Kiểm kê khí thải phát sinh do đốt rơm rạ ngoài đồng ruộng trên địa bàn thủ đô Hà Nội bằng ứng dụng vệ tinh SAR Sentinel-1

VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 Original Article Application of SAR Sentinel-1 Satellite for Air Emission Inventory from Rice Straw Open Burning in Hanoi Hoang Anh Le1,*, Nguyen Viet Thanh1, Do Minh Phuong2, Ho Quoc Bang3, Nguyen Quang Hung1, Dinh Manh Cuong1 VNU University of Science, Vietnam National University, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam Center for Informatics and Statistics (CIS), Ministry of Agriculture and Rural Development (MARD) Ngoc Ha, Ba Dinh, Hanoi, Vietnam Institute for Environment and Resources, Vietnam National University, Ho Chi Minh City, Vietnam 142 To Hien Thanh, 10 District, Ho Chi Minh City, Vietnam Received 19 May 2020 Revised 15 July 2020; Accepted 04 August 2020 Abstract: Air emission inventory is an advance tool in application research of environmental field Emission inventory can be conducted in different approaches, in which statistical data collection is considered to be a conventional way with relatively low reliability and delaying time This study uses a methodology of extracting activity data of cultivation area and rice production employing SAR Sentinel-1 images in order to overcome the limitation of conventional method Consequently, the data is utilized to estimate the total air pollutants emitted from rice straw open burning Results show that integration of remote sensing data (SAR Sentinel-1 satellite) improves the seasonal spatial rice cultivated area and production distribution with high reliability The study implies a considerable potential of satellite data for estimation of air emission from agriculture waste combusion due to its availability, real-time, and low cost features Application for Hanoi in 2019 performs that an amount of 460 thousand tons of rice straw was burned, thus, created 542 thousand tons of CO2 (90%), 42 thousand tons of CO (7%), and other air pollutants of the rest 3% Keywords: SAR, sentinel, emission inventory, rice straw.* * Corresponding author E-mail address: leha@vnu.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4635 81 82 H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 Kiểm kê khí thải phát sinh đốt rơm rạ ngồi đồng ruộng địa bàn thủ Hà Nội ứng dụng vệ tinh SAR Sentinel-1 Hoàng Anh Lê1,*, Nguyễn Việt Thanh1, Đỗ Minh Phương2, Hồ Quốc Bằng3, Nguyễn Quang Hưng1, Đinh Mạnh Cường1 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam Trung tâm Tin học Thống kê, Bộ Nông nghiệp Phát triển Nơng thơn Số Ngọc Hà, Ba Đình, Hà Nội, Việt Nam Viện Môi trường Tài Nguyên, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh 142 Tơ Hiến Thành, Quận 10, thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Nhận ngày 19 tháng năm 2020 Chỉnh sửa ngày 15 tháng năm 2020; Chấp nhận đăng ngày 04 tháng năm 2020 Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày phương pháp trích xuất liệu diện tích suất lúa thơng qua việc sử dụng ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1 để ước