(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu mối quan hệ của biến động sử dụng đất khu vực lân cận và mức độ phú dưỡng của hồ tây

TỔNG QUAN VỀ VÙNG NGHIÊN CỨU VÀ LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

TỔNG QUAN VỀ HỒ TÂY VÀ QUẬN TÂY HỒ

1.1.1 Đặc điểm tự nhiên a) Vị trí địa lý:

Quận Tây Hồ, nằm ở phía Bắc-Tây Bắc của Hà Nội, có diện tích 2.401 ha, chiếm 13,4% tổng diện tích nội thành Hà Nội Phía Bắc và Đông giáp sông Hồng, tạo ranh giới với huyện Gia Lâm và huyện Đông Anh Phía Tây và Tây Nam tiếp giáp huyện Từ Liêm và quận Cầu Giấy, trong khi phía Đông Nam và Nam giáp quận Ba Đình, trung tâm hành chính và chính trị quan trọng của thành phố và cả nước.

Tây Hồ có nhiều tiềm năng phát triển, có cảnh quan thi n nhi n lý tưởng là

Hồ Tây có sức hấp dẫn lớn đối với việc nhập cư và xây dựng, đặc biệt là trong lĩnh vực khách sạn, biệt thự và nhà nghỉ Những lợi thế này góp phần tạo ra tiềm năng kinh tế mạnh mẽ cho quận Tây Hồ.

Nghiên cứu được thực hiện tại quận Tây Hồ, với trọng tâm là diện tích mặt nước của Hồ Tây, tọa lạc tại vị trí 21º04' vĩ độ Bắc và 105º05' kinh độ Đông, có độ cao không quá mực nước biển.

Hồ Tây có diện tích lưu vực khoảng 9,3 km² và diện tích mặt hồ khoảng 530,65 ha, với độ sâu trung bình 2,8 m Mực nước duy trì thường xuyên từ 5,8 m đến 6,0 m, trong khi độ cao lòng hồ thường dao động từ 2,5 m đến 4,0 m Địa hình quận Tây Hồ tương đối bằng phẳng, cao dần từ Nam lên Bắc, và có sông Hồng chảy từ Tây Bắc xuống Đông Nam, tạo thành hai vùng rõ rệt: vùng trong đê và vùng ngoài đê.

Khu vực ngoài đ có độ cao thay đổi từ 9m đến 14m đối với đất xây dựng và đất ở, trong khi đất nông nghiệp có độ cao từ 7m đến 12m Một số khu vực có ao, hồ trũng có độ cao chỉ từ 3m đến 7m Địa tầng trên cùng chủ yếu là cát, với các lớp cát và á sét, tạo ra nền địa chất không ổn định, không thuận lợi cho việc xây dựng, do đó cần hạn chế xây dựng trong khu vực này.

Khu vực trong đ có độ cao đất xây dựng từ 6m đến 12m, trong khi đất nông nghiệp có độ cao từ 4m đến 9m Một số khu vực có ao, hồ trũng với độ cao từ 2m đến 7m Địa tầng nơi đây có lớp á sét dày từ 3m đến 10m, tiếp theo là lớp cát, tạo nền địa chất ổn định, thuận lợi cho việc xây dựng nhà cao tầng.

Quận Tây Hồ, thuộc thành phố Hà Nội, mang đậm nét đặc trưng của đồng bằng sông Hồng với hai mùa rõ rệt trong năm Mùa lạnh kéo dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau, với gió Đông Bắc chủ đạo và nhiệt độ trung bình thấp nhất từ 8ºC đến 10ºC Trong khi đó, mùa nóng diễn ra từ tháng 4 đến tháng 10, gió Đông Nam chiếm ưu thế và nhiệt độ trung bình cao nhất có thể đạt tới 38ºC Mùa mưa bão cũng xảy ra trong thời gian này, tạo nên sự đa dạng khí hậu cho khu vực.

Quận Tây Hồ có độ ẩm trung bình hàng năm đạt 84,5%, với tháng 1 và 2 là thời điểm có độ ẩm cao nhất, có thể lên tới 100%, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trồng cây nông nghiệp, đặc biệt là hoa và cây cảnh Đặc điểm nổi bật của quận là diện tích mặt nước lớn, với Hồ Tây là hồ lớn nhất, chiếm khoảng 530,65 ha, cùng với nhiều hồ nhỏ khác như hồ Quảng Bá và Đầm Trị Sông Hồng chảy qua phía Bắc quận, dài khoảng 8km, ảnh hưởng trực tiếp đến tiểu khí hậu, giúp không khí quanh hồ và ven sông mát mẻ hơn vào mùa hè Tuy nhiên, nhiều ao hồ đang bị lấp để xây dựng, và dòng chảy của sông Hồng thường gây ra tình trạng lở đất và ngập lụt vào mùa lũ từ tháng 7 đến tháng 8, ảnh hưởng đến việc sử dụng đất trong khu vực.

Nước mặt trong khu vực quận Tây Hồ không chỉ cung cấp lượng nước lớn cho sản xuất và sinh hoạt, đặc biệt là nông nghiệp, mà còn tạo nên phong cảnh thiên nhiên đặc sắc và không khí trong lành Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển du lịch, đồng thời làm thay đổi các loại hình sử dụng đất theo hướng phục vụ du lịch chính.

