Ngày nay vấn đề về môi trường trở thành vấn đề trọng tâm không chỉ của riêng một quốc gia nào, mà nó trở thành vấn đề trọng tâm của toàn cầu (Phạm Ngọc Hồ, 1996). Nhiều bài học để lại của những quốc gia có tốc độ phát triển kinh tế quá nhanh mà không chú trọng và đi đôi với việc bảo vệ môi trường (Trần Ngọc Chấn, 2000). Việc hướng tới mục tiêu phát triển bền vững đã làm nảy sinh ra một lớp rộng lớn các bài toán quản lý chất lượng môi trường. Với mục tiêu kiểm soát môi trường một cách khách quan, từ cơ sở khoa học chất lượng môi trường là các trạm quan trắc và các hoạt động quan trắc được thực hiện theo quy định (Lê Văn Thao, 1995). Khi đã có nhiều số liệu quan trắc thì bước tiếp theo cần phải làm là xây dưng các công cụ xử lý số liệu hiệu quả, kết hợp với mô hình hóa để hỗ trợ cho các nhà quản lý ra quyết định (Bùi Tá Long, 2008). Trong hệ thống quản lý chất lượng môi trường, quản lý chất lượng không khí tại các khu vực khai khoáng đóng vai trò quan trọng. Chức năng quan trắc môi trường không khí không thể thiếu vì đây là cách tốt nhất trả lời cho câu hỏi có ô nhiễm hay không, tuy nhiên chỉ quan trắc môi trường thôi là chưa đủ vì cần phải làm sáng tỏ tác động môi trường ở những mức độ khác nhau và những tác động tích lũy (Phạm Ngọc Đăng, 1997, Trần Yêm và Trịnh Thị Thanh, 2003). Bên cạnh đó, cần đưa ra dự báo về biến đổi chất lượng môi trường xung quanh dưới tác động tổng hợp của các hoạt động khai thác khoáng sản, soạn thảo ra các khuyến cáo nhằm tiến hành tối ưu các biện pháp bảo vệ môi trường. Để thực thi chức năng này cần thiết phải sử sụng các phương pháp tính toán định lượng (Bùi Tá Long, 2006).
Đặt vấn đề
Ngày nay vấn đề về môi trường trở thành vấn đề trọng tâm không chỉ của riêng một quốc gia nào, mà nó trở thành vấn đề trọng tâm của toàn cầu (Phạm Ngọc
Hồ, 1996) Nhiều bài học để lại của những quốc gia có tốc độ phát triển kinh tế quá nhanh mà không chú trọng và đi đôi với việc bảo vệ môi trường (Trần Ngọc Chấn,
2000) Việc hướng tới mục tiêu phát triển bền vững đã làm nảy sinh ra một lớp rộng lớn các bài toán quản lý chất lượng môi trường Với mục tiêu kiểm soát môi trường một cách khách quan, từ cơ sở khoa học chất lượng môi trường là các trạm quan trắc và các hoạt động quan trắc được thực hiện theo quy định (Lê Văn Thao, 1995). Khi đã có nhiều số liệu quan trắc thì bước tiếp theo cần phải làm là xây dưng các công cụ xử lý số liệu hiệu quả, kết hợp với mô hình hóa để hỗ trợ cho các nhà quản lý ra quyết định (Bùi Tá Long, 2008).
Trong hệ thống quản lý chất lượng môi trường, quản lý chất lượng không khí tại các khu vực khai khoáng đóng vai trò quan trọng Chức năng quan trắc môi trường không khí không thể thiếu vì đây là cách tốt nhất trả lời cho câu hỏi có ô nhiễm hay không, tuy nhiên chỉ quan trắc môi trường thôi là chưa đủ vì cần phải làm sáng tỏ tác động môi trường ở những mức độ khác nhau và những tác động tích lũy (Phạm Ngọc Đăng, 1997, Trần Yêm và Trịnh Thị Thanh, 2003) Bên cạnh đó,cần đưa ra dự báo về biến đổi chất lượng môi trường xung quanh dưới tác động tổng hợp của các hoạt động khai thác khoáng sản, soạn thảo ra các khuyến cáo nhằm tiến hành tối ưu các biện pháp bảo vệ môi trường Để thực thi chức năng này cần thiết phải sử sụng các phương pháp tính toán định lượng (Bùi Tá Long, 2006).
Hơn nữa thực tế cho thấy hàng năm những nhà máy, xí nghiệp, các mỏ khai khoáng đã và đang thải ra hàng nghìn tấn bụi vào không khí, hoạt động này đã ảnh hưởng trầm trọng tới sức khỏe của con người, tuy nhiên công tác quản lý môi trường không khí ở nước ta chủ yếu ở dạng giấy truyền thống, một phần đã được số hóa nhưng còn nhỏ lẻ và manh mún thiếu tính đồng bộ (Hoàng Văn Hùng, Nguyễn Ngọc Anh, 2013) Nhất là vấn đề về bụi thải chưa được quan tâm đúng mức, trong việc quản lý còn nhiều hạn chế Chưa có cơ sở dữ liệu với độ tin cậy cao để thực hiện công tác quản lí, đền bù cho người dân, cũng như giải quyết những vấn đề về môi trường do bụi thải từ những xí nghiệp, nhà máy hay mỏ khai khoáng gây ra (Hoàng Văn Hùng, Nguyễn Văn Nghĩa, 2013) Do đó, cần thiết phải có những giải pháp hiệu quả khắc phục vấn đề đã nêu trên Kế thừa thành tựa của nhiều nghành khoa học, cùng sự phát triển vượt bậc của khoa học thông tin nói chung, Ứng dụng GIS vào mô phỏng quá trình ô nhiễm và quản lý chất lượng môi trường sẽ giải quyết hiệu quả bài toán đã nêu ra (Bùi Tá Long, 2006).
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, được sự đồng ý của Ban chủ nhiệm khoa Tài nguyên & Môi trường, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: TS Hoàng Văn Hùng, tôi tiến hành đề tài: “ Ứng dụng công nghệ
Gis- Viễn thám đánh giá hiện trạng và xây dựng bản đồ cảnh báo ô nhiễm tại mỏ than Khánh Hòa – tỉnh Thái Nguyên ”.
Mục tiêu tổng quát của nghiên cứu
Đánh giá hiện trạng chất lượng môi trường không không khí và ứng dụngGIS - Viễn thám xây dựng bản đồ cảnh báo ô nhiễm tại mỏ than Khánh Hòa, tỉnhThái Nguyên.
Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu
- Thu thập và đánh giá những đặc điểm của khu vực nghiên cứu
- Đánh giá được đặc điểm, hiện trạng ô nhiễm không khí ở vùng mỏ dưới sự ảnh hưởng của bụi thải.
- Xây dựng được bản đồ mô phỏng hiện trạng, và cảnh báo ô nhiễm tại mỏ than Khánh Hòa tỉnh Thái Nguyên.
- Đề xuất những phương án nhằm hạn chế và giảm thiểu những tác động tiêu cực của bụi mỏ tới chất lượng môi trường không khí.
1.4 Yêu cầu của nghiên cứu
- Tiến hành điều tra, thu thập số liệu Thực hiện quan trắc môi trường theo đúng quy định.
- Xây dựng được mô hình mô phỏng hiện trạng bụi thải.
- Cập nhập dữ liệu thuộc tính, so sánh với tiêu chuẩn và quy chuẩn VN để dự báo xu thế, diễn biến thay đổi của chất lượng môi trường.
- Tạo ra cơ sở dữ liệu cho công tác quản lý.
Ý nghĩa của đề tài
- Củng cố kiến thức đã được học trong nhà trường và kiến thức thực tế cho sinh viên trong quá trình vận dụng vào làm đề tài nghiên cứu khoa học.
- Nâng cao kĩ năng tìm tòi sáng tạo, tư duy, tìm kiếm, xử lí thông tin của sinh viên trong quá trình làm đề tài
- Vận dụng và phát huy những kiến thức đã học tập vào nghiên cứu.
- Nâng cao kiến thức, kĩ năng và rút ra những kinh nghiệm thực tế phục vụ cho công tác nghiên cứu sau này.
- Nâng cao khả năng tự học tập, nghiên cứu và tìm tài liệu.
- Bổ sung tư liệu cho học tập.
- Ứng dụng công nghện thông tin xây dựng hệ thống bản đồ mô phỏng quá trình ô nhiễm tại mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên giúp địa phương đánh giá được thực trạng và những tác động của hoạt động khai thác than tới môi trường. Cung cấp cơ sở dữ liệu với độ chính xác cao phục vụ công tác quản lý và công tác đánh giá tác động môi trường.
- Kiến nghị và đề xuất những biện pháp thích hợp nhằm giảm thiểu và hạn chế những tác động tiêu cực tới môi trường và giúp cho các nhà quản lý có cơ sở để hoạch định các chính sách quản lý môi trường tốt hơn cho địa phương.
