Sử dụng tư liệu viễn thám để xây dựng bản đồ phân cấp chất lượng không khí tại thành phố sơn la, tỉnh sơn la giai đoạn 2017 2019

1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, phát triển phương tiện giao thông, nhà máy, xây dựng cơng trình làm gia tăng chất gây nhiễm mơi trường khơng khí bụi, CO, SO2, NO2 Vấn đề ô nhiễm môi trường khơng khí, đặc biệt thị khơng cịn vấn đề riêng lẽ quốc gia hay khu vực mà trở thành vấn đề tồn cầu Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội thời gian qua có tác động lớn đến môi trường làm cho môi trường sống người bị thay đổi ngày trở nên xấu ảnh hưởng đến hệ sinh thái biến đổi khí hậu Ơ nhiễm khơng khí khơng gây nguy tác động nghiêm trọng đến sức khoẻ cộng đồng, đặc biệt gây bệnh liên quan đến đường hơ hấp, mà cịn ảnh hưởng đến hệ sinh thái gia tăng tác động biến đổi khí hậu Ở Việt Nam, nhiễm mơi trường khơng khí vấn đề xúc đô thị, công nghiệp làng nghề Cơng nghiệp hóa mạnh, thị hóa phát triển nguồn thải gây nhiễm mơi trường khơng khí nhiều, áp lực làm biến đổi chất lượng mơi trường khơng khí theo chiều hướng xấu lớn Các khu công nghiệp, trục đường giao thông lớn bị ô nhiễm với cấp độ khác nhau, nồng độ chất ô nhiễm vượt tiêu chuẩn cho phép Sự gia tăng dân số, gia tăng đột biến phương tiện giao thông sở hạ tầng cịn thấp làm cho tình hình nhiễm trở nên trầm trọng Cho đến nay, nước ta công nghệ viễn thám GIS (Geographic Information System) ứng dụng rộng rãi lĩnh vực quản lý tài nguyên môi trường, song nghiên cứu ứng dụng viễn thám GIS để theo dõi, giám sát đánh giá chất lượng khơng khí, đặc biệt nhiễm bụi Ngoài ra, số nghiên cứu tập trung đô thị thành phố lớn mang tính tản mạn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh Đà Nẵng, nghiên cứu đánh giá chất lượng khơng khí khu vực khác Việt Nam hạn chế Các nghiên cứu chất lượng khơng khí tập trung vào phân tích thống kê từ số liệu quan trắc mặt đất độ xác phương pháp phụ thuộc lớn vào số lượng vị trí trạm quan trắc (Trần Thị Vân cộng sự, 2012), số trạm quan trắc môi trường khơng khí nước ta cịn ít, gây nên thiếu định lượng mặt không gian, thiếu tính khách quan đưa nhận định, đánh giá chất lượng khơng khí (Nguyễn Hải Hịa cộng sự, 2017a) Việc ứng dụng công nghệ viễn thám GIS đánh giá chất lượng môi trường khơng khí thực nhiều khu vực với quy mô khác nhau, thu số kết định như: Xây dựng đồ chất lượng khơng khí từ ảnh Landsat khu khai thác than Quảng Ninh (Nguyễn Hải Hoà cộng sự, 2017a); sử dụng tư liệu viễn thám mô phân bố bụi PM10 khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh (Trần Thị Vân cộng sự, 2014); ứng dụng GIS viễn thám xây dựng đồ chất lượng khơng khí khu vực khai thác khống sản huyện Lương Sơn, tỉnh Hịa Bình (Trần Quang Bảo cộng sự, 2018); nghiên cứu sử dụng kênh hồng ngoại nhiệt để ước tính giá trị nhiệt độ bề mặt (Lê Vân Anh Trần Tuấn Anh, 2014; Trần Thị Ân cộng sự, 2011) Các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng tư liệu viễn thám theo dõi, giám sát đánh giá chất lượng khơng khí có độ tin cậy khả thi cao điều kiện hạn chế số lượng trạm quan trắc môi trường Kết nghiên cứu nghiên cứu cho thấy ứng dụng tư liệu viễn thám giám sát đánh giá mơi trường khơng khí Việt Nam Thành phố Sơn La tỉnh thuộc Tây Bắc có tiềm