Quận Tây Hồ có hai loại đất phù sa chính: đất phù sa hông được bồi trong đ và đất phù sa được bồi ngoài đ Đất phù sa hông được bồi trong đ chiếm diện tích lớn, chủ yếu là trầm tích hiện đại với thành phần cơ giới nhẹ hoặc trung bình, rất màu mỡ và thích hợp cho việc trồng lúa nước, rau nhanh, cây ăn quả và cây cảnh Ngược lại, đất phù sa được bồi ngoài đ có thành phần cơ giới nhẹ, tơi xốp, giàu mùn, lân và kali, dễ tiêu nước và có tính thấm nước cao, nhưng thường bị hạn vào mùa mưa, thích hợp cho việc trồng các loại cây ngắn ngày như ngô, đậu, lạc, khoai.

Quận Tây Hồ, khi mới thành lập vào năm 2001, sở hữu diện tích đất nông nghiệp rộng lớn lên tới 1149,94 ha, nổi bật với nhiều làng nghề truyền thống trồng hoa và cây cảnh như Nghi Tàm, Quảng Bá, và Nhật Tâm, hiện đã trở thành những điểm du lịch hấp dẫn của Hà Nội Ngoài ra, khu vực này còn sản xuất các loại cây lương thực và thực phẩm như lúa, ngô và hoa màu các loại.

Hồ Tây, hồ nước ngọt lớn nhất Hà Nội, không chỉ mang lại vẻ đẹp tự nhiên hấp dẫn mà còn đóng vai trò quan trọng cho quận Tây Hồ và toàn thành phố Theo Báo cáo Đánh giá HST Thiên niên kỷ, hồ này tiềm ẩn nhiều chức năng thiết yếu, góp phần vào sự phát triển bền vững của khu vực.

Hồ Tây có những giá trị và chức năng như sau:

Bảng 1.1 Một số giá trị và chức năng chính của hồ Tây

Giá trị/Chức năng Ví dụ cụ thể Hồ Tây

Cung cấp thực phẩm Nuôi thủy sản, rau hoa quả x

Nguồn cấp nước đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước cho tưới tiêu và sinh hoạt, đồng thời giúp điều hòa khí hậu và nhiệt độ của thành phố XX Ngoài ra, việc quản lý nguồn nước còn góp phần điều tiết chế độ thủy văn, nạp nước ngầm và trao đổi nước ngầm hiệu quả.

Kiểm soát ô nhiễm Tiếp nhận và giữ chất lắng đọng; hòa tan chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm, chất thải x

Kiểm soát thiệt hại do ngập lụt không chỉ mang lại giá trị tâm linh và niềm tin cho người dân mà còn góp phần tạo ra cảnh quan đẹp, mở ra cơ hội cho du lịch và các hoạt động vui chơi giải trí Đồng thời, việc này cũng tạo điều kiện cho giáo dục, cả chính thống lẫn ngoại khóa, giúp nâng cao nhận thức cộng đồng về tầm quan trọng của quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường.

Hỗ trợ ĐDSH Nơi cư trú của các loài sinh vật xx

Hỗ trợ chu ỳ chất dinh dưỡng Tiếp nhận/giữ và xử lý chất dinh dưỡng xx

Ghi chú: “x”: giá trị được sử dụng ít, “xx”: giá trị được sử dụng nhiều [76]

Bảng 1.2 Thành phần các loài sinh vật ở Hồ Tây [78, 97]

Ngành sinh vật Tên khoa học Số loài Ngành sinh vật Tên khoa học Số loài

Tảo Lam Cyanophyta 12 Động vật đáy Benthos 14

Tảo Lục Chlorophyta 73 Cá Pices 39

Tảo Silic Bacillariophyta 26 Họ cá chép Cyprinidae 23

Tảo Mắt Euglenophyta 7 Chim Aves 58

Tảo iáp Pyrrophyta 4 Lưỡng cư và bò sát Amphilia và Reptilia 11 Động vật nổi Zoophaton 38 Thú Mammalia 2 g) Cảnh quan:

Tây Hồ nổi bật với Hồ Tây có hình dáng vai cày và các hồ nhỏ như Quảng Bá, Tứ Liên, tạo nên quần thể thiên nhiên hấp dẫn Khu vực này còn có cảnh quan hoa cây cảnh, biệt thự kiến trúc đô thị, làng văn hóa Việt-Nhật và công viên nước Hồ Tây, mang lại không gian thoáng đãng, mát mẻ Ngoài ra, quận còn sở hữu 64 di tích lịch sử văn hóa đặc sắc, thu hút khách du lịch Sự kết hợp hài hòa giữa các cảnh quan tạo nên nét độc đáo của quận Tây Hồ, làm tăng giá trị đất đai và gây biến đổi lớn trong việc sử dụng đất trong cơ chế thị trường hiện nay.

1.1.2 Đặc điểm kinh tế xã hội

LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU

1.2.1 Viễn thám phục vụ đánh giá, giám sát chất lượng nước a) Trên thế giới Ứng dụng của công nghệ viễn thám để nghiên cứu môi trường nước đã được tiến hành trên thế giới ngay từ những năm 70 của thế kỷ trước được đánh dấu bằng việc phóng thành công vệ tinh Landsat-1lên quỹ đạo năm 1972 Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật đặc biệt là sự cải tiến và đưa thành công nhiều vệ tinh l n hông gian đã mang lại nhiều thành tựu quan trọng Trong đó, thành công rõ rệt nhất phải kể đến ứng dụng viễn thám giám sát môi trường nước đại dương và các vùng biển mở [11, 47] Từ những nghiên cứu ban đầu đó, cho đến nay đã có hàng loạt các thuật toán, các bản đồ quan trắc các thông số như Chlorophyll-a [36] và nhiệt độ nước tầng mặt cho vùng biển hở và đại đại dương của các nhà khoa học từ các trung tâm nghiên cứu hàng đầu như NASA thông qua Ocean Color Website

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong việc quan trắc biến động chất lượng nước của các hồ nội địa đã được thực hiện từ sớm Các nghiên cứu này tập trung vào việc áp dụng đặc điểm của viễn thám để theo dõi các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước, bao gồm độ đục, độ thấu quang, thực vật phù du và vi khuẩn lam như Chlorophylls và Carotenoids, cũng như các chất hữu cơ hòa tan (Dissolved Organic Matter).

