Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)

Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 20142015 (Luận văn thạc sĩ)

1

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG ĐÁY

GIAI ĐOẠN 2014 - 2015

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGUYỄN THỊ THANH LOAN

HÀ NỘI, NĂM 2017

2

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ VIỄN THÁM ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC SÔNG ĐÁY

GIAI ĐOẠN 2014 - 2015

NGUYỄN THỊ THANH LOAN

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

MÃ SỐ: 60440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS TRỊNH LÊ HÙNG

HÀ NỘI, NĂM 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Kết quả nghiên cứu của luận văn là những đóng góp riêng dựa trên số liệu thu thập, những kết quả nghiên cứu kế thừa các công trình khoa học khác đều được trích dẫn theo đúng quy định

Nếu luận văn có sự sao chép từ các công trình khoa học khác, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Loan

ii

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp

đỡ của nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị Nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới:

PGS.TS Trịnh Lê Hùng, người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới TS Lê Thị Trinh đã hướng dẫn chu đáo và chỉ dẫn tận tình trong suốt thời gian hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã hết lòng giảng dạy, truyền đạt kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân yêu nhất, đã giành cho tôi hết tình cảm và điều kiện, chia sẻ với tôi những lúc khó khăn nhất để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học này

Hà Nội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Nguyễn Thị Thanh Loan

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận văn 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước 4

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm nước mặt ở Việt Nam 4

1.1.2 Hiện trạng chất lượng nước sông Đáy những năm gần đây 6

1.1.3 Các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt 8

1.2 Tổng quan về GIS và viễn thám 11

1.2.1 Tổng quan về GIS 11

1.2.2 Tổng quan về viễn thám 20

1.3 Tổng quan tình hình ứng dụng tư liệu GIS và viễn thám trong nghiên cứu ô nhiễm nước 26

1.3.1 Trên thế giới 26

1.3.2 Trong nước 31

1.4 Tổng quan về địa bàn nghiên cứu 39

CHƯƠNG 2 – ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.1 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 45

iv

2.2 Phương pháp nghiên cứu 45

2.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu 45

2.2.2 Phương pháp đánh giá chất lượng môi trường nước mặt bằng chỉ số WQI 52

2.2.3 Phương pháp ứng dụng công nghệ GIS trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt 56

2.2.4 Phương pháp ứng dụng tư liệu viễn thám đánh giá chất lượng môi trường nước mặt 57

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 59

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước lưu vực sông Đáy 59

3.2 Đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 2014 – 2015 61

3.2.1 Tính toán chỉ số WQI 61

3.2.2 Phân vùng chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 2014 – 2015 65

3.3 Thành lập bản đồ thông số chất lượng nước bằng phương pháp nội suy bề mặt trong GIS 70

3.4 Đánh giá phân bố một số thông số chất lượng nước từ tư liệu viễn thám 75 3.5 Đề xuất giải pháp quản lý chất lượng nước sông Đáy 80

3.5.1 Giải pháp kỹ thuật 80

3.5.2 Giải pháp quản lý 81

3.5.3 Giải pháp kinh tế 81

3.5.4 Giải pháp tuyên truyền và giáo dục cộng đồng 81

3.5.5 Giải pháp xây dựng mạng lưới quan trắc và thu thập thông tin 82

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

GIS : Hệ thống thông tin địa lý WQI

GPS

: Chỉ số chất lượng nước : Hệ thống định vị toàn cầu NSMI : Chỉ số chất rắn lơ lửng

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ

Bảng 1.1 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng

nước 22

Bảng 2.1 Tọa độ các điểm quan trắc sông Đáy của các năm 2014 - 2015 46

Bảng 2.2 Bảng quy định các giá trị qi và BPi 54

Bảng 2.3 Bảng quy định các giá trị BPi và qi đối với DO%bão hòa 54

Bảng 2.4 Bảng quy định các giá trị BPi và qi đối với thông số pH 55

Bảng 2.5 Bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước 56

Bảng 3.1 Giá trị WQI cho các đợt và năm 2014 62

Bảng 3.2 Giá trị WQI cho các đợt và năm 2015 63

vii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tỷ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước thải

sinh hoạt 9

Hình 1.2 Các thành phần của GIS 11

Hình 1.3 Mô tả các chức năng của GIS 13

Hình 1.4 Nội suy IDW [10] 16

Hình 1.5 Nội suy Spline [10] 16

Hình 1.6 Nội suy Kriging [10] 17

Hình 1.7 Mô tả các giá trị của Kriging 18

Hình 1.8 Nội suy Trend [10] 19

Hình 1.9 Nội suy Natural Neighbor [10] 19

Hình 1.10 Cơ chế hoạt động của hệ thống viễn thám 21

Hình 1.11 Kết quả nội suy hàm lượng Canxi, Magie, Clo trong nước ngầm khu vực Bhadravathia bằng phương pháp IDW [46] 27

Hình 1.12 Kết quả nội suy hàm lượng pH trong nghiên cứu của Gharbia et al (2016) [47] 28

Hình 1.13 Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Weipi He [31] 29

Hình 1.14 Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và NH3-N trong nghiên cứu của Weipi He [31] 30

Hình 1.15 Bản đồ phân bố các trạm quan trắc chất lượng nước khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng [8] 33

Hình 1.16 Bản đồ phân bố hàm lượng chất ô nhiễm BOD và COD khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng [8] 34

