Đề tài nghiên cứu ứng dụng mô hình toán và GIS đánh giá chất lượng nước sông vàm cỏ phục vụ công tác quản lý môi trường huyện Cần Dước – tỉnh Long An

Chính vì vậy nghiên cứu kết hợp GIS, mô hình toán và các dữ liệu thu thập được thành một công nghệ tích hợp giúp các nhà quản lý có thể ra được các quyết định có cơ sở vẫn còn là một bài

LỜI CÁM ƠN

Đứng trước tình hình trên, việc thực hiện một chương trình nghiên cứu bài bản, thực sự nghiêm túc, có cơ sở khoa học và thực tiễn để xác định được các nguyên nhân

gây ô nhiễm là hết sức cần thiết

Đề có thể đề xuất các giải pháp tổng hợp và khả thi để bảo vệ nguồn nước sông Vam Co Đông phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích quản

lý môi trường địa bàn Huyện Cần Đước cũng như phát triển bền vững trên toàn lưu vực

sông cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau trong đó có phương pháp mô hình hóa và GIS

Đề tài đã bước đầu ứng dụng QUAL2K và MIKE 11 để mô phỏng chất lượng nước sông Vàm Cỏ Đông và đề xuất một số biện pháp quản lý lưu vực sông hợp lý hơn

trong thời gian tới Tính toán được thực hiện dựa trên theo các kịch bản phát triển kinh

tế xã hội khác nhau cho phép làm sáng tỏ vai trò khác nhau của các vị trí thải, yếu tố thuỷ văn từ đó có thể đưa ra các biện pháp ngăn ngừa ở tầm vĩ mô So sánh bước đầu

kết quả tính toán bằng mô hình và số liệu thực cho thấy hai mô hình cho độ tin cậy khá

cao, nhất là khi ứng dụng cho vùng sông chịu ảnh hưởng mạnh của triều Kết quả này

sẽ được áp dụng trong việc tính toán lan truyền chất ô nhiễm cho sông Vàm Cỏ Đông nhằm phục vụ giám sát và quản lý môi trường nước sông

ii

DANH MỤC CÁC CHU VIET TAT

ENVIM ENVironmental Information Management software — phần

mêm quản lý môi trường

Pollution estimation) GIS Geographic Information System — Hé thống thông tin địa lý

HTTTMT Hệ thống thông tin môi trường

KTTĐPN Vùng kinh tế trọng điểm phía Nam

11

DANH MUC CAC BANG

Bang 2-1 Các module cơ bản trong khối xử lý bản đồ số trong ENVIM 23 Bảng 2-2 Mô tả các chức năng quản lý các đối tượng thông tin địa lý trong ENVIM 24 Bang 3-1 Các đơn vị hành chính của huyện Cần Đước (năm 2006) . +¿ 31

Bang 3-2 Phân loại và thống kê diện tích các loại đất của huyện :-:+-+cc+¿ 40 Bảng 3-3 Thống kê tình hình sử dụng đất đến năm 2005 và quy hoạch sử dụng đất đến năm

2010, định hướng đên năm 2020 tại huyện Cân Đước -¿ + + +52 5+ 5+ ++*+sss sex 46 Bang 3-4 Các vị trí lấy mẫu quan trắc trên sông Vàm Cỏ Đông -. :-2+©555:+2 64

Bảng 3-5 : Các vị trí lấy mẫu quan trắc nước thải từ 10 KCN và 3 vị trí gần chợ cá Tân An 73

Bảng 3-6 Chỉ tiêu và phương pháp lấy mẫu được áp dụng . -¿-+©+++ccxccee 87 Bảng 4-1 Danh mục các nguồn thải đổ vào Sông Vàm Cỏ Đông . -. -5+

Bảng 4-4 Danh mục các vị trí được lựa chọn trên sông Vàm Cỏ Đông

Bảng 4-5 Thông số chất lượng nước thượng nguỗn - :

Bảng 4-6 Thông số tỷ lệ thất thoát và bị phân hủyy ¿-++©+++++++txxerrrrrsrrrs Bảng 4-7 Tải trọng chất ban (hệ số phát thải chất ô nhiễm) tính theo đầu người

Bảng 4-8 Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trên bẻ tự hoại hoặc công trình tương tự Bảng 4-9 Chỉ tiết kịch bản Ï và 2 ¿-2+-©2+++22++222YE2221222211227112211271112711 11 re Bảng 4-10 Chỉ tiết kịch bản 3 và 4 5¿-55+ 2222222 122211222111271112211111112111 1.1

Bảng 4-11 Các kịch bản phát triển kinh tế xã hội lưu vực sông Vàm Cỏ Đông 111

Bảng 4-12 Mức thải trung bình công nghiệp (mỶ/ha.ngày) 2 2z:++ 112

Bảng 4-13 Nồng độ chất thải công nghiỆp - 25222222 2E2E2EYEtvEEEvvEErrrrrrrrrrrk 112

Bảng 4-14 Lưu lượng thải kênh rạch: . ¿- 5 55+ 5S 2E SE ‡xtvevevrteerrrrrrrrerrree

Bảng 4-15 Số liệu nguồn thải kênh rạch

Bảng 4-16 Danh sách điểm nhạy cảm

1V

Hình 3-12

Hình 3-13

Hình 3-14

Hình 3-15

Hình 3-16

Hình 3-17

Hình 3-18

Hình 3-19

Hình 3-20

Xây dựng kịch bản tính toán cho QUAL2K

DANH MỤC CÁC HÌNH Xu thế phát triển công nghệ GIS hiện tại và tương lai gần . 16

NeÙ ái) (0005 0á 18

N00 000012154 n1 19

Sơ đồ hoạt động Khối Môi trường trong công nghệ ENVIM 21

Sơ đồ tích hợp mô hình toán môi trường trong ENVIM ¿ c+-c++ 25 Tạo lớp bờ sông bằng phần mềm MapinfO - ¿2 ++s+x++zx++rx++rveee Các bước chuyên đổi dữ liệu không gian sang format cia ENVIM

Bản đồ địa giới hành chính huyện Cần Đước, Long An : +-c+ 33 Sơ đồ các điểm lấy mẫu quan trắc trên Sông Vàm Cỏ

Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH trên Sông Vàm Cỏ Đông 67

Đỗ thị thể hiện diễn biến hàm lượng DO trên Sông Vàm Cỏ Đông 68

Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng SS trên Sông Vàm Cỏ Đông 68

Đồ thị thể hiện diễn biến hàm lượng BOD trên Sông Vàm Cỏ Đông 70

Đỗ thị thể hiện diễn biến hàm lượng COD trên Sông Vàm Cỏ Đông 71

Sơ đồ các vị trí lấy mau quan trac KCN — Chợ trên dia ban Tinh Long An 74

Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN - chợ tỉnh Long An 75

Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN - chợ tỉnh Long An 75

Đồ thị thể hiện diễn biến độ pH khu vực KCN - chợ tỉnh Long An 76

Đồ thị thể hiện diễn biến COD khu vực KCN - chợ tỉnh Long An 71

Đồ thị thể hiện diễn biến tổng Nitơ khu vực KCN - chợ tỉnh Long An 78

Đồ thị thể hiện diễn biến tổng Photpho khu vực KCN - chợ tỉnh Long An 78

Tóm tắt các bước thực hiện Luận văn 84

Sơ đồ lầy mẫu trên lưu vực sông Vàm Cỏ Đông, tại Cần Đước Ñ7 Giao diện của Google Earth Ảnh vệ tỉnh khu vực sông Vàm Cỏ Đông - + 5+ + +vEsereeeereereree 90 Các bước kết nói dữ liệu không gian với QUAL2K . -: :©-:+¿ 94