Một số khái niệm liên quan
* Môi trường: Trong Luật Bảo vệ môi trường đã được Quốc hội nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XI, kỳ họp thứ 8 thông qua ngày 29 tháng 11 năm 2005, định nghĩa như sau: “Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật”.
* Ô nhiễm môi trường: Theo Điều 6 Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam 2005:
“Ô nhiễm môi trường là sự biến đổi của các thành phần môi trường không phù hợp với tiêu chuẩn môi trường, gây ảnh hưởng xấu đến con người, sinh vật”.
* Ô nhiễm môi trường không khí: Là sự thay đổi thành phần và chất lượng không khí, vượt quá tiêu chuẩn cho phép và có ảnh hưởng xấu đến đời sống con người và sinh vật
* Tiêu chuẩn môi trường: Trong Luật Bảo vệ môi trường đã được Quốc hội nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XI, kỳ họp thứ 8 thông qua ngày
29 tháng 11 năm 2005, định nghĩa như sau: “Là giới hạn cho phép của các thông số về chất lượng môi trường xung quanh, về hàm lượng của chất gây ô nhiễm trong chất thải được cơ quan nhà nước có thẩm quyền qui định làm căn cứ để quản lý và bảo vệ môi trường”.
* Quan trắc môi trường: là quá trình theo dõi có hệ thống về môi trường, các yếu tố tác động lên môi trường nhằm cung cấp thông tin phục vụ đánh giá hiện trạng, diễn biến chất lượng môi trường và các tác động xấu đối với môi trường (Luật bảo vệ môi trường năm 2005-BTNMT).
2.2 Tổng quan về ô nhiễm không khí
2.2.1 Các nguồn gây ô nhiễm không khí
Có hai loại nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí là:
- Nguồn ô nhiễm nhân tạo Ở đây ta chỉ xét các nguồn ô nhiễm nhân tạo
* Ô nhiễm môi trường do sản xuất công nghiệp Ô nhiễm do sản xuất công nghiệp là do các ống thải ở các nhà máy thải ra môi trường không khí rất nhiều loại chất độc hại Trong quá trình sản xuất, các chất độc hại thoát ra do bốc hơi, rò rỉ, tổn hao trên dây chuyền sản xuất, trên các phương tiện dẫn tải… Đặc điểm của chất thải do quá trình sản xuất là nồng độ chất độc hại rất cao, tùy vào quy mô của nhà máy mà nồng độ bụi khác nhau và phạm vi lan truyền khác nhau, căn cứ vào kích thước hình học (độ cao, hình dáng của bô phận thải) ta chia ra: nguồn cao, nguồn thấp, nguồn đường, nguồn măt.
* Ô nhiễm môi trường do giao thông vận tải.
Giao thông vận tải cũng là một nguồn gây ô nhiễm lớn cho môi trường không khí Ô nhiễm giao thông vận tải gây ra do các khí thải như: CO, SO2,HC, NOx., nguồn ô nhiễm giao thông vận tải đều là nguồn thấp, sự khuếch tán chất ô nhiễm phụ thuộc nhiều vào địa hình và bố trí quy hoạch.
* Ô nhiễm môi trường do sinh hoạt của con nguời.
Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt của con người do các bếp đun nấu, các lò sưởi, sử dụng nhiên liệu than, củi dầu, khí đốt So với hai nguồn ô nhiễm trên, ở đây lượng độc hại không nhiều lắm, song nó gây ô nhiễm cục bộ, và vì nó ở sát cạnh con người cho nên tác hại của nó lớn và nguy hiểm.
Bảng 2.1 CÁC NGUỒN ĐỘC HẠI LÀM Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ
Nguồn gây ô nhiễm Các chất ô nhiễm chính
CO Bụi SO x HC NO x
1- Qúa trình sản xuất công nghiêp 8,8 6,8 6,6 4,2 0,2
- Tàu hỏa và các loại khác
4-Xử lý chất thải rắn 7,1 1,0 0,1 1,5 0,5
- Đốt ccác chất trong công nghệp
- Đốt rác thải bằng than
- Hàn đốt trong xây dựng
2.2.2 Một số chất gây ô nhiễm môi trường không khí
Các chất khí gây ô nhiễm do môi trường, giao thông vận tải, do sinh hoạt, rất đa dạng như khói, tro bụi, các chất khí không màu, không mùi các loại sợi, bột mịn và các chất khí có mùi khó chịu (H2S, NH3…).
Tuy nhiên các chất khí gây ô nhiễm môi trường được chia làm hai loại:
- Các chất ô nhiễm sơ cấp là những chất được phát ra trực tiếp từ nguồn
- Các chất gây ô nhiễm thứ cấp là những chất được tạo ra trong khí quyển do tương tác hóa học của của các chất gây ô nhiễm sơ cấp với các thành phần của khí quyển.
Các chất gây ô nhiễm trong khí quyển cần phải kể đến là: bụi lơ lửng, bụi lắng, SO2, H2S, CO2, NOx,CH4…
Trong khai thác mỏ các chất gây ô nhiễm không khí chủ yếu là bụi gồm các loại bụi lơ lửng, bụi lắng, các khí SO2, CO, CO2, NOx,…phát sinh do hoạt động của các trang thiết bị mỏ như: khoan, nổ mìn, xúc bốc, vận tải…
Các chất gây ô nhiễm không khí có những đặc điểm chung sau đây:
- Phần lớn chúng là các chất gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người và động thực vật.
- Chúng có thể tồn tại trong khí quyển trong khoảng thời gian dài và khả năng di chuyển trong không khí khá xa, do đó nguồn thải và nơi bị ô nhiễm có thể ở cách khá xa nhau.
- Tính chất hóa học của chúng rất phức tạp, dễ bị ô xi hóa, dễ hóa hợp với nước trong khí quyển tạo ra mưa axít rơi xuống dưới ảnh hưởng đến môi trường đất và nước.
- Một số chất khí như CO2 ,CH4 , CFCs … là các chất khí gây hiệu ứng nhà kính làm nóng bầu khí quyển, ảnh hưởng đến việc thay đổi khí hậu toàn cầu kéo theo các diễn biến khác về môi trường.
Tổng quan về các tiêu chuẩn và quy chuẩn môi trường được đề cập tới 8
Tiêu chuẩn 3733/2002/QĐ-BYT- Ban hành 21 Tiêu chuẩn, 05 nguyên tắc và
07 thông số Vệ sinh lao động Tiêu chuẩn này áp dụng cho các cơ sở sản xuất nằm đơn lẻ ngoài khu chế xuất hoặc khu công nghiệp, có phát thải các yếu tố độc hại đối với môi trường và sức khỏe con người.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN7878-2:2010: Gồm hai phần:
Phần 1: Đo và đánh giá tiếng ồn môi trường
Phần 2: Xác định mức tiếng ồn môi trường
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6137:1996: Không khí xung quanh – Xác định nồng độ khối lượng của Nitơ Dioxit – Phương pháp Griss – Saltzman cải biên Tiêu chuẩn này qui định phương pháp Griss – Saltzman cải biên để xác định nồng độ khối lượng của nitơ dioxit có trong không khí xung quanh.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5971:1995 về không khí xung quanh - xác định nồng độ khối lượng của lưu huỳnh dioxit - phương pháp tetracloromercurat (TCM)/pararo sanilin.
Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5067:1995: Chất lượng không khí Phương pháp xác định khối lượng hàm lượng bụi (Các tiêu chẩn Việt Nam về môi trường, năm
Khái quát mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong không khí
2.4.1 Sự phân bố chất ô nhiễm và phương trình toán học cơ bản
Khi mô tả quá trình khuyếch tán chất ô nhiễm trong không khí bằng mô hình toán học thì mức độ ô nhiễm không khí thường được đặc trưng bằng trị số nồng độ chất ô nhiễm phân bố trong không gian và biến đổi theo thời gian (Hoàng Xuân Cơ và Phạm Thị Việt Anh, 1999).
Trong trường hợp tổng quát, trị số trung bình của nồng độ ô nhiễm trong không khí phân bố theo thời gian và không gian được mô tả từ phương trình chuyển tải vật chất (hay là phương trình truyền nhiệt) và biến đổi hoá học đầy đủ như sau: x y z c
C: Nồng độ chất ô nhiễm trong không khí. x,y,z: Các thành phần toạ độ theo trục Ox, Oy, Oz. t: Thời gian.
Kx, Ky, Kz: Các thành phần của hệ số khuyếch tán rối theo các trục Ox, Oy Oz. u,v, w: Các thành phần vận tốc gió theo trục Ox, Oy, Oz.
