bản đồ chất lượng nước trên lưu vực sông Ogun – Osun, Nigeria bằng phương pháp nội suy IDW Kết quả cho thấy chất lượng nước vẫn còn trong giới hạn cho phép, với NO3-N và TN nằm trong phạm vi an toàn, giảm thiểu lo ngại về môi trường Tuy nhiên, PO4 P và tổng hợp chất rắn hòa tan (TP) còn cao trong lưu vực nghiên cứu, đặc biệt trong các mùa mưa do sự thay đổi theo mùa ảnh hưởng đến nồng độ các chất ô nhiễm Dòng chảy góp phần làm gia tăng ô nhiễm, rõ ràng qua nồng độ cao của BOD5, PO4 P, E coli và F Coliform trong mùa mưa Áp dụng bản đồ GIS dựa trên phương pháp nội suy IDW giúp các nhà quản lý theo dõi diễn biến lan truyền của các chất ô nhiễm trong toàn bộ hệ thống sông trên lưu vực.
Mouna Ketata-Rokbani và cộng sự (2011) đã thực hiện nghiên cứu sử dụng hệ thống thông tin địa lý và chỉ số chất lượng nước để đánh giá chất lượng nước ngầm tại El Khairat Deep Aquifer ở Enfidha, Tunisian Sahel Phương pháp nội suy IDW được áp dụng để xác định phân bố không gian của các thông số chất lượng nước ngầm, từ đó đánh giá sự phù hợp của nguồn nước ngầm khu vực này cho người tiêu dùng Nghiên cứu này giúp cung cấp dữ liệu chính xác về tình trạng nước ngầm, hỗ trợ các quyết định quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.
MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18 2.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung
Nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học để đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý môi trường nước mặt tại huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội Kết quả phân tích cho thấy cần tăng cường công tác giám sát chất lượng nước mặt, áp dụng các công nghệ xử lý hiện đại và nâng cao ý thức cộng đồng về bảo vệ môi trường Việc xây dựng chính sách phù hợp sẽ góp phần giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước sạch cho cộng đồng địa phương Đây là những giải pháp cần thiết nhằm đảm bảo phát triển bền vững và nâng cao chất lượng cuộc sống người dân tại huyện Thạch Thất.
Mục tiêu cụ thể
Để đạt được mục tiêu chung, đề tài hướng tới các mục tiêu cụ thể như sau:
Đánh giá hiện trạng nước mặt tại huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội dựa trên các chỉ tiêu chính như nhiệt độ, pH, TSS, độ đục, TDS, DO, BOD, COD và NITRITE (NO2-), giúp xác định chất lượng nước và khả năng tự làm sạch của hệ sinh thái Các kết quả phân tích cho thấy mức độ phù hợp của nước mặt với tiêu chuẩn môi trường, từ đó đề xuất các biện pháp nâng cao chất lượng nước mặt tại khu vực Việc theo dõi các chỉ tiêu này đóng vai trò quan trọng trong công tác quản lý và bảo vệ nguồn nước, góp phần phát triển bền vững đất nước.
- Xây dựng bản đồ nồng độ chất lượng nước sông Tích dựa theo QCVN 08:2008/BTNMT
- Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý chất lượng nước sông.
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu chính là các thông số chất lượng nước như nhiệt độ, pH, TSS, độ đục, DO, BOD, COD, NO₂⁻, PO₄³⁻ trên đoạn sông Tích chảy qua các xã huyện Thạch Thất, TP Hà Nội Các yếu tố này được phân tích để đánh giá tình trạng ô nhiễm và chất lượng môi trường của dòng sông Nghiên cứu giúp cung cấp cơ sở khoa học cho việc quản lý và bảo vệ nguồn nước tại khu vực, góp phần nâng cao chất lượng sống của cộng đồng địa phương Thông số nước như pH, TSS, DO, BOD, COD phản ánh các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp và sinh hoạt đang tác động đến hệ sinh thái của sông Tích.
- Phạm vi không gian: Đề tài tập trung nghiên một số xã trong huyện Thạch Thất nơi có sông Tích chảy qua
- Phạm vi về thời gian: Đề tài tập trung đánh giá chất lượng nước sông Tích năm 2017.
Nội dung nghiên cứu
Để đạt đƣợc mục tiêu đề ra, đề tài thực hiện một số nội dung nghiên cứu nhƣ sau:
2.3.1 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước mặt sông Tích tại khu vực huyện Thạch Thất
- Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước mặt
- Đánh giá chất lượng nước qua các chỉ tiêu vật lý, hóa học
2.3.2 Xây dựng bản đồ nội suy chất lượng nước sông khu vực nghiên cứu
Nghiên cứu đã tiến hành đánh giá độ chính xác của hai phương pháp nội suy nổi bật là IDW và Kriging để xác định thuật toán tối ưu phù hợp cho từng thông số môi trường nước Các thông số môi trường nước được phân tích bao gồm pH, TSS, độ đục, DO, BOD, COD, NO₂- và PO₄³- Kết quả cho thấy việc lựa chọn phương pháp nội suy phù hợp giúp nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán các chỉ tiêu quan trắc môi trường nước, góp phần cải thiện hiệu quả giám sát và quản lý chất lượng nước.
