Xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công tác quản lý môi trường nước mặt thành phố hà nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÒA THỊ LƢƠNG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƢỜNG NƢỚC MẶT THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÒA THỊ LƢƠNG XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ CÔNG TÁC QUẢN LÝ MÔI TRƢỜNG NƢỚC MẶT THÀNH PHỐ HÀ NỘI Ngành: Kỹ thuật trắc địa – đồ Mã số: 8520503 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN TRƢỜNG XUÂN HÀ NỘI- 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các số liệu, kết trình bày luận văn thật chƣa đƣợc công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày … tháng 12 năm 2017 Tác giả luận văn Hòa Thị Lƣơng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU Chƣơng TỔNG QUAN VỀ HIỆN TRẠNG NƢỚC MẶT KHU VỰC THÀNH PHỐ HÀ NỘI 1.1 Điều kiện địa lý tự nhiên khu vực thành phố Hà Nội 1.1.1 Các đơn vị hành 1.1.2 Vị trí địa lý 1.1.3 Địa hình 1.1.4 Đặc trƣng khí hậu 1.1.5 Độ ẩm lƣợng mƣa 1.1.6 Chế độ gió 1.1.7 Chế độ nắng 1.2 Hệ thống sông, hồ H 1.2.1 Mạng lƣới sông 1.2.2 Mạng lƣới hồ, ao 12 1.3 Hiện tƣợng úng ngập Hà Nội 16 1.4 Tổng quan trạng ô nhiễm nƣớc sông, hồ Hà Nội 21 1.5 Các nguồn gây ô nhiễm nƣớc mặt Hà Nội 23 1.5.1 Nƣớc thải sinh hoạt khu vực đô thị 23 1.5.2 Nƣớc thải công nghiệp 25 1.5.3 Nƣớc thải y tế 26 1.5.4 Nƣớc thải khách sạn trung tâm thƣơng mại - du lịch 28 1.5.5 Nƣớc thải làng nghề chăn nuôi 29 1.6 Thực trạng công tác quản lý sông, hồ Hà Nội 29 iii Chƣơng CÔNG NGHỆ HỆ THÔNG TIN ĐỊA LÝ VÀ PHẦN MỀM ARCGIS 31 2.1 Tổng quan công nghệ hệ thông tin địa lý 31 2.1.1 Khái niệm hệ thông tin địa lý 31 2.1.2 Các thành phần GIS 34 2.1.3 Chức hệ GIS 38 2.1.4 Khái niệm chuẩn liệu 39 2.1.5 Hệ thông tin địa lý Internet 42 2.2 Tổng quan ArcGIS 43 2.2.1 Giới thiệu ArcGis 43 2.2.2 Các mơ hình liệu địa lý ArcGIS 44 2.2.3 Các định dạng liệu phổ biến ArcGIS 46 2.2.4 Quy trình tổng quát xây dựng sở liệu quản lý ArcGIS49 2.3 Các bƣớc xây dựng sở liệu GIS 53 2.3.1 Giai đoạn khởi đầu 53 2.3.2 Thu thập đồ, số liệu cần thiết 53 2.3.3 Tổ chức sở liệu 53 2.3.4 Lƣu trữ quản lý liệu 54 Chƣơng THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU QUẢN LÝ MÔI TRƢỜNG NƢỚC MẶT KHU VỰC HÀ NỘI 55 3.1 Thu thập xây dựng sở liệu 55 3.1.1 Thu thập liệu 55 3.1.2 Thiết kế sở liệu cho chƣơng trình 57 3.1.3 Thiết kế nhập thơng tin thuộc tính cho lớp thơng tin 59 3.2 Phân tích liệu, thực phƣơng án đánh giá mức độ ô nhiễm theo Quy chuẩn quốc gia chất lƣợng nƣớc mặt (QCVN 08:2008/BTNMT) 59 3.2.1 Phạm vi áp dụng 61 3.2.2 Quy định kỹ thuật 62 iv 3.2.3 Phƣơng pháp khoanh vùng ô nhiễm quốc gia môi trƣờng nƣớc mặt 63 3.3 Xây dựng tiêu chí khoanh vùng nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt Hà Nội 64 3.3.1 Các thông