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

Mục tiêu nghiên cứuMục tiêu nghiên cứu của luận án là xác lập được cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học trong xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng

NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG

XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊA TIN HỌC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT

VÙNG MỎ CẨM PHẢ, QUẢNG NINH

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG

XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊA TIN HỌC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT

VÙNG MỎ CẨM PHẢ, QUẢNG NINH

NGÀNH : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ

MÃ SỐ : 9520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS KIỀU KIM TRÚC

2 TS VƯƠNG TRỌNG KHA

HÀ NỘI 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc

rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Lệ Hằng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU Error! Bookmark not defined. DANH MỤC HÌNH VẼ xi

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 4

3 Nội dung nghiên cứu 4

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5

5 Phương pháp nghiên cứu 5

6 Những điểm mới của luận án 6

7 Luận điểm bảo vệ 6

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án 7

10 Cấu trúc luận án 7

11 Lời cảm ơn 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 9

1.1 Khái niệm nước mặt và đánh giá chất lượng nước mặt 9

1.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt 13

1.2.1 Nước thải sinh hoạt 13

1.2.2 Nước thải công nghiệp 15

1.2.3 Nước thải y tế 17

1.2.4 Nước thải nông nghiệp 17

1.3 Sử dụng chỉ số WQI đánh giá chất lượng nước mặt 17

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học xây

dựng CSLD và đánh giá chất lượng nước mặt 20

1.4.1 Trên thế giới 20

1.4.2 Trong nước 29

1.5 Khai thác khoáng sản và ảnh hưởng của nó tới chất lượng nước mặt vùng

mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh 37

1.5.1 Tài nguyên nước mặt ở vùng mỏ Quảng Ninh 37

1.5.2 Ảnh hưởng của khai thác khoáng sản tới chất lượng nước mặt vùng mỏ

Cẩm Phả, Quảng Ninh 39

1.6 Tiểu kết chương 1 47

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG ĐỊA TIN HỌC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT 48

2.1 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp ứng dụng địa tin học xây dựng cơ sở dữ

liệu phục vụ đánh giá chất lượng môi trường nước mặt 48

2.1.1 Khái niệm về Địa tin học và CSLD 48

2.1.2 Khả năng ứng dụng kỹ thuật địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh

giá chất lượng môi trường nước mặt 50

2.2 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt

55

2.3 Phương pháp tính toán chỉ số WQI 58

2.4 Ứng dụng kỹ thuật địa tin học khai thác CSDL chất lượng nước mặt

61 2.4.1 Thành lập bản đồ chất lượng nước mặt bằng phương pháp nội suy 61

2.4.2 Phân tích thống kê không gian 63

2.4.3 Mô hình hóa chất lượng môi trường nước 65

2.5 Lựa chọn công nghệ phù hợp với vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh

68 2.5.1 Kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm môi trường trong xây dựng

2.5.2 Tích hợp tư liệu viễn thám và GIS 70

2.6 Tiểu kết chương 2 76

CHƯƠNG 3 THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT KHU VỰC CẨM PHẢ, QUẢNG NINH 77

3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu 77

3.2 Đặc điểm tư liệu sử dụng trong luận án 80

3.2.1 Số liệu quan trắc chất lượng nước mặt 80

3.2.2 Dữ liệu viễn thám 83

3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh 86

3.4 Khai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá, giám sát chất lượng môi trường nước mặt 88

3.4.1 Xây dựng bản đồ chuyên đề các thông số môi trường nước mặt .88

3.4.2 Đánh giá chất lượng nước mặt bằng phương pháp thống kê .90

3.4.3 Đánh giá biến động hàm lượng các thông số chất lượng nước theo quý .97

3.4.4 Đánh giá chất lượng nước mặt bằng chỉ số WQI 100

3.4.5 Xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt bằng tư liệu viễn thám 114

3.5 Kết luận chương 3 128

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

PHỤ LỤC 1 144

PHỤ LỤC II 156

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 GIS - Geographical Information Hệ thông tin địa lý

System

2 WQI - Water Quality Index Chỉ số chất lượng nước

3 TSS - Total Suspended Sediment Tổng chất rắn hòa tan

4 BOD - Biochemical Oxygen Nhu cầu oxi sinh hóa

Demain

5 NSMI - Normalized Suspended Chỉ số vật chất lơ lửng chuẩn hóa Material Index

ngược có trọng số

12 NIR - Near Infrared Cận hồng ngoại

13 SWIR - Shortware Infrared Hồng ngoại sóng ngắn

Association

Commission for Europe

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Tổng lượng nước thải và thải lượng các chất ô nhiễm trong nước

thải từ các khu công nghiệp [20] 16

Bảng 1.2 Bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước [21] 20

Bảng 2.1 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng nước [42] 54

Bảng 2.2 Bảng quy định các giá trị qi, BPi 59

Bảng 3.1 Tên trạm quan trắc và các thông số môi trường nước mặt vùng Cẩm Phả 82

Bảng 3.2 Đặc điểm các kênh phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A 84

Bảng 3.3 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý I - 2012 102

Bảng 3.4 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý II- 2012 103

Bảng 3.5 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý III- 2012 104

Bảng 3.6 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý IV- 2012 105

Bảng 3.7Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý I - 2014 105

Bảng 3.8Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý II – 2014 106

Bảng 3.9Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý III - 2014 107

Bảng 3.10 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý IV - 2014 108

Bảng 3.11 WQI năm cho các quý và cho cả năm 2012 110

Bảng 3.12 WQI năm cho các quý và cho cả năm 2014 111

Bảng 3.13 Bảng đánh giá CLN mặt tại các điểm quan trắc trong các quý I ÷ IV 2012 112

Bảng 3.14 Bảng đánh giá CLN mặt tại các điểm quan trắc trong các quý I ÷ IV 20141 13

Bảng 3.15 Hàm lượng chất lơ lửng trong nước biển ven bờ Cẩm Phả, Quảng

Ninh tại các trạm quan trắc và điểm lấy mẫu quý 1 và 4 năm 2016

Hình 1.1 Tỉ lệ phân bố tài nguyên nước theo các lưu vực sông [19] 10

Hình 1.2 Tỉ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước

thải sinh hoạt [19] 14

Hình 1.3 Nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm ở Quảng Ninh (nguồn: internet) 15 Hình 1.4 Vị trí một số

