NGHIÊN cứu xây DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIÁM sát môi TRƯỜNG nước mặt KHU vực hà nội từ dữ LIỆU vệ TINH VNREDSAT 1a

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ tiếng anh Tên đầy đủ tiếng việt GIS Geographical Information WQI Water Quality Index Chỉ số chất lượng nước TSS Total Suspended Sediment T

-1A

– 2018

-1A –

9.52.05.03

– 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi Các số liệu trình bày trong luận án được phản ánh hoàn toàn trung

thực Các kết quả nghiên cứu trong luận án chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào

Hà Nội ngày tháng năm 2018

Tác giả luận án

Đinh Thị Thu Hiền

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH VẼ xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

5 Phương pháp nghiên cứu 4

6 Những điểm mới của luận án 5

7 Luận điểm bảo vệ 5

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án 6

10 Cấu trúc luận án 6

L ỜI CẢM ƠN 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 8

1.1 Tổng quan về tài nguyên nước mặt Việt Nam 8

1.2 Các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt 12

1.2.1 Ô nhiễm do nước thải sinh hoạt 12

1.2.2 Ô nhiễm do nước thải công nghiệp 13

1.2.3 Ô nhiễm do nước thải y tế 15

1.2.4 Ô nhiễm do nước thải nông nghiệp, làng nghề 15

1.3 Các thông số chất lượng môi trường nước mặt 16

1.4 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thámgiám sát chất lượng nước mặt 20

1.4.1 Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu chất

lượng nước mặt 20

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 25

1.4.3 Tình hình nghiên cứu trong nước 34

1.5 Đặc điểm dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 41

1.6 Kết luận chương 1 44

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC XÂY DỰNG QUY TRÌNH 46

CÔNG NGHỆ GIÁM SÁT NƯỚC MẶT TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A 46

2.1 Cơ sở khoa học phương pháp ứng dụng dữ liệu viễn thám trong đánh giá chất lượng nước 46

2.1.1 Bức xạ trực tiếp đối tượng nước và tính chất quang học bất biến của nó 46 2.1.2 Bức xạ gián tiếp đối tượng nước quan trắc bằng dữ liệu viễn thám 48 2.1.3 Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám 49

2.1.4 Cơ sở khoa học phân tích hồi quy 51

2.2 Đặc trưng phổ phản xạ của nước 53

2.3 Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh VNREDSAT - 1A 59

2.3.1 Phương pháp hiệu chỉnh khí quyển ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A 59

2.3.2 Phương pháp hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 65

2.4 Phương pháp đo phổ hiện trường 73

2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước 75

2.6 Phương pháp lấy mẫu chất lượng nước 79

2.7 Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ giám sát nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 80

2.8 Kết luận chương 2 84

CHƯƠNG 3.THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG MỘT SỐ THÔNG SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT KHU VỰC HÀ NỘI TỪ DỮ

LIỆU ẢNH VỆ TINH VNREDSAT-1A 85

3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu và dữ liệu sử dụng 85

3.1.1 Khu vực nghiên cứu 85

3.1.2 Dữ liệu sử dụng 89

3.1.2.1 Dữ liệu viễn thám 89

3.1.2.2 Số liệu quan trắc 93

3.1.2.3 Số liệu đo phổ hiện trường 100

3.2 Kết quả xử lý ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 104

3.3 Xác định chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 108

3.3.1 Xây dựng hàm quan hệ giữa chất lượng nước và phổ phản xạ ảnh vệ tinh VNREDSAT-1A 108

3.3.1.1 Khu vực hồ, đầm 108

3.3.1.2 Khu vực sông Hồng 124

3.3.2 Đánh giá độ chính xác kết quả hồi quy 126

3.4 Đánh giá chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 128

3.5 Kết luận chương 3 135

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 136

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 139 PHỤ LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ tiếng anh Tên đầy đủ tiếng việt

GIS

Geographical Information

WQI Water Quality Index Chỉ số chất lượng nước TSS Total Suspended Sediment

Tổng hàm lượng chất lơ lửng

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

VNREDSAT-1A

Vietnam Natural Resources, Environment and Disaster monitoring Satellite-1A

Vệ tinh Việt Nam quan sát tài nguyên thiên nhiên, môi trường và thiên tai

Cảm biến tài nguyên mặt đất

đa phổ

ETM+ Enhanced Thematic Mapper Pl

Cảm biến tài nguyên mặt đất

đa phổ độ phân giải cao OLI Operational Land Imager Bộ chụp ảnh bề mặt trái đất

SPOT

Satellites Pour l'Observation de

la Terre or Earth-observing Satellites

Vệ tinh quan sát trái đất của Pháp

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1.Một số đặc trưng cơ bản của các hệ thống sông chính ở Việt Nam 8 Bảng 1.2.Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện quan trọng 11 Bảng 1.3 Tổng lượng nước thải và thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải từ các khu công nghiệp [5] 14 Bảng 1.4 Giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước mặt (theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT)[7] 17 Bảng 1.5 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng nước [38] 21 Bảng 1.6 Đặc điểm một số bộ cảm siêu phổ sử dụng trong đánh giá chất lượng nước [38] 22 Bảng 1.7 Đặc điểm một số bộ cảm siêu cao tần sử dụng trong hải dương học

và đánh giá chất lượng nước [38] 24 Bảng 1.8 Tổng quan các thông số của vệ tinh VNREDSat-1A (nguồn VAST) 42 Bảng 1.9 Một số thông số ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (nguồn VAST) 43 Bảng 2.1 Độ thấu quang của nước phụ thuộc bước sóng [22] 59 Bảng 2.2 Giá trị Gian và Bias đối với các kênh phổ ảnh VNREDSat-1A (nguồn VAST) 64 Bảng 2.3 Đánh giá chất lượng hiệu chỉnh hình học ảnh VNREDSat-1A 73 Bảng 2.4 Phương thức bảo quản và thời gian lưu trữ một số chỉ tiêu chất lượng nước 77 Bảng 2.5 So sánh độ chính xác kết quả xây dựng hàm hồi quy giữa phổ phản

xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 (trước và sau hiệu chỉnh khí quyển) và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực Sông Hồng 78 Bảng 2.6 So sánh độ chính xác kết quả xây dựng hàm hồi quy giữa phổ phản

xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 (trước và sau hiệu chỉnh khí quyển) và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực Sông Hồng 78