số đặc trƣng cho ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt 64 3.3.2 Lựa chọn chất nhiễm mơi trƣờng nƣớc điển hình, đặc trƣng để xác định tiêu khoanh vùng ô nhiễm nƣớc 70 3.3.3 Xây dựng tiêu khoanh vùng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt70 3.4 Bản đồ khoanh vùng ô nhiễm nguồn nƣớc mặt 73 3.4.1 Quy chuẩn nguồn nƣớc hạng A1 73 3.4.2 Quy chuẩn nguồn nƣớc hạng A2 74 3.4.3 Quy chuẩn nguồn nƣớc hạng B1 75 3.4.4 Quy chuẩn nguồn nƣớc hạng B2 77 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Chữ viết đầy đủ BĐĐH : Bản đồ địa hình CSDL : Cơ sở liệu TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TNMT : Tài nguyên môi trƣờng DBMS : Hệ quản trị sở liệu ( Database Management System) ESRI : Viện Nghiên cứu hệ thống Môi trƣờng (Enviroment System Research Institute) GIS – HTTTĐL Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) GML : Ngôn ngữ đánh dấu địa lý (Geography Markup Language) UML : Ngơn ngữ mơ hình hóa thống (Unifiield Modeling Language) XML : Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng (eXtensible Markup Language) ISO : Tổ chức Quốc tế tiêu chuẩn hóa (International Organization for Standardization) vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Bản đồ Hành Thành phố Hà Nội Hình 1-2 Bản đồ phân bố ao, hồ lớn Hà Nội năm 2015 13 Hình 1-3 Ngập úng thành phố Hà Nội sau mƣa 19 Hình 1-4 23h25, nƣớc mƣa ngập mấp mé bậu cửa nhà dân dọc phố Trần Hƣng Đạo, (gần ngã tƣ Phan Chu Trinh) Có nhà phải chắn gỗ, chèn giẻ để ngăn nƣớc ngập tràn vào lòng nhà Lúc mƣa bớt nặng hạt 19 Hình 1-5 23h40, ngã tƣ Phạm Đình Hổ - Hàng Chuối Chiếc Toyota Camry chủ quan mƣa chƣa lâu nên cố lội qua 20 Hình 1-6 Cây liễu cao gần 20m bị gió dơng đầu trận mƣa quật bật gốc bên bờ sông Kim Ngƣu 20 Hình 1-7 Chỉ sau mƣa 30 phút, nƣớc hồ Hồn Kiếm dâng chạm mép bờ phía cuối đƣờng Đinh Tiên Hoàng 21 Hình 1-8 Biểu đồ diễn biến hàm lƣợng COD số hồ Hà Nội 23 Hình 2-1 Mô hệ thông tin địa lý 32 Hình 2-2 Mơ thành phần GIS 34 Hình 2-3 Hệ thống phần cứng 35 Hình 2-4 Cơ sở liệu 36 Hình 2-5 Các lớp thơng tin hệ thống 37 Hình 2-6 Mơ chức hệ GIS 38 Hình 2-7 Hệ thống phần mềm ArcGIS 44 Hình 2-8 Tổ chức sở liệu GeoDatabase 48 Hình 2-9 Quy trình xây dựng sở liệu 52 Hình 3-1 Tạo Geodatabase ArcCatalog 57 Hình 3-2 Tạo Feature Dataset ArcCatalog 58 Hình 3-3 Tạo Feature Class ArcCatalog 59 Hình 3-4 Bảng thuộc tính lớp Songho_Region 60 Hình 3-5 Bảng thuộc tính lớp Song_Region_Text 60 vii Hình 3-6 Bảng thuộc tính lớp QuanHuyen_Region 60 Hình 3-7 Bảng thuộc tính lớp ViTriKiemTra 61 Hình 3-8 Khoanh vùng nhiễm nguồn nƣớc theo quy chuẩn hạng A1 73 Hình 3-9 Khoanh vùng nhiễm nguồn nƣớc theo quy chuẩn hạng A2 75 Hình 3-10 Khoanh vùng nhiễm nguồn nƣớc theo quy chuẩn hạng B1 76 Hình 3-11 Khoanh vùng nhiễm nguồn nƣớc theo quy chuẩn