(2017) 22 Hình 1.5 Giao diện ứngdụng GIS phục vụ quản lý chất lượng nước mặt trong

nghiên cứu của Boubakri, Rhinane (2017) 22

Hình 1.6 Giao diện ứng dụng GIS quản lý chất lượng nước ở Washington

(Bilhimer, 2012) 23

Hình 1.7 Kết quả nội suy hàm lượng Canxi, Magie, Clo trong nước ngầm khu

vực Bhadravathia bằng phương pháp IDW 24

Hình 1.8 Kết quả nội suy hàm lượng pH trong nghiên cứu của Gharbia et al (2016) 25 Hình 1.9 Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Weipi He [46]

nghiên cứu của Weipi He 26

Hình 1.11 Tư liệu ảnh Landsat 8 và sơ đồ các điểm lấy mẫu chất lượng nước

trong nghiên cứu của Li et al (2018) [50] 27

Hình 1.12 Ô nhiễm nước mặt do khai thác than ở suối Diễn Vọng, Mông

Dương, Cẩm Phả (nguồn Internet) 40

Hình 1.13 Tác động của khai thác than đối với các thành phần tài nguyên,

môi trường 43

Hình 1.14 Tác động bồi lấp sông suối trong khai thác than tại Cẩm Phả,

Quảng Ninh (nguồn Internet) 45

Hình 1.15 Diễn biến một số thông số chất lượng nước khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh giai đoạn 2005 – 2009 (nguồn: Tổng Công ty than khoáng sản

Việt Nam) 46

Hình 2.1 Minh họa về các kỹ thuật trong công nghệ Địa tin học (nguồn

Internet) 48 Hình 2.2 Ví dụ về cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực

Parkowe, Ba Lan (Absalon et al., 2002) [25] 52

Hình 2.3 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước

mặt 56

Hình 2.4 Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ phân bố các thông số chất lượng

nước từ cơ sở dữ liệu 62 Hình 2.5 Ví dụ về sử dụng phương pháp nội suy không gian trong đánh giá chất lượng nước khu vực hồ Tonle Sap, Cambodia (a – Simple Kriging, b –

Ordiginal Kriging, c – IDW) (Chum et al., 2017) [36] 63

Hình 2.6 Sự thay đổi về không gian đối với các thông số chất lượng nước pH,

COD, TN, F (Lee and White,1992) [48] 65

Hình 2.7 Các thành tố chính trong mô hình môi trường 66

Hình 2.8 Mô tả mô hình AQUATOX trong đánh giá ô nhiễm nước ngọt

67

Hình 2.9 Giao diện phần mềm EQWin Data Manager 69

Hình 2.10 Kết quả xác định hàm lượng chlorophyll-a từ ảnh vệ tinh Spot, khu

vực hồ chứa Te-Chi, Đài Loan (Yang et al., 1996) [76] 71 Hình 2.11 Các thành phần của bức xạ Mặt Trời đi tới nguồn nước được bộ

Hình 3.3 Tư liệu ảnh Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 khu vực Cẩm Phả,

Quảng Ninh, RGB=432 85 Hình 3.4 Tư liệu ảnh Sentinel-2A chụp ngày 01/12/2016 khu vực Cẩm Phả,

Quảng Ninh, RGB=432 85

Hình 3.5 Nhập dữ liệu trong EQWin 87

Hình 3.6 Hiển thị cơ sở dữ liệu và đồ thị thông số môi trường nước mặt Cẩm

Phả, Quảng Ninh trong phần mềm EQWin 88

Hình 3.7 Ví dụ nhập dữ liệu chất lượng nước mặt trong phần mềm EQWin 89Hình 3.8 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số Coliform quý IV/2016

đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008. 94 Hình 3.14 Đồ thị thông số kim loại nặng tổng Fe các đợt quan trắc tại các

trạm đo giai đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 95

Hình 3.15 Đồ thị thông số Dầu mỡ các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn

2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 97 Hình 3.16 Đồ thị diễn biến hàm lượng TSS theo mùa giai đoạn 2011 - 2016

tại 15 điểm quan trắc nước mặt ở Cẩm Phả, Quảng Ninh 98 Hình 3.17 Đồ thị diễn biến hàm lượng pH theo mùa giai đoạn 2011 – 2016

tại 15 điểm quan trắc nước mặt ở Cẩm Phả, Quảng Ninh 99

Hình 3.18 Kết quả xác định chỉ số NSMI đối với khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh từ ảnh vệ tinh 2A ngày 16/04/2016 (a) và 02/12/2016 (b) 115 Hình 3.19 Sơ đồ các điểm quan trắc, lấy mẫu chấtlượng nước khu vực Cẩm

Sentinel-Phả, Quảng Ninh 116

Hình 3.20 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị chỉ số NSMI và hàm lượng chất lơ lửng trong nước biển khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ngày 16/04/2016 118

Hình 3.21 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị chỉ số NSMI và hàm lượng chất lơ lửng trong

02/12/2016 120 Hình 3.22 Kết quả xácđịnh hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực

ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 121

Hình 3.23 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A ngày 16/04/2016 khuvực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần thành phố

Cẩm Phả 121

Hình 3.24 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A

ngày 16/04/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần biển Vân Đồn 122

Hình 3.25 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực

ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 02/12/2016 122

Hình 3.26 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A ngày 02/12/2016 khuvực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần thành phố

Cẩm Phả 123

Hình 3.27 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A

ngày 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần biển Vân Đồn 123 Hình 3.28 Kết quả xác định hàm lượng NH4 + trong nước mặt khu vực ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 127 Hình 3.29 Kết quả xác định hàm lượng NH4 +

trong nước mặt khu vực ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 02/12/2016 127

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là thành phần thiết yếu của sự sống và môi trường Có thể coi nước là thành phần quyết định đến sự tồn tại và phát triển của mỗi quốc gia.