Bảng 2.7 Các chỉ tiêu chất lượng nước mặt sử dụng trong luận án 80

Bảng 3.1 Một số hồ nội thành Hà Nội [13] 87

Bảng 3.2.Tọa độ các điểm lấy mẫu chất lượng nước đợt 1 94

Bảng 3.3 Tọa độ các điểm lấy mẫu chất lượng nước đợt 2 96

Bảng 3.4 Kết quả phân tích chất lượng nước tại các điểm lấy mẫu đợt 1 97

Bảng 3.5.Kết quả phân tích chất lượng nước tại các điểm lấy mẫu đợt 2 98

Bảng 3.6 Chênh lệch giữa phổ phản xạ hiện trường và phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt 1 năm 2016) 101

Bảng 3.7 Chênh lệch giữa phổ phản xạ hiện trường và phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A (đợt 2 năm 2017) 103

Bảng 3.8 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng độ đục 110

Bảng 3.9 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng TSS 110

Bảng 3.10 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng COD 111

Bảng 3.11 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng BOD5 111

Bảng 3.12 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng độ đục 112

Bảng 3.13 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng TSS 112

Bảng 3.14 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng COD 113

Bảng 3.15 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại các kênh ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng BOD5 113

Bảng 3.16 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 2 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 114

Bảng 3.17 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 3 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 114 Bảng 3.18 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 115 Bảng 3.19 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2 và 3 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 115 Bảng 3.20 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phản xạ phổ kênh 2 và 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 115 Bảng 3.21 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 3 và 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 116 Bảng 3.22 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 2 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 116 Bảng 3.23 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 3 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 117 Bảng 3.24 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1 và 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 117 Bảng 3.25 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2 và 3 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 117 Bảng 3.26 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2 và 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 118

Bảng 3.27 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 3 và 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 118 Bảng 3.28 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 119 Bảng 3.29 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 119 Bảng 3.30 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 3, 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 120 Bảng 3.31 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2, 3, 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 120 Bảng 3.32 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 121 Bảng 3.33 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 121 Bảng 3.34 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 3, 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 122 Bảng 3.35 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 2, 3, 4 ảnh

vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước 122 Bảng 3.36 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực hồ, đầm 123

Bảng 3.37 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực hồ, đầm 124 Bảng 3.38 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực sông Hồng 125 Bảng 3.39 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phổ phản xạ kênh 1, 2, 3, 4 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực sông Hồng 125 Bảng 3.40 Kết quả đánh giá độ chính xác đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 126 Bảng 3.41 Kết quả đánh giá độ chính xác đối với ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 127

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1.Bản đồ ranh giới các lưu vực sông nước ta 9 Hình 1.2.Tỉ lệ phân bố tài nguyên nước mặt Việt Nam theo các lưu vực sông 10Hình 1.3 Tỉ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt [5] 13 Hình 1.4.Ô nhiễm nước mặt ở các hồ ở Hà Nội (nguồn: internet) 13 Hình 1.5 Ô nhiễm nước mặt ở làng nghề Sơn Đồng (Hoài Đức, Hà Nội) (nguồn: Internet) 16 Hình 1.6 Quan hệ giữa thông số độ đục và phổ phản xạ chiết xuất từ dữ liệu viễn thám [61] 26 Hình 1.7 Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Weipi He [70] 27Hình 1.8 Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và NH3-N từ dữ liệu viễn thám [70] 28 Hình 1.9 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SPM) vùng Gironde (Pháp) trên ảnh SPOT HRV (a, 14-06-1996) và Landsat ETM+ (b, 04-03-2000) [31] 29 Hình 1.10.Phân bố hàm lượng SPM khu vực German Bight từ ảnh vệ tinh SPOT 29Hình 1.11 Bản đồ phân bố độ đục của nước khu vực sông Gomti Lucknow từ ảnh vệ tinh QuickBird [59] 32 Hình 1.12 Phân bố hàm lượng tổng nitơ (TN) và tổng photpho (TP) khu vực

hồ Cihu từ ảnh vệ tinh Ikonos [45] 32 Hình 1.13 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SS) trong nước mặt hồ Buyukcekmece (Thổ Nhĩ Kỳ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh IKONOS [65] 33 Hình 1.14 Bản đồ phân bố các trạm quan trắc chất lượng nước khu vực cửa Quảng Ninh - Hải Phòng[8] 35 Hình 1.15 Bản đồ phân bố hàm lượng chất ô nhiễm BOD5 và COD khu vực Quảng Ninh - Hải Phòng 36

Hình 1.16 Hàm hồi quy giữa giá trị hàm lượng chất lơ lửng và tỉ lệ ảnh kênh4/kênh2 ảnh Landsat 7 ETM+ khu vực hồ Trị An [64] 37 Hình 1.17 Sơ đồ phân bố hàm lượng chlorophyll-a trong nước Hồ Tây tính toán từ ảnh Sentinel-2A chụp ngày 18/6/2016 [10] 38 Hình 1.18 Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng chất lơ lửng (SPM) khu vực ven bờ sông Hồng (ngày 25/09/2014) từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A [19] 40 Hình 1.19 Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam vào tháng 8 năm 2008 và 2011[19] 41 Hình 1.20.Vệ tinh VNREDSat – 1A và một số thành phần chính (nguồn: STI-VAST) 41Hình 1.21.Một số ảnh vệ tinh VNREDSat-1A: khu vưc Hà Nội (a), Melbourne (Australia, b) (nguồn: VAST) 44 Hình 2.1 Các thành phần của bức xạ Mặt Trời đi tới nguồn nước được bộ cảm biến ghi nhận 46 Hình 2.2 Các thành phần bức xạ thu nhận từ đầu thu[48] 47 Hình 2.3 Mối quan hệ giữa hàm lượng chất lơ lửng và ảnh tỉ lệ giữa kênh đỏ/kênh xanh lục ảnh SPOT (a) và Landsat (b) [31] 50 Hình 2.4.Đặc trưng phổ phản xạ của nước và một số đối tượng khác (nguồn Internet) 54Hình 2.5 Đối tượng nước tương phản rõ rệt với đất liền ở kênh cận hồng ngoại ảnh vệ tinh VNREDSat-1Anăm 2016 khu vực Hà Nội 55 Hình 2.6 Tổ hợp màu RGB=MIR:NIR:RED ảnh Landsat 5 TM năm 2009 khu vực ven biển Cà Mau giúp thể hiện rõ đường bờ nước 55 Hình 2.7 Phổ phản xạ của nước trong và nước đục [43] 56 Hình 2.8 Chỉ số độ đục xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội năm 2016 56 Hình 2.9 Phổ phản xạ của nước chứa hàm lượng chất lơ lửng khác nhau (nguồn Internet) 57