Các lớp bản đồ nền Tỉnh Long An -2¿ 2 ©52©++2+£2E+++EEeerxesrxeerxersee 95

Hình 3-21 Các lớp bản đồ nền Huyện Cần Đước -. 2-©22++22+++2£+vtrrxrsrrrrrrrrrree 95 Hình 3-22 Trang mở đầu phần mềm kết nói dữ liệu không gian với QUAL2K

Hình 3-23 Dữ liệu không gian đã được tích hợp với QUAL2K thông qua ENVIM +

Hình 3-24 Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do sinh hoạt .97

Hình 3-25 Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do nguồn công nghiệp

Hình 3-26 Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm Hình 3-27 Sơ đồ tự động hóa tính toán lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm do kênh rạch .98

Hình 4-1 Vị trí các nguồn thải trên sông Vàm Cỏ Đông trong phạm vi xem xét của đề tài 100 Hình 4-2 Giao diện vận hành mô hình trong ENVIMQ2K - ¿5-5 + +s£+<£++*+ Hình 4-3 Giao diện lựa chọn nguồn thải để tính toán -2-2 2 ©2s++zxe2zxe+zxe2 Hình 4-4 Bảng tổng hợp kết quả tính toán :-2¿©22++22+++22Y++222EEtEEExrrrrrrrrrrrrrrke Hình 4-5 Thông tin khu công nghiệp tương ứng với kịch ban 1 Hình 4-6 Thông tin kênh rạch tương ứng với kịch bản I Hình 4-7 Thông tin khu dân cư tương ứng với kịch bản 1 Hình 4-8 Kết quả xuất ra của mô hình ENVIMQ2K ¿-2¿222+22++tecrrrrrrrrrrree

Hình 4-9 Bản đồ phân bố Chat rắn lơ lửng (mg/) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản ]) 132

Hình 4-10 Bản đồ phân bố BOD; (mg/I) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 1) 132

Hình 4-11.Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2) 133

Hình 4-12 Ban dé phan bé BODs (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2) Hình 4-13 Bản đồ phân bố DO (mg/I) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2) Hình 4-14 Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 2)

Hình 4-15.Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3)

Hình 4-16 Bản đồ phân bố BODs (mg/I) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3)

Hình 4-17 Bản đồ phân bố DO (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3) . -

Hình 4-18 Bản đồ phân bố Nitơ hữu cơ (mg/) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 3)

Hình 4-19 Bản đồ phân bố Chất rắn lơ lửng (mg/!) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4)

Hinh 4-20 Ban dé phan bé BODs (mg/l) sông Vàm Cỏ Đông (kịch bản 4) -

Hình 4-21 Bản đồ phân bé DO (mg/l) song Vam Co Dong (kich bản 4) . -

Hình 4-22 Bản đồ phân bố Nitơ hữu co (mg/l) séng Vam Co Dong (kịch bản 4)

Hình 4-23 Nồng độ BOD tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản -

Hình 4-24 Nồng độ BOD tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản - 140

Hình 4-25 Nồng độ TSS tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản - 140

Hình 4-26 Nồng độ TSS tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản - 140

Hình 4-27 Nồng độ DO tại điểm nhạy cảm vào mùa khô theo kịch bản - 140

Hình 4-28 Nồng độ DO tại điểm nhạy cảm vào mùa mưa theo kịch bản - - 140

MỤC LỤC

0:09 .) 1

1 MỞ ĐẦU -<<©esesCErteESEStEEAEETAeTreosrsersrserrrseorsserrsee 1 1.1 TINH CAP THIET CỦA ĐÈ TÀI . 2-2©222©++£+++£x++txeerxesrxesree 1 1.2 TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI +¿+©+++2E++22EEE2EEEttEExrtrrtrrrrrrrrrrrrer 4 1.3 MỤC TIỂU CỦA ĐÈ TÀI 2-+¿+©+++2E++22EE2EEEEEExttErtrrrrrrrrrrrrer 4 1.4 CAC NỘI DUNG THỰC HIỆN . -22©25++22++E++terrtrerrerrrrerrrr 4 0:09 e7 6

2 TỐNG QUAN TÀI LIỆU -e-e<s°s< se se ssESseEsseEsserseersseerssers 6 2.1 CÁC MÔ HÌNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC : 2¿©2cc++cccscxccrrx 6 2.2 XỬ LÝ DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VÀ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN 12

2.3 CÔNG NGHỆ LIÊN KÉT MÔ HÌNH MÔI TRƯỜNG VỚI GIS 17

2.4 TÍCH HỢP DỮ LIỆU KHÔNG GIAN VỚI MÔ HÌNH QUAL2K 27

0:09) 31

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU . . s- 31 3.1 TONG QUAN VE DIEU KIEN TỰ NHIÊN HUYỆN CÀN ĐƯỚC 31

3.2 TONG QUAN VE DIEU KIEN KINH TE XA HOI HUYEN CAN DUGC 54 3.3 HIEN TRANG MÔI TRƯỜNG NƯỚC LƯU VUC SONG VAM CO - HUYỆN CÀN ĐƯỚC TRONG NHỮNG NĂM GÀN ĐÂY - ¿ 63

3.4 HIỆN TRẠNG CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT SONG \M 096901004506 00)09 21 79

3.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU -2+©25++22+++£vx+rrxerrrrerree 83 CHUONG 10001357 75 99

viii

4 KẾT QUÁ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN -. s°-s<csscsscsse 99 4.1 MÔ TẢ KỊCH BẢN 55c 22x22 222 2211221121111 100 4.2 KÉT QUÁ CHẠY MÔ HÌNH QUAL2K -2©¿©5+©s++cs+2 131

0:09) 1e 1777 144 5 KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, s2 s<se©ersseesreseesrrssese 144

1X

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 TINH CAP THIET CUA DE TAI

Huyện Cần Đước cách Tp Hồ Chí Minh 30 km về phía Nam và cách Thị xã Tân An 45 km về phía Đông, nằm kẹp giữa sông Vàm Cỏ và sông Rạch Cát tiếp giáp

với cửa Soài Rạp thông ra biển Đông và nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam

của tỉnh, liền kề với những KCN lớn của Tp Hồ Chí Minh và Long An như : KCN Bến

Lức, KCN Soài Rạp, KCN Hiệp Phước, Ở một vị trí như vậy, huyện Cần Đước có

những lợi thế như sau :

Huyện Cần Đước là cửa ngõ giao thông giữa Tp Hồ Chí Minh với các tỉnh

miền Đông Nam Bộ và miền Tây Nam Bộ, với sự giao lưu thuận tiện bằng các tuyến giao thông quan trọng như quốc lộ 50, tỉnh lộ 826, 835 chạy qua, cộng với hệ thống giao thông đường thủy qua kênh Nước mặn, sông Vàm Cỏ, cửa Soài Rạp và sông Nhà

Bè Trong tương lai sẽ xây dựng tuyến đường tắt quốc lộ 50 Cần Dude (Long An) — Chợ Gạo (Tiền Giang) là trục giao thông quan trọng cho phát triển kinh tế của huyện