phát triển kinh tế du lịch Trong năm gần đây, hoạt động quản lý môi trường quan tâm, đặc biệt chất lượng mơi trường nước khơng khí Tuy nhiên, kết nghiên cứu gần cho thấy mơi trường khơng khí thành phố Sơn La chịu tác động lớn hoạt động giao thông, xây dựng, hoạt động khu công nghiệp, điểm quan trắc chất lượng khơng khí chưa nhiều phân bố chưa đều, kết mang tính đại diện thời điểm nên khó khăn việc phân loại chất lượng mơi trường khơng khí, bên cạnh chi phí cao Do vậy, kết quan trắc chưa đưa tranh tổng quan chất lượng khơng khí tồn thành phố Sơn La Câu hỏi đặt làm để giám sát chất lượng mơi trường khơng khí có hiệu thường xun hơn, phát sớm điểm nóng mơi trường khơng khí? Mức độ tin cậy việc sử dụng ảnh viễn thám đánh giá chất lượng không khí so với kết quan trắc mặt đất có đáp ứng yêu cầu cho phép không? Do vậy, việc nghiên cứu "Sử dụng tư liệu viễn thám để xây dựng đồ phân cấp chất lượng khơng khí thành phố Sơn La, tỉnh Sơn La giai đoạn 2017 - 2019" có ý nghĩa thực tiễn cấp thiết hết Mục đích đề tài nghiên cứu là: Đánh giá thực trạng chất lượng khơng khí thành phố Sơn La từ năm 2017 đến năm 2019; xây dựng đồ chất lượng khơng khí thơng qua số API từ ảnh Landsat, đánh giá độ tin cậy kết giá trị API từ ảnh vệ tinh so với số liệu quan trắc; ước tính giá trị nhiệt độ diện rộng khu vực thành phố Sơn La từ ảnh Landsat 8, đánh giá độ tin cậy kết ước tính giá trị nhiệt độ từ ảnh vệ tinh so với số liệu quan trắc; đề xuất giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực đến mơi trường khơng khí địa bàn thành phố Sơn La Kết nghiên cứu sở khoa học để xây dựng mơ hình cơng nghệ địa không gian để theo dõi giám sát chất lượng khơng khí thành phố Sơn La tương lai Chƣơng TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan nhiễm khơng khí Tại Việt Nam, cơng nghiệp hố mạnh, thị hố phát triển nguồn thải gây nhiễm mơi trường khơng khí nhiều, áp lực làm biến đổi chất lượng khơng khí theo chiều hướng xấu lớn hơn, u cầu bảo vệ mơi trường khơng khí quan trọng Hiện nay, thông số sử dụng để đánh giá nhiễm khơng khí bao gồm bụi lơ lửng tổng số (TSP), bụi PM10, bụi mịn (PM2,5 PM1), SO, NO - NO2 - NOx, CO, O3, bụi chì, số chất độc hại khơng khí tiếng ồn Các thông số so sánh với quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2013/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng khơng khí xung quanh Thông số độ ồn so sánh với QCVN 26:2010/BTNMT Quy chuẩn quốc gia tiếng ồn Ô nhiễm mơi trường khơng khí xác định nồng độ thông số vượt giới hạn cho phép QCVN với ngưỡng khác trung bình giờ, giờ, 24 (ngày) năm Đây sở dùng để đánh giá diễn biến ô nhiễm mơi trường khơng khí theo thời gian Ngồi ra, bên cạnh phương pháp sử dụng QCVN số chất lượng khơng khí (AQI),… thường sử dụng 1.1.1 Ơ nhiễm khơng khí bụi Ơ nhiễm bụi nước ta phản ánh chủ yếu qua thông số bụi lơ lửng tổng số TSP, bụi PM10 bụi mịn (PM2,5 PM1 ) Đáng lưu ý hạt bụi mịn thường mang tính axit, có kích thước siêu nhỏ nên tồn lâu khí có khả phát tán xa, mức độ ảnh hưởng đến sức khỏe người dân hoạt động phát triển kinh tế xã hội đáng kể so với hạt bụi thơ (thường trung tính) Bụi hệ phân tán, mơi trường phân tán khí pha phân tán hạt rắn lỏng có kích thước lớn kích thước đơn phân tử song nhỏ 500µm Dựa theo