Wc: Vận tốc lắng đọng của các chất ô nhiễm α : Hệ số tính đến sự liên kết của chất ô nhiễm với các phần tử khác của môi trường không khí. β : Hệ số tính đến sự biến đổi chất ô nhiễm thành các chất khác do những quá trình phản ứng hoá học xảy ra trên đường lan truyền.
Tuy nhiên pt (20) trên rất phức tạp và nó chỉ là một hình thức mô phỏng sự lan truyền ô nhiễm Trên thực tế để giải phương trình này người ta phải tiến hành đơn giản hoá trên cơ sở thừa nhận 1 số điều kiện gần đúng bằng cách đưa ra các giả thuyết phù hợp với điều kiện cụ thể sau:
Nếu hướng gió trùng với trục Ox thì thành phần tốc độ gió chiếu lên trục Oy sẽ bằng 0, có nghĩa là v = 0.
Tốc độ gió thẳng đứng thường nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ gió nên có thể bỏ qua, có nghĩa là w = 0 Trong nhiều trường hợp, nếu xét bụi nhẹ thì Ws = 0 (trong trường hợp bụi nặng thì lúc đó ta sẽ cho Ws ≠0).
Nếu bỏ qua hiện tượng chuyển pha (biến đổi hoá học) của chất ô nhiễm cũng như không xét đến chất ô nhiễm được bổ sung trong quá trình khuyếch tán thì α β= =0.
Như vậy sau các giả thiết và chấp nhận 1 số điều kiện gần đúng thì phương trình ban đầu được viết dưới dạng là: y z
Nếu giả sử rằng các hệ số k k y , z là không đổi thì pt (2) được viết lại là :
Trong trường hợp không tính đến thành phần phi tuyến u C x
Ta thấy phương trình (4) là dạng phương trình truyền nhiệt 2 chiều Tuỳ theo điều kiện ban đầu và điều kiện biên mà ta có các nghiệm giải tích khác nhau. Để tìm nghiệm giải tích phương trình (4), đầu tiên xét bài toán truyền nhiệt 1 chiều có dạng sau:
Với điều kiện ban đầu : u x t ( , ) = ϕ ( ) x −∞ < < +∞ x
( )x ϕ : là một hàm liên tục Đặt u(x, t) = X(x)T(t) vào phương trình truyền nhiệt ta được
(Xem cách giải phương trình 7 trang 53 [7])
Khi đó nghiệm của phương trình vi phân (5) có dạng u x t λ ( , ) = A ( ) λ e − λ 2 2 a t i x ± λ (9) λlà số thực bất kỳ (−∞ < < ∞λ )
Vì vậy ta chọn dấu dương của phương trình (9) và lập ra hàm số u x t ( , ) +∞ A ( ) λ e − a 2 2 λ t i x + λ d λ
Nếu các đạo hàm của phương trình (5) có thể tính được bằng cách vi phân thành phần dưới dấu tích phân của (10) thì có nghĩa phương trình (10) sẽ thoả mãn phương trình (5) hay phương trình (10) sẽ là nngiệm của phương trình (5).
Ngoài ra ta còn phải thoả mãn điều kiện ban đầu t = 0 Khi đó ta có: ϕ ( , ) x t +∞ A ( ) λ e d i x λ λ
Sử dụng công thức tính tích phân Fourier ngược ta được
Hàm số G x ( , , ) ζ t được gọi là nghiệm cơ sở của phương trình truyền nhiệt. Hàm số này thoả mãn phương trình truyền nhiệt theo các biến (x,t) và có thể kiểm tra trực tiếp bằng cách lấy đạo hàm:
Trở lại với phương trình lan truyền ô nhiễm 1 chiều () được viết lại với nguồn thải Q tại x = 0
∂ ∂ = ∂ ∂ (15) Đặt a 2 =k x thì nghiệm của phương trình (15) được viết lại là:
= − (16) Đây là nghiệm cảu bài toán lan truyền ô nhiễm một chiều với nguồn thải Q. Cùng với điều kiện biên x → ∞ thì C → 0 (Nồng độ ô nhiễm tại một điểm càng giảm khi điểm càng tiến xa khỏi chân nguồn thải) Đối với bài toán hai chiều ta có phương trình tương tự
= (17) Đối với bài toán 3 chiều ta có:
Trong các công thức trên
Q – lương phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm tức thời, g hoặc kg.
2.4.2 Công thức Berliand trong trường hợp chất khí và bụi nặng Để áp dụng vào thực tế tính toán ô nhiễm không khí, Berliand đã giới hạn xem xét công thức giải tích nhận được với z nhỏ (sát mặt đất):
(PT 1) Đối với nồng độ tại mặt đất, Berliand đã đưa ra công thức cho khí và bụi nhẹ:
, π (PT 2) Đặc trưng nổi bật của sự phân bố nồng độ dưới mặt đất C theo trục x (nghĩa là với y = 0) là nó đạt được giá trị cực đại Cm tại khoảng cách xm tính từ nguồn Các đại lượng Cm và xm được tìm từ điều kiện
(C ở đây là từ (PT 1)) Từ (PT 1) ta suy ra:
Trong các công thức này: u k 0 = k y ; H = h + H; 2
; T– nhiệt độ không khí đo bằng Kelvin; u10 – vận tốc gió tại độ cao 10 m; v –vận tốc khí thoát ra khỏi miệng ống khói (vận tốc khí phụt) (m/s); R – bán kính miệng ống khói (m); g – gia tốc trọng trường; ∆T = T b –T ( hiệu nhiệt độ của tạp chất khí thoát ra khỏi miệng ống và nhiệt độ không khí xung quanh, Tb và T tính bằng độ Kelvin = 273 + tº C).
Trong trường hợp chất thải là tạp chất nặng có cỡ hạt đồng nhất, Berliand đã nhận được công thức tính nồng độ từ một nguồn điểm có độ cao H được xác định bằng công thức:
Giá trị cực đại của Cm và khoảng cách từ đó tới nguồn xm được tìm cũng giống như đối với tạp chất nhẹ:
Trong đó w=1.3.10 − 2 ρ p r p 2 - là tốc độ rơi của các hạt có dạng hình cầu, trong đó
- mật độ các hạt bụi, r p – bán kính của chúng Trong công thức trên w được xác định bằng cm/s, cũn ρπ và r p được cho bằng g/cm 3 và àm tương ứng.
Tổng quan về GIS và Arcgis
2.5.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin đại lý
Trong vài thập kỷ gần đây, chuyên ngành địa lý học đã áp dụng mạnh mẽ kỹ thuật thông tin, trong đó có những phương pháp ứng dụng mới về các mô hình toán học và thống kê cũng như những ứng dụng các nguồn thông tin mới như dữ liệu viễn thám Trong bối cảnh này, hệ thống thông tin địa lý (GIS) đó đóng một vai trò quan trọng như là một kỹ thuật tổ hợp, GIS còn cho phép tạo ra cơ sở dữ liệu bản đồ, xây dựng mô hình, hỏi đáp và phân tích một lượng lớn dữ liệu mà tất cả đều được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu Hiện nay, GIS đang được sử dụng rộng rãi ở các nước đã và đang phát triển, đặc biệt ở các lĩnh vực quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên, môi trường, sử dụng đất đai, rừng và quản lý đô thị.
2.5.2 Khái niệm về hệ thống thông tin địa lý (GIS)
Có rất nhiều định nghĩa về “hệ thống thông tin địa lý” mà chúng ta có thể tham khảo như sau:
Theo Ducker định nghĩa: GIS là trường hợp đặc biệt của hệ thống thông tin ở ơ sở dữ liệu bao gồm sự quan sát các đặc trưng phân bố không gian, các hoạt động sự kiện có thể được xác định trong khoảng không như đường, điểm, vùng.
Theo Goodchid định nghĩa: GIS là một hệ thống sử dụng cơ sở dữ liệu để trả lời các câu hỏi về bản chất đại lý cảu các thực thể địa lý.
Theo Aronoff định nghĩa, GIS một hệ thống gồm các chức năng: Nhập dữ liệu, quản lý và lưu trữ dữ liệu, xuất dữ liệu.
Hệ thống địa lý – GIS là một hệ thống quản lý thông tin không gian được phát triển dựa trên cơ sở công nghệ máy tính với mục đích lưu trữ, cập nhật, quản lý, hợp nhất, mô hình hóa, phân tích và miêu tả được nhiều loại dữ liệu.
Tóm lại, hệ thống thông tin địa lý (Geographic information System, GIS) được định nghĩa như là một hệ thống thông tin mà nó sử dụng dữ liệu đầu vào, các thao tác phân tích, cơ sở dữ liệu đầu ra liên quan về mặt địa lý không gian, nhằm hỗ trợ việc thu nhận, lưu trữ, quản lý, xử lý, phân tích và hiển thị các thông tin không gian từ thế giới thực để giải quyết các vấn đề tổng hợp thông tin cho các mục đích của con người đặt ra, chẳng hạn như: Để hỗ trợ việc ra quyết định cho việc quy hoạch và quản lý sử dụng đất, tài nguyên thiên nhiên, môi trường, giao thông, dễ dàng trong việc quy hoạch phát triển đô thị và những việc lưu trữ hành chính.