- Biên tập và thành lập bản đồ nồng độ chất lượng nước dựa vào QCVN 08:2008/BTNMT
2.3.3 Đánh giá hoạt động quản lý chất lượng nước và nguyên nhân ảnh hưởng đến chất lượng nước sông trong khu vực nghiên cứu
- Đánh giá hoạt động quản lý chất lượng nước sông khu vực nghiên cứu
- Xác định các nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng nước sông
2.3.4 Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản chất lượng nước sông khu vực nghiên cứu
- Biện pháp quản lý chất lượng nước sông Tích
Phương pháp nghiên cứu
Để thực thực hiện các nội dung nêu trên, đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu cụ thể nhƣ sau:
2.4.1 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước mặt sông Tích tại khu vực huyện Thạch Thất
Để xác định sơ đồ vị trí lấy mẫu nước sông Tích tại khu vực huyện Thạch Thất, đề tài đã sử dụng các phương pháp cụ thể nhằm đảm bảo tính chính xác và đại diện của mẫu nước Các phương pháp này bao gồm phân tích địa hình, xác định điểm lấy mẫu theo quy chuẩn và áp dụng các kỹ thuật đo đạc hiện đại để khảo sát chất lượng nước Việc lựa chọn vị trí lấy mẫu phù hợp là yếu tố quan trọng giúp đánh giá chính xác tình hình ô nhiễm và đề xuất các giải pháp bảo vệ nguồn nước hiệu quả tại khu vực.
Tiến hành thu thập tài liệu thứ cấp bao gồm kết quả các báo cáo, công trình nghiên cứu khoa học đã được công bố, báo cáo hành chính của địa phương nghiên cứu, cùng với các bản đồ hành chính và địa hình khu vực nghiên cứu để đảm bảo có dữ liệu đầy đủ và chính xác phục vụ cho quá trình phân tích và lập luận.
Chúng tôi đã tiến hành điều tra thực địa và khảo sát sông Tích tại huyện Thạch Thất, Hà Nội Quá trình này giúp xác định rõ các nguồn thải ô nhiễm cùng các khu dân cư, khu nông nghiệp nằm ven sông Tích Những thông tin này rất quan trọng để đánh giá tác động môi trường và lên kế hoạch quản lý nguồn ô nhiễm hiệu quả.
Dự án xây dựng bản đồ lấy mẫu nước sử dụng công cụ hỗ trợ GIS và Google Earth để số hóa các khu dân cư, khu nông nghiệp, cây xanh, ao hồ nhằm xác định vị trí lấy mẫu phù hợp với mục tiêu nghiên cứu Sau đó, đề tài triển khai công việc thực địa và sử dụng GPS để chính xác xác định tọa độ các vị trí lấy mẫu nước, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình thu thập dữ liệu.
Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước mặt được thiết kế để đánh giá tác động của hoạt động con người đến chất lượng nước sông Đề tài nghiên cứu tập trung trên đoạn sông dài 8.000m, với 30 điểm lấy mẫu được chọn cách nhau khoảng 200-250m Các điểm lấy mẫu được chọn dựa trên mục tiêu nghiên cứu và khảo sát thực địa, nhằm đảm bảo tính đại diện cao cho khu vực, giúp phản ánh chính xác tình trạng chất lượng nước sông trong phạm vi nghiên cứu.
