Ứng dụng công nghệ GIS/GPS trong quan trắc rác thải nhựa khu vực dân cư ven sông Hàn, Tp. Đà Nẵng đề xuất hướng áp dụng công nghệ GIS/GPS để xây dựng bản đồ trực quan vị trí RTN bị thải bỏ vào môi trường, vị trí phát sinh theo thời gian, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phát sinh, từ đó đề xuất giải pháp hạn chế rác thải nhựa đi vào sông Hàn và ra biển.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.1, 2022 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS/GPS TRONG QUAN TRẮC RÁC THẢI NHỰA KHU VỰC DÂN CƯ VEN SÔNG HÀN, TP ĐÀ NẴNG GIS/GPS APPLICATION FOR PLASTIC WASTE MONITORING – CASE STUDY IN RESIDENTIAL AREAS NEARBY HAN RIVER BASIN, DANANG Lê Hoàng Sơn1*, Phạm Thị Kim Thoa1, Phan Bảo An2, Trương Nguyễn Song Hạ1 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng *Tác giả liên hệ: lhson@dut.udn.vn (Nhận bài: 31/8/2022; Chấp nhận đăng: 23/11/2022) Tóm tắt - Nghiên cứu ứng dụng hệ thống thông tin địa lý GIS/GPS quan trắc xây dựng đồ rác thải nhựa khu dân cư gần lưu vực sông Hàn, thành phố Đà Nẵng Kết nghiên cứu cho thấy, sản phẩm nhựa dùng lần như: Túi ni lon, ly nhựa, trang, chai nhựa rác thải nhựa phổ biến bị thải bỏ khu dân cư Kết phân tích phương sai cho thấy, mật độ xây dựng thấp (nhiều lô đất trống) yếu tố ảnh hưởng đến mật độ điểm nóng lượng rác thải nhựa thải bỏ không nơi quy định Bên cạnh đó, mật độ sở kinh doanh ảnh hưởng tiêu cực đến số lượng rác thải nhựa chưa thu gom Bản đồ điểm nóng rác thải nhựa trực quan hóa khu vực có nguy rác thải nhựa chưa thu gom, có khả vào lưu vực sông Hàn, gây ô nhiễm thứ cấp Abstract - This study focuses on GIS/GPS application for plastic waste mapping in residential areas near Han River basin, Danang The results pointed out that, the most common among one time used plastic waste were: Plastic bags, plastic cups, mask, and plastic bottle The low construction density (many vacant land lots) was detected as the main factor affecting the plastic waste hotspots by the ANOVA results In the other hand, business activities (restaurants, café, convenient stores, vendors…) also affected the plastic waste hotspots Finally, the plastic waste mapping by GDSS visualized the positions of uncollected plastic waste in Han River basin, which had high potential to become ocean plastic waste Từ khóa - Rác thải nhựa; GIS/GPS; Hệ thống chia sẻ liệu thông tin địa lý (GDSS); Bản đồ rác thải Key words - Plastic waste; GIS/GPS; GIS Data Sharing System (GDSS); Waste mapping Đặt vấn đề Trong năm gần đây, nhờ tiện lợi, giá thành cạnh tranh, sản phẩm bao bì nhựa ngày phổ biến đời sống sinh hoạt hàng ngày thành thị khu vực nông thôn Việt Nam [1] Do hạ tầng kỹ thuật hệ thống thu gom chất thải rắn chưa phát triển đồng với tốc độ phát triển đô thị, với ý thức người dân giữ gìn vệ sinh mơi trường chưa cao, rác thải nhựa (RTN) ngày phổ biến trở thành vấn đề cấp bách toàn xã hội [2] Ô nhiễm RTN bắt đầu nhận