2.5.3 Các thành phần và chức năng của hệ thống thông tin địa lý
GIS được cấu thành bởi 5 thành tố chính sau:
- Dữ liệu (Data): đây là thành phần quan trọng nhất của GIS, GIS có 2 loại dữ liệu.
- Phần cứng (Hardware): Bao gồm máy tính và các thiết bị ngoại vi
- Phần mềm (Software): Bao gồm nhiều modul, công cụ để thực hiện các chức năng: + Thu thập dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính.
+ Xử lý sơ bộ dữ liệu.
+ Lưu trữ và truy cập dữ liệu.
+ Tìm kiếm và phân tích không gian.
+ Hiển thị đồ hoạ và tương tác.
- Con người (People): yếu tố con người có ảnh hưởng rất lớn tới việc quản lý, xây dựng và phát triển các ứng dụng Một dụ án GIS chỉ thành công khi nó được quản lý tốt và con người tại mỗi công đoạn phải có kỹ năng thành thạo.
- Phương pháp (Method): để hệ thống GIS thành công phụ thuộc vào phương pháp sử dụng để thiết kế hệ thống.
2.5.4 Cơ sở dữ liệu của hệ thống thông tin địa lý
Cơ sở dữ liệu GIS là một tập hợp các thông tin (các tệp dữ liệu) ở dạng vector, raster và bảng số liệu với những cấu trúc chuẩn bảo đảm cho các bài toán đề tài có mức độ phức tạp khác nhau (Bùi Tá Long, 2008) Cơ sở dữ liệu trong GIS bao gồm 2 loại đó là: cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu thuộc tính.
2.5.4.1 Cơ sở dữ liệu không gian
Dữ liệu không gian dùng để mô tả vị trí, hình dạng và kích thước của đối tượng trong không gian, chúng bao gồm toạ độ và các ký hiệu dựng để xác định các đối tượng trên bản đồ Hệ thống thông tin địa lý dựng các số liệu không gian để tạo ra bản đồ hay hìnhảnh bản đồ trên màn hình máy tính hoặc trên giấy thông qua thiết bị ngoại vi.
Dữ liệu không gian bao gồm 3 loại đối tượng: điểm (point), đường (polyline) và vùng (polygon) Các đối tượng không gian này được lưu trữ ở 2 mô hình dữ liệu là vector và raster.
- Mô hình dữ liệu raster: trong mô hình này, thực thể không gian được biểu diễn thông qua các ô (cell) hoặc ô ảnh (pixel) của một lưới các ô Trong máy tính,lưới ô này được lưu trữ ở dạng ma trận trong đó mỗi cell là giao điểm của một hàng hay một cột trong ma trận Trong cấu trúc này, điểm được xác định bởi cell, đường được xác định bởi một số các cell kề nhau theo một hướng và vùng được xác định bởi một số các cell mà trên đó thực thể phủ lên
- Mô hình dữ liệu vector: trong mô hình này, thực thể không gian được biểu diễn thông qua các phần tử cơ bản là điểm, đường, vùng và các quan hệ topo (khoảng cách, tính liên thông, tính kề nhau…) giữa các đối tượng với nhau Vị trí không gian của các thực thể được xác định bởi toạ độ chung trong một hệ thống toạ độ thống nhất toàn cầu.
+ Điểm dùng cho tất cả các đối tượng không gian được biểu diễn như một cặp toạ độ (X,Y) Ngoài giá trị toạ độ (X,Y), điểm còn thể hiện kiểu điểm, màu, hình dạng và dữ liệu thuộc tính đi kèm Do đó, trên bản đồ điểm có thể được biểu hiện bằng ký hiệu hoặc dạng text (dạng chữ)
+ Đường dùng để biểu diễn tất cả các thực thể có dạng tuyến và được tạo nên từ hai hoặc nhiều hơn 2 cặp toạ độ (X,Y).
+ Vùng là một đối tượng hình học hai chiều, vùng có thể là một đa giác đơn giản hay hợp của nhiều đa giác đơn giản Như vậy, mô hình dữ liệu vector sử dụng các đoạn thẳng hay điểm rời rạc để nhận biết các vị trí của thế giới thực Việc đo diện tích và khoảng cách của các đối tượng được thực hiện bằng cách tính toán hình học từ các toạ độ của các đối tượng thay vì việc đếm các cell trong mô hình raster (Nguyễn Cung và Phạm Ngọc Hồ, 2001).
2.5.4.2 Cơ sở dữ liệu thuộc tính
Dữ liệu thuộc tính (dữ liệu phi không gian) là các thông tin đi kèm với các dữ liệu không gian, nó được dùng để chỉ ra các tính chất đặc trưng cho mỗi đối tượng điểm, đường và vùng trên bản đồ Thông thường, dữ liệu thuộc tính được tổ chức thành các bảng theo mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ, phân cấp và mạng lưới.
Tình hình ứng dụng GIS
2.6.1 Tình hình ứng dụng GIS trên thế giới
Các nước trên thế giới đặc biệt là những nước phát triển đã và đang áp dụng GIS trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điều tra quy hoạch, quản lý sử dụng đất, bảo vệ môi trường Năm 1989, các nhà nghiên cứu bảo vệ môi trường của Hà Lan đó nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ GIS vào đánh giá mức độ ảnh hưởng của khí thải và các phương tiện gia thông ở vùng Amstecdam Hiện nay, trên thế giới có khoảng trên 60.000 tổ chức và cá nhân sử dụng GIS trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong nhiều năm trở lại đây, GIS đã được các nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực như: địa chất, thổ nhưỡng, quy hoạch đô thị, nông lâm nghiệp, nghiên cứu và đã ứng dụng thành công trong nhiều công trình có giá trị (Phạm Ngọc Hồ, 2004).
Cụ thể điểm qua một số thành tựu đó là:
FAO (1983) đã là ứng dụng GIS trong mô hình phân vùng sinh thái nông nghiệp để đánh giá tài nguyên đất đai trên phạm vi toàn thế giới ở tỷ lệ bản đồ 1/5.000.000. Ứng dụng mô hình số hóa độ cao DEM để xây dựng bản đồ địa hình từ đó phân tích địa chất, địa mạo của khu vực.
Năm 1995 đã tiến hành đánh giá đất trồng lúa vùng luuw vực sông Ping – huyện Mactang – tỉnh Chiang Mai – Thái Lan.
- Ứng dụng hệ công nghệ GIS xây dựng bản đồ đơn vị đất đai huyện Khsách Kandal tỉnh Kandal, Campuchia của NCS Choum Sinnara, trường Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội Theo nghiên cứu này, tác giả đó xác định được 6 chỉ tiêu xây dựng bản đồ đơn vị là: loại đất, thành phần giới, địa hình, độ phì đất, chế độ tưới, ngập úng và đã xác định toàn huyện có 19 đơn vị đất đai.
- Một số nước phát triển như Úc, Canada, Thụy Điển đó ứng dụng GIS để xây dựng một hệ thống thông tin chuyên dụng khác như hệ thông tin địa chính phục vụ cho các mục đích đa dạng về quản lý trong ngành địa chính.
2.6.2 Tình hình ứng dụng GIS tại Việt Nam
Công nghệ GIS mới phát triển mạnh ở Việt Nam trong khoảng hơn 10 năm trở lại đây Hiện nay, đã có nhiều cơ quan Nhà nước, các trường Đại học và các Viện nghiên cứu của mình Đặc biệt trong công tác đánh giá đất, những ứng dụng GIS đó có những đóng góp thiết thực trong việc bảo vê, khai thác và sử dụng một cách hiệu quả, bền vững nguồn tài nguyên đất đai (Đặng Kim Vui và cs, 2013) Sau đây là một số chương trình và đề tài ứng dụng GIS tại Việt Nam:
- Năm 1990, lần đầu tiên FAO đã ứng dụng GIS vào xây dựng bản đồ vùng sinh thái cho vùng đồng bằng sông Hồng ở tỷ lệ bản đồ 1/250.000.
- Năm 2011, Thạc sỹ Trương Thành Nam (Đại học Nông lâm Thái Nguyên) ứng dụng GIS trong xây dựng cơ sở dữ liệu giá đất ở đô thị tại thành phố TháiNguyên, tỉnh Thái Nguyên Kết quả của nghiên cứu đã xây dựng cơ sở dữ liệu về giá đất ở đô thị qua các năm, phục vụ nghiên cứu về thị trường bất động sản, nghiên cứu các nguyên nhân ảnh hưởng đến cung cầu đất ở đô thị và thành lập được bản đồ giá đất ở đô thị năm 2011.