tính lượng khí thải phát sinh từ hoạt động đốt rơm rạ đồng ruộng Kết cho thấy việc kết hợp liệu viễn thám (từ ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1) cải thiện phân bố khơng gian diện tích sản lượng lúa theo mùa vụ với độ tin cậy cao Dựa kết này, liệu vệ tinh cho thấy tiềm lớn để ước tính lượng khí thải phát sinh từ hoạt động đốt rơm rạ ngồi đồng ruộng, có lợi tính sẵn có, kịp thời khả cạnh tranh chi phí thấp Theo kết tính tốn vào năm 2019, với lượng rơm rạ thải bỏ bị đem đốt đồng ruộng địa bàn thủ Hà Nội vào khoảng 460 nghìn tấn, tạo tổng lượng chất gây ô nhiễm lớn với 542 nghìn CO2 (chiếm 90%), 42 nghìn CO (chiếm khoảng 7%), khí thải khác chiếm 3% cịn lại Từ khóa: SAR, sentinel, kiểm kê khí thải, đốt rơm rạ Mở đầu* Sinh khối (biomass) nguồn lượng tích tụ từ ánh sáng mặt trời qua hoạt động quang hợp xanh, nguồn lượng cung cấp cho hoạt động sống người sinh vật Trái đất Phát thải từ trình đốt cháy sinh khối nguồn đóng góp chất gây nhiễm khơng khí, có tác * Tác giả liên hệ Địa email: leha@vnu.edu.vn https://doi.org/10.25073/2588-1094/vnuees.4635 động đáng kể đến phản ứng hóa học khí tồn cầu gây biến đổi khí hậu [1-3] Đốt phế phụ phẩm nông nghiệp, đặc biệt hoạt động đốt rơm rạ sau vụ mùa thu hoạch góp phần đáng kể vào ô nhiễm môi trường gây tác động xấu đến sức khỏe cộng đồng địa phương khu vực [3-6] Hà Nội vùng trồng lúa đồng sơng Hồng với diện tích, suất lúa cao H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 Song song với phát triển sản xuất lúa gạo, Hà Nội tạo lượng phế phụ phẩm lớn, bao gồm phần quan trọng rơm rạ thường xuyên đốt cháy cánh đồng sau thu hoạch Rơm rạ chưa khơ hồn tồn đốt tạo thành đám khói bao trùm vùng rộng lớn, ảnh hưởng đến chất lượng môi trường, sức khỏe người dân sống quanh khu vực nguy gây an tồn giao thơng [2,3,7-9] Khói rơm rạ cho nguyên nhân gây nhiều bệnh tật có liên quan đến hệ hơ hấp gây tình trạng ngột ngạt, khó chịu đặc biệt vào ngày có thời tiết nắng nóng, oi [3,7-9] Đốt rơm rạ cho nguyên nhân gây tình trạng khói mù dày đặc bao quanh thủ Hà Nội ngày sau thu hoạch [2] Đốt rơm rạ ngồi đồng ruộng q trình đốt cháy khơng hồn tồn, thường khơng có hệ thống kiểm sốt khí thải, làm phát sinh nhiều chất độc hại vào mơi trường Trong khí CO2, sản phẩm chủ yếu q trình đốt giải phóng vào khí với CO, CH4, NOx, SO2 nhiều chất khác [5,6,10] Các khí thải từ nguồn đốt rơm rạ tác nhân gây hiệu ứng nhà kính khí CO2, CH4, N2O Các khí thải khác SOx, NOx tích tụ khí gây tình trạng mưa axit Tuy nguồn gây nhiễm khơng khí chủ yếu chưa trọng chương trình quản lý chất lượng khơng khí nhiều quốc gia Việc định lượng khí thải tạo đốt cháy phế phụ phẩm nông nghiệp sở khuyến cáo cho hành động xây dựng chương trình, sách phù hợp nâng cao chất lượng khơng khí quốc gia hợp tác quốc tế kiểm sốt có hiệu khí thải từ nguồn [10] Hiện giới có nhiều cơng trình nghiên cứu kiểm kê phát thải khí đốt phế phụ phẩm nơng nghiệp ngồi trời, có đốt rơm rạ đồng ruộng Nhưng nghiên cứu chưa thể kiểm kê phát thải khí từ hoạt động đốt phế phụ phẩm ngồi trời cách đầy đủ khó khăn thiếu nguồn liệu hoạt động (activity data) thống kê từ hoạt động đốt người dân địa [9] Các liệu hoạt động trước chủ yếu dựa vào số 83 liệu thống kê chưa đảm bảo độ tin cậy hạn chế kinh phí, thiếu nguồn nhân lực thực thống kê, thiếu tần suất quan sát thực tế mà liệu giám sát trực tiếp vào năm có đuôi kết thúc 6, chậm công bố [2,9] dẫn đến thiếu tính thực tế nhiệm vụ kiểm sốt, giảm thiểu tác động nhiễm khơng khí địa phương, vùng khu vực Bài tốn buộc nhà khoa học phải tìm phương pháp để xây dựng sở liệu với kinh phí tốn hơn, xác định nhanh hơn, sớm có độ tin cậy cao nhằm phục vụ cơng tác kiểm kê phát thải dự báo vấn đề ô nhiễm tương lai để từ có giải pháp cho việc kiểm sốt nâng cao chất lượng khơng khí địa phương Một cơng cụ sử dụng ảnh viễn thám với hệ vệ tinh mới: hệ thống radar độ tổng hợp giao thoa (Synthetic Aperture Radar - SAR) Công nghệ SAR sử dụng ảnh vệ tinh Sentinel ứng dụng thành công số lĩnh vực nước ta ứng dụng để giải toán ngập lụt [11], quản lý lưu vực hồ [12], giám sát lún sụt bề mặt đất [13], giám sát tài nguyên rừng [14] Nghiên cứu tiến hành nhằm đánh giá việc ứng dụng công cụ viễn thám với ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1A với mục đích đánh giá tình hình sản xuất lúa, hoạt động đốt rơm rạ đồng ruộng, ước tính tổng lượng khí thải đặc trưng phát sinh từ hoạt động đốt rơm rạ đồng ruộng địa bàn thủ đô Hà Nội (TĐHN) Phương pháp nghiên cứu 2.1 Phương pháp ước tính sản lượng nơng nghiệp qua ứng dụng công nghệ viễn thám Xuất phát từ nhu cầu cung cấp liệu cách xác diện tích, sản lượng lúa vụ mùa địa phương cho thống kê nông nghiệp thực chế độ an ninh lương thực, bảo hiểm mùa màng quản lý môi trường Giám sát lúa gạo thực toàn giới nhiệm vụ giám sát trồng quy trình quản lý sử dụng đất Để thu thập thơng tin diện tích trồng lúa, 84 H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 nhiều quốc gia tổ chức phát triển hệ thống giám sát lúa gạo qua vệ tinh [15] Kỹ thuật giám sát liệu ngành nông nghiệp trồng lúa phổ biến bao gồm khảo sát trực tiếp, sử dụng mơ hình thống kê, phân tích dựa ảnh viễn thám kết hợp đồng thời công cụ độ xác cao [16] Cơng cụ viễn thám dựa ảnh vệ tinh với hình ảnh vệ tinh quan sát Trái đất kỹ thuật xử lý hình ảnh kỹ thuật số cung cấp phạm vi rộng để theo dõi trồng từ quốc gia sang quốc gia khác, chí cấp hành nhỏ quận, huyện [17] Hiện cơng việc có thuận lợi nhiều mà liệu vệ tinh cung cấp miễn phí cho người dùng, liệu từ vệ tinh Landsat-5, Landsat-7, Landsat-8, MODIS, NOAA-AVHRR, Sentinel1, Sentinel-2 nhiều vệ tinh khác Các ứng dụng viễn thám giám sát trồng nói chung giám sát lúa nói riêng giới thiệu rộng rãi ứng dụng ngày nhiều [16-18] Trong nghiên cứu này, liệu viễn thám kỹ thuật xử lý ảnh sử dụng để ước tính diện tích sản lượng lúa khu vực nghiên cứu qua hai mùa vụ vụ Đơng - Xn vụ Hè (vụ Mùa) năm 2019 Dữ liệu có cách sử dụng công nghệ kỹ thuật mới, đại, liệu thống kê quốc gia thường công bố chậm 5-7 tháng vào năm Trong điều kiện Việt Nam, độ che phủ mây rộng khắp lan rộng suốt thời gian trồng trọt vụ lúa [19], liệu vệ tinh quang học có hạn chế định khơng cung cấp đủ thơng tin mặt đất cách đầy đủ vật cản đám mây dày Điều may mắn