Việt Nam là một nước có nguồn tài nguyên nước mặt phong phú Do đặc thù về vị trí địa lý và đặc điểm điều kiện tự nhiên, tổng lượng nước mặt của nước ta phân bố không đồng đều cả về thời gian và không gian, dẫn đến tình trạng có những vùng bị lũ lụt thường xuyên, trong khi đó có những vùng lại bị khô hạn kéo dài Hơn nữa, mặc dù có nguồn tài nguyên nước dồi dào, tuy nhiên tài nguyên nước mặt ở Việt Nam không phải là vô tận Nước mặt cũng dễ bị tổn thương do được khai thác tối đa phục vụ cho các nhu cầu sinh hoạt và phát triển kinh tế xã hội Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế - xã hội, những ảnh hưởng tiêu cực của các hoạt động này đến nguồn nước khiến tình trạng ô nhiễm nước mặt diễn ra nghiêm trọng Tốc độ công nghiệp hoá, đô thị hoá nhanh chóng, hoạt động giao thông đường thủy, hoạt động khai thác khoáng sản, hoạt động nuôi trồng thủy hải sản và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước mặt ở các

hệ thống sông, hồ cũng như ven biển Môi trường nước mặt ở nhiều khu vực trên thế giới đang bị ô nhiễm nặng nề bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn Xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt đang là một vấn đề có tính cấp thiết, phục vụ công tác quản lý, bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên nước mặt ở Việt Nam.

Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú, trong đó một số loại có trữ lượng thuộc loại lớn ở khu vực như than đá, sắt, dầu khí Khai thác mỏ là ngành công nghiệp giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Việt Nam, góp phần quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội ở

nước ta thời gian qua Bên cạnh những lợi ích to lớn mang lại, công nghiệp khai thác mỏ cũng tác động mạnh mẽ đối với các thành phần tài nguyên, môi trường, phá vỡ thế hài hòa vốn có của cảnh quan thiên nhiên trên một diện tích rộng lớn Tại các khu vực khai thác mỏ lộ thiên, do không có ao chứa lắng, xử lý nên phần lớn các nhà máy đưa trực tiếp nước thải ra môi trường

mà không qua bất kỳ hình thức xử lý nào Bên cạnh đó, trong những năm trước đây, nhiều đơn vị khai thác khoáng sản chỉ quan tâm đến lợi ích kinh tế trước mắt mà xem nhẹ công tác bảo vệ môi trường Hậu quả là nhiều thành phần tài nguyên và môi trường vùng mỏ bị tác động và biến đổi mạnh mẽ, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến đời sống dân sinh trong khu vực mà nước mặt là một đối tượng quan trọng.

Cũng như nhiều vùng khác trong cả nước, Cẩm Phả là thành phố nông nghiệp Bên cạnh công nghiệp mỏ, các loại hình công nghiệp khác như nhiệt điện, xi măng, cơ khí v.v ngày càng được phát triển Cùng với quá trình công nghiệp hoá và đô thị hoá, dân số ngày một tăng, nhu cầu cung cấp nước cho các ngành công-nông nghiệp và sinh hoạt ngày càng lớn Một nghịch lý đang diễn ra gay gắt: công nghiệp càng phát triển, dân số càng tăng thì tài nguyên nước mặt ngày càng bị suy thoái cả về số lượng và chất lượng Các nguồn nước mặt trong các ao hồ, sông suối và nước ven biển vùng mỏ Cẩm Phả đang bị ô nhiễm trầm trọng Ngoài những nguyên nhân phổ quát do

công-ô nhiễm khcông-ông khí, chất thải rắn, chất thải lỏng từ hoạt động ccông-ông nghiệp, giao thông vận tải, nông nghiệp và sinh hoạt của người dân, chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả còn bị suy giảm nặng nề bởi nguyên nhân khai thác

mỏ Nước mỏ lộ thiên, hầm lò; nước mỏ từ các cơ sở tuyển khoáng, nước chảy tràn từ bãi thải và bãi chứa than v.v…là các nhân tố làm gia tăng quy mô

và mức độ ô nhiễm làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Dân số ngày càng tăng, các hoạt động du lịch, công nghiệp khai

thác khoáng sản, cơ khí, xi măng ngày càng mở rộng là các nguyên nhân tổng hợp làm suy giảm chất lượng tài nguyên nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Mọi nghiên cứu xác định nguyên nhân, phân tích các thành phần, đánh giá chất lượng nguồn nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh là nhu cầu cấp thiết nhằm xác định diễn biến chất lượng nước, phân vùng và nhận diện các thành phần ô nhiễm, hướng tới xây dựng các giải pháp xử

lý, quản lý các nguồn nước mặt trong khu vực, góp phần ngăn ngừa, giảm thiểu các tác động tiêu cực, nâng cao chất lượng nước sạch cho dân cư vùng Quảng Ninh nói chung và khu vực Cẩm Phả nói riêng.

Có nhiều phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm và điều kiện ứng dụng riêng Dù là đánh giá bằng phương pháp nào cũng phải dựa trên cơ sở dữ liệu Mặc dù đã được quan trắc nhiều, nhưng dữ liệu nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh vẫn còn bị phân tán về định dạng, về cấu trúc, về chuẩn hoá dữ liệu v.v… Một cơ sở dữ liệu đầy đủ, được xây dựng bằng các phương pháp và công nghệ hiện đại với các khả năng cập nhật, quản lý, phân tích, hiển thị và chia sẻ kịp thời là cơ sở cho công tác đánh giá chính xác và hiệu quả các thành phần tài nguyên, môi trường nói chung và tài nguyên nước mặt nói riêng [10] Công nghệ địa tin học mà tiêu biểu là viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) là các công cụ hiện đại đáp ứng các yêu cầu đó.

Với những lý do trên, đề tài luận án “Xác lập cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh” là xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và có tính khoa học Kết quả nhận được trong luận án góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ Địa tin học cũng như cung cấp thông tin kịp thời, giúp các nhà quản lý trong giám sát, đánh giá và bảo vệ môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ.

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác lập được cơ sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học trong xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh.

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, trong luận án tiến hành nghiên cứu các nội dung sau:

Nghiên cứu tổng quan về tài nguyên nước mặt và các nguyên nhân gây ra sự suy thoái chất lượng ở vùng mỏ Cẩm Phả, các phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt; tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ứng dụng công nghệ địa tin học trong xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh giá chất lượng nước mặt.

Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nước mặt bằng công nghệ địa tin học phục vụ công tác quản

lý, giám sát và đánh giá chất lượng nước mặt.