Hệ thống Sông Vàm Cỏ đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế xã

hội, lưu thông vận chuyển hàng hóa trên địa bàn Huyện Cần Đước Người dân sống

trên lưu vực chủ yếu dựa vào các nghề truyền thống như nông nghiệp, tiêu thủ công nghiệp, chăn nuôi gia súc, gia cầm, nuôi trồng thủy sản, dệt nhuộm và phát triển công nghiệp Vì vậy việc khai thác và sử dụng nguồn nước trên địa bàn đều ảnh hưởng đến môi trường xung quanh khu vực

Hiện nay sông Vàm Cỏ đang được quan tâm đặc biệt bởi những diễn biến có xu hướng xấu đi về chất lượng nước của dòng sông đe dọa nghiêm trọng đến đời sống xã

hội và trước hết đe dọa trực tiếp về nhu cầu cấp nước cho cụm dân cư thuộc tỉnh Long

An, giáp giới với thành phố Hồ Chí Minh

Đã có nhiều đề tài khoa học các cấp, nhiều Luận văn đại học, cao học nghiên cứu về con sông này Kết quả của các nghiên cứu trên cho thấy đã đến lúc cần phải thực hiện một chương trình nghiên cứu bài bản và thực sự nghiêm túc, có cơ sở khoa học và thực tiễn xác định chính xác được các nguyên nhân gây ô nhiễm và mục tiêu cuối cùng cần phải đạt được là xây dựng kịch bản phát triển bền vững cho lưu vực sông Vam Co

Để có thể đề xuất các giải pháp tổng hợp và khả thi để bảo vệ nguồn nước sông Vam Cỏ phục vụ an toàn cho cấp nước đồng thời phục vụ cho các mục đích phát triển bền vững trên toàn lưu vực sông cần phải áp dụng nhiều phương pháp khác nhau như

mô hình hóa, GIS, kết hợp với đo đạc thực địa để lấy số liệu Tính phức tạp của bài

toán ở đây là ở chỗ sông Vàm Cỏ trải rất dài va đi qua nhiều cụm dân cư, các khu công nghiệp cũng như có nhiều nguồn kênh rạch đỗ vào do vậy từng phương pháp riêng rẽ ở trên đù có mạnh tới đâu cũng không thể cho một bức tranh tổng thể Chính vì vậy nghiên cứu kết hợp GIS, mô hình toán và các dữ liệu thu thập được thành một công nghệ tích hợp giúp các nhà quản lý có thể ra được các quyết định có cơ sở vẫn còn là một bài toán cần nghiên cứu trong khuôn khổ bài toán bảo vệ môi trường và phát triển

bền vững đối với sông Vàm Cỏ

Trước tình hình đó đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán và GIS đánh

giá chất lượng nước sông Vàm Có phục vụ công tác quản lý môi trường Huyện Cần Đước - tỉnh Long An” được đưa ra nhằm ứng dụng phương pháp tích hợp mô hình, GIS vào cơ sở đữ liệu (CSDL) môi trường phục vụ công tác quản lý môi trường trong việc đánh giá và dự báo ô nhiễm nước sông trong thời gian sắp tới

Các vấn đề thê hiện tính cấp thiết của đề tài bao gồm:

a Đáp ứng trước nhu cầu phát triển kinh tế xã hội

Tốc độ phát triển vượt bậc của các tỉnh thuộc khu vực giáp ranh với Tp Hồ Chí

Minh như Long An

Mức độ công nghiệp hóa, đô thị hóa tại các tỉnh trong lưu vực Sông Vàm Cỏ ngày càng nhanh chóng

Trang bị, nâng cấp hạ tầng cơ sở lưu trữ thông tin trước nhu cầu phát triển vượt

ý nghĩa quyết định đến việc bảo vệ chất lượng của nguồn tiếp nhận - sông Vàm

Đánh giá quá trình phát triển kinh tế - xã hội trên lưu vực sông Sài Gòn tác động

và ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Vàm Cỏ, điều chỉnh hợp lý kế hoạch phát

triển kinh tế - xã hội trong những năm tới

4 Ứng dụng mô hình toán quản lý chất lượng nước sông Vàm Cỏ với các mô hình toán lựa chọn thích hợp trong điều kiện cụ thể của sông Vàm Cỏ (như QUAL2K,

MIKE )

1.2 TINH MOI CUA DE TAI

1 Kết hợp giữa hệ thống thông tin môi trường và dữ liệu môi trường dé nâng cao

hiệu quả quản lý môi trường

2 Sản phẩm tạo ra có thê ứng dụng trong thực tế, giúp cơ quan quản lý môi trường

Huyện Cần Đước có thể kiểm soát, đánh giá và dự báo được mức độ ô nhiễm

nước Sông Vàm Cỏ trong thời gian dài

1.3 MỤC TIÊU CỦA ĐÈ TÀI

1 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông Vàm Cỏ;

2 Ứng dụng mô hình toán dự báo diễn biến chất lượng nước sông Vàm Cỏ từ nay

đến năm 2010 -hướng đến năm 2020 dưới những áp lực kinh tế - xã hội và môi

trường

1.4 CÁC NỘI DUNG THỰC HIỆN

— Khái quát một số đặc trưng, tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội Huyện

Cần Đước - Tỉnh Long An

—_ Thu thập, đo đạc, phân tích số liệu liên quan đến chất lượng nước sông Vàm Cỏ Làm rõ các nguồn xả thải từ các khu công nghiệp và cơ sở sản xuất, sinh hoạt vào khúc sông được xem Xét

— Xây dựng mô hình cơ sở dữ liệu quản lý ô nhiễm nguồn nước mặt sông Vàm Cỏ

Tính toán dự báo nhu cầu phát thải dựa trên qui hoạch phát triển kinh tế-xã hội

huyện Cần Đước đến năm 2020

Ứng dụng các mô hình chất lượng nước (Qual2k, Mike II), tính toán dự báo ô nhiễm nước mặt Sông Vàm Cỏ

Biểu diễn kết quả chạy mô hình với kỹ thuật Geoinformatics

Đề xuất chương trình quan trắc, giám sát, dự báo phục vụ công tác quản lý chất lượng môi trường

CHƯƠNG 2

TỎNG QUAN TÀI LIỆU

Mô hình hóa với sự trợ giúp của công nghệ GIS trong thời đại ngày nay đã trở thành một công cụ rất mạnh để nghiên cứu và quản lý môi trường Ứng dụng các mô hình môi

trường và GIS đã mở ra những chân trời mới để giải quyết nhiều bài toán về môi trường,

trong đó có bài toán mô phỏng chất lượng nước kênh sông Sự lan truyền các chất ô nhiễm trên kênh sông diễn ra trên một phạm vi rộng lớn Ngay cả những nơi cách xa nguồn thải vẫn có thể chịu ảnh hưởng và có thê gây ra tổn thất nặng nề Vấn đề được quan

tâm nhiều nhất là:

— Mối liên hệ giữa mức xả thải ở thượng nguồn với mức ô nhiễm tại các vùng

hạ lưu ?

— Vấn đề tích hợp mô hình toán với GIS tạo thành công cụ mô phỏng chất

lượng nước kênh sông được thực hiện như thế nào ?