kích thước, bụi thường chia thành loại sau: - Bụi lắng: bụi có đường kính lớn 100 µm - Bụi lơ lửng (Suspended Paticulates Matter - SPM): bụi có đường kính nhỏ 100 µm Đứng phương diện sức khỏe, bụi lơ lửng có đường kính 10 µm bắt đầu có khả xâm nhập vào phần hệ hô hấp, từ 2,5 µm trở xuống có khả sâu vào hệ hơ hấp Vì nghiên cứu bụi lơ lửng có đường kính 10 µm người ta thường quan tâm đến: - Bụi PM10: bụi có đường kính nhỏ 10µm - Bụi PM2,5: bụi có đường kính nhỏ 2,5 µm - Bụi nano: bụi có đường kính nhỏ 0,1 µm Bụi phát sinh từ nguồn gốc tự nhiên từ hoạt động người Nguồn tự nhiên kể đến như: cháy rừng, từ đại dương, bão cát, núi lửa, Nguồn người gồm: giao thông, xây dựng, đốt nhiên liệu, hoạt động sản xuất, sinh hoạt, công nghiệp, Tác động bụi đến sức khỏe người Trong nhiều thập kỷ qua, có nhiều chứng tác động nguy hiểm đến sức khỏe bụi PM10 PM2,5 Tiếp xúc lâu với hạt nguyên nhân bệnh đường hơ hấp mãn tính, bệnh tim mạch, giảm chức phổi nguy tử vong sớm Các hạt bụi có kích thước lớn thường lắng đọng phần hệ hô hấp, cịn hạt bụi siêu mịn có khả thâm nhập vào phần sâu hệ hô hấp chúng có khả khuếch tán cao Khả lắng đọng hạt PM với kích thước khác thể người Do kích thước siêu nhỏ, bụi nano có đặc tính khác biệt so với hạt bụi lớn Bụi nano có tổng diện tích bề mặt riêng lớn, chúng trở nên linh động mặt sinh học, tham gia nhiều phản ứng hóa học trở nên độc Chẳng hạn, bụi nano với đường kính 2,5 nm mật độ 5g/cm3 có diện tích bề mặt riêng 240 m2/g Các thí nghiệm độc học động vật cho thấy, bụi nano gây nguy viêm nhiễm cao nhiều so với hạt bụi có kích thước lớn Tiếp xúc lâu với bụi nano gây số biểu hiện: dị ứng kháng thể, viêm da, mề đay, viêm mạch máu, Bụi nano hấp thu qua đường hô hấp, di chuyển xuống phổi gây bệnh hen suyễn, viêm phế quản, tắc nghẽn phế nang gây ung thư phổi; di chuyển xuống hệ tuần hoàn gây xơ vữa động mạch, co thắt mạch, nghẽn mạch, huyết áp cao Khi phơi nhiễm bụi nano thời gian dài, chúng di chuyển vào não, góp phần gây nên bệnh thần kinh đa xơ cứng, Parkinson, Alzheimer Bụi nano hấp thu qua đường tiêu hóa, di chuyển xuống hệ thống dày - ruột gây viêm đường ruột, ung thư ruột kết 1.1.2 Ô nhiễm khơng khí tiếng ồn Ơ nhiễm tiếng ồn xem mối nguy hiểm lớn sức khoẻ người, nguy hiểm không khác tượng nhiễm khác Theo số liệu Tổ chức Y tế giới (WHO), vòng thập kỷ trở lại đây, ô nhiễm tiếng ồn trở nên xúc, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường chất lượng sống người Phơi nhiễm tiếng ồn gây loạt ảnh hưởng đến sức khỏe, bao gồm tăng nguy mắc bệnh thiếu máu tim rối loạn giấc ngủ, suy giảm nhận thức trẻ em, nguy mắc bệnh hệ thần kinh liên quan đến căng thẳng ù tai 1.1.3 Các khí nhiễm khác - NOx hỗn hợp khí NO2 NO có mặt đồng thời mơi trường, phát tán trình đốt nhiên liệu nhiệt độ cao từ hoạt động giao thơng, nhà máy nhiệt điện, lị công nghiệp… Đây nhân tố gây lắng đọng axit, thường có thời gian tồn từ – ngày khí NOx biết đến chất kích thích viêm tấy, có tác hại hệ thống hơ hấp - SO2: Là sản phẩm trình đốt nhiên liệu than, dầu Đây chất góp phần gây lắng đọng axit Thời gian tồn môi trường từ 20 phút đến ngày Thêm khí có mùi hăng khét ngột ngạt, người ta quan sát thấy rằng: hít thở khơng khí có SO2 với nồng độ thấp (1-5 ppm) xuất co thắt