quan tâm nhà khoa học từ năm 1970, ước tính tổng lượng RTN đại dương phát sinh năm 1975 toàn giới khoảng 6,4 triệu tấn, không ngừng gia tăng theo thời gian, lên đến - 10 triệu tấn/năm vào năm 2020 [3] Theo báo cáo Ngân hàng giới, trung bình hộ gia đình Việt Nam sử dụng khoảng 01 kg túi nylon tháng, 80% số bị thải bỏ sau dùng lần Báo cáo ước tính năm Việt Nam có khoảng 1,8 triệu RTN bị thải bỏ [1] Việt Nam thuộc nhóm quốc gia đứng đầu phát thải RTN đại dương, với khoảng 0,57 triệu RTN đại dương từ đất liền [4] Trong dự án “Closing the Loop” tiến hành UNESCAP, Cottom J.W Velis C.A ước tính trung bình 80.000 RTN thải bỏ thành phố Đà Nẵng năm, túi nilon chiếm 48% Báo cáo dự báo năm thành phố tạo khoảng 1.037 RTN đại dương 5.725 RTN từ đất liền chưa thu gom, có nguy vào môi trường nước [5] RTN xác định mối đe dọa tồn động thực vật, từ ô nhiễm môi trường đất đến vấn đề vi nhựa đại dương, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ sinh thái [6] RTN không thu gom xử lý vào môi trường, theo hệ thống sơng ngịi, cuối xâm nhập vào đại dương [7] Dưới tác dụng xạ mặt trời, lực học sóng biển, RTN phân hủy từ từ tạo thành mảnh nhỏ hơn, đạt kích thước nanomet, hình thành hạt “vi nhựa” lơ lửng đại dương Đây nguyên nhân gây suy thoái hệ sinh thái đáy biển, sinh vật sống tầng nước nông hệ sinh thái ven biển [8] Theo ước tính, 80% RTN đại dương đến từ đất liền 20% từ hoạt động biển hải đảo [9] Trong nỗ lực giải vấn đề RTN đại dương, số chương trình thị ban hành Khung chiến lược biển Liên minh Châu Âu (EU), bao gồm thị 2008/56/EC, thị 2000/60/EC, chương trình quản lý tổng hợp biển Tổ chức Môi trường Liên hợp quốc (UNEP) nhằm đề xuất hoạt động cụ thể với tham gia phủ, nhà khoa học cộng đồng dân cư [10] Chương trình Nghị 2030 Phát triển Bền vững Liên hợp quốc giải vấn đề RTN khu vực thông qua Mục tiêu Phát triển Bền vững Mục tiêu “Nước Vệ sinh” Mục tiêu 12 “Tiêu thụ Sản xuất Bền vững”; Những nỗ lực góp phần giải vấn đề nhiễm RTN đại dương, chất tồn cầu chuỗi cung ứng nhựa quy định hợp tác quốc gia khu vực [11] Tại Việt Nam, việc điều tra, thống kê nguồn thải nhựa The University of Danang - University of Science and Technology (Le Hoang Son, Pham Thi Kim Thoa, Truong Nguyen Song Ha) The University of Danang - Unviersity of Technology and Education (Phan Bao An) Lê Hoàng Sơn, Phạm Thị Kim Thoa, Phan Bảo An, Trương Nguyễn Song Hạ từ đất liền để hỗ trợ biện pháp quản lý tổng hợp lưu vực sông, đô thị ven biển đề xuất kế hoạch hành động quốc gia quản lý RTN đại dương [12] Mặc dù, nhiều nghiên cứu trước trích dẫn 80% RTN đại dương có nguồn gốc từ đất liền, nhiên Jenna cộng cho rằng, kết chưa có nhiều chứng thuyết phục, ước tính dựa vào tổng lượng RTN phát sinh có nguồn gốc từ chất thải rắn thị Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh cần thiết việc điều tra, thống kê lượng RTN từ đất liền chưa thu gom, có nguy vào đại dương tác động gió, nước mưa