Hình 2.10 Ảnh hưởng của hàm lượng chlorophyll-a đến phổ phản xạ của nước [39] 58 Hình 2.11 Chỉ số chất diệp lục xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội năm 2016 [36] 58 Hình 2.12 Ví dụ về các ”đối tượng tối” trên ảnh vệ tinh Landsat (nguồn gisapmaps.com) 61Hình 2.13 Sơ đồ các bước thực hiện hiệu chỉnh khỉ quyển ảnh vệ tinh 63 Hình 2.14 Đo giá trị bức xạ của khí quyển dựa trên đồ thị histogram của kênh ảnh 65 Hình 2.15 So sánh phổ phản xạ của nước trước và sau khi hiệu chỉnh khí quyển (nguồn gisapmaps.com) 65 Hình 2.16 Hệ tọa độ ảnh và các điểm khống chế [77] 66 Hình 2.17 Ảnh hưởng độ chênh cao địa hình và góc nghiêng trục quang 68 Hình 2.18 Sơ đồ các bước hiệu chỉnh hình học ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 70 Hình 2.19 Máy đo phổ hiện trường GER 1500 74 Hình 2.20 Sơ đồ quy trình giám sát và đánh giá chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A 81 Hình 3.1.Phân tích mạng lưới sông hồ và các dự kiến mở rộng mặt nước, tạo

hồ trữ nước ngọt (theo Báo cáo quy hoạch chung thủ đô lần 3) 86 Hình 3.2 Dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội ngày 20/10/2016 ở tổ hợp màu tự nhiên 90 Hình 3.3 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội ngày 20/10/2016, kênh

1 90Hình 3.4 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội ngày 20/10/2016, kênh

2 91Hình 3.5 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội ngày 20/10/2016, kênh

3 91Hình 3.6 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội ngày 20/10/2016, kênh

4 91

Hình 3.7 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội, ngày 21/12/2017, tổ hợp màu tự nhiên 92 Hình 3.8 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội, ngày 21/12/2017, kênh 1 92Hình 3.9 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội, ngày 21/12/2017, kênh 2 92Hình 3.10 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội, ngày 21/12/2017, kênh 3 93Hình 3.11 Ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội, ngày 21/12/2017, kênh 4 93Hình 3.12 Sơ đồ các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong đợt quan trắc 1 95 Hình 3.13 Sơ đồ các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong đợt quan trắc 2 95 Hình 3.14 Kết quả chồng ghép ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 khu vực

Hà Nội trước và sau khi hiệu chỉnh hình học 105 Hình 3.15 Ảnh phản xạ đỉnh khí quyển (TOA, a) và phản xạ bề mặt (b) xác định từ ảnh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 105 Hình 3.16 Ảnh phản xạ đỉnh khí quyển (TOA, a) và phản xạ bề mặt (b) xác định từ ảnh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 106 Hình 3.17 Sự khác nhau giữa phổ phản xạ của thực vật trên ảnh VNREDSat-1A sau khi hiệu chỉnh khí quyển 106 Hình 3.18 Sự khác nhau giữa phổ phản xạ của nước trên ảnh VNREDSat-1A sau khi hiệu chỉnh khí quyển 107 Hình 3.19 Sự khác nhau giữa phổ phản xạ của đất trên ảnh VNREDSat-1A trước và sau khi hiệu chỉnh khí quyển 107 Hình 3.20 Ví dụ các hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại kênh 1 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 20/10/2016 và hàm lượng độ đục khu vực hồ, đầm 110 Hình 3.21 Ví dụ các hàm hồi quy giữa phổ phản xạ tại kênh 1 ảnh vệ tinh VNREDSat-1A ngày 21/12/2017 và hàm lượng TSS khu vực hồ, đầm 112

Hình 3.22 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng độ đục từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 khu vực hồ, đầm (Hà Nội) 129 Hình 3.23 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 khu vực hồ, đầm (Hà Nội) 130 Hình 3.24 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng độ đục từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 khu vực sông Hồng (Hà Nội) 131 Hình 3.25 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 20/10/2016 khu vực sông Hồng (Hà Nội) 131 Hình 3.26 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng độ đục từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 21/12/2017 khu vực hồ, đầm (Hà Nội) 132 Hình 3.27 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 21/12/2017 khu vực hồ, đầm (Hà Nội) 133 Hình 3.28 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng độ đục từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 21/12/2017 khu vực sông Hồng (Hà Nội) 134 Hình 3.29 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A chụp ngày 21/12/2017 khu vực sông Hồng (Hà Nội) 135

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước nói chung và nước mặt nói riêng là yếu tố không thể thiếu trong toàn bộ sự sống và các quá trình xảy ra trên Trái Đất Nước là môi trường cho các phản ứng chuyển dịch nhiều loại vật chất, góp phần điều tiết và điều hòa khí hậu Nước còn có vai trò quyết định trong các hoạt động kinh tế và đời sống văn hóa tinh thần của loài người [18]

Trong những năm qua, cùng với sự gia tăng dân số và phát triển kinh tế

- xã hội, những ảnh hưởng tiêu cực của các hoạt động này đến nguồn nước khiến tình trạng ô nhiễm nước mặt diễn ra nghiêm trọng.Quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng làm thay đổi sâu sắc hiện trạng sử dụng đất, dẫn đến sông, hồ trong các khu vực đô thị dần bị thu hẹp, thậm chí có nơi còn bị lấp hoàn toàn để lấy đất phục vụ xây dựng cơ sở hạ tầng, khu dân cư Bên cạnh

đó, việc phát triển các khu công nghiệp, cụm công nghiệp cũng là một nguyên nhân gây ảnh hưởng đến chất lượng môi trường nước mặt ở nhiều thành phố Nguồn nước mặt ở nhiều địa phương bị ô nhiễm nặng bởi nước thải và chất thải rắn Nhiều kết quả quan trắc cho thấy, nước mặt ở các khu vực đô thị ở nước ta bị nhiễm bẩn bởi dầu mỡ, phenon, kim loại nặng, chất hữu cơ Hầu hết nước mặt trong các thành phố lớn đều bị ô nhiễm, đặc biệt các sông, hồ trở thành nơi chứa đựng rác thải, nước thải từ các hoạt động của con người Theo báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường năm 2012, nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm nước mặt ở Việt Nam là từ các nguồn nước thải sinh hoạt, nước thải y tế, nước thải công nghiệp và nước thải nông nghiệp Ô nhiễm môi trường nước mặt đã gây ra những tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, môi trường sống và sức khỏe của người dân Ô nhiễm nước là nguyên nhân quan trọng gây ra nhiều bệnh về da, mắt, gan, đường ruột cũng như làm suy giảm tính đa dạng sinh học trong các thủy vực [5]