Hình 1.17 Hàm hồi quy giữa giá trị hàm lượng chất lơ lửng và tỉ lệ ảnh kênh4/kênh2 ảnh Landsat 7 ETM+ khu vực hồ Trị An [19] 35

viii

Hình 1.18 Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng chất lơ lửng (SPM) khu vực

ven bờ sông Hồng (ngày 25/09/2014) từ ảnh vệ tinh VNREDSat – 1A 38

Hình 1.19 Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam vào tháng 8 năm 2008 và 2011 39

Hình 1.20 Bản đồ khu vực nghiên cứu 40

Hình 2.1 Vị trí lấy mẫu phân tích chất lượng nước sông Đáy 48

Hình 2.2 Ảnh vệ tinh Sentinel – 2A ngày 08/10/2015 khu vực sông Đáy 50

Hình 2.4 Kênh 3 (kênh xanh lục, green) ảnh Sentinel – 2A ngày 08/10/201551 Hình 2.5 Kênh 4 (kênh đỏ, red) ảnh Sentinel – 2A ngày 08/10/2015 51

Hình 3.1 Bản đồ phân vùng chất lượng nước sông Đáy tháng 9, tháng 11 năm 2014 66

Hình 3.2 Bản đồ phân vùng chất lượng nước sông Đáy tháng 9, tháng 11 năm 2015 67

Hình 3.3 Kết quả đánh giá độ chính xác của các phương pháp nội suy đối với thông số TSS 71

Hình 3.4 Bản đồ phân bố hàm lượng TSS tháng 9, 11 năm 2014 72

Hình 3.5 Bản đồ phân bố hàm lượng TSS tháng 9, 11 năm 2015 73

Hình 3.6 Kết quả xác định chỉ số NSMI từ ảnh vệ tinh Sentinel – 2A 76

Hình 3.7 Kết quả xác định chỉ số độ đục từ ảnh vệ tinh Sentinel – 2A 76

Hình 3.8 Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng chất lơ lửng trên cơ sở chỉ số NSMI xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel – 2A 77

Hình 3.9 Kết quả đánh giá phân bố độ đục trên cơ sở chỉ số độ đục xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel – 2A 78

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận văn

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường, là yếu tố đặc biệt quan trọng bảo đảm thực hiện thành công các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh quốc gia [5] Trong thời gian vừa qua, do sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế đất nước đã dẫn đến nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt, đặc biệt là tài nguyên nước mặt

Sông Đáy là một con sông lớn ở miền Bắc nước ta, chảy qua các tỉnh thành Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình và Nam Định với dòng chảy gần song song bên hữu ngạn hạ lưu sông Hồng Sông Đáy có chiều dài khoảng 240 km

bản thoát lũ từ thượng nguồn còn có vai trò quan trọng trong cấp nước phục

vụ các hoạt động kinh tế - xã hội cho toàn khu vực Tuy nhiên trong những năm gần đây tình trạng ô nhiễm nước sông ngày càng tăng, đe dọa nghiêm trọng đến khả năng cấp và thoát nước phục vụ cho phát triển kinh tế - xã hội

Ngày nay, có rất nhiều giải pháp nhằm cải thiện chất lượng nước sông

đã được đưa ra như ban hành các văn bản pháp luật kèm theo các chế tài hợp

lý, thành lập các Ủy ban Bảo vệ Môi trường Lưu vực sông, áp dụng các công

cụ kinh tế như thu phí nước thải, lập quỹ Bảo vệ Môi trường, xây dựng các chương trình quan trắc, giám sát môi trường lưu vực sông… Tuy nhiên, các giải pháp hiện nay vẫn chưa đạt được hiệu quả như mong đợi Ô nhiễm nước tại lưu vực sông Đáy vẫn đang là vấn đề nan giải đối với các nhà quản lý và ngày càng nhức nhối đối với cộng đồng, đối tượng chịu tác động trực tiếp từ vấn đề này Với mục tiêu đặt ra là tiến tới phát triển tổng hợp và bền vững lưu vực sông, sự phối hợp và chia sẻ thông tin giữa các ngành, các địa phương là điều hết sức cần thiết

2

Thiết nghĩ, việc tạo ra một công cụ hỗ trợ cho quản lý môi trường dựa trên hệ thống thông tin địa lý cấp cao, tạo môi trường giao tiếp gần gũi, giúp cộng đồng dễ dàng tiếp cận và theo dõi chất lượng môi trường, tăng mức độ

xã hội hóa công tác bảo vệ môi trường theo chủ trương của Nhà nước là hết sức cần thiết

Trước đây, ở Việt Nam và nhiều nước trên thế giới, để đánh giá mức độ

ô nhiễm nước mặt thường dựa vào việc phân tích các thông số chất lượng nước riêng biệt, sau đó so sánh giá trị từng thông số đó với giá trị giới hạn được quy định trong các tiêu chuẩn/quy chuẩn trong nước hoặc quốc tế Tuy nhiên, cách làm này có rất nhiều hạn chế do việc đánh giá từng thông số riêng

rẽ không nói lên diễn biến chất lượng tổng quát của nước mặt Để khắc phục khó khăn trên, cần phải có một hoặc một hệ thống chỉ số cho phép lượng hóa được chất lượng nước Một trong các chỉ số chất lượng nước được ứng dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả nhất trong đánh giá chất lượng nguồn nước trên thế giới là chỉ số chất lượng nước WQI (Water Quality Index) Chỉ số WQI được đề xuất vào những năm 70 thế kỷ trước dựa trên các thông số quan trắc chất lượng nước Đây được xem là phương pháp chuẩn ở nhiều quốc gia trong đánh giá chất lượng môi trường nước mặt

Phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt dựa trên các thông số chất lượng nước ở các trạm quan trắc mặc dù có nhiều ưu điểm, tuy nhiên phương pháp này cũng có nhược điểm khi không thể thực hiện với khu vực có quy mô lớn do tốn kém nhiều thời gian, chi phí, và trên thực tế cũng không thể tiến hành quan trắc với mật độ dày đặc Những nhược điểm này có thể khắc phục khi kết hợp với công nghệ GIS và viễn thám

Ứng dụng công nghệ GIS, viễn thám và chỉ số WQI trong đánh giá chất lượng nước đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới và thu được những kết quả khả quan Công nghệ GIS với những ưu điểm vượt trội so với các

3

phương pháp nghiên cứu truyền thống như khả năng phân tích không gian, chồng xếp lớp, nội suy bề mặt là một công cụ mạnh trong thành lập bản đồ chất lượng nước có chi phí thấp, cho được bộ số liệu trong tính toán định lượng trên toàn khu vực Trong khi đó, công nghệ viễn thám với diện tích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật nhanh chóng và dải phổ đa dạng có thể kết hợp hiệu quả với GIS trong nghiên cứu ô nhiễm môi trường nước

Từ những phân tích trên cho thấy, việc ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám kết hợp chỉ số chất lượng nước WQI trong bảo vệ môi trường các lưu vực sông được triển khai trong thực tiễn vừa đóng góp không nhỏ cho việc cải thiện, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đưa ra được những giải pháp cho công tác bảo vệ môi trường tại các lưu vực sông Trên cơ sở đó, đề tài

“Ứng dụng công nghệ GIS và viễn thám để đánh giá chất lượng nước

sông Đáy giai đoạn 2014 – 2015” được chọn thực hiện, nhằm góp thêm một

hướng ứng dụng công nghệ mới phục vụ quản lý chất lượng môi trường nước

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 2014 – 2015 bằng công nghệ GIS, viễn thám

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, trong đề tài nghiên cứu các nội dung chính sau:

 Thu thập, tổng hợp số liệu quan trắc, ảnh viễn thám lưu vực nước sông Đáy giai đoạn 2014 – 2015;

 Ứng dụng công cụ GIS và viễn thám thành lập bản đồ đánh giá chất lượng nước sông Đáy giai đoạn 2014 – 2015;

4

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về ô nhiễm môi trường nước

Ô nhiễm nước là sự thay đổi theo chiều xấu đi các tính chất vật lý - hóa học - sinh học của nước, với sự xuất hiện các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho nguồn nước trở nên độc hại với con người và sinh vật, làm giảm độ đa dạng sinh học trong nước Xét về tốc độ lan truyền và quy mô ảnh hưởng thì ô nhiễm nước là vấn đề đáng lo ngại hơn ô nhiễm đất

Hiến chương châu Âu định nghĩa về nước: “Ô nhiễm nước là sự biến đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm cho con người, cho nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã” [2]

Theo bản chất các tác nhân gây ô nhiễm, người ta phân ra các loại ô nhiễm: ô nhiễm vô cơ, hữu cơ, ô nhiễm hóa chất, sinh học, ô nhiễm bởi các tác nhân vật lý

1.1.1 Hiện trạng ô nhiễm nước mặt ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh

và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn Ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải Ô nhiễm nước

do sản xuất công nghiệp là rất nặng; ở ngành công nghiệp dệt may, ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11; chỉ số nhu cầu ô xy sinh hoá (BOD), nhu cầu ô xy hoá học (COD) có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1; hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép [1]

5

Ở thành phố Thái Nguyên, tổng lượng nước thải công nghiệp từ các cơ

sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than chiếm khoảng 15% lưu lượng nước sông Cầu; nước thải sản xuất giấy có màu nâu, mùi khó chịu, giá trị pH từ 8,4-9, hàm lượng NH4+ là 4mg/1, hàm lượng chất hữu cơ cao, [1]

Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m3/ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực

Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông,

hồ, kênh, mương) Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải; một lượng rác thải rắn lớn trong thành phố không được thu gom hết… là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nước

Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác như Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… nước thải sinh hoạt cũng không được xử lý ô nhiễm, nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiểu chuẩn cho phép (TCCP), các thông số chất lơ lửng (SS), BOD, COD, DO đều vượt từ 5-10 lần, thậm chí 20 lần TCCP [1]

Về tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp, hiện nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, số vi khuẩn FecalColiform trung bình biến đổi từ 1.500 -

Theo thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, tổng diện tích mặt nước sử dụng cho nuôi trồng thủy sản đến năm 2012 của cả nước là 1.059.000 ha [1]

Do hoạt động nuôi trồng thuỷ sản một cách ồ ạt, thiếu quy hoạch, không tuân theo quy trình kỹ thuật nên gây ra nhiều tác động tiêu cực tới môi trường nước Cùng với việc sử dụng nhiều và không đúng cách các loại hoá chất trong nuôi trồng thuỷ sản, các thức ăn dư lắng xuống đáy ao, hồ, lòng sông làm cho môi trường nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ, làm phát triển một

số loài sinh vật gây bệnh và xuất hiện một số tảo độc; thậm chí đã có dấu hiệu xuất hiện thủy triều đỏ ở một số vùng ven biển Việt Nam

Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước, như sự gia tăng dân số, cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu, nhận thức của người dân về vấn đề môi trường còn chưa cao… Đáng chú