Thu thập số liệu quan trắc chất lượng nước mặt tại 15 điểm quan trắc trong đất liền và 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả phục vụ xây dựng

cơ sở dữ liệu Thu thập dữ liệu viễn thám (ảnh vệ tinh Sentinel-2A) phục vụ xác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước khu vực ven biển.

Nghiên cứu kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá môi trường EQWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt.

Khai thác sử dụng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt nhằm thành lập các bản đồ chuyên đề về các thông số chất lượng nước, đánh giá chất lượng nước bằng chỉ số WQI, đánh giá chất lượng nước kết hợp với tư liệu viễn thám.

Thử nghiệm ứng dụng phần mềm EQWin và WQI trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả.

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả.

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích, tổng hợp: tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung luận án; các

số liệu, tài liệu về chất lượng nước mặt khu vực nghiên cứu.

Phương pháp thu thập số liệu: trong luận án tiến hành thu thập

số liệu tại 15 điểm quan trắc chất lượng nước mặt khu vực đất liền và

20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh giai đoạn 2011 - 2016.

Phương pháp GIS: kết hợp các phần mềm GIS (MapInfo, ArcGIS) và phần mềm đánh giá môi trường EQWin Manager trong xây dựng và khai thác cơ

sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh.

Phương pháp thống kê: sử dụng trong phân tích thống kê nhằm đánh giá diễn biến theo quý và năm chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh tại 15 trạm đo trong đất liền.

Phương pháp viễn thám: sử dụng trong xử lý ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2A nhằm xác định phân bố hàm lượng một số thông số chất lượng nước khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh.

6 Những điểm mới của luận án

Thứ nhất, kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá môi trường EQWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt là phương án phù hợp và hiệu quả đối với hiện trạng cơ sở hạ tầng và số liệu quan trắc chất lượng nước mặt khu vực khai thác mỏ ở nước ta hiện nay.

Thứ hai, cơ sở dữ liệu xây dựng trong luận án là công cụ hiệu quả phục vụ quản lý, đánh giá và giám sát chất lượng môi trường nước mặt thông qua thành lập các bản đồ thông số chất lượng nước, đánh giá bằng chỉ số WQI, kết hợp tư liệu viễn thám trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước… 7 Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Công nghệ Địa tin học là công cụ hiệu quả trong xây dựng

cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ trên cơ

sở tích hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá môi trường.Luận điểm 2: Ứng dụng cơ sở dữ liệu nước mặt giúp quản lý, giám sát và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt một cách hiệu quả theo thời gian và không gian với sự trợ giúp của công nghệ Địa tin học thông qua các kỹ thuật phân tích, thống kê không gian.

8 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án

giúp hoàn thiện cơ sở khoa học và chứng minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương pháp ứng dụng công nghệ Địa tin học trong xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt.

Ý nghĩa thực tiễn: cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt xây dựng trong đề tài luận án có thể được khai thác ứng dụng phục vụ công tác quản lý, giám sát và sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt nói chung, tài nguyên nước mặt khu vực khai thác mỏ nói riêng.

9 Cơ sở tài liệu thực hiện luận án

Bản đồ địa hình: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 năm 2000 do Cục Bản đồ/Bộ Tổng tham mưu xây dựng Bản đồ này được sử dụng để nắn chỉnh ảnh vệ tinh các thời điểm về hệ tọa độ với hệ quy chiếu VN2000 cũng như phục vụ xây dựng các bản đồ

Dữ liệu quan trắc: bao gồm các số liệu đo đạc, quan trắc chất lượng nước mặt khu vực nghiên cứu giai đoạn 2011 - 2016, trong đó có 15 điểm quan trắc khu vực đất liền và 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh.

Tư liệu viễn thám: 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 và 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh 10 Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo

và nội dung chính được trình bày trong 03 chương:

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng địa tin học xây dựng

cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt

Chương 3: Thực nghiệm xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nhằm đánh giá chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh.

11 Lời cảm ơn

Luận án được hoàn thành tại bộ môn Trắc địa Mỏ, trường đại học Mỏ - Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Kiều Kim Trúc và TS Vương Trọng Kha.

Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, NCS luôn nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của bộ môn Trắc địa mỏ cùng các đơn vị chức năng thuộc trường đại học Mỏ - Địa chất; Sự tạo điều kiện của Ban giám hiệu Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, sự ủng hộ của Lãnh đạo khoa Trắc địa, Bản đồ và Thông tin địa lý thuộc Trường Đại học Tài nguyên và

Môi trường Hà Nội; các Thầy cô giáo, các chuyên gia, các nhà khoa học và các bạn đồng nghiệp hoạt động trong lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ ở các đơn

vị như Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội; Trường Đại học

Mỏ - Địa chất; Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam; Học viện

Kỹ thuật Quân sự, Hội Trắc địa - Bản đồ - Viễn thám Việt Nam, v.v…

Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Công ty Cổ phần Tin học, Công nghệ và Môi trường – Vinacomin đã giúp đỡ tôi được tham khảo tài liệu, các kết quả khảo sát và số liệu quan trắc môi trường giai đoạn 2011 – 2016.

Đặc biệt, NCS bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS Kiều Kim Trúc và TS Vương Trọng Kha - người Thầy rất tận tụy giúp đỡ NCS hoàn thành luận án này.

Xin trân trọng cảm ơn các Thầy trong Hội đồng đã đọc, góp ý

và đánh giá để NCS hoàn thiện hơn luận án.

Xin trân trọng cảm ơn./.

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái niệm nước mặt và đánh giá chất lượng nước mặt

Nước mặt

Theo ”Thuật ngữ thủy văn và môi trường nước”, tài nguyên nước là lượng nước trên một vùng đã cho hoặc lưu vực, biểu diễn ở dạng nước có thể khai thác, bao gồm nước mặt và nước dưới đất.

Điều 2, Luật Tài nguyên nước Việt Nam (2012) quy định: ”Tài nguyên nước (của Việt Nam) bao gồm các nguồn nước mặt, nước mưa, nước dưới đất, nước biển thuộc lãnh thổ Việt Nam” Như vậy, có thể hiểu, tài nguyên nước của một khu vực là toàn bộ lượng nước có trong đó mà con người có thể khai thác, sử dụng được cho sinh hoạt, sản xuất trong hiện tại và tương lai.