Các phương pháp nghiên cứu truyền thống sử dụng kết quả phân tích các mẫu nước thử nghiệm chỉ đánh giá được chất lượng nước một cách cục bộ xung quan điểm đo Hơn nữa, cũng không thể lấy quá nhiều mẫu thử nghiệm hay thiết lập mạng lưới quan trắc chất lượng nước dày đặc do tốn kém về thời gian và chi phí Những hạn chế này đã được khắc phục khi sử dụng tư liệu viễn thám, với ưu điểm diện tích phủ trùm rộng, tiết kiệm thời gian, dải phổ

và số lượng kênh phổ đa dạng, chi phí thấp

Cho đến nay, công nghệ viễn thám được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam để ước lượng và theo dõi các thông số chất lượng nước mặt ở các vùng ven biển, cửa sông và hồ Các nghiên cứu này cho thấy có sự liên quan chặt chẽ giữa giá trị các thông số chất lượng nước như tổng chất rắn

lơ lửng (TSS), chất diệp lục (Chlorophyll), chất hữu cơ hòa tan, nhu cầu oxy sinh học (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD) Nhiều thuật toán, mô hình được phát triển dựa trên dữ liệu ảnh viễn thám và dữ liệu đo thực địa giúp xác định các thành phần trong nước Sự phát triển các thuật toán này bản chất là thiết lập hàm quan hệ giữa giá trị phản xạ phổ của ảnh vệ tinh và các giá trị thu nhận được trong các phép đo thực địa trên cơ sở sự phụ thuộc khả năng phản xạ phổ của nước với thành phần các chất có trong nước

Tháng 5 năm 2013, vệ tinh viễn thám đầu tiên của nước ta mang tên VNREDSat-1A đã được phóng thành công lên quỹ đạo Hiện nay, VNREDSat-1A đã hoạt động ổn định và cung cấp nguồn dữ liệu ảnh viễn thám phong phú phục vụ nghiên cứu, giám sát tài nguyên, môi trường và đảm bảo quốc phòng, an ninh cũng như chứng minh tính đúng đắn trong việc chú trọng đầu tư cho công nghệ viễn thám của Việt Nam Dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A đã được sử dụng trong thành lập bản đồ lớp phủ, giám sát biến động khu vực lục địa, hải đảo và xuyên biên giới, đảm bảo mục đích quốc phòng – an ninh… Mặc dù vậy, cho đến nay mới chỉ có Cục viễn thám

quốc gia thực hiện dự án sản xuất bằng dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A,

dự án đã thông qua nhiều lần hội thảo khoa học, bảo vệ sản phẩm niên độ qua các thời kỳ trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt Các nghiên cứu ứng dụng tư liệu viễn thám đánh giá chất lượng môi trường nước mặt chủ yếu

sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình như Landsat, SPOT,…hoặc độ phân giải thấp (MODIS) Với những lý do trên, đề tài

“ Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A” được lựa chọn xuất

phát từ nhu cầu thực tế, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn Những kết quả đạt được trong đề tài cũng góp phần chứng minh tính đúng đắn trong việc đưa vệ tinh viễn thám đầu tiên của nước ta (vệ tinh VNREDSat-1A) vào hoạt động phục vụ công tác nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên, giám sát môi trường và đảm bảo mục đích quốc phòng - an ninh

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án nhằm xây dựng được quy trình giám sát chất lượng nước mặt một số sông, hồ khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat - 1A

3 Nội dung nghiên cứu

• Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: tài nguyên nước mặt, các nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường nước mặt, tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ứng dụng dữ liệu viễn thám đánh giá chất lượng nước mặt;

• Cơ sở khoa học của phương pháp ứng dụng dữ liệu viễn thám trong giám sát và đánh giá chất lượng nước mặt;

• Đặc trưng phổ phản xạ của nước từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A;

• Nghiên cứu xây dựng quy trình đánh giá, giám sát chất lượng nước mặt

từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A;

• Thu thập, phân tích một số mẫu chất lượng nước mặt ở một số sông, hồ khu vực Hà Nội;

• Xây dựng hàm quan hệ giữa giá trị các thông số chất lượng nước mặt

và giá trị phổ phản xạ xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A;

• Thành lập bản đồ phân bố các thông số chất lượng nước mặt ở một số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: đối tượng nghiên cứu trong luận án là chất

lượng nước mặt ở một số sông, hồ, đầm khu vực Hà Nội

• Phạm vi nghiên cứu:

+ Phạm vi không gian: Giới hạn trong một số sông, hồ khu vực Hà Nội

+ Phạm vi thời gian: trong nghiên cứu sử dụng 02 cảnh ảnh

VNREDSat-1A, chụp ngày 20 tháng 10 năm 2016 và ngày 21 tháng 12 năm 2017

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích, tổng hợp: Tổng hợp, phân tích và đánh giá

các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ứng dụng viễn thám đánh giá chất lượng nước mặt; phân tích mẫu chất lượng mước mặt của một số sông, hồ khu vực Hà Nội

Phương pháp viễn thám: Xử lý ảnh vệ tinh VNREDSat-1A nhằm xác

định phổ phản xạ bề mặt phục vụ đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội;

Phương pháp GIS: sử dụng phân tích, thống kê không gian nhằm

thành lập bản đồ chất lượng nước mặt ở một số sông, hồ khu vực Hà Nội;

Phương pháp hồi quy: sử dụng trong xây dựng hàm quan hệ giữa giá

trị các thông số chất lượng nước (xác định bằng lấy mẫu thực địa) và giá trị

phổ phản xạ từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A

6 Những điểm mới của luận án

• Xây dựng được quy trình công nghệ, giám sát môi trường nước mặt thông qua các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A

• Xây dựng được hàm quan hệ giữa hàm lượng các thông số chất lượng nước xác định từ các mẫu thực địa và giá trị phổ phản xạ từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau khi đã hiệu chỉnh khí quyển

7 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Có mối quan hệ chặt chẽ giữa phổ phản xạ của nước mặt

được xác định từ ảnh vệ tinh VNREDSat-1A sau khi hiệu chỉnh khí quyển với hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội

Luận điểm 2: Quy trình công nghệ giám sát nước mặt được đề xuất

góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a) Ý nghĩa khoa học:

• Kết quả nghiên cứu đã minh chứng tính hiệu quả và độ tin cậy của công nghệ viễn thám trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt so với

các phương pháp nghiên cứu truyền thống

• Góp phần minh chứng tính hiệu quả của dữ liệu ảnh vệ tinh quang học VNREDSat-1A trong xác định phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt, phục vụ công tác giám sát, đánh giá và thành lập bản

đồ chất lượng nước mặt

b) Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần cung cấp thông tin để các nhà quản lý đưa ra

các biện pháp trong giám sát và ứng phó với ô nhiễm môi trường nước mặt ở khu vực Hà Nội Bên cạnh đó, kết quả nhận được trong đề tài cũng có thể sử dụng, tham khảo trong công tác nghiên cứu khoa học, giảng dạy ở các trường

đại học, viện nghiên cứu

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

Dữ liệu sử dụng trong luận án bao gồm dữ liệu viễn thám (ảnh vệ tinh VNREDSat-1A khu vực Hà Nội), các bản đồ chuyên đề và số liệu quan trắc, phân tích chất lượng nước mặt tại các điểm lấy mẫu

10 Cấu trúc luận án

Luận án gồm: phần mở đầu, kết luận- kiến nghị và tài liệu tham khảo, luận án được trình bày trong ba chương:

Chương 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Cơ sở khoa học xây dựng quy trình công nghệ giám sát môi trường nước mặt từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A

Chương 3 Thực nghiệmxác định hàm lượng chất lượng nước mặt khu vực Hà Nội từ dữ liệu ảnh vệ tinh VNREDSat-1A

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến hai thầy hướng

dẫn khoa học là PGS.TS Trần Xuân Trường, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

và TS Lê Quốc Hưng, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường Các thầy đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và động viên trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành luận án này

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy, cô giáo Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai; Phòng Đào tạo Sau đại học; Ban lãnh đạo Trường Đại học Mỏ - Địa chất; Viện KHCN cơ khí, Tự động hóa và Môi trường, Trường Đại học Điện Lực đã tạo mọi điều

kiện giúp đỡ tôi trong suốt thời gian làm luận án cũng như các đóng góp quý báu về luận án

Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn đến sự giúp đỡ quý báu của Cục viễn thám, Trung tâm nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ và môi trường đã

tạo điều kiện giúp đỡ tôi làm thực nghiệm của luận án

Cuối cùng tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới gia đình, bố, mẹ, chồng, con, anh, chị, em và các bạn đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tôi về vật chất và tinh thần trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về tài nguyên nước mặt Việt Nam

Nước mặt là nước tồn tại trên mặt đất liền hoặc hải đảo Nước mặt tồn tại dưới dạng nước trong sông, hồ, nước trong vùng đất ngập nước hay băng, tuyết Nước mặt là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá đối với mỗi quốc gia và là yếu tố không thể thiếu trong toàn bộ sự sống và các quá trình xảy ra trên Trái Đất [4]

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, có lượng mưa trung bình hàng năm tương đối lớn (1.940 mm/năm), tuy nhiên do địa hình đồi núi nên trữ lượng và phân bố tài nguyên nước ở Việt Nam không đồng đều [4]

Việt Nam có hơn 2.360 con sông có chiều dài từ 10 km trở lên, trong

đó có 109 sông chính Cả nước có 16 lưu vực sông với diện tích lưu vực lớn hơn 2.500 km2, trong đó 10/16 lưu vực có diện tích trên 10.000 km2 Tổng diện tích các lưu vực sông trên cả nước lên đến 1.167.000 km2, trong đó phần lưu vực nằm ngoài diện tích lãnh thổ chiếm đến 72% [4]

Bảng 1.1.Một số đặc trưng cơ bản của các hệ thống sông chính ở Việt Nam

nước Trong nước Tổng Ngoài nước Trong nước Tổng

Hình 1.1 Bản đồ ranh giới các lưu vực sông nước ta Nguồn: Dự án đánh giá ngành nước, Cục Quản lý Tài nguyên nước, 2008

Do đặc điểm vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên đặc thù nên khoảng 60% lượng nước mặt nước ta tập trung ở lưu vực sông Mê Kông, 16% tập trung ở lưu vực sông Hồng – Thái Bình, khoảng 4% ở lưu vực sông Đồng Nai, trong khi các lưu vực sông lớn khác tổng lượng nước chỉ chiếm một phần nhỏ (hình 1.2) [4] Do lượng mưa phân bố không đồng đều cả về thời gian và không gian, vào mùa khô, lượng nước mặt chỉ bằng khoảng 20 – 30% lượng nước cho cả năm, trong đó khoảng một nửa trong số 16 lưu vực sông chính bị thiếu nước bất thường hoặc cục bộ

Hình 1.2 Tỉ lệ phân bố tài nguyên nước mặt Việt Nam theo các lưu vực sông (nguồn: Báo cáo Tài nguyên nước, những vấn đề và giải pháp quản lý, khai thác, sử dụng nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2009)

Tổng lượng nước mặt của các lưu vực sông trên lãnh thổ Việt Nam đạt khoảng 830 - 840 tỷ m3/năm, trong đó có khoảng 310 - 315 tỷ m3là nước nội sinh, còn 520 - 525 tỷ m3 là nước cháy từ các nước láng giềng vào lãnh thổ nước ta Ví dụ, ở lưu vực sông Mê Công có đến 90% tổng khối lượng nước bề mặt có nguồn gốc ngoại lai, hay lưu vực sông Hồng tỉ lệ nguồn nước ngoại lai chiếm 50% (bảng 1.1) [4]

Mặc dù tổng lượng nước cả năm của nước ta rất dồi dào, tuy nhiên nếu xét trên từng lưu vực, chỉ có 4 lưu vực sông đủ nước, bao gồm Mê Công, Sê San, Vu Gia - Thu Bồn và Gianh Lưu vực sông Hương và sông Ba có lượng nước ở mức xấp xỉ tiêu chuẩn quốc tế Các lưu vực sông khác có thể thiếu nước thường xuyên hoặc cục bộ [4] Nếu xét lượng nước vào mùa khô thì nước ta lại thuộc các vùng phải đối mặt với thiếu nước, một số khu vực thuộc loại khan hiếm nước