ý là sự bất cập trong hoạt động quản lý, bảo vệ môi trường Nhận thức của nhiều cấp chính quyền, cơ quan quản lý, tổ chức và cá nhân có trách nhiệm về nhiệm vụ bảo vệ môi trường nước chưa sâu sắc và đầy đủ; chưa thấy rõ ô nhiễm môi trường nước là loại ô nhiễm gây nguy hiểm trực tiếp, hàng ngày và khó khắc phục đối với đời sống con người cũng như sự phát triển bền vững của đất nước

1.1.2 Hiện trạng chất lượng nước sông Đáy những năm gần đây

Hiện nay, tình trạng ô nhiễm nước lưu vực sông Đáy ngày càng trở nên nghiêm trọng: Nước sông chịu tác động rất lớn của nước thải công nghiệp,

7

sinh hoạt,… Theo báo cáo quan trắc thường niên của các đơn vị quản lý, tại một số điểm trên sông, hàm lượng chất hữu cơ trong nước cao, giá trị COD vượt quá giới hạn cho phép chất lượng nước mặt loại A từ 2-3 lần trong khi giá trị BOD5 vượt quá giới hạn này từ 4-6 lần, hàm lượng DO rất thấp chỉ đạt 2,89 mg/l [12]

Tại Hội nghị Ủy ban Bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy lần thứ 8 diễn ra tại Hòa Bình tháng 1/2017 vừa qua, báo cáo đánh giá hiện trạng chất lượng nước giai đoạn 2015 - 2016 tại lưu vực này vẫn chưa được cải thiện rõ rệt Tình trạng ô nhiễm nước thải công nghiệp vẫn diễn biến phức tạp; công tác phối hợp giữa các địa phương chưa thực sự đồng bộ và hiệu quả…[3]

Theo kết quả phân tích của Trung tâm Quan trắc Môi trường thuộc Tổng cục Môi trường, tổng số đoạn sông được đánh giá phù hợp cho các mục đích tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản gồm 14 đoạn (các đoạn sông chảy qua Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình - Nam Định và đoạn hợp lưu sông Đào đến hợp lưu sông Ân) Tuy vậy, nhìn chung chất lượng nước sông Đáy cũng bị suy giảm, nhất là ở đoạn thượng lưu thuộc khu vực cầu Mai Lĩnh, bởi tiếp nhận nước thải từ các quận, huyện: Đan Phượng, Quốc Oai, Hoài Đức, Chương Mỹ Các nhánh sông khác thuộc lưu vực sông Nhuệ - Đáy tại thời điểm quan trắc tháng 7/2016, chất lượng nước còn tương đối tốt, phần lớn các điểm có giá trị WQI nằm trong khoảng 50-75, có thể sử dụng cho mục đích tưới tiêu và nuôi trồng thủy sản [3]

Chất lượng nước của các con sông nội thành Hà Nội thuộc lưu vực sông Nhuệ - Đáy rất kém, giá trị các thông số qua các đợt quan trắc đều vượt quy chuẩn cho phép nhiều lần Chẳng hạn giá trị DO tại các điểm trên sông

Tô Lịch (Nghĩa Đô, Cầu Mới), sông Lừ (Phương Liệt, Định Công), sông Sét (cầu Sét), sông Kim Ngưu (Tựu Liệt) nằm trong khoảng 1-1,3mg/l Hàm

8

lượng Amoni dao động từ 2,1-10,5mg/l Nước sông Đáy ô nhiễm mang tính cục bộ Sông Đáy chủ yếu bị ô nhiễm hữu cơ ở từng đoạn sông với các mức

độ khác nhau Càng về hạ lưu mức ô nhiễm trên sông Đáy có xu hướng giảm

Hạ lưu sông Đáy (từ Kim Sơn - Ninh Bình ra cửa Đáy), do nguồn thải ở thượng nguồn dồn về đã được pha loãng cộng với quá trình tự làm sạch của dòng sông nên chất lượng nước ở hạ lưu sông Đáy được cải thiện so với các đoạn trên [3]

1.1.3 Các nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt

Ô nhiễm nguồn nước xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau Do tiếp nhận nhiều loại nguồn thải, môi trường nước mặt đang ở trong tình trạng

ô nhiễm tại nhiều nơi, tùy theo đặc trưng của từng khu vực khác nhau Có 4 nguồn thải chính tác động đến môi trường nước mặt ở nước ta: nước thải nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và y tế Mức độ gia tăng các nguồn nước thải hiện nay ngày càng lớn với quy mô mở rộng ở hầu hết các vùng miền trong cả nước [1]

Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước mặt Nước thải sinh hoạt chiếm trên 30% tổng lượng thải trực tiếp ra các sông hồ, hay kênh rạch dẫn ra sông [1]

9

Hình 1.1 Tỷ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước

thải sinh hoạt

Nguồn: Báo cáo môi trường quốc gia 2012

Lượng nước thải sinh hoạt đổ ra các hệ thống sông, hồ hàng năm đều tăng do tốc độ đô thị hóa cao Mức đô thị hóa diễn ra với tốc độ nhanh chóng, năm 1990 cả nước có 550 đô thị, trong khi đó đến tháng 6 năm 2012 đã là 758

đô thị Ngay cả ở khu vực nông thôn, lượng nước thải sinh hoạt chiếm tỉ lệ rất lớn và tăng nhanh qua từng năm Trong khi đó, phần lớn các đô thị ở Việt Nam đều chưa có nhà máy xử lý nước thải tập trung, hoặc đã xây dựng nhưng chưa đi vào hoạt động cũng như hoạt động không có hiệu quả, khiến tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt do nước thải sinh hoạt càng thêm trầm trọng [1]

Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải Hàm lượng nước thải của các ngành công nghiệp này có chứa xyanua (CN-), H2S, NH4+ vượt hàng chục lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng

so với sự gia tăng tổng lượng nước thải chung trong toàn quốc Nhiều khu công nghiệp, nhà máy xả nước thải chưa qua xử lý ra các hệ thống sông, hồ xung quanh Chất lượng nước mặt tại một số khu vực tập trung các nhà máy, xí nghiệp đang ở mức báo động với nhiều thông số chất lượng nước vượt nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép [1]

Nước thải y tế

Nhiều địa phương ở nước ta, đặc biệt là tại các thành phố lớn tập trung nhiều bệnh viện các cấp, nhiều trung tâm y tế đang hoạt động Mặc dù nhiều bệnh viện lớn đã được trang bị hệ thống xử lý nước thải, nhưng các cơ sở y tế với quy mô nhỏ phần lớn xả nước thải y tế chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để ra môi trường xung quanh

Nước thải y tế được xem là nguồn thải rất độc hại nếu không được xử

lý trước khi thải ra môi trường do chứa nhiều hóa chất độc hại với nồng độ cao và chứa nhiều vi trùng, vi khuẩn lây lan bệnh truyền nhiễm Mức độ gia tăng lượng nước thải y tế ở nước ta ngày càng nhanh chóng do sự gia tăng số lượng các bệnh viện và cơ sở y tế Ô nhiễm nguồn nước mặt do nước thải, rác thải y tế đang là một vấn đề gây bức xúc ở nhiều địa phương ở Việt Nam [1]

Nước thải nông nghiệp

Các hoạt động chăn nuôi gia súc; phân, nước tiểu gia súc, thức ăn thừa không qua xử lý đưa vào môi trường và các hoạt động sản xuất nông nghiệp

Khái niệm cơ bản

GIS (Geographical Information System) là hệ thống chuyên làm việc với

dữ liệu địa lý Cho đến nay, nhiều định nghĩa về GIS theo cấu trúc và chức năng đã và đang được sử dụng Tuy nhiên, cách định nghĩa theo chức năng đang được sử dụng phổ biến hơn Theo chức năng, GIS là một hệ thống nhằm thu thập, lưu trữ, truy vấn, tích hợp, thao tác, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian Với khả năng lưu trữ, xử lý và phân tích không gian mạnh, GIS đang trở thành một công cụ hết sức hiệu quả trong nghiên cứu, quản lý tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường [10]

12

Phần cứng là hệ thống máy tính trên một hệ GIS hoạt động Ngày nay,

phần mềm GIS có khả năng chạy trên rất nhiều dạng phần cứng, từ máy chủ trung tâm đến các trạm hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng

Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu

trữ, phân tích và hiển thị thông tin địa lý Thành phần phần mềm GIS bao gồm

hệ điều hành và các phần mềm ứng dụng

Dữ liệu là một thành phần rất quan trọng trong một hệ GIS Các dữ liệu

địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại Dữ liệu được sử dụng trong GIS không chỉ là số liệu địa lý riêng lẻ mà còn phải được thiết kế trong một cơ sở dữ liệu

Phương pháp là hợp phần rất quan trọng để đảm bảo khả năng hoạt

động của hệ thống, là yếu tố quyết định sự thành công của việc phát triển công nghệ GIS Hệ thống GIS cần được điều hành bởi một bộ phận quản lý, bộ phận này phải được bổ nhiệm để tổ chức hoạt động hệ thống GIS một cách có hiệu quả để phục vụ người sử dụng thông tin

Con người là thành phần quan trọng nhất của một hệ thống GIS Con

người là nhân tố thực hiện tất cả các thao tác điều hành sự hoạt động của hệ thống GIS

Chức năng của GIS [10]

Hiện nay, các phần mềm hệ thống GIS thương mại được phát triển rất đa dạng với nhiều tính năng và tiện ích khác nhau Nhìn chung, một hệ thống GIS

có rất nhiều chức năng, tuy nhiên có thể thấy các chức năng của GIS đều xoay quanh dữ liệu (data): thu thập dữ liệu, lưu trữ dữ liệu, truy vấn dữ liệu, phân tích, trình bày kết quả, chức năng xuất nhập dữ liệu

13

Hình 1.3 Mô tả các chức năng của GIS

Chức năng thu thập dữ liệu là khả năng của hệ thống GIS cho phép nhập

dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau như từ bản đồ giấy, số liệu bảng tọa độ, dữ liệu ảnh vệ tinh, dữ liệu từ hệ thống định vị toàn cầu (GPS) Hơn nữa, các dữ liệu được lưu trữ theo một định dạng dữ liệu từ một phần mềm có thể nhập vào các hệ phần mềm khác Ví dụ, phần mềm ArcGIS cho phép nhập dữ liệu từ các phần mềm Mapinfo, MicroStation, IDRISI và nhiều phần mềm GIS mã nguồn

mở

Chức năng lưu trữ dữ liệu của hệ thống GIS hỗ trợ lưu dữ liệu cả dạng cấu trúc dữ liệu Vector và cấu trúc dữ liệu Raster Khả năng lưu trữ dữ liệu của các hệ GIS cho phép xây dựng các ngân hàng dữ liệu không gian phục vụ công tác quản lý tài nguyên và môi trường Cơ sở dữ liệu lớp phủ thực vật, cơ sở dữ liệu bản đồ đất, cơ sở dữ liệu địa chính là những ví dụ hữu ích về khả năng của GIS trong lưu trữ dữ liệu phục vụ quản lý chuyên ngành quản lý tài nguyên