hạng B2 77 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tình trạng ngập úng nội thành Hà Nội mƣa to 17 Bảng 1-2 Các nhà máy, trạm xử lý nƣớc thải hoạt động năm 2014 địa bàn thành phố Hà Nội 24 Bảng 1-3 Thống kê nƣớc thải sở sản xuất công nghiệp địa bàn thành phố Hà Nội 25 Bảng 1-4 Thống kê nƣớc thải số sở y tế địa bàn thành phố Hà Nội năm 2014 26 Bảng 2-1 Quy chuẩn thông tin địa lý sở Quốc gia 41 Bảng 3-1 Kết phân tích mẫu nƣớc sơng Tơ Lịch 55 Bảng 3-2 Kết phân tích mẫu nƣớc Hồ Tây 56 Bảng 3-3 Kết phân tích mẫu nƣớc Hồ Trúc Bạch 56 Bảng 3-4 Giá trị giới hạn cho phép thông số nồng độ chất ô nhiễm nƣớc mặt 62 Bảng 3-5 Các thông số ô nhiễm đƣợc lựa chọn để tính tiêu nhiễm dùng cho việc khoanh vùng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt 70 Bảng 3-6 Chất lƣợng nƣớc sông theo quy chuẩn nguồn nƣớc hạng A1 74 Bảng 3-7 Chất lƣợng nƣớc sông theo quy chuẩn nguồn nƣớc hạng A2 74 Bảng 3-8 Chất lƣợng nƣớc sông theo quy chuẩn nguồn nƣớc hạng B1 76 Bảng 3-9 Chất lƣợng nƣớc sông theo quy chuẩn nguồn nƣớc hạng B2 78 67 hỏi phải trì DO giới hạn thích hợp cho loại động vật thủy sinh Việc xác định DO đƣợc dùng làm sở xác định BOD để đánh giá mức độ ô nhiễm nƣớc thải DO yếu tố liên quan đến khống chế ăn mòn sắt, thép yếCácố ảnh hƣởng đến giá trị DO: - Sự khuyếch tán ơxi từ khơng khí vào nƣớc: Lƣợng ơxi khuyếch tán vào nƣớc phụ thuộc vào nhiệt độ nƣớc, có mặt khí khác nƣớc, nồng độ ơxi hịa tan nƣớc - Sự tiêu hao ôxi trình phân hủy sinh học chất hữu cơ: Lƣợng tổn thất ôxi nhu cầu phân hủy sinh học chất hữu vi khuẩn hiếu khí đƣợc coi lƣợng tiêu hao ơxi lớn nƣớc Lƣợng tiêu hao phụ thuộc vào chất lƣợng chất ô nhiễm hữu cơ, lƣợng loại vi khuẩn, nhiệt độ, thể tích ao hồ, lƣu lƣợng lƣu tốc dòng chảy - Sự tiêu hao ôxi trình phân hủy chất hữu đáy thủy vực tạo trình phân hủy yếm khí thải loại khí độc hại (H 2S, NH3, CH4, CO2) Những sản phẩm tiếp tục phân hủy tới lớp nƣớc phía Sự phân hủy vi khuẩn hiếu khí thực ơxi bị tiêu tốn - Sự bổ sung ôxi quang hợp - Sự hao hụt ôxi hịa tan hơ hấp thủy sinh vật * Trị giá BOD, COD Trị Giá BOD, COD biểu thị lƣợng ơxi cần thiết để ơxi hóa chất hữu thủy vực theo đƣờng sinh học hóa học Giá trị BOD, COD cao có nghĩa thủy vực bẩn * Amonium Amoni đƣợc hình thành từ nitơ, hợp chất vô hữu cơ, nguồn dinh dƣỡng quan trọng thực vật thủy sinh tảo Trong nƣớc bề mặt tự nhiên vùng khơng nhiễm, NH4+ có dạng vết (khoảng 0,05mg/l) Nồng độ amoni nƣớc ngầm nhìn chung thƣờng cao nƣớc mặt 68 Lƣợng amoni nƣớc thải từ khu dân cƣ nƣớc thải nhà máy hóa chất, chế biến thực phẩm, sữa lên tới 10 - 100mg/l Ở nhiệt độ pH nƣớc sông, amoni thƣờng mức thấp, chƣa gây hại cho thủy sinh vật; nhiên, pH nhiệt độ cao, amoni chuyển thành khí NH3độc với cá động vật thủy sinh Trong nƣớc sông Hồng, pH trung tính nhiệt độ khoảng 250C vào mùa