Nước mặt là một dạng tài nguyên nước Theo Luật Tài nguyên nước Việt Nam (2012), ”nước mặt là nước tồn tại trên đất liền và hải đảo” Nước mặt là nước trong sông, hồ hoặc nước ngọt trong vùng đất ngập nước Nước mặt được bổ sung một cách tự nhiên bởi nước mưa

và chúng mất đi khi chảy vào đại dương, bốc hơi và thấm xuống đất [9].

Do đặc điểm vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên, hơn 60% lượng nước của Việt Nam tập trung ở lưu vực sông Mê Kong, 16% tập trung ở lưu vực sông Hồng – Thái Bình và khoảng 4% ở lưu vực sông Đồng Nai Ở các lưu vực sông khác, tổng lượng nước mặt chỉ chiếm phần nhỏ còn lại (hình 1.1)

[19] Bên cạnh đó, tổng lượng nước mặt của Việt Nam cũng phân

bố không đều giữa các mùa do lượng mưa phân bố không đồng đều cả về thời gian và không gian Lượng mưa thay đổi theo mùa

và thời điểm mùa mưa, mùa khô ở các vùng là khác nhau.

Hình 1.1 Tỉ lệ phân bố tài nguyên nước theo các lưu vực sông [19]

Tổng lượng nước mặt của các lưu vực sông ở nước ta đạt khoảng 830

lãnh thổ Việt Nam [19] Như vậy, nếu tính theo bình quân đầu người, nước ta

có tài nguyên nước ở mức trung bình theo quan điểm của IWRA – Hiệp hội Nước quốc tế, và nếu tính theo lượng nước nội sinh thì còn thấp hơn Với sự gia tăng dân số cũng như quá trình sử dụng nước thiếu hợp lý, Việt Nam có thể đối mặt với nguy cơ khan hiếm nước, ảnh hưởng đến sự phát triển ổn định về kinh tế, xã hội và an ninh lương thực.

Đánh giá chất lượng nước mặt

Chất lượng nước là một chỉ tiêu quan trọng có liên quan tới tất cả khía cạnh của hệ sinh thái và đời sống con người, như sức khỏe cộng đồng, sản xuất lương thực, hoạt động kinh tế và đa dạng sinh học.Xét trên khía cạnh quản lý, chất lượng nước được xác định bởi nhu cầu

sử dụng cuối cùng của nó Với các mục đích sử dụng nước như giải trí, ăn uống, môi trường sống cho động thực vật thủy sinh, mức trong sạch của

nguồn nước thường đòi hỏi ở cấp độ cao hơn so với các một số các mục đích khác như đáp ứng nhu cầu cho hoạt động thủy điện.

Do đó, theo nghĩa rộng chất lượng nước là bao gồm các nhân tố vật lý, hóa học và sinh học cần thiết để đảm bảo cho nhu cầu sử dụng (theo Ủy ban kinh tế Liên hiệp quốc châu Âu (UNECE), 1995).

Đánh giá chất lượng nước là yêu cầu quan trọng đối với sức khỏe của con người và chất lượng môi trường Để đánh giá chất lượng nước 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 Luật Bảo vệ môi trường của một quốc gia hoặc tiêu chuẩn quốc tế quy định cho từng loại nước sử dụng cho các mục đích khác nhau Các chỉ tiêu cơ bản trong đánh giá chất lượng nước mặt có thể gộp thành 3 nhóm, bao gồm nhóm chỉ tiêu vật lý, chỉ tiêu hóa học và chỉ tiêu sinh học.

* Chỉ tiêu vật lý

- Độ pH: là chỉ tiêu quan trọng để kiểm tra chất lượng nước cấp và

nước thải Dựa vào giá trị pH ta sẽ quyết định phương pháp xử lý, và điều chỉnh lượng và loại hoá chất thích hợp trong quá trình xử lý Sự thay đổi giá trị pH trong nước có thể dẫn đến những thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa; hoặc thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước pH được xác định bằng máy đo pH hoặc bằng phương pháp chuẩn độ.

- Độ màu: do các chất gumid, hợp chất keo của sắt, do nhiễm bẩn

của các loại nước thải hay do sự phát triển của rong tảo Độ màu được xác định bằng phương pháp so màu với thang Platin - coban và tính bằng độ

động thực vật thủy sinh gây nên Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng

do vậy ảnh hưởng đến quá trình quang hợp dưới nước độ đục càng lớn, môi trường nước bị nhiễm bẩn càng cao và cần phải có biện pháp xử lý.

- Chất rắn lơ lửng (TSS): hất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ (hữu

cơ hoặc vô cơ) có trong nước thải Chất rắn lơ lửng có ảnh hưởng đến chất lượng nước khi sử dụng cho sản xuất, cho sinh hoạt, cản trở và tiêu tốn nhiều hóa chất trong quá trình xử lý.

* Chỉ tiêu hóa học

lượng oxy hòa tan trong nước (mg/l) là lượng oxy từ không khí có thể hòa tan vào nước trong điều kiện nhiệt độ, áp suất xác định Oxy hòa tan trong nước tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy trì năng lượng quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các loài sinh vật dưới nước Hàm lượng oxy hòa tan cho ta biết chất lượng nước Oxy hòa tan thấp cho biết nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hóa tăng nên tiêu thu nhiều oxy trong nước Oxy hòa tan cao, nước nhiều rong tảo tham gia quang hợp giải phóng oxy;

- Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand - BOD):

là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong cå quá trình oxy hoá các chất hữu cơ trong nước, nhất là nước thải sinh hoạt Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước Chỉ số này càng cao cho thấy nước bị ô nhiễm càng nhiều;

- Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD): đây cũng là thông số cần thiết để đánh giá chất lượng nguồn nước Thông thường COD được sử dụng nhiều hơn BOD, do khi phân tích chỉ số BOD đòi hỏi thời gian lâu hơn (5 ngày ở nhiệt độ 200C);

nặng đi vào trong nước do nước thải công nghiệp hoặc đô thị Chủ yếu là chì, đồng, kẽm, thủy ngân, v.v…Những kim loại này ở điều kiện pH khác nhau sẽ tồn tại những hình thái khác nhau và gây ô nhiễm môi trường;

polyphotphat,và phốtpho hữu cơ Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng

chủ yếu cho các thực vật dưới nước Tuy nhiên yếu hàm lượng quá cao sẽ gây phú dưỡng hoá trong ao hồ;

hoặc có nguồn gốc hữu cơ Với hàm lượng lớn hơn 250mg/l gây tổn hại sức khỏe cho con người Ở điều kiện yếm khí SO4 2- phản ứng với chất hữu cơ tạo thành khí H2S gây mùi hôi và có tính độc cao cho sinh vật thủy sinh nhất là trong nuôi trồng thủy sản Dễ gây hiện tượng ăn mòn kim loại đối với các thiết bị dưới nước.