Sơ đồ vị trí lấy mẫu đƣợc mô tả ở hình 2.1
Hình 2.1.Bản đồ điểm lấy mẫu nước phân tích
Mô tả vị trí lấy mẫu:
Bảng 2.1.Bảng vị trí lấy mẫu nước phân tích trên sông Tích,huyện Thạch Thất
Thôn Cầu Yếu, xã Cần Kiệm
Mẫu nước sông được lấy ở khu vực 2 bên là đồng ruộng, gần khu dân cƣ
Thôn Yên Lạc, Xã Cần Kiệm
Mẫu nước sông được lấy ở khu vực 2 bên là đồng ruộng, gần khu dân cƣ
3 11/3/2017 M3 21.0364 105.5735 xóm Liên Kết, xã Cần Kiệm
Mẫu nước sông được lấy ở khu vực 2 bên là đồng ruộng
Trạm Bơm Liên Kết Cần Kiệm
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn nước sông sau xưởng gỗ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí sông trong khu vực đông dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy ở khu vực 2 bên là đồng ruộng
Xóm Đồi Dền, Xã Kim Quan
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí sông trong khu vực đông dân cƣ
Thôn 2, Xóm Gián, Thị trấn Liên Quan
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí sông trong khu vực đông dân cƣ
9 11/3/2017 M9 21.0471 105.5719 Đội 8, Xóm Chiền, Thị trấn Liên Quan
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí sông sau nhà sản xuất gạch, gỗ
Quan mẫu nước sông được lấy tại khu vực đông dân cƣ gần khu nhà chăn nuôi gia súc
Cầu Liên Quan, Thị trấn Liên Quan
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí sông đoạn đông dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí sông sau nhà sản xuất gạch, đoạn đông dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí sông đoạn đông dân cƣ
Nước sông khu vực đồng ruộng
15 11/3/2017 M15 21.0566 105.5696 Xã Phú Kim Nước sông khu vực đồng ruộng
Nước sông khu vực đồng ruộng, gần khu dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông chăn nuôi vịt số lƣợng lớn, khu vực đông dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông trong khu vực đông dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông trong khu vực đông dân cƣ
Thôn Bạch Kim, Xã Lại Thƣợng
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông trong khu vực đông dân cƣ
Thôn Bạch Kim, Xã Lại Thƣợng
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông trong khu vực đông dân cƣ
Nước sông khu vực đồng ruộng
Mẫu nước sông có bèo đƣợc lấy tại vị trí đoạn sông trong khu vực đông dân cƣ
Mẫu nước sông có bèo đƣợc lấy tại vị trí đoạn sông trong khu vực đông dân cƣ
Mẫu nước sông có bèo đƣợc lấy tại vị trí đoạn sông trong khu vực đông dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn nước sông cạnh đồng ruộng và sau khu dân cƣ
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông cạnh đồng ruộng
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông cạnh đồng ruộng
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn sông cạnh đồng ruộng
Mẫu nước sông được lấy tại vị trí đoạn nước sông cạnh động ruộng
Kết quả điều tra và khảo sát chất lượng nước sông Tích cho thấy nước có màu vàng đục, biểu hiện rõ tình trạng ô nhiễm Trên mặt nước xuất hiện bèo ở một số đoạn sông, phản ánh ảnh hưởng tiêu cực từ hoạt động con người và ô nhiễm môi trường Dòng chảy của sông Tích theo hướng Tây Bắc xuống Đông Nam, có thể gây ảnh hưởng đến hệ sinh thái và nguồn nước sinh hoạt của các khu vực dân cư dọc sông.
- Sau khi phân tích nước sông Tích đoạn chảy qua huyện Thạch Thất, thành phố Hà Nội đề tài thu đƣợc bảng kết quả sau:
Để đánh giá chất lượng nước sông Tích tại khu vực huyện Thạch Thất, đề tài thực hiện các phương pháp cụ thể sau:
Phương pháp lấy mẫu nước mặt được thực hiện theo quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 08:2008/BTNMT về chất lượng nước mặt Quá trình lấy mẫu phục vụ công tác quan trắc chất lượng nước mặt phải tuân thủ hướng dẫn trong các tiêu chuẩn quốc gia để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả phân tích Việc lấy mẫu đúng quy trình giúp đánh giá chính xác chất lượng nước và hỗ trợ các biện pháp quản lý môi trường hiệu quả.
+ TCVN 5992:1995 (ISO 5667-2:1991) – Chất lượng nước – Lấy mẫu Hướng dẫn kỹ thuật lấy mẫu
+ TCVN 5993:1995 (ISO 5667-3:1985) – Chất lượng nước – Lấy mẫu Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu
+ TCVN 5996:1995 (ISO 5667-6:1990) – Chất lượng nước – Lấy mẫu Hướng dẫn lấy mẫu ở sông và suối
Dụng cụ lấy mẫu: Chai nhựa Polyetylen 500ml sạch, băng dính trắng lớn, giấy dán nhãn, bút, bản đồ và các dụng cụ cần thiết khác
Cách lấy mẫu: Mẫu đƣợc lấy theo 2 cách là từ trên cầu và lấy từ bờ
Bảo quản mẫu: Với tất cả các chỉ tiêu phân tích sau khi lấy vào chai, đậy chặt nút, làm lạnh tránh tiếp xúc với ánh sáng
- Đề tài sử dụng Phương pháp phân tích các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước sông Tích
+ Lựa chọn các chỉ tiêu phân tích
Để đánh giá sự ô nhiễm nước mặt, có nhiều thông số được xem xét Tuy nhiên, dựa trên quá trình khảo sát thực trạng môi trường của sông Tích và các giới hạn về phạm vi nghiên cứu, đề tài đã lựa chọn các thông số quan trọng được trình bày trong bảng 3.2 Các thông số này giúp xác định chất lượng nước sông một cách chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế Việc chọn lọc các yếu tố phù hợp từ các chỉ tiêu đánh giá môi trường là bước quan trọng để đảm bảo kết quả phân tích có độ tin cậy cao và hỗ trợ các giải pháp bảo vệ nguồn nước hiệu quả.