Tính đến năm 2012, với dân số khoảng 88 triệu người, tổng lượng nước bình quân đầu người theo năm ở nước ta đạt khoảng 9.500 m3/người Như vậy, lượng nước bình quân đầu người theo năm ở Việt Nam thấp hơn chuẩn 10.000m3/người/năm của các quốc gia có tài nguyên nước trung bình theo quan điểm của Hiệp hội nước quốc tế (IWRA) [4] Hơn nữa, nếu chỉ tính theo lượng nước nội sinh thì lượng nước bình quân đầu người theo năm ở Việt Nam còn thấp hơn nữa Điều này có thể dẫn đến tình trạng khan hiếm nước

mặt và đe dọa đến sự phát triểnổn định về kinh tế, xã hội, an ninh lương thực

ở nước ta trong tương lai gần

Dòng chảy của các con sông trong lưu vực ở nước ta đang được kiểm soát bởi hệ thống các hồ chứa và đập nước (bảng 1.2) Tổng dung tích hữu ích của các hồ chứa ở nước ta đạt khoảng 37 tỷ m3 (4,5% tổng lượng nước mặt trung bình năm), trong đó trên 45% thuộc lưu vực sông Hồng - Thái Bình, khoảng 22% ở lưu vực sông Đồng Nai và 5 - 7% ở lưu vực các sông Cả, Ba,

Sê San [4] Lượng nước trữ trong các hồ, đập ở các lưu vực sông khác chiếm khoảng 20% tổng lượng nước mặt hàng năm

Bảng 1.2.Các hồ chứa thủy lợi, thủy điện quan trọng

STT Lưu vực

sông

Số lượng

1 Hồng 8 Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang,

Huổi Quảng, Bản Chát, Nậm Na 3, Lai Châu

2 Mã 5 Cửa Đạt, Hủa Na, Trung Sơn, Pa Ma, Huổi Tạo

3 Cả 4 Bản Vẽ, Khe Bố, Bản Mồng, Ngàn Trươi

4 Hương 4 Bình Điền, Hương Điền, Tả Trạch, A Lưới

5 Vu Gia -

Thu Bồn 6 A Vương, Đắk Mi 4, Sông Tranh 2, Sông Bung 2, Sông Bung 4, Đắk Mi 1

7 Kôn – Hà

Thanh 3 Vĩnh Sơn A, Vĩnh Sơn B, Bình Định, Núi Một

8 Ba 5 Sông Ba Hạ, Sông Hinh, Krông Hnăng, Ayun

Phu Miêng, Phước Hòa

Nguồn: Cục Quản lý Tài nguyên nước, Bộ TN&MT, 2012

Như vậy, có thể nhận thấy, tài nguyên nước ở Việt Nam có vai trò hết sức quan trọng và đang trở nên quý hiếm trong những năm gần đây Trong khi nhu cầu về nước không ngững tăng cao, nguồn nước mặt ở nhiều sông, hồ lại đang bị suy thoái và ô nhiễm nghiêm trọng dẫn đến nguồn nước sạch ngày càng khan hiếm Hạn hán, thiếu nước xảy ra thường xuyên, nghiêm trọng ở nhiều vùng ở nước ta, không chỉ vào mùa khô mà cả mùa mưa Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu, sự gia tăng dân số và các hoạt động của con người đang gây áp lực rất lớn đến chất lượng nguồn nước mặt, đe dọa an ninh về nguồn nước ở Việt Nam Ở nhiều thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, các hệ thống sông, hồ bị ô nhiễm hết sức nghiêm trọng bởi rác thải, nước thải sinh hoạt, công nghiệp, ý tế Đặc biệt ở Hà Nội, nơi tập trung 22% làng nghề cả nước (1.350 làng có nghề, 286 làng nghề truyền thống), trong đó

có 43 làng chế biến thực phẩm, 59 làng dệt nhuộm đồ da, 135 làng thủ công

mỹ nghệ, chất lượng nước mặt ở các sông, hồ bị ô nhiễm nặng nề Theo số liệu thống kê, tại các làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm ở Hà Nội, lượng nước thải có nơi lên đến 7000 m3/ngày, nơi ít nhất cũng trên 1000

m3/ngày [5]

1.2 Các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt

1.2.1 Ô nhiễm do nước thải sinh hoạt

Theo báo cáo Môi trường quốc gia năm 2012 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, nước thải sinh hoạt là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước mặt Nước thải sinh hoạt chiếm trên 30% tổng lượng thải trực tiếp ra các sông hồ, hay kênh rạch dẫn ra sông, trong đó Đông Nam Bộ

và đồng bằng sông Hồng là hai nơi tập trung nhiều nước thải sinh hoạt nhất cả nước (Hình 1.3) [5]

Lượng nước thải sinh hoạt đổ ra các hệ thống sông, hồ hàng năm đều tăng do tốc độ đô thị hóa cao Tỉ lệ tăng dân số khu vực đô thị nhanh gấp ba

lần mức độ tăng dân số cả nước Hàng loạt đô thị mới được xây dựng trong những năm gần đây trong khi chưa có nhà máy xử lý nước thải tập trung hoặc

đã có nhưng hoạt động không hiệu quả Ngay cả ở khu vực nông thôn, lượng nước thải sinh hoạt chiếm tỉ lệ rất lớn và tăng nhanh qua từng năm dẫn đến tình trạng ô nhiêm nước mặt ngày càng nghiêm trọng

Hình 1.3 Tỉ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước thải

sinh hoạt [5]

Hình 1.4.Ô nhiễm nước mặt ở các hồ ở Hà Nội (nguồn: internet)

1.2.2 Ô nhiễm do nước thải công nghiệp

Cùng với sự phát triển kinh tế – xã hội là sự ra đời của nhiều khu công nghiệp, cụm công nghiệp ở nhiều tỉnh, thành ở nước ta Trong khi đó, việc đầu tư cho hệ thống xử lý nước thải công nghiệp còn rất hạn chế Số lượng

khu công nghiệp có hệ thống xử lý nước thải ở Việt Nam vẫn đang ở mức trung bình (50 - 60%), hơn nữa hơn 50% trong số đó vẫn chưa hoạt động có hiệu quả [5]

Ô nhiễm môi trường nước mặt do nước thải công nghiệp tập trung ở các trung tâm công nghiệp như Hà Nội, Hải Phòng, Quảng Ninh, Bình Dương, thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai Sự gia tăng nước thải từ các khu công nghiệp trong những năm gần đây là rất lớn với tốc độ gia tăng cao hơn nhiều

so với sự gia tăng tổng lượng nước thải chung trong toàn quốc Nhiều khu công nghiệp, nhà máy xả nước thải chưa qua xử lý ra các hệ thống sông, hồ xung quanh Chất lượng nước mặt tại một số khu vực tập trung các nhà máy,

xí nghiệp đang ở mức báo động với nhiều thông số chất lượng nước vượt nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép

Tổng lượng nước thải và thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải các khu công nghiệp ở Việt Nam được thể hiện trong bảng 1.3 [5]

Bảng 1.3 Tổng lượng nước thải và thải lượng các chất ô nhiễm trong

nước thải từ các khu công nghiệp [5]

Lượng nước thải Tổng lượng các chất ô nhiễm (kg/ngày)

hải

miền

Đà Nẵng 23.792 5.234 3.260 7.590 1.380 1.903 Thừa Thiên

Huế 4.200 924 575 1.340 244 336

Trung Quảng Nam 13.024 2.865 1.784 4.154 755 1.042

Quảng Ngãi 3.950 869 541 1.260 229 316 Bình Định 13.842 3.045 1.896 4.416 803 1.107

Đông

Nam Bộ

TP HCM 57.700 12.694 7.905 18.406 3.347 4.616 Đồng Nai 179.066 39.395 24.532 57.122 10.386 14.325 Vũng Tàu 93.550 20.581 12.816 29.842 5.426 7.484 Bình Dương 45.900 10.098 6.288 14.642 2.662 3.672 Tây Ninh 11.700 2.574 1.603 3.732 679 936 Bình Phước 100 22 14 32 6 8 Long An 25.384 5.585 3.478 8.098 1.472 2.031 Đồng

1.2.3 Ô nhiễm do nước thải y tế

Nhiều địa phương ở nước ta, đặc biệt là tại các thành phố lớn tập trung nhiều bệnh viện các cấp, nhiều trung tâm y tế đang hoạt động Mặc dù nhiều bệnh viện lớn đã được trang bị hệ thống xử lý nước thải, tuy nhiên các cơ sở y

tế với quy mô nhỏ phần lớn xả nước thải y tế chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để ra môi trường xung quanh

Nước thải y tế được xem là nguồn thải rất độc hại nếu không được xử

lý trước khi thải ra môi trường do chứa nhiều hóa chất độc hại với nồng độ cao và chứa nhiều vi trùng, vi khuẩn lây lan bệnh truyền nhiễm Mức độ gia tăng lượng nước thải y tế ở nước ta ngày càng nhanh chóng do sự gia tăng số lượng các bệnh viện và cơ sở y tế Ô nhiễm nguồn nước mặt do nước thải, rác thải y tế đang là một vấn đề gây bức xúc ở nhiều địa phương ở Việt Nam [5]

1.2.4 Ô nhiễm do nước thải nông nghiệp, làng nghề

Bên cạnh các nguồn nước thải trên, nước thải nông nghiệp, làng nghề cũng là một nguồn gây ô nhiễm môi trường nước mặt Hoạt động trồng trọt sử

dụng phân bón không đúng quy trình, sử dụng quá nhiều hóa chất bảo vệ thực vật đang gây ảnh hưởng tới chất lượng nước các lưu vực sông Phân bón và hóa chất bảo vệ thực vật tồn dư trong đất bị rửa trôi theo các dòng chảy mặt

và đổ vào các hệ thống sông, hồ, đặc biệt là vào mùa mưa Nước thải từ hoạt động nông nghiệp có chứa hóa chất bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu là những thành phần hết sức độc hại cho môi trường và sức khỏe con người [5]

Các khu vực đồng bằng, xung quanh các đô thị thường là nơi tập trung các làng nghề sản xuất thủ công với quy mô nhỏ lẻ, công nghệ lạc hậu và hầu như không có các công trình xử lý nước thải Nước thải từ các làng nghề làm cho chất lượng môi trường nguồn nước mặt bị suy giảm nghiêm trọng, ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe và môi trường sống của người dân

Hình 1.5 Ô nhiễm nước mặt ở làng nghề Sơn Đồng (Hoài Đức, Hà Nội)

(nguồn: Internet)

1.3 Các thông số chất lượng môi trường nước mặt

Có nhiều thông số để đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt năm 2015 (QCVN 08-MT:2015/BTNMT), có tới 36 thông số có thể sử dụng nhằm đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Các thông số này có thể chia thành các nhóm như nhóm chỉ tiêu vật lý (độ pH, độ đục, chất rắn lơ lửng ), chỉ tiêu hóa học (hàm lượng oxy hòa tan trong nước, nhu cầu oxy sinh học, nhu cầu oxy hóa học, hàm

lượng kim loại nặng ) và chỉ tiêu sinh học (vi khuẩn E.coli ) (Bảng 1.4)[7]

Bảng 1.4 Giá trị giới hạn các thông số chất lượng nước mặt (theo QCVN

Tổng các bon hữu cơ

(Total organic carbon,

B2 Việc phân hạng A1, A2, B1, B2 đối với các nguồn nước mặt nhằm đánh giá

và kiểm soát chất lượng nước, phục vụ cho các mục đích sử dụng nước khác nhau, được sắp xếp theo mức chất lượng giảm dần [6]:

A1- Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (sau khi áp dụng xử lý thông thường), bảo tồn động thực vật thủy sinh và các mục đích khác như loại

A2, B1 và B2

A2 - Dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt nhưng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp hoặc các mục đích sử dụng như loại B1 và B2

B1- Dùng cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác

có yêu cầu chất lượng nước tương tự hoặc các mục đích sử dụng như loại B2

B2 - Giao thông thủy và các mục đích khác với yêu cầu nước chất lượng thấp

Để đánh giá chất lượng nước mặt cũng như mức độ gây ô nhiễm nước

có thể dựa vào một số chỉ tiêu cơ bản và quy định giới hạn của từng chỉ tiêu

đó tuân theo các quy chuẩn của từng quốc gia Không nhất thiết phải quan trắc và phân tích tất cả 36 thông số chất lượng nước trên mà tùy đặc điểm từng khu vực cụ thể sẽ lựa chọn số lượng và thông số chất lượng nước cụ thể

Từng thông số môi trường nước tại các điểm quan trắc được đánh giá,

phân tích và đưa ra các nhận định về hiện trạng và diễn biến của chất lượng nước Ngoài phương pháp phân tích, đánh giá cho từng thông số, nhiều nước trên thế giới cũng xây dựng các chỉ số môi trường nước mặt, trong đó sử dụng

số liệu tổng hợp hơn so với đánh giá từng thông số Nhiều nước, trong đó có Việt Nam đã triển khai áp dụng mô hình chỉ số chất lượng nước (WQI – Water Quality Index) Từ nhiều giá trị của các thông số khác nhau, chỉ số WQI được tính toán và phản ảnh một cách tổng quát nhất về chất lượng nước Do có nhiều