- Các hợp chất nitơ: quá trình phân hủy các chất hữu cơ sinh raamoniac (NH 4 + ), nitrit (NO 2 - ), nitrat (NO 3 - ) Do đó các hợp chất này thường được xem là các chất chỉ thị dùng để nhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồnnước Nồng độ NO3 - cao là môi trường dinh dưỡng tốt cho tảo, rong phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước dùng trong sinh hoạt.

- Hàm lượng chất dầu mỡ, có thể là chất béo, acid hữu cơ, chúng gây khó khăn trong quá trình vận chuyển nước, ngăn cản oxy hoà tan.

* Chỉ tiêu sinh học

Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong tảo

và nhiều loại thủy vi sinh khác Tùy theo tính chất, các loại vi sinh vật trong nước có thể vô hại hoặc có hại Nhóm có hại bao gồm các loại vi trùng gây bệnh, các loại rong rêu, tảo, v.v…Nhóm này cần loại bỏ khỏi nước trước khi sử dụng Trong chất thải của người và động vật luôn có loại vi khuẩn E.Coli sinh sống và phát triển Đó là vi khuẩn đặc trưng cho mức độ nhiễm trùng của nước ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt.

1.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt

1.2.1 Nước thải sinh hoạt

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 [20].

Đối với khu vực Đồng bằng sông Cửu Long, Tây Nguyên và trung du, miền núi phía Bắc, tỉ lệ về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt khu vực thành thị thấp hơn so với khu vực nông thôn Sự khác nhau rõ rệt nhất được ghi nhận ở khu vực Đông Nam Bộ khi tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước thải khu vực thành thị lớn hơn rất nhiều so với khu vực nông thôn (hình 1.2).

Hình 1.2 Tỉ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước

thải sinh hoạt [19]

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 Đô thị hóa diễn ra với tốc độ nhanh chóng, năm 1990 cả nước có 550 đô thị, trong khi đó đến tháng 6 năm 2012 đã là 758 đô thị Ngay cả ở khu vực nông thôn, lượng nước thải sinh hoạt chiếm tỉ lệ rất lớn và tăng nhanh qua từng năm Trong khi đó, phần lớn các đô thị ở Việt Nam đều chưa có nhà máy

xử lý nước thải tập trung, hoặc đã xây dựng nhưng chưa đi vào hoạt động cũng như hoạt động không có hiệu quả, khiến tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt do nước thải sinh hoạt càng thêm trầm trọng [20].

Hình 1.3 Nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm ở Quảng Ninh (nguồn: internet)

1.2.2 Nước thải công nghiệp

Cùng với sự bùng nổ của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, quá trình công nghiệp hóa đang diễn ra một cách nhanh chóng ở tất cả các nước trên thế giới Nhiều ngành công nghiệp được mở rộng quy mô sản xuất cũng như phạm vi phân bố Cùng với sự phát triển công nghiệp và sự gia tăng lượng nước thải ra môi trường Ở các nước đang phát triển, việc đầu tư cho hệ thống xử lý nước thải công nghiệp còn 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.

Ô nhiễm môi trường nước mặt do nước thải công nghiệp tập trung ở các trung tâm công nghiệp, khai thác khoáng sản như Hà Nôi, Hải Phòng, Quảng Ninh, Bình Dương, thành phố Hồ Chí Minh, Đồng Nai Sự gia tăng nước thải từ các khu công nghiệp và khu khai thác khoáng sản trong những năm gần đây là rất lớn Tốc độ gia tăng này cao hơn nhiều so với sự gia tăng tổng lượng nước thải chung trong toàn quốc Theo số liệu của Bộ Tài nguyên

và Môi trường, lượng nước thải phát sinh từ các khu công nghiệp vùng Đông

Nam Bộ lớn nhất trong 6 vùng kinh tế của cả nước, chiếm khoảng 50% [19] 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 1.1 [20] Bảng 1.1 Tổng lượng nước thải và thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải

từ các khu công nghiệp [20]

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

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

Bình Dương 45.900 10.098 6.288 14.642 2.662 3.672 Nam Bộ

1.2.3 Nước thải y tế

Nước thải y tế được xem là nguồn thải rất độc hại nếu không được xử lý trước khi thải ra môi trường do thành phần của nước thải y

tế 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 [20] Ô nhiễm do nước thải y tế nhìn chung tập trung

ở các thành phố lớn, nơi có những bệnh viện, cơ sở y tế lớn dẫn đến lượng nước thải y tế hàng ngày vượt quá khả năng xử lý.

1.2.4 Nước thải nông nghiệp

Bên cạnh các nguồn nước thải trên, nước thải nông nghiệp cũng là một nguồn gây ô nhiễm môi trường nước mặt Ngành nông, lâm nghiệp và thủy sản vẫn đóng góp một tỉ trọng lớn trong GDP quốc gia Hoạt động nông nghiệp sử dụng phân bón không đúng quy trình, sử dụng quá nhiều hóa chất bảo vệ thực vật…đang là nguồn gây ô nhiễm môi trường nước ở các lưu vực sông, suối 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 Đặc biệt, ở các khu vực sản xuất nông nghiệp, người dân thường sử dụng trực tiếp nước sông, hồ làm nước sinh hoạt hay nuôi trồng thủy sản [20].

1.3 Sử dụng chỉ số WQI đánh giá chất lượng nước mặt

Chỉ số chất lượng nước (viết tắt là WQI) là một chỉ số được tính toán từ các thông số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô

tả định lượng về chất lượng nước và khả năng sử dụng của nguồn nước đó và được biểu diễn qua một thang điểm [21].

WQI thông số (viết tắt là WQISI) là chỉ số chất lượng nước tính toán cho mỗi thông số.

