Ứng dụng GIS và thuật toán nội suy đánh giá chất lượng nước sông sài gòn năm 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG GIS VÀ THUẬT TOÁN NỘI SUY ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG SÀI GÒN NĂM 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TIỂU LUẬN TỐT NGHIỆP

TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG GIS VÀ THUẬT TOÁN NỘI SUY ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG SÀI GÒN NĂM 2010

Sinh viên thực hiện: VƯƠNG HUỆ MINH Ngành: Hệ thống thông tin Địa lý

Niên khoá: 2012-2016

Tháng 6/2016

i

CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG SÀI GÕN NĂM 2010

Sinh viên thực hiện:

VƯƠNG HUỆ MINH

Giáo viên hướng dẫn:

TS HỒ QUỐC BẰNG

Tháng 6/2016

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS.Hồ Quốc Bằng, thầy PGS.TS Nguyễn Kim Lợi, thầy KS Phạm Văn Phước, cô KS Vũ Hoàng Ngọc Khuê đã giúp đỡ, hướng dẫn cho tôi hoàn thành bài tiểu luận này

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến tất cả quý thầy cô Trường Đại học Nông Lâm

Tp Hồ Chí Minh Cảm ơn quý thầy cô về những kiến thức và giúp đỡ chân tình đã dành cho tôi trong bốn năm học tập tại trường

Tôi cũng trân trọng cảm ơn đến cán bộ tại viện Môi trường và Tài nguyên đã tạo điều kiện để tôi được thực tập tại quý cơ quan

Đặc biệt, con xin nói lời cảm ơn sâu sắc đối với Ba Mẹ, những người đã chăm sóc, nuôi dưỡng con thành người, động viên con về tinh thần và vật chất để con

có thể yên tâm học tập

Vương Huệ Minh

Bộ môn Tài nguyên và GIS Khoa Môi trường & Tài nguyên Trường Đại Học Nông Lâm

TP Hồ Chí Minh 6/2016

iii

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Ứng dụng GIS và thuật toán nội suy đánh giá chất lượng nước sông Sài Gòn năm 2010.” đã được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 3/2016 đến tháng 5/2016

Thành phố Hồ Chí Minh là một thành phố lớn có dân số đông và tốc độ

nước thải nhưng chỉ có khoảng 60% lượng nước này được xử lý sơ bộ vào hệ thống chung dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước ngày càng tăng Trong 7

hệ thống kênh rạch tiêu thoát nước thải sinh hoạt của thành phố vẫn còn nhiều kênh hở và cửa xả quá cũ, thậm chí bị hư hại nặng và năng lực thoát chỉ đạt 50% nhu cầu

Nhằm mục tiêu bảo vệ tài nguyên nước cũng như hạn chế các hoạt động gây ô nhiễm nước nên đề tài “Ứng dụng GIS và thuật toán nội suy đánh giá chất lượng nước sông Sài Gòn năm 2010” được tiến hành nghiên cứu Phương pháp tiếp cận của đề tài là sử dụng phần mềm ArcGIS và các thuật toán nội suy (IDW, Kriging) tính toán nội suy các chỉ số chất lượng nước (DO, COD, BOD) trên các sông, hồ trên địa bàn tỉnh

Kết quả đạt được của khóa luận là dựa vào các thông số nội suy được so sánh với QCVN, phân vùng chất lượng nước và đề xuất các giải pháp trong công tác quản lý Sau quá trình nghiên cứu và xử lý số liệu, đề tài thu được một

số kết quả như sau: Nội suy các thông số chất lượng nước bằng các phương pháp nội suy khác nhau (IDW, Kriging) Phân tích ưu, nhược điểm và đánh giá

độ chính xác của từng phương pháp Thành lập các bản đồ nồng độ DO, COD, BOD Đề xuất một số giải pháp trong công tác quản lý

DANH MỤC VIẾT TẮT

v

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Bản đồ sông Sài Gòn 3 Hình 1.2 Bản đồ các điểm quan trắc mùa khô 26 Hình 1.3 Bản đồ các điểm quan trắc mùa mƣa 27