tạm thời mềm khí quản Ở nồng độ cao hơn, SO2 gây xuất tiết nước nhây viêm tấy thành phế quản, làm tăng sức cản lưu thông khơng khí đường hơ hấp, tức gây khó thở - CO: loại khí độc có phản ứng mạnh (có lực) với hồng cầu máu tạo Cacboxy hemoglobin (COHb) làm hạn chế trao đổi vận chuyển oxy từ máu nuôi thể 1.2 Tổng quan công nghệ viễn thám GIS 1.2.1 Một số khái niệm - GIS hệ thống tích hợp phần cứng (hardware), phần mềm (software) & liệu (data) nhằm “chụp ảnh”, quản lý, phân tích & hiển thị tất dạng thông tin địa lý (Fedra ,1996) - Viễn thám (Remote sensing) định nghĩa môn khoa học thu thập thông tin bề mặt trái đất mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng Công việc thực việc thu nhận đo đạc lượng phản xạ phát xạ từ bề mặt vật thể trái đất sau tiến hành xử lý, phân tích ứng dụng thơng tin lĩnh vực khác - Nội suy không gian chức GIS mà người sử dụng muốn tính tốn số liệu xác cho vị trí mà khơng đo lấy mẫu dựa vào vị trí đo lấy mẫu Nội suy không gian xây dựng tập giá trị điểm chưa biết từ tập điểm biết miền bao đóng tập giá trị biết phương pháp hay hàm tốn học xem trình nội suy 1.2.2 Tầm quan trọng tích hợp cơng nghệ viễn thám GIS quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường Hiện nay, nguồn tư liệu viễn thám sử dụng rộng rãi nước ta nghiên cứu tài ngun thiên nhiên mơi trường Cùng với đó, thiết bị tin học đồng hóa tăng khả xử lý nhanh chóng việc xây dựng loại đồ Vì vậy, phương pháp viễn thám kết hợp với GIS góp phần khắc phục nhiều hạn chế phương pháp truyền thống đặc biệt hiệu xử lý số liệu nhằm nghiên cứu, quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường Những kết ứng dụng viễn thám gần giải vấn đề thực tiễn dựa đơn tư liệu viễn thám việc khó khăn nhiều trường hợp khơng thể thực Vì cần phải có tiếp cận tổng hợp tư liệu viễn thám giữ vai trị quan trọng kèm theo thơng tin truyền thông khác số liệu thống kê, quan trắc, số liệu thực địa Cách tiếp cận đánh giá, quản lý tài nguyên nhà chuyên môn đặt tên hệ thống thông tin địa lý GIS cơng cụ dựa máy tính dùng cho việc thành lập đồ phân tích đối tượng tồn kiện bao gồm đất đai, sơng ngịi, khống sản, người, khí tượng thuỷ văn, môi trường nông nghiệp v.v xảy trái đất Công nghệ GIS dựa sở liệu quan trắc, viễn thám đưa câu hỏi truy vấn, phân tích thống kê thể qua phép phân tích địa lý Những sản phẩm GIS tạo cách nhanh chóng, nhiều tình đánh giá cách đồng thời chi tiết Hiện nhu cầu ứng dụng công nghệ GIS lĩnh vực điều tra nghiên cứu, khai thác sử dụng, quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường ngày gia tăng phạm vi quốc gia, mà phạm vi quốc tế Tiềm kỹ thuật GIS lĩnh vực ứng dụng cho nhà khoa học nhà hoạch định sách, phương án lựa chọn có tính chiến lược sử dụng quản lý tài nguyên thiên nhiên môi trường 1.2.3 Ứng dụng công nghệ viễn thám GIS nghiên cứu nhiễm khơng khí 1.2.3.1 Trên giới Công nghệ viễn thám GIS trở nên phổ biến ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, đặc biệt có hiệu cao ứng dụng mơi trường nói chung, mơi trường khơng khí nói riêng Trên giới có nhiều nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám GIS có giá trị khoa học đánh giá chất lượng khơng khí Dựa mức độ tương quan độ dày sol khí để nghiên cứu mức độ nhiễm thành