Bảng 2.2.Các thông số lựa chọn phân tích
Vấn đề ô nhiễm cần đánh giá Các thông số lựa chọn Ô nhiễm do chất hữu cơ
Oxy hòa tan (DO) Nhu cầu oxy sinh học (BOD 5 ) Nhu cầu oxy hóa học (COD) Ô nhiễm do các chất dinh dƣỡng NO 2 –
PO 4 3- Ô nhiễm do chất rắn Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Độ đục Độ chua pH
Nhƣ vậy: Các chỉ tiêu đƣợc lựa chọn để phân tích và đánh giá chất lƣợng nước mặt sông Tích gồm: pH, DO, BOD 5 ,COD,NO2 – ,PO 4 3- , TSS
Phương pháp phân tích xác định các thông số chất lượng nước mặt
+ Phương pháp đo chất rắn hòa tan (TDS), pH: mẫu đƣợc đo bằng máy đo nhanh Exstick III – Extech Intrucment
+ Phương pháp đo độ đục : mẫu đƣợc đo trực tiếp bằng máy LOVIBIOND
+ Phương pháp đo nhiệt độ : Xác định bằng nhiệt kế
+ Phương pháp đo TSS (Tổng chất rắn lơ lửng):Sử dụng phương pháp phân tích trọng lƣợng
Phương pháp phân tích TSS bắt đầu bằng việc lấy chính xác 100ml mẫu nước để phân tích và lọc qua giấy lọc Sau đó, giấy lọc phải được sấy khô đến khối lượng không đổi ở nhiệt độ 150°C trong tủ sấy, đảm bảo độ ẩm được loại bỏ hoàn toàn Khối lượng giấy lọc trước và sau khi lọc phải được cân chính xác trên cân phân tích với sai số tối đa ±0,1mg Từ đó, hàm lượng chất rắn lơ lửng trong mẫu nước được xác định dựa trên công thức tính toán phù hợp.
Trong đó: m 1 : Khối lượng giấy lọc ở 150 0 C trước khi lọc (mg) m 2 : Khối lƣợng giấy lọc ở 150 0 C sau khi lọc (mg) V: Thể tích mẫu nước qua giấy lọc (l)
+ Phương pháp đo BOD 5: Sử dụng phương pháp cấy và pha loãng
Quy trình phân tích OD 5 bắt đầu bằng việc chuẩn bị nước pha loãng với các dung dịch như dung dịch đệm photphat pH 7,2, dung dịch CaCl₂ 2,75 g/l, MgSO₄ 22,5 g/l và dung dịch FeCl₃ 0,25 g/l, được pha vào nước cất theo tỷ lệ 1 ml mỗi dung dịch trên cho 1 lít nước Sau đó, tiến hành sục khí vào dung dịch trong khoảng 1 giờ để đảm bảo nồng độ oxi hòa tan đạt ít nhất 8 mg/l Cần chú ý không để nhiễm bẩn dung dịch, đặc biệt là các chất hữu cơ, chất oxi hóa, chất khử hoặc kim loại, nhằm đảm bảo kết quả phân tích chính xác và đáng tin cậy.
Pha loãng mẫu nước với tỷ lệ phù hợp bằng dung dịch nước pha loãng đã chuẩn bị, tránh làm oxy cuốn theo để đảm bảo kết quả chính xác Sau khi pha loãng, tiến hành đo nồng độ oxy hòa tan ban đầu để xác định giá trị ban đầu của mẫu nước Quá trình này đặc biệt quan trọng trong phân tích chất lượng nước và đảm bảo tính chính xác của các phép đo sau này.
DO 0 ) Thực hiện một mẫu trắng bằng cách cho nước pha loãng vào một bình BOD khác và xác định DO0 Sau đó đem mẫu và mẫu trắng ủ 5 ngày trong tủ kín, ở 20 o C Sau 5 ngày tiến hành đo lại giá trị DO trong mẫu (đây là giá trị DO 5 )
Giá trị BOD 5 đƣợc tính toán theo công thức:
DO 1 : giá trị DO của dung dịch mẫu sau 15 phút pha loãng
DO 5 : giá trị DO đƣợc xác định sau 5 này ủ
F: hệ số pha loãng (Xác định hệ số F theo TCVN 6001:1995) Giá trị BOD 5 thực của mẫu đƣợc tính theo công thức:
BOD 5thực = BOD 5mẫu – BOD 5mẫu trắng (mg/l)
+ Phương pháp đo DO : Máy đo DO để bàn Hanna HI2400
Phương pháp xác định COD sử dụng chất oxi hóa mạnh như K₂Cr₂O₇ để oxi hóa các chất hữu cơ trong mẫu trong môi trường axit Quá trình phản ứng diễn ra với sự có mặt của Ag₂SO₄ và được đun hồi lưu trong 2 giờ ở nhiệt độ 150°C, giúp xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ trong mẫu.