cải thiện loại bỏ hệ vệ tinh mới, hệ thống radar độ tổng hợp giao thoa SAR SAR cung cấp lợi với đặc tính xuyên qua đám mây dày, điều kiện thời tiết bất lợi bị mù, bụi khí quyển, sol khí truyền đủ nét thơng tin mặt đất [11,12,20] Trong số đó, ảnh Sentinel-1A Sentinel-1B trở thành lựa chọn phổ biến để theo dõi sinh khối nói chung diện tích, sản lượng lúa gạo nói riêng chúng có sẵn, miễn phí với thời gian thu nhận trung bình (12 ngày) độ phân giải không gian vừa phải (10 mét) [11-13] Một số nghiên cứu nghiên cứu giám sát lúa gạo Việt Nam nước Đông Nam Á tiến hành gần đây, chứng minh độ tin cậy, hiệu thời gian, khả mở rộng hiệu chi phí kỹ thuật viễn thám [18,21] Trong công bố Le cộng (2020) [9] áp dụng công nghệ cho vùng đồng sông Hồng Để tạo liệu diện tích, sản lượng lúa cho khu vực nghiên cứu khu vực qua vụ mùa trồng lúa khác nhau, liệu vệ tinh SAR Sentinel-1 chuỗi thời gian cần xác định thu thập Số liệu trích xuất từ cơng cụ so sánh, đánh giá kết hợp với liệu thống kê kiến thức thực địa Đặc biệt, hai giai đoạn tương ứng với vụ Đông - Xuân vụ Hè chọn để thu thập liệu, bao gồm: từ ngày tháng đến ngày 15 tháng cho vụ mùa Đông - Xuân; vụ Hè từ 30 tháng đến 15 tháng 10 hàng năm Trong vòng đời sinh trưởng 120-140 ngày lúa, giai đoạn thu thập liệu cho phép thu 10 - 12 cảnh hình ảnh vệ tinh cho chuỗi liệu, cho phép phát phạm vi tốt Kỹ thuật phân tích liệu chuỗi thời gian kết hợp giai đoạn tượng lúa mang lại đồng thuận cao với liệu thống kê số liệu thống kê [9,18,22] Trong nghiên cứu trước cho thấy mức độ tương quan diện tích lúa có nguồn gốc từ vệ tinh cấp tỉnh liệu thống kê lên tới 92-94% Tuy hình ảnh radar Sentinel-1 có hiệu tốt chia sẻ liệu Cơ quan Vũ trụ châu Âu (European Space Agency, ESA) từ 2015 đến [12,18] Chùm vệ tinh Sentinel-1 với hai vệ tinh Sentinel-1A Sentinel-1B sử dụng cảm biến radar độ tổng hợp giao thoa để thu nhận tín hiệu phản hồi từ bề mặt trái đất Tín hiệu thu nhận thể độ nhám bề mặt dạng số, cho phép phân tích để đưa thơng tin hữu ích Trong vịng đời lúa (Hình 1), số mốc quan trọng tính từ lúc gieo cấy tới thời điểm thu hoạch ghi nhận sử dụng để xác định mối tương quan đặc tính phát triển trồng với đường biến thiên tín hiệu phản xạ ảnh vệ tinh H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 Hình Sơ đồ biểu thị mối tương quan đặc tính phát triển lúa với đường biến thiên tín hiệu phản xạ ảnh vệ tinh Trong hình minh họa (Hình 1), hai thời điểm bắt đầu (1) kết thúc vụ lúa (2), tín hiệu thu nhận VH ảnh SAR đạt mức thấp (dưới -22 dB) Đó thời điểm bề mặt đồng ruộng hồn tồn khơng có trồng, tương ứng với giá trị độ nhám thấp ảnh vệ tinh Đặc biệt thời điểm bắt đầu mùa vụ (1), nước đổ ải vào đồng cho cơng tác làm đất, tín hiệu phản xạ gần đạt mức cực tiểu Khảo sát ảnh vệ tinh qua thời kỳ cho thấy tín hiệu nước khu vực có canh tác lúa giảm dần theo thời gian, lúa gia tăng chiều cao lẫn mật độ Kết hợp việc nhận dạng đường đặc tính với tham số khác miền giá trị tín hiệu phản xạ ảnh lúa (từ -12dB đến -8dB) thời gian sinh trưởng (từ 110 đến 130 ngày, tương ứng từ thời điểm (1) đến (2) Hình 1), đồ diện tích canh tác lúa