chảy tràn, dịng chảy hở kênh rạch Các thông tin cần xem xét bao gồm thành phần rác thải, tải lượng, nguồn phát sinh [13] Trong nghiên cứu RTN đại dương bán đảo Tsuruga, bờ biển Nhật Bản, Takashi Aoyama cho phương pháp quan trắc khảo sát thực địa khu vực ven biển lưu vực sông, hồ để đánh giá phân bố RTN cần đầu tư nhiều thời gian công sức, kết thể cho khu vực giới hạn; Tác giả đề xuất ứng dụng công nghệ GIS, ảnh viễn thám phân tích RTN đại dương [14] Gabriela Escobar-Sánchez cộng nghiên cứu RTN biển Baltic có nhận định, đề xuất mơ hình nghiên cứu kết hợp GIS máy bay không người lái (Drone UAVs); Tuy nhiên hạn chế phương pháp chi phí thiết bị cao, quan sát RTN kích thước 10cm, khó phát RTN có màu suốt màu tối bị che khuất [15] Trong nghiên cứu RTN ven biển Hội An, Đỗ Thị Nhung cộng nhận định việc phân tích hình ảnh thủ cơng từ Drone để xác định RTN tốn nhiều thời gian; Nhóm tác giả đánh giá việc nghiên cứu phát triển thuật tốn để tối ưu hóa phát RTN quan trọng, mạng nơ-ron chập sâu hướng tiếp cận [16] Một số nghiên cứu phân tích, dự báo khu vực bị ô nhiễm RTN đại dương từ liệu ảnh chụp từ vệ tinh Sentinel-1A, COSMO‐Sky‐Med Sar [17], C‐Band Radarsat‐1 SAR [18], Landsat TM EMT+ [19]– [21] đóng góp tích cực cho cơng tác quản lý môi trường Dominique Dubucq cộng áp dụng đồ góc quang phổ (Spectral Angle Mapping) để quan trắc, theo dõi hình thành dịch chuyển RTN khu vực Bắc Đại Tây Dương từ 11/2017 đến 5/2020 [22] Bên cạnh đó, hình ảnh viễn thám siêu phổ (Hyperspectral data) sử dụng nhiều nghiên cứu để phát RTN khu vực ven biển [14], [23] - [25] Hạn chế áp dụng phương pháp độ phân giải tối thiểu 10m x 10m, kết thường bị ảnh hưởng xanh, mây [3] Một hướng tiếp cận khác RTN quan tâm thu thập liệu liên quan đến vị trí RTN hệ thống định vị tồn cầu (GPS), từ xây dựng đồ phân bổ RTN từ đất liền với GIS Theo S Lynch, 90% RTN đại dương từ đất liền có liên quan đến lưu vực sơng, việc xác định nguy RTN vào sông việc thực cách ứng dụng GPS/GIS khoa học công dân (citizen science) việc thu thập liệu [26] Điện thoại thông minh với hệ thống GPS độ xác cao ngày phổ biến, giúp cho người dân đóng góp nhiều việc cung cấp thơng tin vị trí nhiễm mơi trường nói chung, hay RTN nói riêng, hỗ trợ đắc lực công tác giám sát, quản lý môi trường [27] Nhiều dự án khoa học công dân nhằm tăng cường vai trò người dân việc thu thập liệu liên quan đến lĩnh vực môi trường triển khai thời gian qua., thông qua ứng dụng điện thoại thông minh Litterbase Đức [28], Marine Debris Tracker Hoa Kỳ [7], OpenStreetMap, OpenLitterMap Ireland [26], Locus map lưu vực sông Sungai Pinang, đảo Penang, Malaysia [29] Các kết nghiên cứu cho thấy, tầm quan trọng khoa học công dân việc thu thập liệu RTN từ đất liền, nguồn gốc phát sinh, hỗ trợ kết dự báo RTN vào sông đại dương [30] Tại Việt Nam, việc ứng dụng GIS/GPS công tác quan trắc, giám sát nhiễm mơi trường cịn hạn chế, đó, nghiên cứu đề xuất hướng áp dụng