Chất hữu cơ + K 2 Cr 2 O 7 + H + = CO 2 + H 2 O + 2Cr 3+ + 2K +
Lƣợng dƣ Cr 2 O 7 2- đƣợc chuẩn độ bằng dung dịch Fe 2+ với chỉ thị feroin:
Chỉ thị chuyển từ màu vàng chanh sang màu đỏ gạch
Phương pháp phân tích COD bằng phương pháp trồng tự diễn đạt bắt đầu với việc lấy chính xác 2 ml mẫu, thêm 1 ml dung dịch K2Cr2O7 chứa muối thủy ngân (HgSO4) và 3 ml dung dịch AgSO4 trong H2SO4 vào ống nung đã được làm sạch kỹ bằng H2SO4 20% Một mẫu trắng cũng được chuẩn bị tương tự, nhưng thay 2 ml mẫu bằng nước cất để làm cơ sở so sánh Mẫu sau đó được nung ở 150°C trong 2 giờ rồi để nguội tự nhiên Tiếp theo, mẫu được chuẩn độ bằng dung dịch Fe2+ sử dụng chỉ thị feroin để xác định lượng oxi hóa, ghi lại thể tích Fe2+ tiêu tốn Cuối cùng, kết quả Chỉ số COD được tính toán dựa trên thể tích dung dịch Fe2+ tiêu tốn theo công thức chuẩn, giúp đánh giá mức độ ô nhiễm của mẫu.
Trong đó:a: số ml Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O dùng để chuẩn độ mẫu trắng b: số ml Fe(NH 4 ) 2 (SO 4 ) 2 6H 2 O dùng để chuẩn mẫu
V pt : Số ml mẫu đƣợc lấy để phân tích
N: Nồng độ đương lượng của dung dịch Fe 2+
Phương pháp xác định PO₄³⁻ dựa trên nguyên tắc tạo phức giữa ion PO₄³⁻ và dung dịch thử, trong đó tạo ra phức chất màu xanh dương ở môi trường pH = 8,5 Hàm lượng PO₄³⁻ được xác định dựa trên mức độ tạo phức này, giúp đo lường chính xác nồng độ của phosphat trong mẫu Phương pháp này phổ biến nhờ vào tính đặc hiệu cao và dễ thực hiện trong phân tích hóa học môi trường.
TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Vị trí địa lý
Huyện Thạch Thất nằm phía Tây Bắc thành phố Hà Nội, có đặc điểm là vùng bán sơn địa với địa hình đa dạng và phong cảnh thiên nhiên hữu tình Vị trí địa lý của huyện Thạch Thất từ 20 độ 58 phút 23 giây đến 21 độ 06 phút 10 giây vĩ độ Bắc, cùng với 105 độ 27 phút 54 giây đến 105 độ 38 phút 22 giây kinh độ Đông Vùng đất này nổi bật với sự hòa quyện giữa đồi núi và đồng bằng, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển du lịch sinh thái và nông nghiệp.
- Phía Bắc giáp huyện PhúcThọ
- Phía Đông giáp huyện Phúc Thọ, QuốcOai
- Phía Nam giáp huyện Quốc Oai, huyện Kỳ Sơn (tỉnh HòaBình)
- Phía Tây giáp huyện Ba Vì và thị xã SơnTây
Huyện Thạch Thất có Quốc lộ 32 chạy sát phía Đông - Bắc của huyện, kết nối với thị xã Sơn Tây và trung tâm thủ đô Hà Nội, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương Quốc lộ 21 xuất phát từ thị xã Sơn Tây đi qua trung tâm huyện Thạch Thất, tạo thành tuyến giao thông chính hướng về phía Nam, thuận tiện cho việc di chuyển và trao đổi hàng hóa Hai tuyến quốc lộ này kết hợp cùng đại lộ Thăng Long hình thành mạng lưới giao thông quan trọng, nâng cao hiệu quả vận chuyển và đáp ứng nhu cầu kết nối giữa các tỉnh phía Tây Bắc Hà Nội và huyện Thạch Thất.
Hình 3.1 thể hiện bản đồ vị trí địa lý huyện Thạch Thất nằm trong thành phố Hà Nội Nghiên cứu tập trung phân tích chất lượng nước sông Tích chảy qua các xã quan trọng như Cần Kiệm, Kim Quan, Liên Quan và Lại Thượng Việc đánh giá chất lượng nước sông Tích là bước quan trọng để đề xuất các giải pháp bảo vệ môi trường và duy trì nguồn nước sạch cho cộng đồng dân cư địa phương Kết quả nghiên cứu giúp hiểu rõ tình trạng ô nhiễm và các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước, góp phần nâng cao nhận thức về quản lý tài nguyên nước bền vững.