Các yếu tố như chất hữu cơ, chất vô cơ, hóa chất bảo vệ thực vật, kim loại, tảo macrophytic, vi sinh vật gây bệnh và dầu mỡ ảnh hưởng đến đặc tính quang học và nhiệt độ của nước, làm thay đổi kết quả từ bộ cảm biến Những yếu tố này được coi là chỉ số quang học của nước Một số chỉ số có thể xác định trực tiếp bằng công nghệ viễn thám, bao gồm vật chất lơ lửng (Suspended Particulate Matter - SPM), sắc tố thực vật phù du và vi khuẩn lam chủ yếu do chlorophyll-a hoặc phycocyanin gây ra, được sử dụng để đánh giá mức độ dinh dưỡng và khả năng xảy ra hiện tượng tảo nở hoa độc Các chất hữu cơ hòa tan có màu (xỉ vàng - CDOM) thường dùng để xác định hàm lượng axit fulvic và axit humic trong nước, cùng với hệ số thấu quang (Kd).

Trong những năm gần đây, Matthews và Kutser đã thực hiện các đánh giá chi tiết về công cụ viễn thám có khả năng đánh giá chất lượng nước của các hồ nội địa Họ đã thành công trong việc khai thác dữ liệu từ ảnh ALI để phục vụ cho mục đích này.

Hệ thống vệ tinh quốc tế với 8 vệ tinh nâng cấp, bao gồm dữ liệu ảnh LANDSAT, đã phục vụ nhu cầu nghiên cứu ngày càng tăng trên toàn cầu Nhiều nghiên cứu đã sử dụng ảnh vệ tinh LANDSAT để giám sát các yếu tố như chất lượng nước hồ, mật độ thực vật phù du, vật chất lơ lửng, CDOM, sự bùng nổ của tảo xanh và macrophyte Sự ra mắt của vệ tinh Landsat-8 vào ngày 11/2/2013 đã thúc đẩy nghiên cứu về chất lượng nước hồ, trước đó chủ yếu dựa vào Landsat 5 và Landsat 7 Ngoài ra, các kênh phổ của Landsat cung cấp dải sóng vùng hồng ngoại nhiệt (TIR), cho phép tính toán nhiệt độ bề mặt nước.

Nghiên cứu nồng độ chlorophyll-a là một trong những ứng dụng phổ biến nhất trong giám sát chất lượng nước Các vùng nước nội địa thường có nồng độ sinh khối phytoplankton cao, dao động từ 1-100 àg/L, thậm chí có thể lên đến 350 àg/L, và có thể cao hơn trong trường hợp "tảo nở hoa" Sự gia tăng nồng độ chlorophyll-a không chỉ liên quan đến hàm lượng phytoplankton mà còn phụ thuộc vào các yếu tố như khoáng vật, mùn, và CDOM.

Việc phát triển các thuật toán cho các vùng nước nội địa đang trở nên phức tạp hơn, dẫn đến khả năng ứng dụng của chúng bị hạn chế giữa các thủy vực khác nhau.

Chỉ số độ thấu quang của nước là một thông số quan trọng để đánh giá chất lượng nước, được ưa chuộng nhờ phương pháp đo đơn giản và tiết kiệm chi phí, phù hợp cho việc sử dụng ngoài thực địa Phương pháp đo độ sâu Secchi là một lựa chọn hiệu quả để đánh giá độ thấu quang không chỉ cho các hồ trong đô thị mà còn cho việc quan trắc chất lượng nước một cách chuyên nghiệp Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa dữ liệu ảnh vệ tinh và độ thấu quang của nước, trong đó dữ liệu Landsat được sử dụng phổ biến nhất do tính tương thích với lớp phủ thực vật và độ phân giải cao Các bộ cảm của Landsat, bao gồm MSS, TM và ETM, đã được khai thác để nghiên cứu độ thấu quang, trong khi Landsat 8 với cải tiến về độ phân giải phổ và độ nhạy bức xạ mang lại công cụ hữu ích cho việc quan trắc môi trường nước.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra mối liên hệ chặt chẽ giữa hoạt động sử dụng đất và chất lượng môi trường nước Sự thay đổi trong các loại hình sử dụng đất có tác động khác nhau đến chất lượng nước, với đất công nghiệp và đất canh tác gây suy giảm chất lượng nước, trong khi đất rừng và đất đồng cỏ không ảnh hưởng tiêu cực đến nồng độ chất ô nhiễm Đất đô thị và đất ở có tác động mạnh mẽ hơn đến thành phần hóa học của nước Đặc biệt, đất rừng có hàm lượng ion vô cơ thấp, giúp giảm thiểu suy giảm chất lượng nước, trong khi đất trang trại ảnh hưởng lớn đến mật độ NO3- và SO42- trong nước Điều này cho thấy quá trình đô thị hóa và hoạt động sử dụng đất có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng nước tại Việt Nam.