cơng nghệ GIS/GPS để xây dựng đồ trực quan vị trí RTN bị thải bỏ vào mơi trường, vị trí phát sinh theo thời gian, phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hệ số phát sinh, từ đề xuất giải pháp hạn chế rác thải nhựa vào sông Hàn biển Giải vấn đề 2.1 Phương pháp nghiên cứu 2.1.1 Khu vực nghiên cứu Nghiên cứu tiến hành thành phố Đà Nẵng, với phạm vi nghiên cứu 08 khu vực với vùng khơng gian tính từ hai bên bờ sơng Hàn trở khoảng 500m, giới hạn từ cầu Tuyên Sơn đến cầu Sơng Hàn (Hình 1) Khoảng cách 500m phù hợp theo tài liệu hướng dẫn quan trắc đánh giá RTN Tổ chức Môi trường Liên hợp quốc, với khoảng cách tối thiểu 100m [31] Một nghiên cứu tương tự RTN Cầu Rào, lưu vực sông Lạch Tray, thành phố Hải Phịng, nhóm tác giả lựa chọn 02 khu vực nghiên cứu với phạm vi 100m x 500m [4] Hình Khu vực nghiên cứu 2.1.2 Phương pháp khảo sát Phương pháp thu thập liệu thực việc khảo sát trực tiếp trường, tương tự nghiên cứu P Tasseron cộng thực lưu vực sông Leiden Wageningen, Hà Lan [30] Điều tra viên theo lộ trình thống khu vực, quan sát vị trí có RTN thải bỏ không nơi quy định Ứng dụng Fieldnault/Locus map điện thoại thông minh sử dụng để ghi lại hình ảnh RTN thơng tin liên quan bao gồm: Lộ trình khảo sát, tọa độ vị trí có RTN, thành phần, số lượng, khối lượng RTN ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.1, 2022 Thời gian khảo sát từ tháng 10 năm 2021 đến tháng năm 2022 Mỗi khu vực tiến hành khảo sát lặp lại 20 lần vào thời điểm khác nhau, có quan tâm đến yếu tố thời gian ngày, tuần Các bước khảo sát, thu thập xử lý liệu thể Hình Mật độ RTN xác định theo số lượng (RSL) khối lượng (RKL) RTN đơn vị khoảng cách, theo công thức (2) (3) 𝑅𝑆𝐿 = 𝑅𝐾𝐿 = 𝑚 𝑙 𝑔 𝑙 (2) (3) Trong đó, m, g tương ứng số lượng khối lượng RTN thải bỏ trực tiếp môi trường chưa thu gom Kết phân tích trình bày với giá trị trung bình độ lệch chuẩn (Mean ± SD) Hình Các bước thu thập xử lý liệu 2.1.3 Phương pháp xây dựng đồ Tồn thơng tin khảo sát ghi bao gồm lộ trình khảo sát, hình ảnh RTN, tọa độ GPS, thích số lượng lưu định dạng *.JSON (Javascript Object Notation) JSON có định dạng đơn giản, dễ dàng sử dụng truy vấn XML nên sử dụng phổ biến để tạo lưu sở liệu Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số mật độ nghiên cứu bao gồm: Thời gian (sáng/chiều, ngày tuần/ngày cuối tuần), đặc điểm vị trí không gian (bờ Đông/Bờ Tây), đặt điểm sở hạ tầng (số thùng rác công cộng, lô đất trống, sở kinh doanh, hàng rong…) So sánh khác biệt nghiệm thức với độ chênh lệch có ý nghĩa thực phân tích phương sai (Analysis of variance - ANOVA) Phương pháp phân tích phương sai dùng nghiên cứu ảnh hưởng biến nguyên nhân định tính lên biến kết định lượng, kết hợp so sánh trung bình nhiều nhóm 2.