Chỉ số WQI được dùng để đánh giá nhanh chất lượng nước mặt lục địa một cách tổng quát Bên cạnh đó, chỉ số WQI có thể được sử dụng như một nguồn dữ liệu để xây dựng bản đồ phân vùng chất lượng nước cũng như cung cấp thông tin môi trường cho cộng đồng một cách đơn giản, dễ hiểu, trực quan giúp nâng cao nhận thức của người dân về môi trường.

Chỉ số WQI được xây dựng dựa trên các nguyên tắc sau [21]:

Ở Mỹ, chỉ số WQI được xây dựng cho mỗi bang, đa số các bang

tiếp cận theo phương pháp của Quỹ Vệ sinh Quốc gia Mỹ (National Sanitation Foundation - NSF), gọi tắt là WQI - NSF Đây được xem là bộ chỉ số nổi tiếng và được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế giới đến nay.

Đối với các quốc gia châu Âu chủ yếu sử dụng phương pháp phát triển từ chỉ số WQI - NSF của Hoa Kỳ, tuy nhiên mỗi Quốc gia, thậm chí mỗi địa phương lựa chọn các thông số và phương pháp tính chỉ số phụ riêng.

Đối với một số quốc gia châu Á như Malaysia, Ấn Độ đã phát triển phương pháp đánh giá chất lượng nước từ chỉ số WQI - NSF của Mỹ Bên cạnh đó, nhưng mỗi quốc gia này cũng xây dựng nhiều loại chỉ số WQI cho từng mục đích sử dụng.

Tại Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu và đề xuất áp dụng bộ chỉ số WQI như WQI2 và WQI4 trong đánh giá chất lượng nước sông Sài Gòn tại Phú Cường, Bình Phước và Phú An giai đoạn 2003 - 2007 Năm 2011,

để thống nhất cách tính toán chỉ số WQI, Tổng Cục Môi trường đã chính thức ban hành sổ tay hướng dẫn tính toán chỉ số chất lượng nước bằng chỉ số WQI theo quyết định số 879/QĐ-TCMT ngày 01 tháng 07 năm 2011 Theo quyết định này, chỉ số chất lượng nước được áp dụng đối với số liệu quan trắc môi trường nước mặt lục địa và áp dụng đối với cơ quan quản lý nhà nước về môi trường; các tổ chức, cá nhân có tham gia vào mạng lưới quan trắc môi trường và tham gia vào công việc công bố thông tin về chất lượng môi trường cho công đồng.

Cho đến nay có thể kể đến mô hình WQI do tác giả Lê Trình áp dụng cho sông, kênh rạch của thành phố Hồ Chí Minh [16] và mô hình WQI do Tôn Thất Lãng áp dụng tại sông Đồng Nai [7] Bên cạnh đó có thể kể đến nghiên cứu của Nguyễn Duy Phú (năm 2012) [12] khi sử dụng chỉ số WQI phục vụ đánh giá chất lượng nước sông Hồng đoạn chảy qua thành phố

Hà Nội Phạm Thế Anh và Nguyễn Văn Huy (2013) [1] sử dụng chỉ số WQI đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt thành phố Đà Lạt Trong nghiên cứu này, từ kết quả xác định chỉ số WQI, các tác giả đã đề xuất một số biện pháp quản lý tổng hợp tài nguyên nguồn nước mặt của thành phố Đà Lạt theo hướng phát triển bền vững [1].

Quy trình tính toán và sử dụng WQI trong đánh giá chất lượng môi trường nước bao gồm các bước sau [21]:

a) Bước 1: Thu thập, tập hợp số liệu quan trắc từ trạm quan trắc môi trường nước mặt lục địa (số liệu đã qua xử lý).

b) Bước 2: Tính toán các giá trị WQI thông số.

c) Bước 3: Tính toán WQI.

d) Bước 4: So sánh WQI với bảng các mức đánh giá chất lượng nước Sau khi tính toán được WQI, sử dụng bảng 1.2 để so sánh, đánh giá, cụ

III 51 – 75 Sử dụng cho mục đích tưới tiêu và mục đích

Vàng tương đương khác

IV 26 – 50 Sử dụng cho giao thông thủy và các mục đích

Da cam tương đương khác

V 0 – 25 Nước ô nhiễm nặng, cần các biện pháp xử lý

Đỏ trong tương lai

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng CSLD và đánh giá chất lượng nước mặt

1.4.1 Trên thế giới

Trong những thập kỷ gần đây, công nghệ địa tin học nói chung, công nghệ viễn thám và GIS đã trở thành công cụ hiệu quả trong xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá môi trường nước mặt trên thế giới Do số liệu quan trắc chất lượng nước là các thông số rời rạc, việc tiếp cận và khai thác các số liệu này là rất hạn chế Cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt xây dựng bằng công nghệ Địa tin học với các ưu điểm nổi bật như khả năng lưu trữ, xử lý và phân tích dữ liệu không gian, đặc biệt là chức năng nội suy đã được áp dụng để tính toán hàm lượng các thông số chất lượng nước ở các điểm xung quanh trên cơ

sở các điểm lấy mẫu Nhiều phương pháp nội suy như khác nhau IDW, Kriging, Spline đã được áp dụng trong các nghiên cứu trên thế giới cũng như ở Việt Nam trong đánh giá chất lượng nước.

Silberbauer (1997) sử dụng công nghệ GIS trong xây dựng cơ sở dữ liệu và quan trắc chất lượng nước ở Nam Phi [67] Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng phần mềm GIS Arc/Info và các ứng dụng được viết bằng ngôn ngữ Arc Macro Language (AML) phục vụ đánh giá chất lượng nước trên cơ sở

1750 điểm quan trắc thực địa Zaidi (2012) [79] sử dụng tư liệu viễn thám và GIS trong xây dựng cơ sở dữ liệu và mô hình quản lý, dự báo chất lượng nước mặt ở Pakistan Trong nghiên cứu trên, tư liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat và SPOT 5 đã được sử dụng nhằm thiết lập mối quan hệ không gian với các thông số chất lượng nước đo được, từ đó tác giả xây dựng các mô hình dự báo chất lượng nước mặt dựa theo tổng tải trọng tối đa hàng ngày.Zeilhofer et al (2008) [80] phát triển hệ thống GIS phục vụ theo dõi

và quản lý chất lượng nước lưu vực sông ở bang Mato Grosso, miền trung Brazil Giai đoạn đầu của dự án, các tác giả tập trung vào xây dựng cơ sở dữ liệu cũng như các modules lưu rữ và xử lý cơ sở dữ liệu này Một số mô hình như NGFlow và QUAL2E cũng được tích hợp vào hệ thống này nhằm mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước ở các lưu vực sông, thử nghiệm cho lưu vực sông Cuiaba (Brazil).