Việc giải đáp hai câu hỏi trên sẽ giúp cho các nhà quản lý giảm thiểu mức độ ô

nhiễm đến mức cho phép Bởi vì xử lý ô nhiễm là quá trình tốn kém, mặt khác cũng

không thể không sản xuất và xả thải vì vậy làm thế nào để giảm thiểu ô nhiễm đến mức cần thiết là một bài toán mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng Các mô hình toán mô phỏng chất lượng nước trên kênh sông là những công cụ không thể thiếu để giải quyết

các bài toán được phác họa ở trên Phần dưới đây trình bày tông quan các tài liệu liên

quan tới Luận văn: ứng dụng mô hình mô phỏng chất lượng nước kênh sông, GIS và

vân đề tích hợp GIS với mô hình toán

2.1 CÁC MÔ HÌNH CHÁT LƯỢNG NƯỚC

Hiện nay, các tính toán quá trình truyền các chất ô nhiễm có ý nghĩa lớn đối với việc lập kế hoạch và phát triển hệ thống bảo vệ nước Tuy nhiên, việc tính toán mô

phỏng các quá trình trong không gian rộng lớn và thời gian tương đối dài phần lớn

trường hợp là không thê thực hiện được bằng tay vì tính phức tạp cồng kềnh Hơn nữa

số lượng tham số và phương trình mô tả rất lớn khiến việc tìm kiếm lời giải gặp nhiều

khó khăn Đây là lý do rất nhiều công cụ mạnh ra đời cho phép tự động hoá tính toán Dưới đây là một số mô hình chất lượng nước được sử dụng rộng rãi trong bài toán bảo

vệ môi trường

QUAL2E do Brown và Barnwell xây dựng năm 1987, QUAL2K là bản cải tiến

ra đời 3/2006 Những công trình đầu tiên về QUAL2 được trình bày trong tài liệu Qual

I & LH, Stream Water Quality, Texas Water Development Board, Environmental Protection Agency; (1971, 1973) va sau nay được trình bày trong công trình Qual2E, Enhanced Stream Water Quality Model; EPA, Center for Exposure Assessment Modeling (1985) QUAL2E-UNCAS là một phiên bản nâng cao của QUAL2E nó cung

cấp những khả năng để phân tích tính không chắc chắn Sự ra đời của QUAL2E đã

thúc đẩy nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô hình trong bài toán mô phỏng chất

lượng nước cho hệ thống kênh sông QUAL2K là phiên bản mới nhất ra đời vào tháng

3/2006

Mô hình QUAL2K là mô hình chất lượng nước sông tổng hợp và toàn diện

được phát triển do sự hợp tác giữa trường Đại Học Tufts University và Trung tâm mô

hình chất lượng nước của Cục Môi Trường Mỹ Mô hình này được sử dụng rộng rãi để

dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sông Mô hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ, BOD:,DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ (uy), nitrit ( N-NO;), nitrat (N-NO;'

), phốt pho hữu cơ (P„„), phốt pho hoà tan, coliform và 3 thông số khác ít biến đổi

trong nước /nguồn [44]/

Mô hình có thể áp dụng cho các sông nhánh xáo trộn hoàn toàn Với giả thiết

rằng cơ chế vận chuyền chính của dòng là lan truyền và phân tán dọc theo hướng chính của đòng (trục chiều dài của dòng và kênh) Mô hình cho phép tính toán với nhiều nguồn thải, các điểm lấy nước cấp, các nhánh phụ và các dòng thêm vào và lấy ra Mô

hình QUAL2E cũng có thể tính toán lưu lượng cần thiết thêm vào đề đạt được giá trị

ôxy hoà tan theo tiêu chuẩn

Về mặt thuỷ lực mô hình QUAL2K có thể tính toán được ở 2 chế độ là trạng

thái én định và trạng thái động Ở trạng thái én định, mô hình có thể được sử dụng để

tính toán nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng chất thải (cường độ, chất lượng và vị trí)

đối với chất lượng nước sông và cũng có thê sử dụng liên kết với chương trình lấy mẫu thực địa để nhận diện các đặc tính cường độ và chất lượng của tải trọng từ các nguồn diện (non-point sources) Ở trạng thái động, mô hình QUAL2E có thể được sử dung dé nghiên cứu ảnh hưởng do sự thay đổi khí hậu hằng ngày đối với chất lượng nước (ôxy hoà tan nhiệt độ) và cũng có thể nghiên cứu sự thay đổi oxy hoà tan hằng ngày do sự

hô hấp và tăng trưởng của táo

Từ năm 1983 Cục bảo vệ môi trường Mỹ dưới sự lãnh đạo cua DiToro da phat

triển phần mềm mới có tên là WASP (Water Quality Analysis Simulation; EPA) với các phiên bản tiếp theo là: WASP4 (1988), WASP5 (1993), WASP6 (2001), WASP7 (2006)

WASP7 là phiên bản nâng cấp mới nhất trong họ WASP chạy trong môi

trường Windows của Bộ Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước Phiên bản

WASP7 duoc phát triển nhằm giúp đỡ các nhà lập mô hình thực hiện Chương trình mô phỏng phân tích chất lượng nước WASP có 3 đặc trưng như sau: phần tiền xử lý, phần

xử lý dữ liệu nhanh, và phần hậu xử lý biểu diễn đồ họa giúp nhà lập mô hình sử dụng WASP nhanh hơn một cách dễ dàng, ngoài ra còn có thê đánh giá các kết quả từ mô hình dưới dạng số và đồ họa Với WASP6 việc thực hiện chương trình có thể nhanh

hơn 10 lần so với phiên bản WASP của Cục bảo vệ môi trường Mỹ trong môi trường DOS Mặc dù WASP6 sử dụng cùng các thuật toán như WASP trong môi trường DOS

WASP7 bao gom:1) giao diện dựa trên các cửa số dễ dùng, 2) một bộ tiền xử lý giúp nhà lập mô hình chuyển dữ liệu về dạng thích hợp cho WASP, các phần xử lý mô hình phú dưỡng hóa và chất hữu cơ có tốc độ cao, và 4) phần hậu xử lý — biểu diễn đồ

họa dé xem các kết quả của WASP và so sánh chúng với các dữ liệu thực đo

Do kiến trúc được thiết kế của WASP7 làm cho người sử dụng dễ dàng phát triển các môđun động lực cho WASP Hiện tại USEPA đang dự định phát triển mô

hình phú dưỡng hóa nâng cao bao gồm thêm một số biến trạng thái: 2 nhóm tảo, độ

mặn, cân bằng nhiệt đầy đủ, coliform, nhóm BOD thứ 2, mô hình chất lắng,

Hệ thống WASP bao gồm 2 chương trình tính toán độc lập: DYNHYD và WASP6; chúng có thể chạy riêng rẽ hoặc kết hợp với nhau Chương trình thủy động

lực - DYNHYD - mô phỏng sự chuyển động của nước trong khi đó chương trình chat lượng nước - WASP — mô phỏng sự chuyển động và tương tác của các chất ô nhiễm trong nước Ngoài DYNHYD kết hợp cùng với WASP còn có các chương trình thủy

động lực khác cũng có thể được liên kết WASP

Trong đó WASP7 bao gồm 2 mô hình động lực con mô phỏng 2 nhóm chính về các vấn đề chất lượng nước: phần ô nhiễm thông thường (như ôxy hòa tan, nhu cầu ôxy

sinh hóa, chất dinh dưỡng và phú dưỡng hóa) và phần ô nhiễm chất độc (như các chất hữu cơ, kim loại, và chất lắng), lần lược là EUTRO va TOXI /nguén [44]/