hè đủ điều kiện để amoni chuyển thành khí * Nitrit – Nitrat Nitrit nitrat hợp chất có nguồn gốc từ nitơ, nguồn dinh dƣỡng quan trọng cho thực vật tảo Nếu nồng độ nitrat > 10mg/l thích hợp cho phát triển tảo trình phân hủy (ảnh hƣởng đến hệ sinh thái thủy sinh làm giảm ôxi hòa tan nƣớc) Nitrat cao nƣớc cấp gây bệnh xanh da Methehemoglobin trẻ em “Blue Baby” (đặc biệt với trẻ dƣới tháng tuổi) * Photpho (Photphorus) Photpho nguồn dinh dƣỡng quan trọng cho thực vật tảo Trong nƣớc, hợp chất photpho tồn dạng: Hợp chất vô không tan, hợp chất vơ có tan, hợp chất hữu tan hợp chất hữu không tan Nồng độ cao photpho nƣớc gây phát triển mạnh tảo, tảo chết trình phân hủy kỵ khí làm giảm lƣợng ơxi hịa tan nƣớc điều gây ảnh hƣởng độc hại với đời sống thủy sinh Nitơ photpho hai nguyên tố sống, chúng có mặt hầu hết hoạt động liên quan đến sống vào nhiều ngành công nghiệp, nông nghiệp Khi thải kg nitơ dƣới dạng hợp chất hóa học môi trƣờng nƣớc sinh 20 kg COD; nhƣ vậy, thải kg P sinh 138 kg COD Trong nguồn nƣớc giàu chất dinh dƣỡng (N,P) thƣờng xảy tƣợng: tảo thủy sinh phát triển mạnh tạo nên mật độ lớn vào ban ngày nhiều nắng tảo quang hợp mạnh Để quang hợp, tảo hấp thụ khí CO2 69 bicacbonat (HCO3-) nƣớc nhả ôxi pH nƣớc tăng nhanh, nguồn nƣớc có pH thấp (tính đệm thấp cân H2CO3 – HCO3- - CO32) vào cuối buổi chiều; pH số ao, hồ giàu dinh dƣỡng đạt giá trị 10 Nồng độ ôxi tan nƣớc thƣờng siêu bão hòa, tới 20mg/l * Thủy ngân Thủy ngân dƣới dạng hợp chất độc sinh vật ngƣời Tai nạn vịnh Minamata Nhật Bản ví dụ điển hình, gây tử vong cho hàng trăm ngƣời gây nhiễm độc nặng hàng ngàn ngƣời khác Nguyên nhân ngƣời dân ăn cá động vật biển khác bị nhiễm thủy ngân nhà máy thải Thủy ngân bị phân hủy sinh học, bị tích đọng thể sinh vật thơng qua chuỗi mắt xích thức ăn * Asen Asen kim loại nặng độc hại, gây độc vào thể qua đƣờng ăn uống, hô hấp tiếp xúc qua da Tuy nhiên, nhiễm độc xảy nhiều ăn thức ăn nƣớc uống bị nhiễm asen Nguyên nhân ô nhiễm asen nƣớc do: - Q trình sử dụng thuốc trừ sâu, phân bón có chứa asen nơng nghiệp q trình bảo quản gỗ - Q trình hịa tan chất khống chứa asen tự nhiên lắng đọng asen khí - Q trình sản xuất cơng nghiệp, chất sử dụng sinh hoạt gây ô nhiễm asen lớn - As (III) thể tính độc cơng vào nhóm hoạt động - SH enzim làm cản trở hoạt động enzim AsO43- có tính chất tƣơng tự nhƣ PO43gây ức chế enzim, ngăn cản trình tạo ATP - chất sản sinh lƣợng As (III) làm đông tụ protein cơng vào liên kết sunfua Asen có nƣớc uống gây ung thƣ da, tăng rủi ro bệnh tim mạch, phổi 70 3.3.2 Lựa chọn chất nhiễm mơi trường nước điển hình, đặc trưng để xác định tiêu khoanh vùng ô nhiễm nước Để xây dựng tiêu dùng để đánh giá, phân loại mức độ ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt, giới ngƣời ta lựa chọn số thơng số nhiễm có tính đặc trƣng, đại