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Dữ liệu nền thành phố Hồ Chí Minh 25 Bảng 1.2 So sánh giá trị quan trắc và giá trị thực, tính chỉ số R2 và NSI theo thông số COD 30 Bảng 1.3 So sánh giá trị quan trắc và giá trị thực, tính chỉ số R2 và NSI theo thông số COD 32 Bảng 1.4 So sánh giá trị quan trắc và giá trị thực, tính chỉ số R2 và NSI theo thông số DO 34 Bảng 1.5 So sánh giá trị quan trắc và giá trị thực, tính chỉ số R2 và NSI theo thông số DO 36 Bảng 1.6 So sánh giá trị quan trắc và giá trị thực, tính chỉ số R2 và NSI theo thông số BOD5 38 Bảng 1.7 So sánh giá trị quan trắc và giá trị thực, tính chỉ số R2 và NSI theo thông số BOD5 40 Bảng 1.8 So sánh chỉ số R2 và NSI của hai phương pháp IDW và Kriging tron mùa khô và mùa mưa 40

vii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

DANH MỤC VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH v

MỤC LỤC vii

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1.Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nội dung của đề tài 2

1.4 Giới hạn, phạm vi đề tài 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Tổng quan về GIS 4

2.2 Thành phần của GIS 5

2.3 Chức năng 5

2.4 Thuật toán nội suy 6

2.4.1 Phướng pháp nội suy Inverse Distance Weight – IDW 6

2.4.2 Phương pháp nội suy Kriging 8

2.4.3 Đánh giá độ chính xác 9

2.5 Tổng quan về khu vực khảo sát 10

2.5.1 Đặc điểm tự nhiên 10

2.5.1.1 Vị trí địa lý 10

2.5.1.2 Đặc điểm địa hình 10

2.5.1.3 Đặc điểm khí hậu 11

2.5.1.4 Đặc điểm về chế độ thủy văn và thủy lực 12

2.5.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 12

2.5.2.1 Dân số, nhân khẩu học và thành phần dân tộc 12

2.5.2.2 Hoạt động kinh tế 14

2.5.2.3 Du lịch 16

2.5.3 Tổng quan về nguồn gây ô nhiễm nước sông 17

2.5.3.1 Nguồn gây ô nhiễm 17

2.5.3.2 Độ đục 19

2.5.3.3 Độ màu (màu sắc) 19

2.5.3.4 Giá trị pH 19

2.5.3.5 Chất rắn hòa tan 19

2.5.3.6 Chloride 20

2.5.3.7 Sắt 20

2.5.3.8 Nitrogen-Nitrit (N-NO 2 ) 20

2.5.3.9 Nitrogen – Nitrat (N-NO 3 ) 21

2.5.3.10 Ammoniac (N-NH 4 + ) 21

2.5.3.11 Sulfate (SO 4 2-) 21

2.5.3.12 Phosphate (P-PO 4 3-) 21

2.5.3.13 Oxy hòa tan (DO) 21

2.5.3.14 Nhu cầu oxy hóa học(COD) 22

2.5.3.15 Nhu cầu oxy sinh hóa(BOD) 22

2.5.3.16 Escherichia Coli (E.Coli) 22

3.1 PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH TÍNH 23

3.1.1 Thu thập tài liệu 23

3.1.2 Các bước tiến hành 23

3.1.3 Dữ liệu quan trắc chất lượng nước 24

4.1 Xây dựng cơ sở dữ liệu quan trắc chất lượng nước 26

4.1.1 Thành lập bản đồ vị trí các điểm quan trắc 26

4.1.2 Dữ liệu quan trắc sau khi đã được liên kết 27

4.2 Thực hiện nội suy thông số COD 28

4.2.1 Nội suy IDW theo nồng độ COD 28

4.2.2 Nội suy Krigning theo nồng độ COD 30

4.2.3 Nội suy IDW theo nồng độ DO 32

4.2.4 Nội suy Kriging theo nồng độ DO 34

4.2.5 Nội suy IDW theo nồng độ BOD5 36

4.2.6 Nội suy Krigning theo nồng độ BOD5 38

4.2.8 Thành lập bản đồ 41

4.2.8.1 Bản đồ nồng độ COD 41

5.2.8.2 Bản độ nồng độ COD trong mùa khô 42

4.2.8.3 Bản đồ nồng độ COD trong mùa mưa 43

4.2.8.4 Bản đồ nồng độ DO 44

4.2.8.5 Bản đồ nồng độ DO trong mùa khô 44

ix

4.2.8.7 Bản đồ nồng độ BOD5 mùa khô 48

4.2.8.8 Bản đồ nồng độ BOD5 mùa mưa 49

4.2.9 Kết luận 50

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

5.1 Kết luận 52

5.2 Kiến nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53

CHƯƠNG 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, quyết định sự thành công trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế

- xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh quốc gia Hiện nay nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt Nhu cầu phát triển kinh tế nhanh với mục tiêu lợi nhuận cao, con người đã cố tình bỏ qua các tác động đến môi trường một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Nguy cơ thiếu nước, đặc biệt là nước ngọt và nước sạch là một hiểm họa lớn đối với sự tồn vong của con người cũng như toàn bộ sự sống trên trái đất Do đó con người cần phải nhanh chóng có các biện pháp bảo vệ

và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước

Sông Sài Gòn nói chung ngoài chức năng cơ bản thoát lũ từ thượng nguồn còn có vai trò rất quan trọng trong cấp nước phục vụ thủy điện, các hoạt động kinh tế, xã hội cho toàn khu vực miền Đông Nam Bộ Tuy nhiên, theo nhiều kết quả nghiên cứu chất lượng nước sông Sài Gòn trong những năm gần đây cho thấy tình trạng ô nhiễm của đoạn sông ngày càng tăng, đe dọa nghiêm trọng đến khả năng cấp nước phục vụ cho phát triển kinh tế, xã hội

Sông Sài Gòn là một trong những con sông lớn thuộc hệ thống sông Đồng Nai có tác động rất lớn đến sự phát triển về kinh tế – xã hội của các tỉnh

và thành phố trong khu vực Về mặt chất lượng nước, lưu vực sông Sài Gòn được đánh giá chung là xấu nhất trong số các tiểu lưu vực sông thuộc hệ thống sông Đồng Nai Nước sông Sài Gòn về cơ bản chỉ còn tương đối tốt từ hồ Dầu Tiếng trở lên Phần hạ lưu đã bị ô nhiễm và nhiều khu vực đã bị ô nhiễm rất nghiêm trọng do tiếp nhận 1 khối lượng lớn các chất thải chưa được xử lý tốt

từ các hoạt động kinh tế xã hội trên lưu vực đổ ra Với vai trò quan trọng như vậy, việc tìm hiểu về diễn biến cũng như những nguyên nhân gây suy giảm chất lượng nước mặt sẽ góp phần bảo vệ cũng như duy trì các chức năng và nhiệm vụ quan trọng của lưu vực sông Sài Gòn

2

định các nguồn ô nhiễm và dự báo mức độ ảnh hưởng của các hoạt động kinh

tế xã hội của thành phố Biên Hòa đến môi trường nước là rất quan trọng

Đó là lí do tôi chọn đề tài: “Ứng dụng GIS và thuật toán nội suy dánh

giá số chất lượng nước sông Sài Gòn năm 2010” nhằm làm tiền đề cho việc

xem xét, giải quyết các vấn đề môi trường và làm cơ sở để đề ra các biện pháp cải thiện chất lượng nước, đáp ứng nhu cầu cấp nước cho TP.Hồ Chí Minh

1.2 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu thực tế, lấy mẫu nước sông Sài Gòn Ứng dụng công nghệ GIS

và các thuật toán nội suy như IDW và Kriging để đánh giá chất lượng nước sông Sài Gòn Sau đó, dựa vào QCVN để so sánh, đưa ra kết quả mức độ ô nhiễm và thành lập bản đồ mức độ ô nhiễm dựa vào 3 thông số COD, DO, BOD5

1.3 Nội dung của đề tài

sông

đồng thời tìm hiểu các nguyên nhân làm suy giảm chất lượng nước trên

hệ thống sông

1.4 Giới hạn, phạm vi đề tài

Do hạn chế về điều kiện kinh tế, cũng như thời gian nghiên cứu có hạn

và khả năng tiếp cận các nguồn số liệu, nên đề tài chỉ chủ yếu tập trung nghiên cứu chất lượng môi trường nước sông Sài Gòn ở 3 thông số là COD, DO, BOD5

Hình 1.1 Bản đồ sông Sài Gòn

4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về GIS

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 (Geographic

or geospatial), nhằm trợ giúp 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 các 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 dữ liệu hành chính

Nguồn gốc và sự phát triển của GIS:

Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là một nhánh của công nghệ thông tin,

đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây GIS là một hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi dùng để nhập, lưu trữ, truy vấn, xử lý, phân tích và hiển thị hoặc xuất dữ liệu

Cơ sở dữ liệu của GIS chứa dữ liệu của đối tượng, các hoạt động, các sự kiện phân bố theo không gian và thời gian GIS là một công cụ rất quan trọng cho việc ra các quyết định trong việc phát triển bền vững bởi vì GIS có thể cung cấp đầy đủ thông tin nhằm phân tích và đánh giá của cơ sở dữ liệu đầu ra