Chức năng truy vấn dữ liệu là chức năng cơ bản nhất của tất cả các phần mềm GIS Nhiều hệ thống GIS tích hợp cả hệ quản trị cơ sở dữ liệu bên trong

nó dựa trên mô hình dữ liệu quan hệ như phần mềm ArcGIS, IDRISI để giúp tổ

14

chức thông tin của một hệ GIS Dữ liệu được tổ chức theo mô hình dữ liệu quan hệ này cho phép truy vấn thông tin của các đối tượng riêng biệt cũng như theo các điều kiện nào đó theo giá trị thuộc tính hoặc không gian địa lý

Chức năng phân tích dữ liệu là nhóm chức năng quan trọng của các hệ phần mềm GIS, đặc biệt trong phân tích dữ liệu không gian Hầu hết các hệ thống GIS đều cung cấp các công cụ phân tích không gian cơ bản như hiển thị

dữ liệu, phân tích liền kề, chồng xếp bản đồ, phân tích mạng lưới Tuy nhiên, một số phần mềm GIS thương mại hiện nay tích hợp rất nhiều các thuật toán, các mô hình tính toán cho phép phân tích dữ liệu không gian Người sử dụng chỉ việc lựa chọn thuật toán phù hợp với lĩnh vực ứng dụng cụ thể Ví dụ, hệ phần mềm IDRISI tích hợp các thuật toán thống kê, các mô hình phân tích đa biến, các thuật toán cho đánh giá và quy hoạch sử dụng đất, các thuật toán và

mô hình giúp mô hình hóa chuyển đổi sử dụng đất và mô hình hóa các xu hướng biến đổi khí hậu Trái đất

Chức năng hiển thị dữ liệu của các hệ thống GIS là khả năng cho phép hiển thị dữ liệu dưới nhiều dạng khác nhau như bản đồ, biểu đồ hoặc các báo cáo

Chức năng xuất dữ liệu là khả năng của hệ thống GIS cho phép xuất dữ liệu được xuất dưới dạng bản đồ giấy, ảnh, tài liệu bản đồ hoặc qua mạng Internet

Phương pháp ứng dụng công nghệ GIS

Ô nhiễm nước được đánh giá thông qua việc sử dụng số liệu thu được

từ trạm quan trắc Mặc dù vậy, các số liệu đo đạc này chỉ có thể đánh giá được chất lượng nước cục bộ xung quanh điểm đo Công nghệ GIS với khả năng phân tích không gian mạnh, trong đó có khả năng nội suy bề mặt có thể

sử dụng hiệu quả nhằm xây dựng bản đồ phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước từ kết quả đã biết ở các vị trí lấy mẫu

Trong Arcgis 10.1, cung cấp một số phép nội suy như: IDW, Kriging, Spline, Trend, Natural Neighbor

Trong đó, ba phép nội suy phổ biến là IDW, Spline và Kriging

Nội suy giá trị trung bình trọng số (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 IDW

là phương pháp nội suy có tốc độ tính toán nhanh và dễ thực hiện và có thể được sử dụng hiệu quả khi có một tập hợp các điểm dày đặc, phân bố rộng khắp trên bề mặt tính toán

16

Hình 1.4 Nội suy IDW [10]

Nội suy Spline

Spline sử dụng một hàm toán học giảm thiểu độ cong tổng thể của bề mặt Điều này dẫn đến kết quả là một bề mặt nhẵn mà chính xác thông qua các điểm đầu vào Phương pháp nội suy Spline là phương pháp nội suy tổng quát, phương pháp này hiệu chỉnh bề mặt đường cong Spline có thể sử dụng hiệu quả trong trường hợp số liệu ít và rời rạc như số liệu khí tượng, thủy văn…

Hình 1.5 Nội suy Spline [10]

17

Nội suy Kriging

Kriging là một nhóm các kỹ thuật sử dụng trong địa thống kê, để nội suy một giá trị của trường ngẫu nhiên (như độ cao z của địa hình) tại điểm không được đo đạc thực tế từ những điểm được đo đạc gần đó Kriging nội suy giá trị cho các điểm xung quanh một điểm giá trị Những điểm gần điểm gốc sẽ ảnh hưởng nhiều hơn những điểm ở xa

Hình 1.6 Nội suy Kriging [10]

Một số ưu điểm của phương pháp này là giá trị của các điểm được gán không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách mà còn phụ thuộc vào sự phân bố không gian các điểm Điều này làm cho các giá trị nội suy mang tính tương quan không gian nhiều hơn

Một số bất lợi là nó đòi hỏi nhiều thời gian tính toán và mô hình hóa,

và đòi hỏi nhiều dữ liệu đầu vào

đa thức với toàn bộ bề mặt Kết quả thu được là một bề mặt tối thiểu hóa quan

hệ giữa các điểm đầu vào Bề mặt được xây dựng trên tất cả các điểm sao cho tổng sự sai khác giữa các giá trị thực và các giá trị ước lượng là nhỏ nhất có thể Đây là một phép nội suy không chính xác và bề mặt kết quả hiếm khi đi qua các điểm mẫu Tuy nhiên thuật toán này khám phá ra hướng của dữ liệu mẫu và giống với các hiện tượng tự nhiên, biến đổi một cách mượt mà

19

Hình 1.8 Nội suy Trend [10]