diện nhất, không nƣớc sử dụng 32 thông số ô nhiễm nêu Thông thƣờng nƣớc số lƣợng thông số đƣợc lựa chọn từ đến 13 thông số đặc trƣng Ở Việt Nam thông số đƣợc lựa chọn thể bảng sau: Bảng 3-5 Các thông số ô nhiễm lựa chọn để tính tiêu nhiễm dùng cho việc khoanh vùng ô nhiễm môi trường nước mặt Thông số STT Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Số phiếu bầu Trọng số Trọng số theo số thập phân 17 5,24 0,149 BOD5 27 8,56 0,243 Tổng N 25 5,48 0,156 Tổng P 21 4,38 0,125 Asen hay Pb 21 4,05 0,115 Tổng Coliform 25 7,48 0.212 Tổng cộng trọng số 35,19 1.000 3.3.3 Xây dựng tiêu khoanh vùng ô nhiễm môi trường nước mặt Tiêu chí để khoanh vùng nhiễm mơi trƣờng tiêu cụ thể (định lƣợng) để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trƣờng khác nhau, vùng ô nhiễm khác nhau, đƣợc phân chia đƣờng ranh giới có mức nhiễm mơi trƣờng khác Để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trƣờng hay phân 71 loại chất lƣợng môi trƣờng nƣớc giới, ngƣời ta thƣờng sử dụng Chỉ số chất lƣợng môi trƣờng (Environment Quality Index - EQI), nhƣ môi trƣờng không khí AQI, mơi trƣờng nƣớc mặt WQI, môi trƣờng nƣớc biển ven bờ SWQI * Xác định giá trị số chất lượng môi trường nước cho thông số ô nhiễm Đối với thơng số đặc trƣng, điển hình, đƣợc lựa chọn để đánh giá mức độ ô nhiễm tổng chất rắn lơ lửng (TSS), BOD5, tổng N , tổng Asen hay Pb , tổng Coliform Công thức xác định số chất lƣợng môi trƣờng nƣớc 1: Trong đó: i = 1, 2, n - số điểm quan trắc nguồn nƣớc cụ thể Ci - nồng độ hay hàm lƣợng thực tế quan trắc đƣợc điểm i, thƣờng trị số trung bình năm Co - nồng độ hay hàm lƣợng chất ô nhiễm đƣợc quy định theo QCVN 08:2008/BTNMT n - số lƣợng điểm quan trắc nguồn nƣớc cụ thể 72 * Xác định số chất lượng môi trường nước tổng quát theo cách tính tổng cộng khơng có có trọng số Hoặc xác định số chất lƣợng môi trƣờng nƣớc tổng qt (WQIo) theo cách tính tổng cộng khơng có trọng số theo thông số ô nhiễm Công thức xác định số chất lƣợng môi trƣờng nƣớc 2: Trong đó, trị số 100 số chất lƣợng nƣớc quy ƣớc, tƣơng ứng với điều kiện nồng độ quan trắc thực tế = nồng độ giá trị giới hạn cho phép đƣợc quy định theo QCVN Hoặc xác định số chất lƣợng môi trƣờng nƣớc tổng quát (WQI0) theo cách tính tổng cộng với trọng số khác thông số ô nhiễm Công thức xác định số chất lƣợng môi trƣờng nƣớc: Trong đó: - k1, k2, k3, k4, k5, k6 trọng số thông số thông số ô nhiễm đƣợc lựa chọn, cụ thể k1 = 0,149; k2 = 0,243; k3 = 0,156; k4 =0,125; k5 = 0,115; k6 = 0,212 * Phân mức nhiễm để khoanh vùng kiểm sốt nhiễm môi trường nước mặt Tƣơng tự nhƣ phân mức ô nhiễm nƣớc giới nhƣ Mỹ, Canada, Hồng Kông, Nhật Bản , kiến nghị phân thành mức để khoanh vùng ô nhiễm môi trƣờng nƣớc nhƣ sau: - Mơi trƣờng nƣớc mặt có chất lƣợng tốt: WQI ≤ 50; - Môi trƣờng nƣớc mặt không bị ô nhiễm: 50