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu rác thải nhựa bị thải bỏ môi trường không nơi quy định 2.3 Phương tiện nghiên cứu Phương tiện phục vụ thu thập liệu điện thoại thông minh có kết nối 4G, có camera, có GPS cài đặt phần mềm Fieldnault/Locus map Trong trình khảo sát, lộ trình khảo sát, ảnh chụp RTN, ghi chủng loại, kích thước, số lượng RTN ghi lại phần mềm Fieldnault/Locus map lưu trữ nhớ điện thoại Sau kết thúc khảo sát, toàn liệu từ điện thoại chuyển qua máy tính để tiếp tục xử lý Dữ liệu xử lý, phân tích phần mềm MS Excel, phần mềm R QGIS Hình Kết khảo sát KDC6 ngày 5/12/2021 Kết thảo luận Các ghi xử lý QGIS với hệ thống chia sẻ liệu thông tin địa lý (GDSS: GIS Data Sharing System) Japan Space System xây dựng Điểm nóng (hotspot) phân tích, dự báo dựa số lượng, khối lượng RTN phát sinh trường Từ kết phân tích, đồ điểm nóng phát sinh RTN theo thời gian, khơng gian trích xuất từ QGIS Hình thể kết xử lý QGIS liệu khảo sát ngày 5/12/2021 khu vực KDC 3.1 Hiện trạng phát sinh 2.1.4 Phương pháp phân tích số liệu Theo tài liệu hướng dẫn quan trắc đánh giá RTN Tổ chức Môi trường Liên hợp quốc, báo mật độ RTN thể thơng qua số vị trí, số lượng khối lượng (g kg) RTN tính đơn vị khoảng cách (m km) [31] Mật độ điểm nóng RĐN (điểm/km) tỷ số n (tổng số điểm có RTN) chiều dài lộ trình khảo sát l (km) theo cơng thức (1): 𝑅Đ𝑁 = 𝑛 𝑙 (1) Kết khảo sát khu dân cư phát 3879 vị trí có RTN thải bỏ không nơi quy định, với mật độ điểm nóng trung bình 6,2±5,0 điểm/km với 3,8±1,2 RTN điểm Trong đó, KDC5 KDC7 có mật độ cao nhiều so với khu vực lại, tương ứng 15,1±1,4 13,9 ± 1,8 RTN/km KDC2 KDC4 có mật độ điểm nóng tương đối thấp (2,1±0,4 2,2±0,3), nhiên số lượng RTN/điểm lại cao khu vực khảo sát, tương ứng với 5,2±1,0 5,1±0,8 Bennett Martin cộng khảo sát khu vực đô thị ven biển Belize phát mật độ RTN trung bình từ 2,1 đến 3,2 RNT/điểm, nhiên có khu vực lên đến 30,4 RTN/điểm [9] Trong nghiên cứu này, mật độ rác thải trung bình 18,58±10,1 RTN/km, với khối lượng trung bình 101,76±58,69 g/km Số điểm nóng mật độ rác thải có chênh lệch đáng kể khu vực khảo sát (Sự khác biệt có ý nghĩa thống kê mức p0,05) Kết phân tích khơng phát tương quan số thùng rác công cộng mật độ điểm nóng RTN Kết phân tích cụm (cluster analysis) dựa số lơ đất trống chia khu vực dân cư thành khu vực: khu vực ổn định (số lô đất trống ≤7) khu vực phát triển (số lơ đất trống >7) Hình Mật độ RTN khu vực nghiên cứu Hình Ảnh hưởng phát triển đô thị đến mật độ RTN Hình Biểu đồ thành phần RTN theo số lượng Trong số khu vực khảo sát, ô nhiễm RTN KDC5 KDC7 cao so với khu vực cịn lại, kể số điểm nóng mật độ RTN Kết mật độ RTN Theo quan sát, phần lớn RTN nói riêng, rác thải nói chung thải bỏ xung quanh lơ đất trống, khơng có người quản lý, dọn dẹp vệ sinh thường xuyên, đặc biệt KDC5 (phía sau siêu thị Lotte Mart) Kết ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 20, NO 11.1, 2022 11 phân tích liệu tương đồng với kết quan sát, khu vực phát triển, mật độ điểm nóng r 9,4±5,3 (điểm/km), cao nhiều lần so với kết khảo sát khu vực ổn định 2,9±1,4 (điểm/km), khác biệt có ý nghĩa thống kê mức p