Nội suy Natural Neighbor

Nội suy Natural Neighbor là nội suy bề mặt từ các điểm không gian bằng cách sử dụng kỹ thuật hàng xóm tự nhiên Nội suy Natural Neighbor là một phương pháp nội suy không gian, phát triển bởi Robin Sibson Phương pháp này dựa vào lưới Voronoi của một tập hợp rời rạc của các điểm không

gian

Hình 1.9 Nội suy Natural Neighbor [10]

20

1.2.2 Tổng quan về viễn thám

Viễn thám là một ngành khoa học có lịch sử phát triển lâu đời Sự phát triển của khoa học viễn thám bắt đầu từ mục đích quân sự khi nghiên cứu các ảnh chụp sử dụng phim và giấy ảnh từ khinh khí cầu, máy bay Ngày nay, cùng sự phát triển của khoa học kỹ thuật, viễn thám được ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau như quân sự, địa chất, địa lý, môi trường, khí tượng, thủy văn, nông nghiệp, lâm nghiệp,

Theo nghĩa rộng, viễn thám là ngành khoa học nghiên cứu việc đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng, sự vật bằng cách sử dụng thiết bị đo tác động một cách gián tiếp với đối tượng nghiên cứu Ban đầu, dữ liệu viễn thám

là ảnh chụp phim thu nhận từ khinh khí cầu, máy bay…Hiện nay, nguồn dữ liệu chính trong viễn thám là ảnh số thu nhận từ các hệ thống vệ tinh quan sát trái đất Có rất nhiều định nghĩa khác nhau về viễn thám, nhưng xét cho cùng tất cả các định nghĩa đều có một đặc điểm chung, nhấn mạnh “viễn thám là khoa học nghiên cứu các thực thể, hiện tượng trên trái đất từ xa mà không cần tác động trực tiếp vào nó”

Nguồn tài nguyên chủ yếu sử dụng trong viễn thám là sóng điện từ hoặc được phản xạ, hoặc bức xạ từ vật thể Viễn thám bị động (passive remote sensing) sử dụng nguồn bức xạ điện từ tự nhiên như Mặt Trời, trong khi đó viễn thám chủ động (active remote sensing) sử dụng nguồn bức xạ điện

từ nhân tạo được trang bị trên các vệ tinh viễn thám Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hoặc bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm biến (sensor) Bộ cảm biến có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện từ sang giá trị số để thu được ảnh số Phương tiện dùng để mang các bộ cảm được gọi là vật mang Hiện nay, vật mang rất đa dạng, có thể là khinh khí cầu, máy bay, vệ tinh, tàu

vũ trụ,

21

Với những ưu điểm nổi bật so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống, lĩnh vực ứng dụng của viễn thám rất đa dạng Hiện nay, công nghệ viễn thám đã được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, lâm nghiệp, nghiên cứu biển, hải đảo, trong địa chất, môi trường,…và thu được những thành tựu

to lớn

Hình 1.10 Cơ chế hoạt động của hệ thống viễn thám

Ở nước ta, kỹ thuật viễn thám bắt đầu được sử dụng từ những thập kỷ cuối của thế kỷ 20, ban đầu nhằm thành lập và hiệu chỉnh bản đồ địa hình, bản đồ chuyên đề các tỉ lệ Cho đến nay, ảnh vệ tinh đã được nhiều cơ quan ở nước ta sử dụng để thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất phủ trùm các vùng lãnh thổ khác nhau, từ khu vực nhỏ đến tỉnh, vùng và toàn quốc

Những năm gần đây, kỹ thuật viễn thám đã được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả quan trọng trong hải dương học cũng như nghiên cứu đánh giá chất lượng nước ở Việt Nam Tư liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian đa dạng cho phép nghiên cứu, giám sát các vùng nước ở các quy

mô khác nhau Một số ảnh vệ tinh thương mại hiện nay như QuickBird,

Các vùng nước với hàm lượng thông số chất lượng nước khác nhau sẽ

có đặc trưng phản xạ phổ khác nhau Đặc trưng phản xạ phổ này có thể được

sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp để ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước như chất lơ lửng (TSS), chất diệp lục (Chrolophyll), nhiệt độ, pH, hàm lượng chất hữu cơ hòa tan Do vậy, tư liệu viễn thám chủ đạo sử dụng trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước là ảnh vệ tinh quang học Trong bảng 1.1 trình bày các bộ cảm biến quang học sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng nước, trong đó các bộ cảm được chia thành ba nhóm chính: độ phân giải không gian cao (dưới 10m), độ phân giải không gian trung bình (khoảng 10 đến 100m) và độ phân giải không gian thấp (lớn hơn 100m)

Bảng 1.1 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất

lượng nước [8]

Loại Vệ tinh-Bộ cảm phóng Ngày

Độ phân giải không gian (m)

Độ rộng dải chụp

Độ phân giải thời gian (ngày)

23

Loại Vệ tinh-Bộ cảm Ngày

phóng

Độ phân giải không gian (m)

Độ rộng dải chụp

Độ phân giải thời gian (ngày)

24

Những kết quả đạt được đã minh chứng khả năng và tính hiệu quả của công nghệ viễn thám trong nghiên cứu tài nguyên thiên nhiên và giám sát môi trường, là động lực thúc đẩy sự phát triển của công nghệ viễn thám ở Việt Nam

Phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám

Theo Mobley (1999), giá trị phản xạ viễn thám Rrs đối với nước được xác định bằng công thức sau [8]:

w rs d

L R E



Trong đó: là bức xạ rời khỏi mặt nước,

là bức xạ từ mặt trời hay bức xạ nguồn sáng đi tới mặt nước

Do đặc điểm thu nhận, ảnh viễn thám quang học nói chung để đưa vào

sử dụng cần phải tiến hành hiệu chỉnh ảnh hưởng của môi trường khí quyển

Để hiệu chỉnh các ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng ảnh, ảnh gốc cần biến đổi từ giá trị số nguyên (digital number – DN) về ảnh phản xạ ở đỉnh khí quyển R* (top of atmospheric – TOA), sau đó đưa về phản xạ bề mặt thông qua phép hiệu chỉnh khí quyển [8]:

25

Trong đó: Ra và Rr là phản xạ sol khí (aerosol) và phản xạ Rayleigh, Tg

và Td là tham số truyền dẫn và khuyếch tán bức xạ trong khí quyển

Như vậy, phản xạ viễn thám Rrs được tính theo mối quan hệ sau:

w rs

w

R R

S R







Ở đây S là giá trị suất phân chiếu bầu trời (albedo)

Từ những phân tích trên có thể kết luận rằng, phản xạ viễn thám xác định từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học tuân theo quy luật khách quan khi có tương tác của ánh sáng vào đối tượng nước

Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước từ tư liệu viễn thám cơ bản là các chất tạo màu trong nước như hàm lượng chất lơ lửng, hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll-a), độ đục/trong của nước và hàm lượng các chất hữu cơ hòa tan Trong nghiên cứu này, để đánh giá chất lượng nước mặt, tác giả sử dụng các chỉ số bao gồm chỉ số độ đục/trong của nước (TI – turbidity index) và chỉ số chất lơ lửng chuẩn hóa (NSMI – Normalized suspended material index):

Chỉ số độ đục của nước được tính theo công thức sau:

RED GREEN BLUE







Chỉ số chất lơ lửng chuẩn hóa NSMI được tính theo:

RED GREEN BLUE RED GREEN BLUE

Cynthia Meyer (2006) [43] sử dụng phương pháp nội suy khoảng cách ngược có trọng số IDW nhằm đánh giá phân bố hàm lượng DO trong nước mặt khu vực vịnh Tampa (Mỹ) Cũng sử dụng phương pháp nội suy IDW, Adebayo Olubukola Oke và cộng sự (2013) đã xây dựng các bản đồ thông số chất lượng nước trên lưu vực sông Ogun – Osun (Nigeria) [44] Trong nghiên cứu này, các tác giả đã chứng minh rằng hàm lượng các chất gây ô nhiễm ở lưu vực sông Ogun – Osun thay đổi theo mùa, trong đó dòng chảy là một

E.coli và F Phương pháp nội suy IDW còn được sử dụng trong các nghiên cứu như của Raikar và cộng sự (2012) khi phân tích chất lượng nước ngầm ở khu vực Bhadravathi (Ấn Độ) từ 17 điểm quan trắc lấy mẫu [46]

27

Hình 1.11 Kết quả nội suy hàm lượng Canxi, Magie, Clo trong nước ngầm khu vực Bhadravathia bằng phương pháp IDW [46]

Abdalkarim S Gharbia và cộng sự năm 2016 [47] đã sử dụng GIS trên

cơ sở thuật toán nội suy Ordinary Kriging trong đánh giá phân bố các thông

số chất lượng nước mặt các hồ khu vực dải Gaza (Palestine) Trong nghiên cứu này, các tác giả sử dụng 325 điểm lấy mẫu chất lượng nước mặt, sau đó tiến hành nội suy cho toàn khu vực Kết quả nhận được cho thấy, độ chính xác khi sử dụng thuật toán Ordinary Kriging lên đến trên 90%

có thể được sử dụng kết hợp kết quả quan trắc nhằm xây dựng hàm hồi quy đánh giá chất lượng nước Năm 2008, Weipi He và cộng sự [31] đã sử dụng

tư liệu viễn thám quang học và GIS trong nghiên cứu đánh giá ô nhiễm nước mặt các hồ ở Bắc Kinh (Trung Quốc) Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng dữ liệu ảnh đa phổ LANDSAT TM và 76 điểm lấy mẫu chất lượng nước

29

nhằm xác định hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll), chất hữu cơ hòa tan (COD – chemical oxygen demand), total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (NH3 - N),…trong các hồ chứa nước ở thành phố Bắc Kinh (Trung Quốc) Nghiên cứu này đã chứng minh rằng, các kênh phổ ở dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại có thể sử dụng để xây dựng các mô hình tính toán hàm lượng các tạp chất trên với độ chính xác đảm bảo

Hình 1.13 Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của

Weipi He [31]

30

Hình 1.14 Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO 3 -N và NH 3 -N trong

nghiên cứu của Weipi He [31]

Trong nhiều nghiên cứu khác, như của Ke Sheng Cheng, Tsu Chiang Lei (2001) [32], Emmanuel Olet (2010) [33], Jian – Jun Wang et al (2009) [34] các tác giả cũng sử dụng tư liệu viễn thám và số liệu các trạm quan trắc trong đánh giá hàm lượng chất lơ lửng, chất diệp lục khu vực cửa sông và ven biển Kết quả nhận được từ các nghiên cứu này đã được sử dụng trong xây dựng các hệ thống giám sát chất lượng nước mặt khu vực cửa sông và ven biển và cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác ứng phó tình trạng ô nhiễm nước và cải thiện chất lượng nước

Ngoài dữ liệu ảnh viễn thám quang học độ phân giải trung bình và cao (LANDSAT, SPOT), dữ liệu ảnh độ phân giải thấp MODIS cũng đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu nhằm đánh giá hàm lượng chất lơ lửng, chất