Gần đây, trong công trình [17] ứng dụng phần mềm ANSYS mô phỏng chất lượng nước trên kênh sông ANSYS được phát triển bắt đầu từ năm 1970 do nhóm

nghiên cứu của Dr.Jonh Swanson, hệ thống tính toán Swanson (Swanson Analysis System, Inc), ở tại Mỹ Từ đó ANSYS đã nhanh chóng phát triển ra các nước khác trên

thế giới như CHLB Đức, Anh, Áo, Thuy Sĩ, Nhật, Trung Quốc,

ANSYS là phần mềm thiết kế phân tích đa chức năng uyễn chuyền và đáng tin cậy Các công cụ tính toán của nó phát triển liên tục với hệ thống các menu hỗ trợ nhập

số liệu, chọn các hành động với sự trợ giúp các hộp hội thoại, các menu x6 xuống và các cửa sé tro g1úp người sử dụng

Các phương tiện mô phỏng các thực thể là hình học lý tưởng, dựa trên kỹ thuật Spline, các phép toán Boolean

Phân tích qua chương trình ANSYS bao gồm ba giai đoạn: tiền xử lý, giải để tìm nghiệm và hậu xử lý Trình tự các bước ứng dụng ANSYS giải bài toán lan truyền

ô nhiễm gồm:

©_ Bước 1: Xác định miền bài toán

Người giải cần xác định miền thích hợp cho mỗi bài toán Xác định vị trí các điều kiện biên đã biết của bài toán

©_ Bước 2: Xác định chế độ dòng chảy

Người giải cần đánh giá các đặc trưng dòng chảy Đặc trưng là hàm số của các

thuộc tính lưu chất, hình học và trường vận tốc

Các lưu chất thông thường có tính chất biến thiên theo nhiệt độ Dòng khí được giới hạn là khí lý tưởng Trong nhiều trường hợp có thể nhận kết quả phù hợp với các tính chất lưu chất là hằng số

©_ Bước 3: tạo mạng lưới phần tử hữu hạn

Ở nơi biến thiên nhanh lưới cần mịn hơn nơi biến thiên chậm

©_ Bước 4: đặt các điều kiện biên

Điều kiện biên có thể được định nghĩa trước hay sau khi mạng lưới được tạo ra

Điều kiện biên có thể thay đổi giữa những lần khởi tạo lại, nhưng thông thường chỉ

thay đổi khi có sự bất ổn trong quá trình giải

© Bước 5: thiết lập các thông số tính toán

Sử dụng mô hình chảy rối hay giải phương trình nhiệt đồng thời, người sử dụng

cần kích hoạt chúng các đối tượng cụ thể được thiết lập như các đặc trưng lưu chất, là 1 chức năng của bài toán

® Bước 6: Giải bài toán

Người sử dụng có thể giám sát sự hội tụ và ổn định lời giải bài toán bằng cách

quan sát tốc độ thay đổi lời giải và các ứng xử biến phụ thuộc thích hợp Các biến nầy bao gồm vận tốc, áp suất và nhiệt độ, các đại lượng rối, tốc độ tiêu hao động năng, độ nhớt tương đương

©_ Bước 7: Phân tích kết qua

Các kết quả xuất ra có thể được hậu xử lý và phân tích trong những file xuất

Người giải sử dụng khả năng đánh giá kỹ thuật của mình để phân tích kết quả, ước

10

lượng độ tin cậy của toàn bộ phép giải, cách thức và các đặc tính riêng được sử dụng

và các điều kiện áp đặt

Ngày nay, MIKE được biết tới như một phần mềm thương mại nỗi tiếng trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước MIKE có rất nhiều module nhưng có lẽ MIKEII

đang được sử dụng nhiều hơn cả ở Việt Nam

MIKEII — là một phần mềm đóng gói thuộc bản quyền của hãng DHI Water & Environment (DHI là cụm từ viết tắt của 3 chữ Danish Hydraulic Institute) Công ty

DHI có khoảng 560 nhân viên, trong số này 35% có bằng tiến sĩ với nhiều kinh nghiệm thực hiện các dự án nghiên cứu triển khai công nghệ DHI có trụ sở chính tại Hørsholm, Đan Mạch và văn phòng đại diện tại nhiều nước trên thế giới như Uc, Bungari, Chi lê, Trung Quốc, Pháp, Đức, Italy, Malaysia, Nauy, Tây Ban Nha, và gần đây là tại Thái lan và Việt Nam

MIKEII được xây dựng cho máy tính cá nhân và từ 1996 chương trình được

viết để chạy trên hệ thống Window 95/98/2000/NT Chương trình này là sản phẩm

công nghệ máy tính cao (với bộ nhớ động và CSDL) Chương trình được tích hợp rất

nhiều mô hình toán được nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước

Việc công bố sự ra đời của MIKE I1 phiên bản 4 năm 1997 đã mở ra một bước nhảy trong việc ứng dụng rộng rãi công cụ lập mô hình thủy động lực học cho sông và kênh dẫn Dựa trên khái niệm của MIKE Zero bao gồm: giao diện người dùng, đồ họa tích hợp trong Windows Tuy nhiên phần tính toán trọng tâm được biết đến và đã được kiểm chứng trong các phiên bản của thế hệ trước (phiên bản cổ điển) vẫn còn được duy trì

MIKE 11 là công cụ lập mô hình động lực, một chiều và thân thiện với người sử

dụng nhằm phân tích chỉ tiết, thiết kế, quản lý và vận hành cho sông và hệ thống kênh

dẫn đơn giản và phức tạp Với môi trường đặc biệt thân thiện với người sử dụng, linh

hoạt và tốc độ, MIKE 11 cung cấp một môi trường thiết kế hữu hiệu về kỹ thuật công

trình, tài nguyên nước, quản lý chất lượng nước và các ứng dụng quy hoạch

MIKE 11 bao gồm các module chính:

11

— Mô hình thủy d6ng luc hoc (Hydrodynamics — module HD)

— M6 hinh tai — phan tan (Advection — Dispersion — module AD)

— Mô hình chất lượng nước (Water Quality — module WQ)

Module mô hình thủy động lực (HD) là một phần trọng tâm của hệ thống lập

mô hình MIKE 11 và hình thành cơ sở cho hầu hết các module bao gồm: dự báo lũ, tải

khuếch tán, chất lượng nước và các module vận chuyển bùn lắng không có cố kết Module MIKE 11 HD giải các phương trình tích phân theo phương đứng để đảm bảo tính liên tục và động lượng (momentum), nghĩa là phương trình Saint - Venant

Với mục tiêu và phạm vi nghiên cứu đã được xác định ở trên trong nghiên cứu này này việc ứng dụng các module HD và AD để mô phỏng chế độ thuỷ lực và diễn biến xâm nhập mặn vùng hạ du Sài Gòn là phù hợp

Hiện nay với sự tài trợ của chính phủ Đan Mạch dự án DANIDA đã có chương trình hỗ trợ nâng cao năng lực cho các Viện ngành nước tại Việt Nam Trong quá trình đào tạo của dự án các thành viên tham dự được tiếp cận và sử dụng các mô hình thuộc

họ MIKE của Viện nghiên cứu thủy lực Đan Mạch (DHI) một cách hợp pháp và dưới

sự giúp đỡ của các chuyên gia mô hình Mike 11 đã được ứng dụng ở một số khu vực điển hình của Việt Nam như lưu vực sông Hồng, sông Thu Bồn, sông Sài Gòn - Đồng Nai và vùng Đồng Bằng sông Cửu Long và bước đầu đã mang lại kết quả tương đối

tốt nguồn [10]-[11],[32]/

2.2 XU LY DU LIEU KHONG GIAN VA VAN DE LIEN QUAN

Vào thế kỷ XX, khi mà việc nghiên cứu địa lí phát triển mạnh theo xu hướng định lượng, đã nảy sinh những vấn đề về dữ liệu không gian Nghiên cứu các chuyên