Từ những năm 80, viễn thám đã trở thành một nguồn tư liệu quan trọng tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ và kinh tế Công nghệ này được áp dụng trong điều tra nghiên cứu biển, giúp khảo sát các yếu tố hải dương học như địa chất, biến động bờ biển, và tài nguyên biển Ngoài ra, viễn thám cũng hỗ trợ trong nghiên cứu và giám sát môi trường nước, cung cấp thông tin về mạng lưới thủy văn, chất lượng nước và các hiện tượng như lũ lụt Ảnh vệ tinh đã được sử dụng để lập bản đồ biến động lòng sông tại nhiều khu vực, bao gồm sông Cửu Long và miền Trung, với độ chính xác cao Hơn nữa, công nghệ này còn giúp giám sát chất lượng nước, đánh giá mức độ ô nhiễm và quản lý tổng hợp các lưu vực sông.

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quản lý chất lượng môi trường nước đã đạt được nhiều kết quả nổi bật, đặc biệt là trong việc quan trắc hàm lượng chlorophyll-a và chất rắn lơ lửng trong nước biển Đông.

Nghiên cứu hiện nay giữa Trung tâm Viễn thám quốc gia và Viện Vật Lý, Viện Khoa học và Công nghệ quốc gia tập trung vào việc ứng dụng ảnh vệ tinh MODIS để tính toán nhiệt độ nước biển và hàm lượng chlorophyll-a trên Biển Đông Nguyễn Thu Hà và Koi e đã phát triển phương pháp viễn thám và địa thống kê trong quan trắc chất lượng nước biển ven bờ, đặc biệt tại vịnh Tiên Yên, cho thấy ảnh MODIS có thể cung cấp dữ liệu đánh giá chất lượng nước ven biển Ngoài ra, nghiên cứu của Trịnh L Hùng và Vũ Danh Tuyến về hàm lượng trầm tích lơ lửng trong hồ Trị An sử dụng ảnh Landsat đa phổ cũng đáng chú ý Đặc biệt, đề tài của Nguyễn Đình Minh và cộng sự về tài nguyên nước mặt khu vực Hà Nội đã phân tích biến động không gian và thời gian các lưu vực sông dựa trên dữ liệu viễn thám vệ tinh và GIS.

Năm 2014-2015, Nguyễn Văn Thảo đã thực hiện đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu các phương pháp phân tích, đánh giá và giám sát chất lượng nước ven bờ bằng tư liệu viễn thám độ phân giải cao và độ phân giải trung bình, đa thời gian; áp dụng thử nghiệm cho ảnh của vệ tinh VNREDSat-1” Đề tài đã phát triển hai thuật toán OC2 Vietnam và OC4 Vietnam để xử lý dữ liệu ảnh MODIS, nhằm xác định phân bố hàm lượng Chl-a dựa trên bộ dữ liệu đo quang học tại vùng biển Việt Nam Nghiên cứu cũng xác định mối quan hệ giữa CDOM (412 nm) và tỷ số phổ phản xạ Rrs (531 nm)/Rrs (443 nm) với hệ số hồi quy R² = 0,75, cho thấy tính chính xác cao trong khu vực này Mặc dù ảnh VNREDSAT-1 gặp khó khăn trong việc xây dựng thuật toán xác định hàm lượng Chl-a và giá trị CDOM do thiếu các kênh phổ dưới 0,43 nm, nhưng vẫn có thể sử dụng để xác định hàm lượng vật chất lơ lửng (SPM) ở tỷ lệ lớn tại vùng ven biển.

Nghiên cứu gần đây của Vũ Thị Hân, Nguyễn Thị Thu Hà và nhóm nghiên cứu đã tiến hành quan trắc chỉ số mức độ phú dưỡng tại Hồ Linh Đàm, thông qua việc xác định hàm lượng Chl-a trong nước hồ bằng ảnh Landsat 8 Kết quả cho thấy, phổ phản xạ đo được ở Hồ Linh Đàm có mối tương quan tuyến tính với tỷ lệ phổ phản xạ của các kênh.

Kênh 3 và kênh 2 của Landsat 8 được sử dụng để tính chỉ số mức độ phú dưỡng TSI với tỷ số tương quan R² = 0,78 Nghiên cứu cho thấy TSI tại hồ Linh Đàm có xu hướng tăng dần từ năm 2013 đến năm 2016 và biến đổi không gian, với mức độ cao ở khu vực ven hồ và giảm dần về phía giữa hồ Kết quả cho thấy nước hồ Linh Đàm đã chuyển từ trạng thái phú dưỡng vào năm 2013 sang trạng thái siêu phú dưỡng vào năm 2017.

1.2.2 Tổng quan các công trình nghiên cứu Hồ Tây và quận Tây Hồ a) Hồ Tây

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

THU THẬP VÀ TỔNG HỢP TÀI LIỆU

Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu là bước đầu tiên quan trọng trong nghiên cứu khoa học Việc thu thập tài liệu cung cấp cơ sở để đánh giá tổng quan khu vực nghiên cứu, từ đó xác định các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước hồ.

Các tài liệu thu thập cho luận văn bao gồm nghiên cứu trước đây, báo cáo kinh tế - xã hội và niên giám thống kê quận Tây Hồ về sử dụng đất và dân số Từ những tài liệu này, có thể tổng hợp và phân tích sự biến động, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chỉ số phú dưỡng của hồ, như khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa), chế độ thủy văn, và hoạt động sinh hoạt, bao gồm gia tăng diện tích đất ở, suy giảm diện tích mặt nước, thu hẹp công viên và cây xanh, mật độ dân số, cùng với tình trạng xả thải của cư dân quanh hồ.