Điều kiện tự nhiên
Thạch thất là khu vực chuyển tiếp giữa vùng núi và trung du phía Bắc với đồng bằng, góp phần tạo nên đặc trưng địa hình đa dạng của khu vực Địa hình ở đây thấp dần từ Tây Bắc xuống Đông Nam, chia thành ba vùng chính: vùng núi, vùng đồi gò, bán sơn địa và vùng đồng bằng Vị trí địa lý độc đáo của Thạch thất giúp phát triển cảnh quan tự nhiên phong phú, đồng thời ảnh hưởng đến hoạt động kinh tế và sinh hoạt của người dân địa phương.
Huyện Thạch Thất nằm trong vùng khí hậu đồng bằng Bắc Bộ, đặc trưng bởi khí hậu nhiệt đới gió mùa, mang đến mùa đông lạnh, mùa hè nóng ẩm và mùa mưa nhiều.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình trong năm khoảng 23,4oC, với tổng số giờ nắng trung bình trong năm là 1.680giờ
Huyện Thạch Thất có lượng mưa bình quân hàng năm khá lớn, đạt 1.628mm, với mức cao nhất là 2.163mm và thấp nhất là 1.519mm Lượng mưa phân bố không đều trong năm, tập trung chủ yếu từ tháng 5 đến tháng 10, chiếm tới 85% tổng lượng mưa cả năm Trong khi đó, lượng bốc hơi trung bình hàng năm khoảng 860mm, chiếm 57% so với lượng mưa trung bình hàng năm, ảnh hưởng đáng kể đến cân bằng nước và hệ sinh thái địa phương.
Độ ẩm không khí trung bình hàng năm đạt khoảng 83%, mang lại cảm giác mát mẻ dễ chịu Tháng 11 và tháng 12 ghi nhận mức độ ẩm thấp nhất trong năm, chỉ khoảng 80%, giúp tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động ngoài trời Tuy nhiên, sự chênh lệch về độ ẩm giữa các tháng không lớn, ổn định và phù hợp cho các hoạt động sinh hoạt hàng ngày và du lịch.
Huyện Thạch Thất có một hệ thống sông suối gồm:
Sông Tích chia đôi huyện theo hướng Bắc – Nam, tạo thành hai vùng rõ rệt Là nguồn cung cấp nước quan trọng cho sản xuất nông nghiệp địa phương, sông Tích có chiều dài chính 91 km trên lưu vực sông Tích Các hồ Đồng Mô – Ngải Sơn, hồ Suối Hai, hồ Xuân Khanh nằm ở đầu nguồn, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho sông Ngoài vai trò tưới tiêu, sông Tích còn là nguồn lợi thủy sản nước ngọt, giúp cư dân trong lưu vực đánh bắt thủy sản hàng trăm tấn mỗi năm, góp phần nâng cao thu nhập cho cộng đồng địa phương.
- Các suối phát nguyên từ vùng núi Lương Sơn, Hòa Bình như suối Linh
Khiêu, suối Quan, suối Thắng Các suối này ngắn, chủ yếu cung cấp nước vào mùa mưa, lưu vực nước nhỏ
Sông Tích nằm trọn trong lòng Hà Nội, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước tưới cho khoảng 16.000 ha đất nông nghiệp tại các huyện, thị qua đó Ngoài ra, sông còn thoát lũ hiệu quả trong mùa mưa và cung cấp nước sinh hoạt cho gần một triệu dân hai bên bờ Thêm vào đó, sông Tích góp phần điều hòa môi trường, giữ gìn cân bằng sinh thái khu vực thủ đô.
Dòng sông Tích hiện đang bị ô nhiễm do chính người dân gây ra, bao gồm nước thải sinh hoạt, rác thải, nước thải nông nghiệp và chăn nuôi gia súc, gia cầm, làm đe dọa hệ sinh thái trong lưu vực Trước đây, sông là nơi sinh sống và phát triển của loài hến với mật độ dày đặc nhờ phù sa, nhưng trong thời gian gần đây, do tác động của ô nhiễm từ nước thải và rác thải từ đầu nguồn, loài hến gần như đã tuyệt chủng Các nghiên cứu về chất lượng nước sông Tích tại huyện Thạch Thất đã cho thấy sông đang đứng trước nguy cơ ô nhiễm nghiêm trọng nếu không có các giải pháp quản lý, giám sát và xử lý nước sông phù hợp của chính quyền địa phương.
Nước sông là nguồn tiếp nhận nước mưa và các loại nước thải từ hoạt động sinh hoạt, sản xuất của con người Đặc biệt, huyện Thạch Thất chủ yếu bị tác động bởi nước mưa chảy tràn, nước thải sinh hoạt, nước thải từ công nghiệp nông nghiệp và chăn nuôi gia súc Điều này ảnh hưởng lớn đến chất lượng nguồn nước và môi trường khu vực Việc kiểm soát và xử lý các loại nước thải này là cần thiết để bảo vệ môi trường và phát triển bền vững của huyện.