đề riêng biệt đòi hỏi quá trình điều tra, khảo sát, đo đạc thực địa ở những mức độ khác

nhau, nhưng có chung đặc điểm là rất tỉ mi, dé xác định các đặc điểm định tính và định lượng của các thực thể địa lí không chỉ ở một thời điểm, mà còn trong những chu kì thời gian khác nhau Những phương pháp truyền thống trong quá trình thu thập thông tin không đáp ứng nỗi các nhu cầu về địa lí Ngày nay, các phương pháp và công nghệ

12

tiên tiến trong thu thập và xử lí thông tin không gian như: công nghệ định vị toàn cầu (GPS — Global Positioning System), trac địa ảnh, viễn thám (bao gồm cả thông tin mặt đất và thông tin khí quyền), đã cho phép trong một thời gian ngắn thu thập về một

khối lượng thông tin rất lớn Máy tính điện tử là tiền đề để phát triển công nghệ tự

động hoá thành lập bán đồ Sự tham gia của máy tính đã cho ra đời những mô hình bản

đồ mới có nhiều ưu việt hơn: bản đồ số, cơ sở dữ liệu bản đồ, hệ thống thông tin địa lí /nguồn [4],[5]/

Trong đã đưa ra những điểm mạnh của bản đồ điện toán so với phương pháp truyền thống, thể hiện ở các khía cạnh sau:

Lập ra những bản đồ có chất lượng cao cả về nội đung và phương pháp thể hiện, chất lượng đồ hoạ, màu sắc

Rút ngắn thời gian làm bản đồ ở mọi công đoạn: biên tập — thiết kế, biên vẽ,

in ban đồ

Thông tin bán đồ chứa trong máy tính điện tử luôn luôn được cập nhật, hiệu

chỉnh, chế biến, xử lí linh hoạt, cho phép bất cứ lúc nào cũng có thể lập ra

những sản phẩm bản đồ theo ý muốn và có tính thời sự cao

Tạo ra một số dạng sản phẩm bản đồ mới: bản đồ số, cơ sở đữ liệu bản đồ lưu trữ trong đĩa cứng hay đĩa CD

Cho phép ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học khác, nhất là các phương pháp

mô hình hoá toán học nhằm phân tích, chế biến đữ liệu bản đồ và bổ sung

thông tin phi bản đồ để tạo ra các sản phẩm mới: bản đồ chủ đề mới, bản thiết kế, quy hoạch, thống kê, dự báo, các quyết định

Xây dựng các cơ sở đữ liệu bản đồ (thay thế các xêri bản đồ) với nội dung

thông tin không hạn chế, sử dụng cho chuyên ngành hoặc đa ngành, đa mục

đích, không bị hạn chế khắt khe về không gian, tỉ lệ, kích thước

Có các quy tắc bảo mật dữ liệu và cung cấp cho người sử dụng với những mức độ khác nhau

13

—_ Tạo điều kiện cho các quá trình tiếp theo: sử dụng bản đồ, tự động hoá chế

ban va in bản dé

Sự hình thành hệ thống thông tin địa lý như một hướng khoa học của ngành bản

đồ học diễn ra cách đây không lâu Theo ý kiến khá thống nhất của các chuyên gia, năm 1964, ở Canađa ra đời hệ thống CGIS (Canadian Geographic Information

System), được coi là hệ thống thông tin địa lí đầu tiên trên thế giới Đến năm 1990 đã

có khoảng 4000 hệ thống GIS GIS phát triển mạnh và có định hướng rõ rệt kế từ đầu thập kỉ 90 trở lại đây và rất hoàn chỉnh vào năm 2000 Đã có nhiều định nghĩa về GIS xuất phát từ những quan điểm khác nhau, nhưng định nghĩa có lẽ hợp lý nhất ESRI:

”GIS là một tập hợp có tổ chức bao gồm phần cứng, phần mềm máy tính, dữ liệu địa lí

va con người, được thiết kế nhằm mục đích nắm bắt, lưu trữ, cập nhật, điều khiển, phân tích và kết xuất tất cả những dạng thông tin liên quan đến vị trí địa lf”

Theo giáo sư khoa địa lý trường Đại học tổng hợp quốc gia Lômônôxốp của

nước Nga Berliant A.M, chuyên gia hàng đầu về hệ thống thông tin địa lý (GIS), GIS

phát triển như một sự tiếp nối trực tiếp phương pháp tiếp cận tổng hợp và hệ thống trong một môi trường thông tin địa lý GIS được đặc trưng bởi mức độ tự động hóa cao, dựa trên nền tảng các đữ liệu bản đồ đã được số hóa và dựa trên cơ sở tri thức, phương pháp tiếp cận hệ thống trong biểu diễn và phân tích các hệ thống địa vật lý Dạng bản đồ đặc biệt này đặc trưng bởi tính tác vụ, đối thoại và sử đụng các phương

tiện mới trong xây dựng, thiết kế bản đồ Đặc tính đầu tiên của GIS là tính đa phương

án cho phép đánh giá nhiều khía cạnh khác nhau của tình huống va các giải pháp đa

dạng Đặc tính tiếp theo của GIS là tính đa môi trường (multimedia) nhờ đó có thể kết hợp các biểu diễn văn bản, âm thanh và các ký hiệu Nhưng có lẽ đặc điểm lớn nhất

của các công nghệ mới là chúng đưa chúng ta tới nhiều dạng biểu diễn mới: bản đồ điện tử, các mô hình máy tính 3 chiều và mô hình động đạng phim

Hệ thống thông tin địa lý hiện nay có sự liên hệ chặt chẽ với viễn thám và các phương pháp mô phỏng toán học, các hệ thống vệ tinh Một trong những hướng chuyên

sâu của hướng hệ thống thông tin địa lý là thiết lập bản đồ một cách nhanh chóng,

14

nghĩa là gắn với bài toán mô phỏng hóa bản đồ trong chế độ thời gian thực hoặc gần với thời gian thực với mục tiêu nhanh chóng nhận được kết quả nhằm thông báo cho

người sử dụng và nhanh chóng can thiệp vào quá trình đang diễn ra Thời gian thực ở đây là tốc độ đảm bảo xử lý thông tin nhanh chóng đối với những thông tin thu nhận

được, nghĩa là phải nhanh chóng thể hiện bằng bản đồ để đánh giá, quản lý, kiểm soát

các quá trình và các hiện tượng (cũng đang thay đổi với tốc độ nhanh)

Tầm quan trọng của công nghệ GIS được khẳng định trong phát biểu của cựu

tổng thống Mỹ Bill Clinton “Hệ thống thông tin địa lý đã trở thành khâu đột phá trong

bài toán hỗ trợ cho sự phát triển kinh tế, sử dụng hợp lý các nguồn tài nguyên và bảo

vệ môi trường Các công nghệ hiện đại cho phép giải quyết một cách có hiệu quả bài

toán thu nhận, truyền, phân tích, trực giác hóa các dữ liệu gắn kết với không gian, thiết

lập các dữ liệu bản đồ” (trích đoạn trong công lệnh năm 1994 “Về việc xây dựng cơ sở

hạ tầng quốc gia các đữ liệu gắn kết với không gian”)