Các tài liệu thu thập sẽ được phân loại và sắp xếp theo trình tự hợp lý để phục vụ nghiên cứu hiệu quả Việc tổng hợp, phân tích và đánh giá tài liệu sẽ được thực hiện một cách khoa học nhằm tối ưu hóa việc sử dụng thông tin Đồng thời, các số liệu thống kê về các tác nhân ảnh hưởng đến chỉ số phú dưỡng của nước hồ sẽ được xử lý và phân tích bằng phần mềm IBM 2.0.

Tài liệu về hiện trạng sử dụng đất tại quận Tây Hồ chủ yếu dựa vào số liệu thống kê được thu thập trong các năm 1996, 2005 và 2010, phục vụ cho việc nghiên cứu trong Luận văn.

2013, 2016, 2017 theo bảng thông tin được ghi trong bảng 2.1 ví dụ cho hai năm

Bảng 2.1: Bảng hiện trạng sử dụng đất của quận Tây Hồ năm 2005 và 2010 [72]

TT Mục đích sử dụng Mã Diện tích đất năm 2005 (ha)

1.1 Đất sản xuất nông nghiệp SXN 346.85 280.57

1.1.1 Đất trồng cây hàng năm CHN 343.55 277.27

1.1.1.2 Đất trồng cây hàng năm hác HNK 281.65 225.87

1.1.2 Đất trồng cây lâu năm CLN 3.3 3.3

1.3 Đất nuôi trồng thủ sản NTS 586.44 568.26

2 Đất phi nông nghiệp PNN 1338.18 1423.82

2.2 Đất chu ên dùng CDG 428.67 495.49

2.2.1 Đất trụ sở cơ quan công trình sự nghiệp CTS 37.99 35.47

2.2.4 Đất sản xuất, inh doanh phi nông nghiệp CSK 67.97 69.32

2.2.5 Đất có mục đích công cộng CCC 300.96 370.55

2.3 Đất tôn giáo, tín ngưỡng TTN 5.7 6.12

2.4 Đất nghĩa trang, nghĩa địa NTD 9.54 9.5

2.5 Đất sông suối và mặt nước chu ên dùng SMN 484.94 498.07

3 Đất chưa sử dụng CSD 129.35 128.15

Luận văn tập trung nghiên cứu ba loại hình sử dụng đất chính có sự thay đổi qua các năm, bao gồm đất mặt nước, đất cây xanh và đất ở, nhằm làm nổi bật ảnh hưởng của sự biến đổi này đến chất lượng nước ở Hồ Tây Đất mặt nước được phân tích dựa trên số liệu về đất sông suối và mặt nước chuyển dùng, trong khi đất cây xanh sử dụng số liệu từ đất trồng cây hàng năm, và đất ở dựa trên số liệu của đất ở đô thị như được trình bày trong bảng 2.1.

Hai loại hình sử dụng đất được lựa chọn cho nghiên cứu là đất mặt nước và đất cây xanh Diện tích mặt nước có tác động trực tiếp đến chất lượng nước trong hồ, trong khi đất cây xanh là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá quy hoạch đô thị Đồng thời, đất ở phản ánh xu hướng phát triển của đô thị.

PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT THỰC ĐỊA

Phương pháp nghiên cứu này đóng vai trò quan trọng trong việc bổ sung và hiệu chỉnh thông tin từ tài liệu thu thập, đồng thời tiến hành đo đạc các thông số môi trường ngoài hiện trường Các hoạt động bao gồm đo độ thấu quang của nước bằng đĩa Secchi, đo phổ phản xạ tại mặt nước kết hợp với độ thấu quang để phân tích mối quan hệ giữa chúng và phổ ảnh vệ tinh (Landsat 8 OLI và Landsat 5 TM), cũng như đo các thông số môi trường khác như nhiệt độ, pH và DO Ngoài ra, trong quá trình khảo sát, sinh viên còn phỏng vấn ý kiến của người dân địa phương để thu thập đánh giá khách quan về các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước hồ Để thực hiện nghiên cứu trong luận văn, học viên đã tiến hành ba đợt khảo sát thực địa.

Vào ngày 01/06/2016, đợt khảo sát đầu tiên được thực hiện tại 8 điểm dọc ven bờ Hồ Tây, bao gồm các khu vực Thụy Khu, Thanh Niên, và Yên Phụ Đây là nơi tập trung nhiều dịch vụ kinh doanh nhà thuyền và có nhiều cống xả thải như Cống Tàu Bay, Cống Cây Si, và Cống Đõ Mục tiêu của khảo sát là đánh giá tác động của hoạt động kinh doanh và xả thải đến độ trong của nước Hồ Tây.

- Đợt 2: Vào ngày 27/09/2016 với 8 điểm dọc theo hồ từ hu Công vi n nước

Hồ Tây đến đường Thanh Niên nhằm xác định sự thay đổi độ trong của nước Hồ Tây theo không gian

Vào ngày 03.09.2017, đợt khảo sát thứ ba được thực hiện tại 8 điểm ven hồ dọc đường Bưởi, Lạc Long Quân và khu vực phường Quảng An Khu vực này không có hoạt động của nhà thuyền, cho phép so sánh độ trong của nước với những khu vực tập trung hoạt động nhà thuyền từ đợt khảo sát đầu tiên Mục đích là làm rõ sự ảnh hưởng của hoạt động nhân sinh tới chất lượng nước Hồ Tây.