- Thạc sỹ Nguyễn Văn Bình, kỹ sư Lê Thị Hoài Phương (Khoa Tài nguyên đất và môi trường nông nghiệp, Đại học Nông Lâm Huế) đã ứng dụng GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu giá đất theo vị trí phục vụ thị trường bất động sản tại phườngHòa Cường Bắc, quận Hải Châu, thành phố Đà nẵng Kết quả đã thiết lập nên dữ liệu thuộc tính và không gian về các thửa đất phục vụ cho thị trường bất động sản cũng như phục vụ cho việc tính toán các khoản tài chính liên quan tới đất đai một cách hiệu quả và chính xác, thuận tiện và nhanh chóng (ĐHTN, 2012, NguyễnNgọc Anh, Lê Văn Thơ, 2013).
Tổng quan về phần mềm Arc
Arcgis Desktop là một sản phẩm của viện nghiên cứu hệ thông thông tin môi trường (ESRI) Có thể nói đây là một phần mềm GIS hoàn thiện nhất Arsgis cho phép người sử dụng thực hiện những chức năng của GIS ở bất cứ nơi nào họ muốn: trên màn hình, máy chủ, trên Web, trên các field,… Phần mềm Arcgis Desktop bao gồm 3 ứng dụng chính sau:
- ArMap: để xấy dựng, hiển thị, xử lý và phân tích các bản đồ:
- Tạo các bản đồ từ rất nhiểu các loại dữ liệu khác nhau.
- Truy vấn dữ liệu không gian để tìm kiếm và hiểu mối liên hệ giữa các đối tượng -không gian.
- Hiển thị trang in ấn.
- ArcCatolog: dùng để lưu trữ, quản lý hoặc tạo mới các dữ liệu địa lý.
- Tạo mới một cơ sở dữ liệu.
- Explore và tìm kiếm dữ liệu.
- Xác định hệ thống tọa độ cho cơ sở dữ liệu.
- ArcToolbox: cung cấp các công cụ để xử lý, xuất nhập các dữ liệu từ các định dạng khác như: Mapinfo, MicroStation, AutoCad,…
Hình 2.3 Tổng quan các ứng dụng của ArcGis Desktop
Mỗi bản đồ trong Arcmap được gọi là Mapdocument, một bản đồ có thể có một hay nhiều data frames Data Frame là một nhóm các lớp ( Data layer ) cùng được hiển thị trong một hệ quy chiếu Mỗi Data Frame có thể có một hệ quy chiếu riêng Các Data Frame được hiển thị riêng biệt trong chế độ Data View và có thể hiển thị trong cùng một Layout view Thông thường, một bản đồ đơn giản chỉ có một Data Frame và cần sử dụng nhiều Data Frame khi cần in thêm một số bản đồ phụ trên 1 mảnh bản đồ chính Bản đồ (Mapdocument) được ghi trong file có đuôi là mxd.
Arcmap có chức năng Project on – the – fly cho phép thay đổi một cách nhanh chóng hệ quy chiếu của các Layer.
Layer là tổ hợp cấp cao các dữ liệu Một Layer file chứa các nội dung:
- Đường dẫn tới dữ liệu (shapefile, geodatabase, )
- Các tham số để hiển thị như màu sắc, lực nét ký hiệu.
- Các Layer có thể được tao ra từ nhiều nguồn dữ liệu khác nhau: Shape files, personal geodatabase, ArcInfo cover datasets, CAD drawings, SDE databases, photo, image.
- Dữ liệu lưu trữ trong ArcGis được lưu trữ ở 3 dạng: shapefile, coverages, geodatabase.
Shape files: lưu trữ cả dữ liệu không gian lẫn dữ liệu thuộc tính Tuỳ thuộc vào các loại đối tượng không gian mà nó lưu trữ, Shape files sẽ được hiển thị trong ArcCatolog bằng 1 trong 3 biểu tượng sau:
Về thực chất shape file không phải là 1 file mà là 5-6 file có tên giống nhau nhưng đuôi kách nhau 3 file quan trong nhất của shape file là các file có đuôi:
*.shp – chứa các đối tượng không gian (Geometry)
*.shx – chỉ số để liên kết đối tượng với bảng thuộc tính
*.prj – xác định hệ quy chiếu của shape file.
Coverages : lưu trữ các dữ liệu không gian, thuộc tính và topology Các dữ liệu không gian được hiển thị ở dạng điểm, đường, vùng và ghi chú.
GeoDatabase : là một CSDL được chứa trong một file có đuôi là *.mdb Khác với shape file, GeoDatabase cho phép lưu giữ topology của các đối tượng Cấu trúc của GeoDatabase như sau:
Trong GeoDatabase có 1 hay nhiều Feature Dataset Feature Dataset là một nhóm các loại đối tượng có chung một hệ quy chiếu và hệ toạ độ Một FeatureDataset có thể chứa một hay nhiều Feature class Feature class chính là đơn vị chứa các đối tượng không gian của bản đồ và tương đương với 1 layer trong Arcmap.Mỗi Feature class chỉ chứa một đối tượng ( polygon –vùng, line-đường, point- điểm) Một Feature class sẽ được gắn với 1 bảng thuộc tính (Attribute Table) Khi bạn tạo Feature class thì bảng thuộc tính cũng được tự động tạo theo [13].
Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
2.8.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài trên thế giới
Hiện nay trên thế giới có nhiều công trình khoa học đã nghiên cứu về tác hại của bụi cũng như sự ảnh hưởng của bụi tới sức khỏe của con người và động thực vật, bên cạnh đó cũng có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng các phương trình tính toán như Gauss, BERLIAND M.E để mô hình hóa các quá trình ô nhiễm.
Có một số công trình nổi tiếng như: Dust, Gas and Molecules in the Universe của Dimitra Rigopoulou đại học Oxford (Phạm Ngọc Hồ, 2005).
2.8.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài trong nước Ở nước ta hiện nay đã có những công trình nghiên cứu khoa học bước đầu ứng dụng công nghệ thông tin vào quản lý và dự báo về môi trường như: Đề tài “Ứng dụng công nghệ GIS mô phỏng quá trình ô nhiễm môi trường không khí một số khu vực khai thác than tỉnh Thái Nguyên” của ThS Nguyễn Ngọc Anh, Khoa Tài nguyên và Môi trường, Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên. Đề tài “Xây dựng mô hình quản lý môi trường khu công nghiệp Tân Bình bằng công cụ tin học” của sinh viên Lê Thi Hồng Thương do TSKH Bùi Tá Long trường Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM hướng dẫn. Đề tài “Tính toán nồng độ khí gây ô nhiễm từ nguồn thải dô giao thông đoạn đường Cầu Giấy - Cầu Vượt Đại Học Quốc Gia Hà Nội” của Trần Triệu Phú trường Đại Học Quốc Gia – ĐH Công Nghệ - Khoa Cơ Học Kỹ Thuật. Đề tài “Mô hình khếch tán rối và các chất ô nhiễm trong lớp biên khí quyển ở
Hà Nội” Đề tài NCKH cấp bộ của Phạm Ngọc Hồ. Đê tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng bản đồ hiện trạng môi trường thành phần và tổng hợp thành phố Hà Nội - ứng dụng để thành lập bản đồ môi trường không khí, Báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu đề tài cấp thành phố” của Phạm Ngọc Hồ.
Các công trình công bố của Hoàng Văn Hùng, Nguyễn Ngọc Anh (2013).
“Nghiên cứu xây dựng chương trình tính toán nông độ chất ô nhiễm trong môi trường không khí dựa trên công thức khếch tán của Gauss bằng ngôn ngữ Visual Basic” Tạp chí Nông nghiệp và PTNT.
Hoàng Văn Hùng, Nguyễn Văn Nghĩa (2013) “Đánh giá hiện trạng và xây dựng bản đồ chất lượng môi trường không khí khu vực thành phố Vĩnh Yên, tỉnh Vĩnh Phúc” Tạp chí Nông nghiệp và PTNT.
Phạm Ngọc Hồ (2005) “Phương pháp đánh giá chất lượng môi trường tổng hợp và ứng dụng để lập bản đồ hiện trạng môi trường thành phần” Kỷ yếu hội nghị môi trường toàn quốc lần thứ II, 2005 v.v.
Từ các dẫn liệu của tổng quan tài liệu: các cơ sở lí luận, cơ sở khoa học và các công trình nghiên cứu trên là cơ sở quan trọng để tôi tiến hành nghiên cứu đề tài này tại mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Nồng độ bụi và chất lượng môi trường không khí của khu vực mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên.
- Phạm vi nghiên cứu: khu vực mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên.