Một số nguồn nước thải gây ảnh hưởng đến chất lượng nước như:
Nước thải sinh hoạt tại huyện Thạch Thất, với dân số khoảng 200 nghìn người, dẫn đến khối lượng nước thải lớn và khó kiểm soát Các nguồn nước như sông, suối, hồ đang bị ô nhiễm nặng do không đủ khả năng tự làm sạch và làm loãng nước thải Tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngày càng nghiêm trọng, gây ra nguy cơ nhiễm độc nguồn nước trong cộng đồng.
Hiện nay, trên địa bàn huyện có nhiều khu công nghiệp, đặc biệt là các khu công nghệ cao, góp phần phát triển kinh tế địa phương Tuy nhiên, nhiều nhà máy, xí nghiệp và cơ sở sản xuất công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp xả thải trực tiếp ra sông, rạch mà chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa đạt tiêu chuẩn, gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng Việc xả thải công nghiệp không đúng quy định ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng Do đó, cần tăng cường quản lý và nâng cao hiệu quả xử lý nước thải công nghiệp để bảo vệ môi trường sinh thái.
Nước thải chăn nuôi tại thành phố, đặc biệt ở các khu dân cư như xã Lại Thượng và Hoàng Xá, chứa đến 70-80% hợp chất hữu cơ Sau một thời gian xả ra môi trường, các hợp chất này tạo ra mùi hôi gây ô nhiễm không khí và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe, gây bệnh hô hấp Việc xử lý nước thải chăn nuôi đúng quy trình là cần thiết để giảm thiểu ô nhiễm và bảo vệ môi trường sống.
3.2.3.4 Thực trạng của công tác quản lý
Các con rãnh quanh khu dân cư chủ yếu là rãnh nhỏ, nằm bên cạnh các tuyến đường xóm để thoát nước thải sinh hoạt hiệu quả Những rãnh này thường để hở, giúp dễ dàng cho quá trình nạo vét và khơi thông dòng chảy, đảm bảo vệ sinh và phòng chống ngập úng trong khu vực dân cư.
Nước sông hiện đang bị ô nhiễm do lẫn nhiều tạp chất từ nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất, gây ra hiện tượng phú dưỡng và độc hại cho hệ sinh thái thủy sinh Hiện tại, xã chưa có sự đầu tư vào công tác xử lý nước thải làng nghề, chỉ thực hiện nạo vét hệ thống cống rãnh và kênh mương để khai thông dòng chảy Tuy nhiên, hoạt động nạo vét này thường chỉ diễn ra vào các dịp lễ, Tết hoặc trước vụ cấy, gặt của bà con nhằm mục đích thủy lợi, dẫn đến việc xử lý ô nhiễm chưa được duy trì thường xuyên.
Điều kiện kinh tế - xã hội
Huyện Thạch Thất có vị trí chiến lược trong phát triển kinh tế nhờ vào vai trò là cầu nối giữa trung tâm Hà Nội và các thành phố vệ tinh như Hòa Lạc, Sơn Tây, Xuân Mai Huyện dễ dàng kết nối với các tuyến giao thông trọng điểm như Đai lộ Thăng Long, Quốc lộ 32, đường Hồ Chí Minh và Quốc lộ 21, tạo điều kiện thúc đẩy ngành dịch vụ phát triển mạnh mẽ Việc mở rộng lưu thông hàng hóa và tăng cường trao đổi thương mại là nền tảng giúp Thạch Thất đạt bước tiến lớn trong phát triển kinh tế địa phương.
Huyện Thạch Thất có 1 khu công nghiệp, 8 cụm công nghiệp và hơn 20.885 hộ sản xuất tiểu thủ công nghiệp chủ yếu tập trung tại các làng nghề truyền thống Trong những năm qua, các doanh nghiệp và hộ sản xuất tại địa phương đã phát triển mạnh mẽ, góp phần thúc đẩy kinh tế công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp của huyện Sự phát triển này không chỉ tạo ra nhiều sản phẩm đa dạng mà còn thu hút nhiều lao động, giải quyết công ăn việc làm và nâng cao thu nhập cho nhân dân Đồng thời, hoạt động sản xuất góp phần chuyển dịch cơ cấu kinh tế của huyện, thúc đẩy ngành thương mại dịch vụ cùng phát triển.