Các điểm khảo sát và đo đạc chủ yếu được đặt gần bờ do khó khăn trong việc thuê tàu thuyền và một số hạn chế kỹ thuật, như máy đo phổ bị rung lắc và không hoạt động hiệu quả khi sử dụng trên mặt nước Vị trí các điểm này được minh họa trong hình 2.1.

Để chuẩn bị cho công tác thực địa, cần trang bị các thiết bị như máy đo phổ, máy GPS cầm tay, đĩa Secchi, thước dây và thuyền Tất cả các thiết bị chính đều được kiểm tra và hiệu chuẩn để đảm bảo độ chính xác Ngày thực địa được chọn vào những ngày thời tiết nắng đẹp, trùng với thời điểm chụp ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI Vị trí các điểm khảo sát được xác định bằng máy đo PS và thuyền nhỏ được sử dụng để di chuyển đến các điểm khảo sát đã được định sẵn.

Trong quá trình khảo sát có các phương pháp đo hiện trường cụ thể như sau:

2.2.1 Đo độ phản xạ bề mặt nước

Phổ phản xạ mặt nước Hồ Tây được đo bằng máy đo bức xạ hiện trường ER 1500 do Trung tâm CAR IS, trường Đại học Khoa học Tự nhiên cung cấp Máy đo này, sản xuất bởi Tập đoàn Vista (Hoa Kỳ), cho phép đo phổ phản xạ trong dải sóng từ tia cực tím (UV) đến cận hồng ngoại (NIR), từ 350 nm đến 1050 nm với độ phân giải kênh phổ 1,5 nm, sử dụng sóng điện từ phát xạ từ mặt trời Việc đo được thực hiện ở góc chiếu 40-45 độ theo hướng 130-135 độ so với hướng chiếu của mặt trời, theo phương pháp của Mobley và Mueller Phổ phản xạ của mặt nước được tính toán bằng phương trình (1).

Rw(λ) là phổ phản xạ của mặt nước, được đo trực tiếp trên bề mặt nước với đơn vị là % Rp(λ) là hệ số phản xạ, chịu ảnh hưởng bởi bầu trời, và thông tin này được cung cấp hàng năm bởi Field Spectroscopy Facility (http://fsf.nerc.ac.uk/).

- L t   là hệ số phát xạ thu được của mặt nước tại điểm đo;

- L r   là hệ số phát xạ thu được của bề mặt vật phản xạ chuẩn (panel)

Hình 2 2 Đo phổ phản xạ mặt nước tại Hồ Tây sử dụng máy GER 1500

2.2.2 Đo độ thấu quang của nước Độ thấu quang (hay còn gọi là độ trong) của nước là một đặc tính quang học

Độ thấu quang trong nước có mối quan hệ nghịch với tổng số lượng chất rắn lơ lửng (TSS), cho phép nghiên cứu sự hiện diện của các chất dinh dưỡng và tải lượng chất rắn trong môi trường nước Phương pháp phổ biến nhất để đo độ thấu quang là dựa trên nguyên tắc tập trung ánh sáng, với đĩa Secchi được phát minh bởi Pietro Angelo Secchi SJ vào năm 1865 Đĩa Secchi có hình tròn, dẹt, làm từ vật liệu không thấm nước như inox hoặc thiếc, có đường kính khoảng 20 cm và được chia thành 4 phần với màu đen và trắng xen kẽ Đĩa này được treo trên một que hoặc dây có đánh dấu khoảng cách 5 cm hoặc 10 cm, và hai đầu của đĩa được cố định để đảm bảo luôn nằm ngang trong quá trình đo.

Để đo độ thấu quang của nước ao hoặc biển, bạn cần sử dụng đĩa secchi Đầu tiên, thả đĩa từ từ vào nước cho đến khi không còn phân biệt được hai màu đen trắng trên mặt đĩa, ghi nhận khoảng cách lần 1 từ mặt nước đến đĩa Tiếp theo, hạ đĩa xuống sâu hơn và kéo lên cho đến khi vừa có thể phân biệt được hai màu, ghi nhận khoảng cách lần 2 Cuối cùng, độ thấu quang được tính bằng độ dài trung bình của hai lần ghi nhận khoảng cách này.

Hình 2 3 Nguyên lý của phương pháp đo độ thấu quang của nước (a) và đo độ thấu quang của nước Hồ Tây sử dụng đĩa Secchi (b)

DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH SỬ DỤNG VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ ẢNH

Luận văn sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products Landsat 8/OLI (Operational Land Imager) và ảnh Landsat 5/TM

Sử dụng ảnh Thematic Mapper với độ phân giải 30 x 30m kết hợp với kết quả đo phổ thực địa và độ thấu quang bằng đĩa Secchi, nghiên cứu này xây dựng phương trình tính toán độ thấu quang của nước Hồ Tây Các ảnh được thu thập đều được lựa chọn vào thời điểm thời tiết tốt, với độ che phủ mây dao động từ 1% (ảnh Landsat 5 TM chụp ngày 08/11/2010) đến 79% (ảnh Landsat 5 TM chụp ngày 01/06/2010).