Nghiên cứu của Alssgeer et al (2017) [27] sử dụng các công cụ trong GIS nhằm xây dựng bản đồ phân bố hàm lượng một số thông số chất lượng nước khu vực sông Nerus, Terengganu (Malaysia) Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng dữ liệu chất lượng nước giai đoạn 2010 – 2013 và kết quả thu thập thực địa năm 2016 (hình 1.4) nhằm mô hình hóa phân bố các thông số chất lượng nước, từ đó đánh giá chất lượng nước giai đoạn 2010 – 2016 [27].

Boubakri và Rhinane (2017) [29] sử dụng công nghệ GIS trong xây dựng ứng dụng nhằm hiển thị và phân tích dữ liệu chất lượng môi trường

nước mặt khu vực Bouregreg (Maroc) Ứng dụng này được xây dựng trên nền Web, cho phép người dùng có thể tiếp cận dễ dàng nguồn dữ liệu cũng như cung cấp khả năng phân tích các dữ liệu chất lượng nước, từ đó giúp nhà quản lý đưa ra các biện pháp kịp thời trong theo dõi, đánh giá chất lượng nước (hình 1.5).

Hình 1.4 Vị trí một số trạm quan trắc trong nghiên cứu của Alssgeer et al (2017).

Hình 1.5 Giao diện ứng dụng GIS phục vụ quản lý chất lượng nước mặt

trong nghiên cứu của Boubakri, Rhinane (2017)

Bilhimer (2012) [28] ứng dụng công nghệ GIS trong xây dựng

hệ thống cảnh bảo và quản lý nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước mặt ở Washington (Mỹ), trong đó tác giả xây dựng ứng dụng GIS phục vụ lưu trữ, cập nhật và xử lý số liệu đo đạc (hình 1.6).

Hình 1.6 Giao diện ứng dụng GIS quản lý chất lượng nước ở Washington

(Bilhimer, 2012)McKinney, Annning (2009) trong [52] đã sử dụng công nghệ GIS trong xác định sự phân bố không gian của các thông số chất lượng nước khu vực Tây Nam nước Mỹ Trong nghiên cứu này, các lớp dữ liệu raster với độ phân giải không gian 100 m đại diện cho đặc tính không gian của lưu vực, khu vực thoát nước, mật độ dân số, sử dụng đất và sử dụng nước được sử dụng nhằm mô hình hóa phân bố không gian của các thông số chất lượng nước Meyer (2006) [53] sử dụng phương pháp nội suy khoảng cách ngược có trọng số IDW nhằm đánh giá phân bố hàm lượng DO trong nước mặt khu vực vịnh Tampa (Mỹ) Cũng sử dụng phương pháp nội suy IDW, Oke et al.

(2013) [59] đã xây dựng các bản đồ thông số chất lượng nước trên lưu vực sông Ogun - Osun (Nigeria) Trong nghiên cứu này, các tác giả đã chứng minh rằng hàm lượng các chất gây ô nhiễm ở lưu vực sông Ogun - Osun thay đổi theo mùa, trong đó dòng chảy là một nguyên nhân góp phần gây ô

suy IDW còn được sử dụng trong các nghiên cứu như của Raikar và cộng

sự (2012) khi phân tích chất lượng nước ngầm ở khu vực Bhadravathi (Ấn Độ) từ 17 điểm quan trắc lấy mẫu [51].

Hình 1.7 Kết quả nội suy hàm lượng Canxi, Magie, Clo trong nước ngầm

khu vực Bhadravathia bằng phương pháp IDW Gharbia et al 2016 [40] đã sử dụng GIS trên cơ sở thuật toán nội suy Ordinary Kriging trong đánh giá phân bố các thông số chất lượng nước mặt các hồ khu vực dải Gaza (Palestine) Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng 325 điểm lấy mẫu chất lượng nước mặt, sau đó tiến hành nội suy cho toàn khu vực Kết quả nhận được cho thấy, độ chính xác khi sử dụng thuật toán Ordinary Kriging lên đến trên 90%.

Bên cạnh những nghiên cứu trên, thuật toán nội suy Kriging cũng được

sử dụng trong một số nghiên cứu khác như của Nas (2009) [57], Gunarathna

et al (2016) [43] khi đánh giá chất lượng nước mặt ở Sri Lanka và Thổ Nhĩ Kỳ.

Hình 1.8 Kết quả nội suy hàm lượng pH trong nghiên cứu của Gharbia et al (2016)

Tư liệu viễn thám cũng được kết hợp với kỹ thuật GIS trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Do trên các kênh ảnh của ảnh vệ tinh quang học có khả năng thể hiện đặc điểm phản xạ của một số thông số chất lượng nước như TSS, BOD, COD, chất diệp lục…, phản xạ phổ từ các kênh ảnh này

có thể được sử dụng kết hợp kết quả quan trắc nhằm xây dựng hàm hồi quy đánh giá chất lượng nước [62 - 64] Năm 2008, He et al [46] đã sử dụng tư liệu viễn thám quang học và GIS trong nghiên cứu đánh giá ô nhiễm nước mặt các

hồ ở Bắc Kinh (Trung Quốc) Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng

dữ liệu ảnh đa phổ LANDSAT TM và 76 điểm lấy mẫu chất lượng nước nhằm xác định hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll), chất hữu cơ hòa tan (COD - chemical oxygen demand), total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (NH3-N),… trong các hồ chứa nước ở thành phố Bắc Kinh (Trung Quốc) Nghiên cứu này

đã chứng minh rằng, các kênh phổ ở dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại có thể

sử dụng để xây dựng các mô hình tính toán hàm lượng các tạp chất trên với

độ chính xác đảm bảo [46].

Hình 1.9 Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Weipi He [46]

Hình 1.10 Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và

NH3-N trong nghiên cứu của Weipi He

Trong nhiều nghiên cứu khác, như của Cheng, Lei (2001) [35], Olet (2010) [60], Wang et al (2009) [73], Sudheer K et al (2006) [69], Xing-Ping