Thời gian và địa điểm nghiên cứu
- Thời gian tiến hành nghiên cứu: Từ 31/12/2013 - 30/4/2014
- Địa điểm nghiên cứu: Mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên
Nội dung nghiên cứu
3.3.1 Đặc điểm của khu vực nghiên cứu
3.3.2 Đặc điểm, hiện trạng môi trường không khí dưới sự ảnh hưởng của bụi mỏ 3.3.2.1 Các nguồn phát sinh.
3.3.2.2 Kết quả thực hiện quan trắc.
3.3.2.3 Nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của bụi than đến môi trường không khí vùng mỏ.
3.3.3 Xây dựng bản đồ mô phỏng, cảnh báo ô nhiễm bụi thải so với quy định, quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam
3.3.5 Đề xuất một số giải pháp nhằm hạn chế và giảm thiểu tác động tiêu cực của bụi mỏ tới chất lượng môi trường không khí.
Phương pháp nghiên cứu
3.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu sơ cấp
- Thu thập các tài liệu, số liệu, các công trình đã được nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến các vấn đề nghiên cứu: Đặc điểm của khu mỏ khai thác than Khánh Hòa – Thái Nguyên.
- Kế thừa và tham khảo các kết quả đã đạt được của các báo cáo, đề tài có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
3.4.2 Phương pháp xác định vị trí và tiến hành quan trắc
- Khảo sát thực địa, định vị điểm đo và thực hiện quan trắc môi trường.
- Sử dụng máy GPS cầm tay-trimble để định vị điểm quan trắc.
- Sử dụng máy đo bụi tổng số (DustTRAK – MODEL8520) để đo đạc và xác định hàm lượng bụi có trong môi trường không khí tại thời điểm đo.
Cách tiến hành xác định vị trí và tiếng hành quan trắc: Tiến hành tại công trường trong thời điểm đang hoạt động, thực hiện quan trắc tại 13 điểm, phân bố điều trong khu vực mỏ than Khánh Hòa, tại mỗi điểm tiến hành định vị điểm 1 lần, và quan trắc nồng độ bụi thải 3 lần rồi lấy giá trị trung bình.
Tiến hành định vị điểm quan trắc theo phương pháp đo tĩnh nhanh bằng máy GPS cầm tay-Trimble:
Bước 1: chọn Configuration -> chọn thiết lập phương pháp định vị -> chọn new -> nhập tên của phương pháp
Bước 2: nhấn enter để chấp nhận -> nhấn Esc để thoát ->chọn Fast Static - chọn Edit -> chọn thiết lập các thông số cho trạm Rover
Bước 3: chọn Edit : đo tĩnh nhanh, chọn Controller, thời gian tự động định vị 15s, chọn PDOP =6, góc ngưỡng 13 độ, nhập chiều cao
Antena, kiểu Antena, chọn Accep để ghi nhớ
Tiến hành quan trắc nồng độ bụi thải bằng máy đo bụi tổng số:
+ Bước 1: Lắp cổng lấy mẫu lên máy (Lưu ý có 2 loại cổng lấy mẫu tùy thuộc vào kích thước bụi là 2.5um và 1.0um, với cổng 1.0 um cần lắp thêm tấm nêm)
+ Bước 2: Bật máy, lắp bộ chuẩn zero vào cổng lấy mẫu để chuẩn giá trị của máy về 0 phục vụ việc đo đạt
+ Bước 3: Lắp bộ đo lưu lượng vào cổng lấy mẫu sau khi đã chuẩn xong, sử dụng vít điều chỉnh lưu lượng để đưa về lưu lượng cho phù hợp với nhu cầu đo
+ Bước 4: Tiến hành đo (nếu sử dụng cổng lấy mẫu loại 2.5um thì cần lắp thêm cyclone nối với cổng), nhấn giữ nút Statistic để hiển thị giá trị trung bình, min và max
3.4.3 Phương pháp xây dựng bản đồ
- Sử dụng bản đồ trong điều tra thực địa, định vị và thiết lập sơ đồ các điểm quan trắc.
- Tích hợp giữa cơ sở dữ liệu không gian (bản đồ nền), và cơ sở dữ liệu thuộc tính (số liệu quan trắc, thu thập, phân tích về môi trường), thành lập bản đồ ô nhiễm mô phỏng quá trình ô nhiễm bụi thải tại khu vực nghiên cứu.
- Tham khảo ý kiến của những người am hiểu về vấn đề nghiên cứu, làm sáng tỏ những vấn đề chưa hiểu trong nghiên cứu.
- Dùng các chức năng của GIS để nhập dữ liệu, truy xuất, biên tập, xuất vẽ tạo ra những bản đồ chứa các dữ liệu thuộc tính.
- Ứng dụng phần mềm Arc thực hiện xử lý, truyền trút dữ liệu từ bản đồ hiện trạng sử dụng đất trên phần mềm Microstation, tạo ra bản đồ nền, kết hợp với xây dựng cơ sở dữ liệu thuộc tính từ số liệu đã được quan trắc, thu thập, xử lý Kết thúc quá trình này ta sẽ thu được sản phẩm là bản đồ chuyên đề mô phỏng quá trình ô nhiễm bụi thải tại khu vực vùng mỏ
- So sánh những dữ liệu môi trường với những quy chuẩn và tiêu chuẩn môi trường để đưa ra kết luận và biện pháp.
Đặc điểm của khu vực nghiên cứu
Mỏ than Khánh Hoà thuộc địa phận xã Sơn Cẩm, huyện Phú Lương, xã Phúc
Hà, huyện Đồng Hỷ, tỉnh Thái Nguyên Mỏ cách trung tâm thành phố Thái Nguyên
4 km về phía Tây Khu mỏ được giới hạn bởi hệ toạ độ nhà nước VN2000, KTT105, múi chiếu 3 o như sau.
Hình 4.1: Bản đồ địa chính khu vực moong khai thác-mỏ than Khánh
Khu mỏ nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, một năm có hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 Lưu lượng mưa trong mùa thay đổi từ 1.800mm - 2.200 mm, chủ yếu tập trung vào các tháng 7, 8, 9, hướng gió Nam và Đông Nam, nhiệt độ không khí cao nhất trong năm từ 37 o-
Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, không khí khô ráo, lượng mưa nhỏ, hướng gió Bắc, Đông Bắc Nhiệt độ mùa này thấp, trung bình từ 10 o- 15 o C, có những ngày lạnh nhất nhiệt độ giảm xuống đến 3 o - 4 o C.
+ Địa tầng Địa tầng mỏ than Khánh Hoà bao gồm chủ yếu là các trầm tích Mezozoi (Mz) và Đệ tứ (Q) Địa tầng Mezozoi trong khu thăm dò có mặt các trầm tích hệ Trias thống Trung và Thượng, bao gồm các hệ tầng Nà Khuất (T2 nk) và hệ tầng Văn
Lãng (T3n-r vl) Ngoài ra còn có các trầm tích Jura hệ tầng Hà Cối (J1-2 hc) nhưng phân bố cách xa mỏ về phía Đông Bắc.
Nếp uốn: Mỏ than Khánh Hoà nằm trọn trong một nếp lõm hoàn chỉnh, có trục kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam khoảng 4 - 5 km, chiều rộng của nếp lõm khoảng 400m - 600 m, khá hẹp ở phía Đông Nam và mở rộng dần về phía Tây Bắc Nếp lõm này có dạng hình chậu khép kín, trục nâng cao ở phía Đông Nam, làm lộ hầu hết các vỉa than từ vỉa 13 và chìm dần về phía Tây Bắc Ở đây chỉ còn lộ vỉa 16 Đứt gãy: Các trầm tích chứa than khu Tây Bắc Thái Nguyên, bao gồm các mỏ Khánh Hoà, Ba Sơn, Làng Cẩm, Phấn Mễ nằm giữa hai đứt gãy bậc I, bậc II, bậc III có phương trùng hoặc cắt với các đứt gãy trên, phân chia trầm tích Mezozoi thành các khối cấu tạo nhỏ.
Nước mặt phân bố trong các dòng suối, đầm, hồ vốn khá phong phú trong vùng mỏ Khánh Hoà Toàn vùng có nhiều sông suối chảy qua mỏ hoặc ven khu mỏ, trong đó Suối Huyền và suối Làng Sòng là những suối lớn, nó còn là hợp lưu của các suối nhỏ khác Đồng thời hai suối này lại hợp thành sông Nam Tiền ở phía Đông Bắc khu mỏ Ngoài ra, còn có nhiều suối nhỏ khác như suối Làng Ngò, Sơn Cẩm, Tân Long Các suối này thường có lòng rộng từ 1 m đến 5 m, độ dốc lòng suối nghiêng từ 10 - 20 o Suối thường chảy quanh co, ven bờ lộ đá vôi sét, bột kết, sét kết Lưu lượng nước phụ thuộc theo mùa, mùa mưa lưu lượng dao động từ 244,49 đến 5.221,00 l/s, mùa khô lưu lượng thay đổi từ 0,024 đến 128,00 l/s Nguồn cung cấp nước chủ yếu là nước mưa và nước trong các trầm tích Đệ tứ, phân bố trên các sườn đồi hai bên thũng lũng Tổng độ khoáng hoá thay đổi từ 0.082 đến 2,02. Nhìn chung, nước mặt khu mỏ Khánh Hoà khá phong phú Dựa vào kết quả phân tích thành phần hoá học và đặc tính kỹ thuật cho thấy nước ở đây thuộc loại Bicacbonat Canxi và Bicacbonat Canxi – Manhe, không có tính ăn mòn, có thể sử dụng trong sản xuất và sinh hoạt Riêng lưu lượng nước ở các suối có thể ảh hưởng đến khai thác lộ thiên, nhất là vào mùa mưa hàng năm.