Các ảnh vệ tinh Landsat 8 OLI và Landsat 5 TM được thu thập từ Cục Địa chất Hoa Kỳ thông qua địa chỉ https://earthexplorer.usgs.gov/ Tổng cộng có 14 ảnh, bao gồm 5 ảnh Landsat 8 OLI và 9 ảnh Landsat 5 TM, được sử dụng cho nghiên cứu này Các ảnh được thu thập tại vị trí Path/Row 127/45 và được lưu trữ trong hệ tọa độ WGS 84, múi 48N, định dạng GEOTIFF Thời gian thu thập ảnh bao gồm các năm 2016, 2017 và các mốc thời gian theo bước nhảy 5 năm, từ 2015 đến 1996, với một số năm được thay thế do không có ảnh sẵn có.

Bảng 2.1 Danh sách các cảnh ảnh Landsat sử dụng trong nghiên cứu

TT Thời gian Ảnh Độ phân giải

Ảnh Landsat Surface Reflectance Level 2 có ưu điểm nổi bật nhờ được xử lý theo tiêu chuẩn khoa học cao nhất, cho phép sử dụng trực tiếp trong giám sát và đánh giá thay đổi cảnh quan Phương pháp xử lý để thu được sản phẩm này được minh họa trong hình 2.4 Landsat Surface Reflectance Level 2 là một phần của chương trình Landsat ARD (Landsat Analysis Ready Data) của USGS, được công bố vào ngày 25 tháng 9 năm 2017, và hiện có sẵn để tải xuống từ EarthExplorer cho các khu vực tại Hoa Kỳ, Alaska và Hawaii.

Dữ liệu W S84 được định dạng dưới dạng GeoTIFF, sử dụng phép chiếu Alber Equal Area Conic Khoảng thời gian dữ liệu bao gồm hình ảnh từ năm 1985 đến 2016 cho Hoa Kỳ, và từ 2000 đến 2016 cho Alaska và Hawaii Dữ liệu cung cấp thông tin về phản xạ khí quyển, độ sáng, phản xạ bề mặt và chất lượng điểm ảnh, với mỗi ảnh có kích thước 5000 x 5000 pixel và độ phân giải 30 mét.

Hình 2 4 Quy trình và phương pháp xử lý ảnh Landsat OLI để có được dữ liệu Landsat

Sản phẩm Khoa học Mức phản xạ bề mặt Landsat Level 2 giúp người dùng tiết kiệm thời gian bằng cách loại bỏ nhiều bước phức tạp trong việc xác định nguồn gốc dữ liệu và quy trình xử lý Những cảnh ảnh này được hiệu chỉnh đồng bộ và xác định chất lượng tới từng Pixel, mang lại nhiều dữ liệu có giá trị Hệ thống xử lý chính xác và đồng bộ giúp rút ngắn thời gian làm việc và nâng cao hiệu quả sử dụng ảnh Dữ liệu được phân loại theo đặc điểm hình học và khí quyển, tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng Cuối cùng, sản phẩm cung cấp dữ liệu Landsat với chất lượng cao nhất, đáp ứng nhu cầu của người sử dụng.

Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products cung cấp sẽ trở thành công cụ hữu ích cho các nghiên cứu chuyên sâu trong thời gian tới

Ảnh Landsat thu thập từ trang Earthexplorer của Cục Địa chất Hoa Kỳ đã được hiệu chỉnh hình học, tọa độ và khí quyển, do đó không cần thực hiện hiệu chỉnh thêm Việc trích xuất mực nước được thực hiện bằng cách áp dụng tỷ số giữa các kênh 5 và 2 cho ảnh Landsat 5, và kênh 6 và kênh 3 cho ảnh Landsat 8, sử dụng phần mềm ENVI 5.3 Quá trình này giúp tách biệt đối tượng đất và nước, từ đó xác định không gian nước mặt tại các thời điểm khác nhau để tính toán biến động chất lượng nước Kết quả thu được là bộ dữ liệu bao gồm các bảng dữ liệu và bản đồ dạng raster thể hiện độ thấu quang của nước thông qua độ sâu đĩa Secchi tại các thời điểm khác nhau.

Bảng 2.2 Các kênh phổ của Landsat 5-8 sử dụng trong các phương trình hồi quy với với bước sóng tương ứng [6, 64]

Band 1 Band 2 Band 3 Band 4 Band 5

Landsat 5 450-520 nm 520-600 nm 630-690 nm 760-900 nm 1550-1750 nm Landsat 8 435-451 nm 452-512 nm 533-590 nm 636-673 nm 851-879 nm

Nghiên cứu được thực hiện sử dụng phần mềm ENVI 5.3 và ArcGIS 10.4 ENVI, được phát triển trên ngôn ngữ lập trình IDL, nổi bật với khả năng xử lý ảnh theo hai phương pháp: file-based và band-based Phần mềm này hỗ trợ phân tích đa dạng dữ liệu và có khả năng mở rộng với các module phân tích ảnh khác nhau Nó cung cấp nhiều công cụ phân tích phổ với các thuật toán tiên tiến và tích hợp tốt với GIS Ngoài ra, ENVI còn có các công cụ giúp chuyển đổi dữ liệu ảnh thành bản đồ cuối cùng, bao gồm nắn chỉnh hình học ảnh, tạo ảnh trực chiếu, ghép ảnh và biên tập bản đồ.

Hình 2 5 Quy trình làm việc với ảnh Landsat để tính toán TSI

Bản đồ phân bố chỉ số phú dưỡng trong nước Hồ Tây được xây dựng dựa trên phương pháp phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên, sử dụng công cụ “Slice raster” trong phần mềm ENVI 5.3 và biên tập trong ArcGIS 10.4 Quy trình làm việc với ảnh Landsat Surface Reflectance Level 2 Science Products bằng ENVI 5.3 được thể hiện rõ ràng trong hình 2.5.

PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÚ DƯỠNG TỪ SD

Năm 1996, Carlson và Simpson đã phát triển hệ thống phân loại chất lượng nước dựa trên chỉ số phú dưỡng, sử dụng các thông số như độ thấu quang (SD), Chl-a và phốt pho tổng (TP) để đánh giá chất lượng nước của các hồ nội địa Hệ thống này cho phép xác định trạng thái phú dưỡng của hồ và hồ chứa trên thang điểm 100, chia thành bốn cấp độ: Nghèo dinh dưỡng (Oligotrophy), Dinh dưỡng trung bình (Mesotrophy), Phú dưỡng (Eutrophy) và Siêu phú dưỡng (Hypereutrophy).

Phương trình tính TSI sử dụng SD (Carlson 1973): TSI(SD)`- 14.41*ln(SD)

Bảng 2.3 Mối quan hệ giữa tỷ số TSI, độ trong của nước với mức độ ph dưỡng của nước hồ theo Carlson và Simpson [12]

TSI Độ trong (m) Mức độ ph dƣỡng

40 - 50 4 - 2 Dinh dưỡng trung bình (Mesotrophy)

Chỉ số TSI của nước hồ được tính toán dựa tr n độ thấu quang của nước đo được bằng cách sử dụng đĩa Secchi (TSI SD )

PHƯƠNG PHÁP VIỄN THÁM TÍNH TOÁN ĐỘ THẤU QUANG CỦA NƯỚC

Độ thấu quang của nước là chỉ số quan trọng để đánh giá điều kiện phú dưỡng, đặc biệt là trong các hồ có độ màu cao nhưng chl-a thấp và không có tảo Mối quan hệ nghịch giữa độ sâu Secchi và lượng TSS trong nước cho thấy viễn thám có thể là công cụ hiệu quả để theo dõi và ước lượng độ thấu quang của nước Gần đây, Lee và cộng sự đã nghiên cứu về vấn đề này.

Một mô hình thuật toán mới đã được đề xuất để tính toán độ trong của nước, khác với mô hình cổ điển dựa vào sự suy giảm hệ số bức xạ Mô hình này chỉ dựa vào hệ số suy giảm khuếch tán tại bước sóng tương ứng với độ thấu quang tối đa Nhiều nhà nghiên cứu đã áp dụng phương pháp viễn thám để xác định độ trong của nước và kết quả cho thấy dữ liệu viễn thám có mối tương quan tốt với giá trị độ trong của nước được đo bằng đĩa Secchi.

Kết quả đo độ thấu quang thực địa thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố bên ngoài như màu nước, sóng, gió và ánh sáng mặt trời Để giảm thiểu tác động đến chất lượng kết quả đo, cần lên kế hoạch cụ thể trước khi thực hiện Thời gian lý tưởng để tiến hành đo là từ 10 giờ đến 16 giờ vào những ngày trời trong và ít mây Trong quá trình đo, cần chú ý tránh sóng và các hoạt động gây nhiễu động vùng nước để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng viễn thám có thể được sử dụng hiệu quả để giám sát độ thấu quang của nước, với dữ liệu viễn thám có mối tương quan rõ rệt với giá trị độ thấu quang [14] Đặc biệt, mối quan hệ này được xác nhận chính xác khi độ sâu của đĩa Secchi nhỏ hơn 16 m [8] Các thuật toán quan trọng đã được phát triển để theo dõi độ thấu quang của nước dựa trên các dữ liệu viễn thám khác nhau, bao gồm TM [2, 3, 5, 38, 49], MSS [22, 30, 32, 66] và IKONOS [4, 15].

Công nghệ viễn thám, đặc biệt là dữ liệu từ Landsat-TM, đã trở thành công cụ phổ biến trong việc ước lượng độ thấu quang của nước Nghiên cứu của Braga và cộng sự cho thấy độ trong có mối tương quan chặt chẽ với dữ liệu TM, đặc biệt ở mức triều cao Các mô hình đã được phát triển cho giá trị đĩa Secchi trong khoảng 4 m đến 15 m, dựa trên vệ tinh TM1 và TM3 Landsat 5 TM, với mối tương quan tốt với các kênh Blue và Red, cũng như tỷ lệ giữa các kênh này, thường được sử dụng để nghiên cứu độ thấu quang Các nghiên cứu cho thấy độ thấu quang của nước có sự liên hệ với các kênh phổ đơn lẻ và tỷ lệ giữa chúng, với các kết quả được thể hiện cụ thể trong bảng 2.4.

Bảng 2 4 Các phương pháp viễn thám đo SD qua việc sử dụng các kênh phổ và các tỷ số giữa chúng [45]

Tổ hợp phổ Bộ cảm

Tỷ số Blue/Green Landsat 5-TM

Tỷ số Blue/Red Landsat 5-TM

Landsat 5-MSS PROBA-CHRIS IKONOS

Tỷ số Green/Red Landsat 5-TM

Sử dụng một nh phổ

Dựa trên các phân tích đã nêu, luận văn sẽ áp dụng các tỷ số và kênh phổ để thực hiện phép phân tích tuyến tính giữa phổ phản xạ mặt nước và độ sâu thấu quang của nước, nhằm xác định tỷ số tối ưu cho việc tính toán độ đục (SD) làm cơ sở cho việc tính toán chỉ số chất lượng nước TSI của Hồ Tây.