Tóm lại, Hệ thống thông tin địa lý 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 lí không gian, nhằm trợ giúp việc thu nhận, lưu trữ, quản lí, xử lí, 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, như là: hỗ trợ việc ra quyết định cho vấn đề quy hoạch, 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 dữ liệu hành chính

2.2 Thành phần của GIS

Theo Shahab Fazal (2008), GIS có 6 thành phần cơ bản như sau:

-Phần cứng: Bao gồm hệ thống máy tính mà các phần mềm GIS chạy trên đó -Phần mềm: Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và công cụ cần thiết để lưu trữ, phân tích, và hiển thị dữ liệu không gian

-Dữ liệu: Dữ liệu địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan là nền tảng của GIS -Phương pháp: Một hệ thống GIS vận hành theo một kế hoạch, đó là những môhình và cách thức hoạt động đối với mỗi nhiệm vụ

-Con người: Người sử dụng GIS có thể là các chuyên gia kĩ thuật, đó là người thiết kế và thực hiện hệ thống GIS, hay có thể là người sử dụng GIS để hỗ trợ cho các công việc thường ngày

-Mạng lưới: với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin, ngày nay thành phần có lẽ cơ bản nhất trong GIS chính là mạng lưới Nếu thiếu nó, không thể có bất cứ giao tiếp hay chia sẻ thông tin số GIS ngày nay phụ thuộc chặt chẽ vào mạng internet, thu thập và chia sẻ một khối lượng lớn dữ liệu địa

lý

2.3 Chức năng

GIS có bốn chức năng cơ bản (Basanta Shrestha et al., 2001):

- Thu thập dữ liệu: Dữ liệu được sử dụng trong GIS đến từ nhiều nguồn khác nhau, có nhiều dạng và được lưu trữ theo nhiều cách khác nhau

- Quản lý dữ liệu: Sau khi dữ liệu được thu thập và tích hợp, GIS cung cấp chức năng lưu trữ và duy trì dữ liệu Hệ thống quản lý dữ liệu hiệu quả phải đảm bảo các điều kiện về an toàn dữ liệu, toàn vẹn dữ liệu, lưu trữ và trích xuất

dữ liệu, thao tác dữ liệu

- Phân tích không gian: Đây là chức năng quan trọng nhất của GIS làm cho nó khác với các hệ thống khác Phân tích không gian cung cấp các chức năng như nội suy không gian, tạo vùng đệm, chồng lớp

6

hiển thị thông tin khác nhau Phương pháp truyền thống bằng bảng biểu và đồ thị được bổ sung với bản đồ và ảnh ba chiều Hiển thị trực quan là một trong những khả năng đáng chú ý nhất của GIS, cho phép người sử dụng tương tác hữu hiệu với kết quả

2.4 Thuật toán nội suy

Các dữ liệu nội suy có mối quan hệ không gian với nhau, tức là các điểm gần nhau thì “giống” nhau nhiều hơn so với những điểm ở xa

Phương pháp nội suy không gian hiện nay được sử dụng khá rộng rãi trên thế giới Chẳng hạn như trong các Trung tâm dự báo về thời tiết (các bản

đồ dự đoán xây dựng từ các trạm thuỷ văn) Sự quan trọng của phương pháp nội suy phụ thuộc vào diện tích vùng khảo sát bởi vì mục tiêu của sự nội suy không gian là xây dựng bề mặt xấp xỉ tốt nhất với các dữ liệu thực nghiệm Chính vì vậy, với mỗi phương pháp nội suy được sử dụng thì độ chính xác phải đạt được tốt nhất

Các phương pháp nội suy trong GIS có thể được xem là các phương pháp nội suy không gian khá tốt hiện nay Nó được thừa nhận trên toàn thế giới

về khả năng thực thi và bộ tài liệu cung cấp trên mạng rất rộng rãi

Các phương pháp nội suy không gian: IDW, Spline, Kriging (phương pháp nội suy thống kê không gian), TIN

2.4.1 Phướng pháp nội suy Inverse Distance Weight – IDW

Phương pháp IDW xác định các giá trị cell bằng cách tính trung bình các giá trị của các điểm mẫu trong vùng lân cận của mỗi cell Điểm càng gần điểm trung tâm (mà ta đang xác định) thì càng có ảnh hưởng nhiều hơn Chẳng hạn, khả năng tiêu dùng của khách hàng sẽ giảm theo khoảng cách (đến cửa hàng)