Nước trong trầm tích chứa than có quan hệ mật thiết và phụ thuộc rất nhiều vào nước mặt Nguồn cung cấp chính vẫn là nước mưa và nước trong các dòng suối chảy quanh mỏ Về thành phần, đặc tính hoá lý của nước, qua kết quả phân tích mẫu nước trong các lỗ khoan bơm và giếng nước ăn cho thấy: Tổng độ khoáng hoá thay đổi từ 0,1648 - 0,2449 g/l, độ pH thay đổi từ 6 - 7,3, độ cứng tổng quát thay đổi từ 2,64 - 13,95, hệ số ăn mòn thay đổi từ -6,864 đến -1,453, thuộc loại không ăn mòn. Nước trong tầng trầm tích chứa than thuộc loại Bicacbonat Canxi.
Nước dưới đất tại mỏ Khánh Hoà không giàu, không ảnh hưởng nhiều đến khai thác lộ thiên nhưng sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến khai thác lò giếng
4.1.5 Đặc điểm dân cư và kinh tế
Khu mỏ Khánh Hoà nằm trong vùng kinh tế khá phát triển, gần thành phốThái Nguyên - một trong những trung tâm kinh tế lớn vùng Đông Bắc, gần khu gang thép Thái Nguyên, khu công nghiệp Gò Đầm Trong vùng còn nhiều nhà máy xi măng, nhà máy giấy, nhà máy cơ khí và nhiều cơ sở kinh tế, công nghiệp khác. Đặc biệt, nhà máy nhiệt điện Cao Ngạn, đây là hộ tiêu thụ than chủ yếu của mỏ Khánh Hoà.
Khu mỏ có điều kiện giao thông rất thuận lợi Từ mỏ có đường ô tô dài 2km nối với Quốc lộ 3 Mỏ ở gần đường sắt Hà Nội - Quán Triều và các đường Quốc lộ nối với các tỉnh và thành phố Hà Nội, Lạng Sơn, Bắc Kạn, Cao Bằng.
Đặc điểm, hiện trạng môi trường không khí của khu vực nghiên cứu dưới sự ảnh hưởng của bụi mỏ
sự ảnh hưởng của bụi mỏ.
4.2.1 Các nguồn phát sinh Đối với mỏ lộ thiên và mỏ hầm lò bụi thải phát sinh chủ yếu ở những khâu sau:
- Nổ mìn : quá trình nổ mìn (thường hàng trăm tấn thuốc nổ một lúc ) có thể tạo ra những đám mây bụi cao 150 – 200m Ở khoảng cách xa bãi mìn 30 – 40m nồngđộbụi đạt tới 800 – 5000mg/m3 Bình quân phá vỡ 1m 3 đất đá sinh ra 0,027 -0,17kg bụi.
- Bụi do quá trình vận chuyển bằng ô tô: mỏ than thường dùng ô tô trọng tải lớn để vận chuyển than và đất đá Nồng độ bụi trong không khí khi ô tô chạy qua là khoảng120mg/m 3 , nếu lưu lượng ô tô lớn thì có thể đạt tới 2257mg/m 3
- Bụi ở bãi thải: khi ô tô đổ đá thải thì nồng độ bụi trong không khí đạt 1340mg/m3.
- Bụi do bốc xúc: khi máy xúc công xuất 175m 3 /giờ làm việc thì nồng độ bụi trong không khí xung quanh là 205mg/m 3
Theo các tài liệu nghiên cứu, nói chung nguồn tạo bụi trong các khu khai thác than chủ yếu la do khai thác lộ thiên và quá trình vận chuyển Vì các mỏ lộ thiên có cường độ tạo bụi lớn và có khả năng lan truyền rất xa nhờ gió tự nhiên Nguồn tạo bụi trong các mỏ lộ thiên chủ yếu do các thiết bị máy móc làm việc như khoan, vận chuyển, bốc xúc, đổ thải và đặc biệt là nổ mìn.nhiều quan trắc cho rằng do nổ mìn lớn gây ô nhiễm nặng bầu khí quyển của công trường khai thác và các khu dân cư phụ cận, những đám mây bụi khi nổ mìn lớn được tung lên đến độ cao 150 – 250m sau đó theo hướng gió lan truyền đến khoảng cách khá xa Khi nổ mìn thì lượng bụi chia thành nhiều thành phần cỡ hạt được liệt kê dưới đây:
Thành phần các hạt trong khí bụi (%) với cỡ hạt (mm) sau khi nổ mìn
Còn quá trình vận chuyển cũng là một nguồn tạo bụi rất lớn do không có giải pháp chống bụi làm ảnh hưởng trực tiếp đến khu dân cư Một nguồn tạo bụi khác không thể không nói đến là do các hoạt động khoan với lọai máy xoay cầu có công suất rất lớn mà đa số đã cũ thiết bị lọc bụi không đủ tiêu chuẩn do đó gây ra lượng bụi rất lớn ở các công trường.
Theo kết quả nghiên cứu bụi tai vùng than được chia làm hai loại:
-Bụi lắng: có kích thước hạt lớn hơn so với bụi lơ lửng, bụi lắng thường gây lắng đọng trên các công trình công cộng…
- Bụi lơ lửng (cú đường kớnh hạt bụi nhấn OK để chương trình chạy.
Bước 2: Sau quá trình truyền dữ liệu, kết hợp với các thao tác xử lý ta có sản phẩm là bản đồ nền như hình dưới đây:
Bước 3: Thực hiện liên kết giữa dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính (đã được quan trắc, thu thập và xử lý trên Excel)
Bước 4: Chạy bản đồ mô phỏng ô nhiễm (chỉ tiêu bụi thải).
- Kết quả sau khi chạy chương trình:
Bước 5: Tạo biểu đồ biểu thị mức độ ô nhiễm bụi so với Quyết định 3733/2002/QĐ-BYT (đối với khu vực trong moong khai thác): h Hình 4.11
- Kết quả mô phỏng bằng biểu đồ CSDL
- Kết quả xây dựng bản đồ mô phỏng, và cảnh báo ô nhiễm như sau :
Hình 4.13: Bản đồ mô phỏng ô nhiễm bụi khu dân cư trong vùng mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên năm 2013
Hình 4.14: Cơ sở dữ liệu bản đồ mô phỏng ô nhiễm bụi khu dân cư trong vùng mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên năm 2013
Hình 4.15: Bản đồ mô phỏng ô nhiễm bụi thải khu vực mỏ khai thác mỏ than
Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên năm 2013
Hình 4.16: Cơ sở dữ liệu bản đồ mô phỏng ô nhiễm bụi thải khu vực mỏ khai thác mỏ than Khánh Hòa, tỉnh Thái Nguyên năm 2013
4.4 Nhận xét Đối với khu vực khai thác: sau khi so sánh số liệu quan trắc giữa hai năm
2012 và 2013 kết hợp cùng bản đồ mô phỏng quá bụi thải năm 2013 ta thấy: nồng độ bụi thải tại moong khai thác không có xu hướng biến đổi nhiều, điều nằm dưới ngưỡng cho phép theo Quyết định 3733/2002/QĐ-BYT (với ngưỡng cho phép của bụi trong khu vực mỏ khai thác theo Quyết định này là 4mg/m 3 ), Tuy nhiên, tại vị trí sàng tuyển nồng độ bụi gia tăng mạnh, tại số liệu quan trắc của 2012 nồng độ bụi tại khu vực sàng tuyển là 2,15mg/m3 ở dưới ngưỡng cho phép, nhưng đến năm
2013 đã đạt ngưỡng 5,56mg/m3 vượt quá ngưỡng tiêu chuẩn cho phép Đối với khu vực các khu dân cư: sau khi so sánh số liệu quan trắc về bụi thải giữa hai năm 2012 và 2013 kết hợp với bản đồ mô phỏng ta thấy nồng độ bụi thải gia tăng và diễn biến theo chiều hướng xấu, nằm trên ngưỡng cho phép theo TCVN 05:2009/BTNMT- Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia về môi trường không khí xung quanh.