Theo công trình [34], công nghệ xử lý dữ liệu không gian địa lý đang trải qua một sự biến đổi chưa từng có Hiện nay đã có sự thừa nhận rộng rãi rằng không gian địa lý không còn xa lạ và tách biệt nữa mà đã gia nhập và trở thành xu hướng chủ đạo của ngành công nghệ thông tin Các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực đã thừa nhận rằng công nghệ xử lý không gian địa lý đã trở thành một trong những ngành công nghệ nòng cốt không chỉ giành cho các chuyên gia Hệ thống thông tin địa lý (GIS) mà mọi người trong ngành IT cũng có thể sử dụng được Trước đây các Hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ (Relational Database Management Systems - DBMSs) thường chỉ được

hạn chế bởi loại đữ liệu số và chữ Ngày nay, hầu như mỗi RDBMSs bao gồm Oracle,

Post GIS/PostgeSQL, MySQL, DB2, Infomix, và trong tương lai gan day, SQL Server

sẽ là mở rộng sang dữ liệu không gian

Ngày nay, rất nhiều người đang sử dụng dữ liệu không gian địa lý trong đời

sống, mặc dù hầu hết không biết được các chữ GIS nghĩa là gì Những ví dụ được

nhiều người biết đến như là MapQuest, YahooMaps, Google Earth & Maps, Windows

15

Live Local, A9 và nhiều thiết bị khác mà con người đã thiết lập trong phạm vi này Đặc biệt nhất là Google Earth đã có 100 triệu lượt tải xuống trong vòn 12 tháng đầu tiên

Theo công trình [34] một điểm đáng chú ý hiện nay của thời kì phát triển đữ liệu

không gian địa lý là sự hoàn thiện của cộng đồng mã nguồn mở không gian địa lý (the open source geospatial community) Đây là một sự so sánh những gì xảy ra giữa sự suất hiện của internet ở cuối thập niên 90 và tình hình hiện nay của công nghệ không gian địa lý

GIS Dé Ban Phat Trién GIS

“Khách hàng ding GIS mong

(GIS Thin Client)

2.3 CÔNG NGHỆ LIÊN KÉT MÔ HÌNH MÔI TRƯỜNG VỚI GIS

Trong khoa học, thuật ngữ hệ thống thông tin tự động (Automatic Information System - AIS) được sử dụng rộng rãi Mục tiêu của AIS là dé tích hợp các loại thông

tin có bản chất khác nhau Nếu AIS được kết hợp với mô hình (model) thì khi đó hệ

này được gọi là các Hệ thống thông tin - mô hình tự động (Automaitic Informational — Model System) Sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của GIS đã mở đường cho nhiều ứng dụng GIS trong nhiều lĩnh vực, trong đó có AIMS Về mặt thực tiễn, việc gắn số liệu

đo đạc với bản đồ địa lý và mô hình tạo thành một hệ thống mà GS V.F.Krapivin,

người Nga trong nhiều công trình của mình gọi là GIMS (Geographical Information

Monitoring System) dé phan biét với thuật ngữ đã trở nên rất quen thuộc là GIS Một

trong những chức năng quan trọng của GIMS là khả năng dự báo tình trạng môi trường dưới những tác động do hoạt động kinh tế của con người Tùy thuộc vào các mô hình

và mục tiêu sử dụng của mô hình mà cấu trúc của GIMS và CSDL của chúng sẽ khác nhau (ví dụ như bài toán đánh giá chất lượng môi trường không khí, đánh giá chất lượng nước mặt của con sông, đánh giá chất lượng nước vùng cửa sông, của nước

ngầm dẫn tới các hệ GIMS khác nhau) Về ý tưởng GIMS là sự kết hợp GIS, ngân

hàng dữ liệu và tri thức (các hệ thống chuyên gia) và các hệ thống mô phỏng GIMS được xem là công cụ có triển vọng để giải quyết các bài toán môi trường trong phạm vi vùng hay lớn hơn, cũng như giúp nâng cao chất lượng môi trường /nguồn [4]/

Trên thế giới đã đưa ra nhiều cách tiếp cận tích hợp mô hình, CSDL với GIS thành một công cụ thống nhất Từ năm 1995, nhóm nghiên cứu ENVIM (nguồn web

site: www.envim.com.vn ) thuộc Phòng Tin học Môi trường,Viện Môi trường và Tài nguyên đã nghiên cứu công nghệ tích hợp GIS, mô hình toán và CSDL môi trường

Các kết quả nghiên cứu này được thể hiện trong [4]-[6]

Trong công nghệ ENVIM kết quả của mô hình được tích hợp trên GIS, GIS cung cấp dữ liệu và sau đó nhận kết quả của mô hình cho việc biêu diễn và xử lý Mô

hình môi trường được phát triển theo các nhóm về khí, nước, chất thải rắn và được tính

17

toán kiểm nghiệm trước khi tích hợp với GIS Trên Hình 2-2 thể hiện mô hình tích hợp GIS với mô hình môi trường Trên hình này khối GIS và mô hình cũng độc lập nhau, nhưng cùng được thể hiện trên cùng một khối giao tiếp với người dùng

CSDL môi trường

„ Hình 2-2 Công nghệ tích hợp ENVIM_

Hệ thông ENVIM gôm có ba khôi chính: khôi GIS, khôi CSDL Môi trường (gọi

tắt là khối Môi trường) và khối Mô hình

- Khối GIS có chức năng vẽ các lớp bản đồ đồng thời hỗ trợ các thao tác để làm

việc trên bản đồ (phóng to, thu nhỏ, xem toàn màn hình, đo khoảng cách )

- Khối Môi trường quản lý toàn bộ các dữ liệu của tất cả đối tượng môi trường

mà hệ thống cần quản lý, từ các đối tượng hành chính (như nhân viên, cơ quan, thông

tin hành chính của tỉnh, ) cho đến các đối tượng có ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường (như nhà máy, cơ sở sản xuất, bãi rác, ống khói, các trạm quan trắc, )

- Khối Mô hình chịu trách nhiệm tính toán sự phân bố, lan truyền ô nhiễm theo

các mô hình và kịch bản Khối Mô hình còn có chức năng dự báo ô nhiễm

Ba khối này không hoạt động độc lập mà chúng có mối liên hệ lẫn nhau Khối

GIS không chỉ vẽ các lớp bản đồ địa lý mà còn vẽ các lớp đối tượng môi trường từ dữ liệu của khối Môi trường Nhờ đó chúng ta có thể mô phỏng các đối tượng môi trường

một cách trực quan và sát với thực tế nhất (các đối tượng nằm trên lớp bản đồ ở tọa độ

giống như tọa độ thực tế mà ta định vị bằng GPS) Khối Môi trường sẽ cung cấp dữ

18

liệu để khối Mô hình tạo ra các kịch bản và có đữ liệu để tính toán theo mô hình Sau

khi tính toán xong, dé hiển thị kết quả, khối Mô hình cần liên kết với khối GIS đề thé

hiện kết quả một cách trực quan lên bản đồ, giúp người đùng có thể nhanh chóng và dễ dàng đánh giá được mức độ ô nhiễm và phạm vi ô nhiễm Ngoài ra, từ các số liệu được

lưu trữ theo thời gian của khối Môi trường, khối Mô hình sẽ dự báo được sự ô nhiễm

trong một khoảng thời gian ngắn trong tương lai

Trong công trình [6] đã trình bay chi tiết hơn mô hình lý luận của công nghệ ENVIM