ưu điểm, chỉ số WQI đã được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam trong đánh giá chất lượng nước, như trong các nghiên cứu của Lê Trình (2008) [23], Tôn Thất Lãng (2010) [14], Nguyễn Duy Phú (2012) [16], Lê Văn Thăng và nnk (2013) [21], Phạm Thế Anh, Nguyễn Văn Huy (2013) [3], Trương Văn Đàn và nnk (2014) [9], Nguyễn Thị Lệ Hằng và nnk (2017) [11] …

1.4 Tổng quan các nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thámgiám sát chất lượng nước mặt

1.4.1 Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu chất lượng nước mặt

Các phương pháp truyền thống sử dụng số liệu điều tra, quan trắc chỉ

có thể đánh giá chất lượng nước cục bộ ở điểm đo và gần như không thể đánh giá sự phân bố theo không gian và thời gian của các thông số chất lượng nước

ở một khu vực rộng lớn do tốn kém về thời gian và chi phí

Cùng với sự phát triển của công nghệ vũ trụ và công nghệ thông tin, từ những thập kỷ cuối của thế kỷ XX, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi

và mang lại hiệu quả quan trọng trong hải dương học cũng như nghiên cứu đánh giá chất lượng nước Dữ liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian đa dạng cho phép nghiên cứu, giám sát các vùng nước ở các quy mô khác nhau Một số ảnh vệ tinh thương mại hiện nay như QuickBird, WorldView có thể đạt độ phân giải không gian lên đến 1m hoặc cao hơn Dữ liệu ảnh vệ tinh độ phân giải cao có thể áp dụng hiệu quả cho các nghiên cứu ở mức độ chi tiết (ao, hồ, các đoạn sông) Trong khi đó, ảnh vệ tinh độ phân giải không gian trung bình (từ 10 đến 100 m) thường được sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá chất lượng nước

ở quy mô cấp vùng Đối với những khu vực rộng lớn như biển, đại dương, dữ liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải thấp có thể được áp dụng do diện tích phủ trùm của một cảnh ảnh có thể lên đến một vài km2

Các vùng nước với hàm lượng thông số chất lượng nước khác nhau sẽ

có đặc trưng phổ phản xạ khác nhau Đặc trưng phổ phản xạ này có thể được

sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước như chất lơ lửng (TSS), chất diệp lục (Chrolophyll), nhiệt độ, pH, hàm lượng chất hữu cơ hòa tan [38] Do vậy, dữ liệu viễn thám chủ đạo sử dụng trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước là ảnh vệ tinh quang học Trong bảng 1.5 [38] trình bày các bộ cảm biến quang học sử dụng phổ biến

trong đánh giá chất lượng nước, trong đó các bộ cảm được chia thành ba nhóm chính: độ phân giải không gian cao (dưới 10 m), độ phân giải không gian trung bình (khoảng 10 đến 100 m) và độ phân giải không gian thấp (lớn hơn 100 m)

Bảng 1.5 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng

nước [38]

phóng

Độ phân giải không gian (m)

Độ rộng dải chụp

Độ phân giải thời gian (ngày)

WorldView - 2 08/10/2009 1,85-0,46 16,4 1,1 NOAA WorldView -

3 13/08/2014

0,31 13,1 1-4,5 Digital Globe

1,24-3,7-Quikckbird 18/10/2001 2,62-0,65 18 2,5 GeoEye Geoeye - 1 06/09/2010 1,65-0,41 15,2 <3 GeoEye IKONOS 24/09/1999 3,2-0,82 11,3 3

EO -1 Hyperion 21/11/2000 30 7,5 16

EO - 1 ALI 21/11/2000 10-30 185 16 Terra ASTER 18/12/1999 15-30-90 60 16

NIMBUS - 7 CZCS 24/10/1978 825 1556 6 ERS - 1 ATSR - 1 17/06/1991 1000 500 3-6 ERS - 2 ATSR - 2 22/04/1995 1000 500 3-6 ENVISAT AATSR 01/03/2001 1000 500 3-6 Suomi NPP VIIRS 28/10/2011 375-750 3060 1-2

lần/ngày NOAA - 16

AVHRR 21/09/2000 1100-4000 3000 9 Ảnh vệ tinh quang học mặc dù được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước, tuy nhiên cũng có nhược điểm do số kênh phổ tương đối ít, độ rộng từng kênh phổ lớn nên một số thông tin quan trọng về chất lượng nước có thể bị lẫn vào nhau và lượng thông tin mang lại hạn chế Những năm gần đây, ảnh viễn thám siêu phổ (hyperspectral image) với số lượng kênh phổ lên đến hàng trăm kênh đã được áp dụng nhằm giải đoán những yếu tố hết sức chi tiết mà trên ảnh viễn thám truyền thống không thể nhận biết được như các loại đất, các khoáng vật, các thông số chất lượng nước (Bảng 1.6) [38]

Bảng 1.6 Đặc điểm một số bộ cảm siêu phổ sử dụng trong đánh giá chất

lượng nước [38]

Tên bộ

Độ phân giải không gian (m)

AVIRIS

Airborne Visible

Infrared Imaging Spectrometer

HYDICE

Hyperspectral Digital Imagery Collection Experiment

VIS/NIR (0,38-0,97), SWIR (0,97-2,50)

228 0,40-1,00 0,5 đến 3

EPS-H Environmental

Protection System

VIS/NIR (76), SWIR1 (32), SWIR2 (32), TIR

(12)

VIS/NIR (0,43-1,05), SWIR1 (1,50-1,80), SWIR2 (2,00-2,50), TIR (8-12,50)

Khoảng 1m

DAIS

7915

Digital Airborne Imaging Spectrometer

VIS/NIR (32), SWIR1 (8), SWIR2 (8), MIR (1), TIR (12)

VIS/NIR (0,43-1,05), SWIR1 (1,50-1,80), SWIR2 (2,00-2,50), MIR (3,00-5,00), TIR (8,70-12,30)

VIS/NIR (28), MIR (64), TIR (10)

VIS 0,83), NIR (1,15-1,55), MIR (2,00-2,50), TIR (8,20-12,70)

(0,43-3 đến 8