phần khơng khí từ tư liệu ảnh viễn thám Năm 1992, nghiên cứu: “Xây dựng mối tương quan độ dày sol khí mức độ nhiễm khơng khí cách sử dụng liệu vệ tinh chỗ” Sifakis Deschamps tính tốn số AOT thuật toán để xác định nồng độ chất khơng khí Năm 2011, nghiên cứu “Sử dụng ảnh viễn thám MODIS công nghệ GIS nhằm giám sát bụi PM10 Kuala Lumpur, Malaysia” tác giả Amanollahi Jamil cộng Năm 2012, Mozumder cộng nghiên cứu để xây dựng mơ hình đánh giá chất lượng khơng khí thành phố đô thị Hyderabad (Ấn Độ) dựa số ô nhiễm không khí API liệu thực tế mặt đất (Chitrini Mozumder et al, 2012) Năm 2014, nghiên cứu “Ước lượng nồng độ PM10 sử dụng phép đo mặt đất ảnh vệ tinh Landsat OLI” Salah Abdul Hameed Saleh Ghala Hasan thành phố Kirkuk, Irad nhằm tạo mơ hình thực nghiệm để xác định nồng độ bụi PM10 khí dải nhìn thấy ảnh vệ tinh Landsat OLI Năm 2015, nghiên cứu “Ứng dụng GIS nghiên cứu chất lượng khơng khí giao thơng thị” thực nhóm tác giả Amrit Kumar, 10 Rajeev Kumar Mishra and S K Singh nhằm đánh giá dự báo phân tán ô nhiễm không khí liên quan đến giao thơng khu vực thị Đánh giá chung: Các nghiên cứu sử dụng công nghệ viễn thám GIS để nghiên cứu, tính tốn xây dựng đồ chất lượng khơng khí cơng nhận với mức độ tin cậy cao Tuy nhiên, nghiên cứu chủ yếu tập trung tiến hành khu đô thị lớn giới với mức độ ô nhiễm đáng ý 1.2.3.2 Ở Việt Nam Trong năm gần đây, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ GIS môi trường khơng khí quan tâm nước ta Năm 2012, “Nghiên cứu khả phát ô nhiễm bụi khu vực đô thị công nghệ viễn thám nhằm hỗ trợ quan trắc mơi trường khơng khí” thực nhóm tác giả Trần Thị Vân, Trịnh Thị Bình, Hà Dương Xuân Bảo Đại học Quốc gia TPHCM nghiên cứu phát thành phần bụi PM10 từ ảnh vệ tinh SPOT sử dụng phương pháp tính thống kê hồi quy tương quan nồng độ bụi PM10 quan trắc từ trạm mặt đất giá trị phản xạ kênh ảnh với thành phần ảnh vệ tinh Năm 2014, nghiên cứu “Viễn thám độ dày quang học mô phân bố bụi PM10 khu vực nội thành thành phố Hồ Chí Minh” tác giả Trần Thị Vân cộng thực phân tích tương quan, hồi quy giá trị AOT tính tốn ảnh nồng độ PM10 đo trạm quan trắc mặt đất để tìm hàm hồi quy tốt nhất, tính tốn nồng độ PM10 ảnh Năm 2016, đề tài “Sử dụng tư liệu vệ tinh MODIS đánh giá chất lượng khơng khí khu vực đồng sơng Hồng” tác giả Phạm Thị Duyên, đại học Quốc gia Hà Nội Năm 2017, nghiên cứu“Sử dụng ảnh Landsat xây dựng đồ phân bố nhiễm khơng khí hoạt động khai thác khống sản huyện Hồnh Bồ, tỉnh Quảng Ninh” tác giả Nguyễn Hải Hòa, Nguyễn Thị Hương sử 72 Bảng 4.10 Mơ hình tƣơng quan gi giá trị nhiệt độ bề mặt với phủ qua số thực vật R2 TT Mơ hình n R Pvalue Tbề mặt = 23,408 - 67,64*NDVI - 83,03*EVI 120 0,649 0,627 |t|) (Intercept) 23.2934 0.5141 45.305 < 2e-16 *** NDVI 8.6748 2.421 0.0182 * EVI Pv 20.9999 17.7517 23.0281 0.771 0.4435 -46.3102 9.2839 -4.988 4.69e-06 *** Signif codes: „***‟ 0.001 „**‟ 0.01 „*‟ 0.05 „.‟ 0.1 „ ‟ Residual standard error: 1.347 on 120 degrees of freedom Multiple R-squared: 0.5065, Adjusted R-squared: 0.4841 F-statistic: 22.58 on and 120 DF, p-value: 3.57e-10 Phụ lục 02: Một số hình ảnh quan trắc ngồi thực địa Bến xe Sơn La Ngã tƣ thắng Ngã tƣ xe khách Ngã tƣ cầu trắng Khu hành cơng Đồi khau Cổng bệnh viện đa khoa tỉnh Cầu trắng