Hình 2-3 Mô hình lý luận của ENVIM

Trên Hình 2-3, hệ thống ENVIM gồm có 3 lớp chính:

Lớp cơ sở dữ liệu: tương ứng với 3 khối sẽ có ba nhóm CSDL tương ứng Tuy phân ra làm ba nhóm CSDL nhưng thực chất cả ba nhóm CSDL này được tích hợp vào

một CSDLduy nhất trên máy tính Mặc dù tách ra làm ba nhóm CSDL để dễ quản lý

hơn nhưng giữa ba nhóm CSDL này có sự liên quan mật thiết và tương tác qua lại với nhau Khi hiện thực trên máy tính, các nhóm CSDL được lưu trữ trên hệ quản trị CSDL Microsoft Access hoặc Microsoft SQL Server

Lớp chương trình điều khiển: là phần cốt lõi của hệ thống, ba khối chính sẽ được cấu thành bởi nhiều module như module Chuyển đổi (chuyên đổi bản đồ từ các

19

chương trình bản đồ như MapInfo, ArcView, vao CSDL GIS), module Đồ họa (vẽ

các lớp bản đồ, các lớp đối tượng môi trường, kết quả mô phỏng mô hình), module Xuất nhập (quản lý xuất nhập dữ liệu cho các đối tượng môi trường vào CSDL Môi

trường), module Thống kê (cung cấp chức năng truy vấn CSDL môi trường, vẽ biểu

đồ, xuất file truy vấn, .), module Báo cáo (tạo báo cáo tự động dạng bảng biểu, dạng

bdo c4o web, biéu d6, ), module Tinh toán mô hình (tính toán theo mô hình dựa trên

dữ liệu từ CSDL và kịch bản) Các module chính này gồm nhiều module con khác, tất

cả các module được hiện thực bằng ngôn ngữ lập trình C# trên nền Windows Các module được xây dựng theo phong cách hướng đối tượng nên có tính bao đóng, dễ sửa

đổi, có tính kế thừa và tính sử dung lai rat cao

Lớp giao diện: là phần giao tiếp với người dùng của hệ thống Tất cả các chức năng của hệ thống đều được cung cấp cho người sử dụng thông qua giao diện thân thiện, đơn giản và đễ dùng Người dùng ở đây có phân biệt người quản trị và người dùng bình thường Đối với mỗi loại người dùng sẽ được phân quyền sử dụng các chức

năng của hệ thống khác nhau, người dùng bình thường sẽ bị hạn chế một số chức năng

quan trong (vi dụ chỉ được xem, không được quyền thêm, xóa, chỉnh sửa dữ liệu, ) Khối GIS hoạt động như sau:

Đầu tiên, dữ liệu bản đồ từ các chương trình số hóa bản đồ như Maplnfo,

ArcView, sẽ được đưa qua module Chuyên đổi để chuyển thành dạng file theo format của hệ thống ENVIM Đầu vào sẽ là các file bản đồ dạng *.tab, *.map, *.dat, đầu ra sẽ là các file CSDL dạng *.mdb của MS Access hay MS SQL Server

Các file sau khi chuyên đổi sẽ được đưa vào CSDL GIS của hệ thống ENVIM Module Đồ họa sẽ dùng các dữ liệu trong CSDL GIS để vẽ bản đồ và thé hiện bản đồ lên lớp giao diện của hệ thống

Khối Môi trường hoạt động như sau:

Dữ liệu của các đối tượng môi trường từ nhiều nguồn khác nhau như dữ liệu văn

bản thô, đữ liệu từ file Word, Excel hay từ các cơ sở dữ liệu có sẵn, sẽ được đưa qua

module Xuất nhập đề chuyên vào CSDL môi trường của hệ thống ENVIM

20

CSDL Môi trường là nguồn cung cấp dữ liệu cho nhiều module khác như Thống

kê, Báo cáo, Mô hình, Đồ họa Kết quả xử lý của module Thống kê và module Báo cáo được xuất ra dạng text, dạng web, dạng file word, excel, và nếu người dùng có nhu

cầu thì các kết quả đó được lưu trở lại vào CSDL Môi trường và người sử dụng có thể

xuất các kết quả đó ra các dạng file Word, Excel, đạng Text, đạng Web, hình ảnh nhờ vào module Xuất nhập Sơ đồ hoạt động của Khối môi trường được thê hiện trên Hình 2-4

Hình 2-4 Sơ đồ hoạt động Khối Môi trường trong công nghệ ENVIM

Khối Mô hình trong ENVIM hoạt động như sau:

- _ Từ dữ liệu của các đối tượng môi trường trong CSDL môi trường, lớp giao diện của

hệ thống ENVIM cung cấp một công cụ đề người dùng xây dựng nên các kịch bản Các kịch bản này được lưu trữ vào CSDL Mô hình

21

Phần cốt lõi của khối Mô hình là module Tính toán theo các mô hình đã được

nghiên cứu độc lập từ các đề tài khácnhau, module này nhận dữ liệu từ CSDL Mô hình và tiễn hành tính toán theo một mô hình nào đó (mô hình Qual2K, Berliand, Hana-Gifford,Gauss, ) cho một kịch bản được xây dựng trước Sau khi tính toán xong, kết quả sẽ được lưu vào CSDL Mô hình đồng thời dua qua module Dé hoa dé

thể hiện kết quả lên màn hình

Các kết quả mô hình đã được tính toán có thể được vẽ lại mà không cần tính toán lại kịch bản bằng cách cung cấp dữ liệu kết quá đã lưu trữ trong CSDL Mô hình

trực tiếp cho module Đồ họa Module Đồ họa sẽ thể hiện lại kết quả mô hình trên

bản đồ

Module mô hình trong ENVIM cho phép người sử dụng :

Tự xây dựng kịch bản tính toán : người dùng có thể chọn dữ liệu từ CSDL đã có sẵn hay tự tạo mới một CSDL khác Người sử dụng được phép đưa vào một kịch bản những nguôn thải mà anh ta mong muôn;

Chức năng vẽ đường đồng mức được tự động hóa Với việc đưa ra các ngưỡng max, min, chương trình sẽ tự đồng vẽ ra các đường đồng mức Trên đường đồng mức có ghi giá trị đê người sử dụng tiện theo dõi và nhât là in ra làm báo cáo trong trường hợp không có máy in mầu

Các tác giả trong nhóm ENVIM đã xây dựng công nghệ tích hợp GIS, CSDL môi trường và mô hình toán dựa trên cơ sở nghiên cứu cơ bản về công nghệ GIS /nguồn [4JI[5]/ Theo công trình [6], nhóm tác giả này dựa trên nghiệp vụ chuyên môn

mà một hệ GIS thực thụ cần phải có gồm:

- _ Lựa chọn một phần bất kỳ của bản đồ số

- _ Chọn các lớp đối tượng môi trường khác nhau

- Truy cập giao tiếp giữa người và máy tới đữ liệu của đối tượng môi

trường bắt kỳ

- Cac dang giao tiếp khác nhau (menu, lệnh, các nhóm phím chính)

- _ Khả năng dịch chuyên và copy toàn bộ đối tượng

22