Trong giai đoạn từ năm 2011 đến 2013, sản xuất nông nghiệp của huyện liên tục tăng trưởng và cơ cấu nội bộ ngành nông nghiệp chuyển dịch theo hướng tích cực, góp phần thúc đẩy sự phát triển chung của toàn huyện Trong năm 2015 và 6 tháng đầu năm 2016, sản xuất nông nghiệp vẫn giữ mức tăng trưởng ổn định, đóng vai trò chủ đạo trong cơ cấu kinh tế của huyện Giá trị sản xuất nông nghiệp của huyện đã không ngừng tăng qua các năm, đạt 168,7 tỷ đồng trong 6 tháng đầu năm 2016, thể hiện sự phát triển bền vững và tiềm năng của ngành nông nghiệp địa phương.
2.3.1.2 Công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp – x y dựng
Trong những năm qua, tỷ trọng ngành công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp và xây dựng đã có xu hướng tăng trong cơ cấu kinh tế chung Hiện nay, có trên 150 doanh nghiệp thuộc các thành phần kinh tế khác nhau, trong đó có khoảng 90 doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực công nghiệp và tiểu thủ công nghiệp, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành và nâng cao năng lực sản xuất của địa phương.
Sản xuất công nghiệp và thủ công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong chuyển dịch cơ cấu lao động của các ngành kinh tế địa phương Các ngành này góp phần giải quyết việc làm cho lao động nông nghiệp, giảm nghèo hiệu quả và nâng cao chất lượng cuộc sống của người dân.
Ngành công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp và xây dựng huyện Thạch Thất đã có sự tăng trưởng đáng kể, với cơ cấu ngành chủ yếu tập trung vào tiểu thủ công nghiệp và xây dựng Các nghề truyền thống được duy trì và phát huy, mang lại thu nhập ổn định và giải quyết việc làm cho người lao động địa phương Tuy nhiên, ngành sản xuất công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp vẫn đối mặt với nhiều khó khăn như thị trường tiêu thụ hạn chế, công nghệ lạc hậu và nguồn vốn thiếu mạnh, do quy mô sản xuất nhỏ và phân tán không tập trung.
Hệ thống dịch vụ - thương mại của Thạch Thất đã mở rộng đến từng thôn, xóm, mang lại nhiều mặt hàng phong phú và đa dạng Các dịch vụ kinh doanh duy trì ổn định, trong đó dịch vụ ngoài quốc doanh phát triển mạnh, đáp ứng tốt yêu cầu của thị trường Hầu hết các xã đều tổ chức chợ họp thường xuyên để phục vụ nhu cầu tiêu dùng và trao đổi hàng hóa nội bộ trong xã, góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương và nâng cao đời sống người dân.
Ngành thương mại – dịch vụ đang từng bước được quy hoạch bài bản nhằm phục vụ hiệu quả nhu cầu cung ứng vật tư cho sản xuất và tiêu thụ sản phẩm, đồng thời nâng cao tỷ trọng của ngành trong cơ cấu kinh tế Tuy nhiên, mặt yếu của ngành vẫn còn tồn tại ở hệ thống chợ nông thôn nhiều cơ sở vật chất nghèo nàn và mang tính bộc phát.
Tính đến năm 2017 dân số trung bình toàn huyện là 199.527 người,
Tính đến năm 2017, mật độ dân số toàn huyện đạt 2.436 người/km² đất xây dựng, cho thấy mức độ dân cư tập trung cao so với khu vực nông thôn Trong các xã nằm trong hành lang xanh và có làng nghề phát triển, mật độ dân số trên đất xây dựng còn cao hơn, đạt trên 8.000 người/km², tương đương với các đô thị loại I, II Mật độ dân số cao này đặt ra thách thức lớn cho mục tiêu phát triển bền vững của huyện.
Thạch Thất có địa hình tương đối bằng phẳng với đồng ruộng và dân cư phân bố hài hòa, tạo nên một làng xã điển hình của vùng đồng bằng sông Hồng Cơ sở hạ tầng ở đây được xây dựng mang đậm nét đặc trưng từ kiến trúc đến tập quán sinh hoạt của cộng đồng dân cư Trong làng xóm, có hàng trăm ngôi đình, đền, chùa cùng các công trình văn hóa, phúc lợi, nhà ở và đường làng, ngõ xóm được xây dựng mới, góp phần bảo tồn và phát huy các làng nghề truyền thống Những nét tiêu biểu này đã tạo nên diện mạo đặc trưng của Thạch Thất trong giai đoạn đổi mới đất nước.
Thạch Thất đang trong giai đoạn phát triển mạnh mẽ nhưng môi trường sinh thái đang bị ảnh hưởng nghiêm trọng do nước thải công nghiệp, rác thải dân cư và ô nhiễm không khí từ hoạt động xây dựng, giao thông và khí thải công nghiệp Việc sử dụng phân hóa học và thuốc trừ sâu cũng gây tác động xấu đến môi trường nước, đất và không khí Để đảm bảo sự phát triển bền vững, cần triển khai các giải pháp hạn chế ô nhiễm môi trường tại từng xã và toàn huyện, đồng thời thúc đẩy công nghiệp hóa và hiện đại hóa nông thôn một cách bền vững.