Khi so sánh nồng độ bụi thải sau khi tiến hành quan trắc tại năm 2013 với nồng độ bụi tại ngưỡng cho phép theo QCVN05:2009/BTNMT (ngưỡng cho phép đối với môi trường không khí xung quanh tại khu vực khu dân cư đối với bụi thải theo Quy chuẩn này là 0.3mg/m 3 ), ta thấy có nơi vượt ngưỡng tới hơn 5 lần, đạt mức 1,6 mg/m3, tại nhà ông Ngô Văn Quý, xóm Ngò, xã An Khánh, huyện Đại Từ, tỉnh thái Nguyên Hay tại Tại khu vực dân cư xóm Cao Sơn 4, xã Sơn Cẩm, huyện Phú Lương, tỉnh Thái Nguyên nồng độ bụi cũng vượt ngưỡng tiêu chuẩn cho phép hơn 4 lần ở 1,3mg/m3 Như vậy môi trường không khí ở khu dân cư nằm gần khu vực khai thác đang có dấu hiệu bị ô nhiễm bụi thải, cần có những biện pháp cụ thể để hạn chế và khắc phục.
Các giai pháp nhằm hạn chế và giảm thiểu ô nhiễm mỗi trường vùng mỏ
1 Biện pháp thông gió mỏ:
Thông gió mỏ là biện pháp cực kỳ quan trọng trong khai thác than, đặc biệt là khai thác hầm lò Thông gió mỏ là điều kiện bắt buộc ngoài việc phòng chống cháy nổ khí CH4 còn là giải pháp hiệu quả chống bụi Thông gió mỏ là đưa các khối không khí sạch từ ngoài môi trường vào trong các hầm lò và hút các khí từ trong hầm lò ra ngoài.
2 Biệm pháp kiểm soát các hoạt động thăm dò, khoan, nổ mìn.
Các hoạt động thăm dò , khoan , nổ mìn tại các vùng than đặc biệt trong khai thác lộ thiên là nguồn tạo bụi rất lớn Các giải pháp nhằm kiểm soát việc phát thải bụi vào trong không khí từ các hoạt động khoan nổ mìn là:
- Tối thiểu hóa diện tích tiếp xúc bề mặt của các hoạt động khai thác than
- Sử dụng hệ thống hút bụi Cyclone trong các máy khoan
- Xác định kích cỡ của vụ nổ mìn và lượng thuốc sử dụng cho nổ mìn nhằm hạn chế việc tạo bụi vào trong không khí.
- Tưới nước hay làm ẩm khối vật liệu trước khi khoan thăm dò, nổ mìn.
3 Biện pháp kiểm soát trong hoạt động xúc bốc
Dùng nước làm ẩm khối đất đá khi xúc bốc là rất tốt trong việc hạn chế bụi phát thải vào trong không khí.
4 Biện Pháp kiểm soát các hoạt động vận chuyển than, đất đá.
- Giảm mật độ xe cộ chạy trên đường, bố trí lịch vận chuyển hợp lý, có biện pháp che, đậy mỗi khi chạy.
- Lắp đặt hệ thống phun sương cao áp tại các tuyến đương vận tải
- Bê tông hóa đường vận chuyển
- Làm ẩm đường vận chuyển than.
5.Biện pháp giảm thiểu bụi tại kho than, bãi thải.
- Cần căn cứ vào hướng gió chọn vị trí bãi thải hợp lý nhằm hạn chế đến mức tối thiểu, các ảnh hưởng của bụi đến khu dân cư, các bãi thải không được cao quá. Nên đặt ở các thung lũng để ít chịu ảnh hưởng của gió.
- Tạo lớp phủ thực vật trên bãi thải nhằm hạn chế tối đa bề mặt trống trên bãi thải dẫn đến giảm việc xói mòn do gió đến bãi thải.
- Giảm tốc độ gió thổi qua bãi thải bằng việc sử dụng các rào chắn gió.
Tại các kho than cũng là các nguồn tạo bụi trên bề mặt và chủ yếu tạo bụi do gió nên có một số biện pháp sau đây:
- Trồng cây xanh xung quanh kho than
- Bê tông hóa mặt bằng kho than
- Tạo rào cản gió xung quanh kho than như xây tường rào nhằm hạn chế khả năng lan truyền bụi ra ngoài.
6 Các biện pháp giảm thiểu bụi tại khu vực sàng tuyển
- Sử dụng hệ thống phun sương cao áp
- Phun nước bằng vòi di động tại cong nghệ sàng thô trước khi làm việc
- Che kín các thiết bị như băng tải, các phễu rót than nơi hình thành bụi
- Làm ẩm thn đến mức giói hạn cho phép trước khi rót than vào các toa tầu
- Có các thiết bị thu dọn bụi lắng tại các nơi sinh bụi như ngiền sàng…
7 Các biện pháp quy hoạch:
Trong khai thác than quy hoạch là biện pháp quan trọng nhất nhằm giảm thiểu các tác động của bụi và các chất độc hại đến môi trường, đến các khu dân cư.
- Ở các khu sản xuất, khu khai trường , các nhà máy sàng tuyển cần đặt nằm ở cuối hướng gió chủ đạo so với khu dân cư.
- Tạo khoảng cách ly vệ sinh đối với các nhà máy, các bãi thải, khu khai trường với khu dân cư như trồng cây xanh
- Quy hoạch hợp lý các bãi thải như chọn vị trí đổ thải
- Nghiêm cấm các cảng than tự phát ở gần khu dân cư.
- Cần xây dựng các tuyến đường riêng dành cho các phương tiện vận chuyển than nhằm tránh đi qua khu dân cư (Lê Văn Thao,1995).
Kết luận
Đặc điểm về điều kiệu tự nhiên, kinh tế, xã hội của mỏ than Khánh Hòa đã được nghiên cứu, thu thập và trình bày cụ thể, chi tiết trong phần trên của báo cáo là cơ sở quan trọng cho công tác điều tra, quan trắc, phân tích, đánh giá sự ảnh hưởng của bụi thải tới môi trường không khí.
Thông qua việc nghiên cứu các nguồn phát sinh kết hợp cùng hoạt động quan trắc, điều tra và phân tích giúp ta có những đánh giá khách quan và chính xác ảnh hưởng của bụi than tới chất lượng môi trường không khí vùng mỏ.
Bản đồ mô phỏng, cảnh báo ô nhiễm bụi thải so với quy định, quy chuẩn, tiêu chuẩn Việt Nam đã được xây dựng trên cơ sở ứng dụng phần mềm Arc, là sự tích hợp giữa cơ sở dữ liệu không gian và cơ sở dữ liệu thuộc tính về bụi thải, cung cấp cho ta một bức tranh tổng hợp và khái quát về sự ảnh hưởng của nồng độ bụi thải tới chất lượng môi trường không khí
Trên cơ sở sở tiến hành điều tra, khảo sát, quan trắc, xây dựng bản đồ mô phỏng ta đưa ra kết luận: trong khu vực khai thác nồng độ bụi thải nằm dưới ngưỡng cho phép theo Quyết định 3733/2002/QĐ-BYT (Ban hành 21 Tiêu chuẩn,
05 nguyên tắc và 07 thông số Vệ sinh lao động) Tuy nhiên trong khu vực dân cư nằm gần địa bàn mỏ nồng độ bụi thải vượt quá ngưỡng cho phép so với QCVN 05:2009/BTNMT (Chất lượng không khí xung quanh), theo kết quả quan trăc năm
2013 vị trí có nồng độ bụi thải cao nhất tại khu vực dân cư đạt mức 1,6 mg/m 3 , gấp hơn 5 lần tiêu chuẩn cho phép (0,3 mg/m 3 ), có thể thấy nồng độ bụi thải đang có xu hướng gia tăng, gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tới chất lượng môi trường không khí xung quanh và đời sống của người dân nằm gần khu vực mỏ khai thác.
Một số giải pháp nhằm hạn chế và giảm thiểu ô nhiễm môi trường vùng mỏ đã được đưa ra dựa trên mục tiêu hạn chế những hoạt động gây ô nhiễm trong mỗi công đoạn và quá trình sản xuất, có giá trị thực tiễn và mang tính khả thi cao.
Đề nghị
- Tăng cường sử dụng cơ sở dữ liệu bản đồ ô nhiễm vào trong công tác quản lý, quy hoạch môi trường và đánh giá, dự báo diễn biến chất lượng môi trường không khí.
- Tiếp tục nghiên cứu, thu thập và thường xuyên cập nhập cơ sở dữ liệu thuộc tính về môi trường, giúp công tác đánh quản lý, đánh giá có độ chính xác cao hơn.
- Nghiên túc, tăng cường thực hiện các giải pháp nhằm giảm thiểu và hạn chế ô nhiễm môi trường vùng mỏ.