thành lập với độ xác cao Kỹ thuật ước tính suất lúa tiến hành dựa nghiên cứu ứng dụng mô hình sinh trưởng lúa sử dụng hệ thống OZYZA 2000 Viện Nghiên cứu Lúa quốc tế (IRRI) phát triển [18,21] Mơ hình (Hình 2) sử dụng tham số đầu vào số mật độ lúa (LAI - Leaf Area Index) [21] chiết xuất từ liệu vệ tinh Chỉ số LAI đại diện cho sinh khối 85 lúa, thị quan trọng liên quan đến suất cuối vụ trồng Mơ hình ước tính suất lúa lấy số LAI từ liệu vệ tinh [18,22], kết hợp tham số khác giống lúa, môi trường canh tác (nhiệt độ, lượng mưa, tốc độ gió, vịng đời lúa tính ngày, mực nước đồng, phân bón, loại đất, thành phần giới…) để đưa kết số suất cho điểm ảnh (pixel) đồ Với khả thu nhận lúc liệu vệ tinh Sentinel-1A Sentinel-1B, tần suất thu nhận ảnh cho khu vực ngày, cho phép nhóm nghiên cứu thu nhận từ 18-20 ảnh thời gian diễn vụ lúa Tần suất hoàn toàn đáp ứng yêu cầu giám sát sinh trưởng lúa từ thời điểm bắt đầu gieo trồng đến lúc thu hoạch Trong báo này, liệu sản lượng lúa thu thập từ hệ thống thống kê quốc gia từ 2000 - 2018, số liệu lúa trích xuất từ ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1 2015 - 2019 Đồng thời nguồn số liệu xử lý thống kê mối tương quan số liệu cho giai đoạn (2015 - 2018) có đồng thời số liệu nguồn thống kê vệ tinh SAR Sentinel-1 (Hình 3) Số liệu sản lượng lúa khởi đầu cho việc tính tốn mức phát thải chất nhiễm đốt rơm rạ bước Hình Mơ hình sinh trưởng lúa sử dụng hệ thống OZYZA 2000 86 H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 2.2 Phương pháp kiểm kê khí thải Khí thải từ hoạt động đốt sinh khối ước tính dựa sản lượng sinh khối đốt hệ số phát thải (emission factor - EF) Với loại đốt sinh khối, khí thải tính tốn cách sử dụng công thức (1) sau [10]: 𝑛 𝐸𝑚𝑖𝑗 = ∑ 𝑀𝑗 𝐸𝐹𝑖𝑗 𝑗 (1) Trong đó: i: chất ô nhiễm i; j: loại trồng j; Emij: Lượng khí thải chất nhiễm i từ loại trồng j; Mj: Sản lượng sinh khối đốt cháy từ loại trồng j (kg/năm); EFij: Hệ số phát thải chất ô nhiễm i từ loại trồng j (g/kg) Sản lượng sinh khối đốt cháy ước tính dựa sản lượng trồng, tỉ lệ phụ phẩm hiệu suất đốt theo công thức (2) sau [10]: 𝑀𝑗 = 𝑃𝑗  𝑁𝑗  𝐷𝑗 𝐵𝑗 𝑗 (2) Trong đó: Pj: Sản lượng trồng (kg/năm); Nj: Tỉ lệ phụ phẩm theo sản lượng (lúc vừa thu hoạch); Dj: Tỉ trọng khô phụ phẩm; Bj: Tỉ lệ đốt phụ phẩm; j: Hiệu suất đốt (%) Sản lượng rơm rạ TĐHN ước tính sở liệu sản xuất lúa thu thập vào năm 2015 Tổng cục Thống kê (số liệu thống, có độ tin cậy cao cập nhật nay) từ kết điều tra, khảo sát thực tế tác giả [23] Hiện nay, Việt Nam chưa có hệ số phát thải riêng cho rơm rạ đốt đồng ruộng, nên nghiên cứu sử dụng hệ số phát thải công bố từ nghiên cứu nước châu Á có hoạt động sản xuất nơng nghiệp Thái Lan Trung Quốc để ước tính lượng khí thải Theo đó, thơng số ảnh hưởng q trình đốt hệ số phát thải (g/kg) khí thải phát đốt rơm rạ đồng ruộng thể qua Bảng Bảng Tổng hợp giá trị/thơng số kiểm kê khí thải Hệ số phát thải Giá trị Nguồn tham khảo Các đại lượng ảnh hưởng Nj 0,9 Dj 0,89 He cộng [1] 0,93 j Bj 0,44 Lê cộng [8] Hệ số phát thải chất ô nhiễm (g/kg) PM10 9,1 PM2.5 8,3 BC 0,51 CO2 1.177 Lựa chọn CO 93 Le cộng [9] SO2 0,18 NOx 2,28 NH3 4,1 CH4 9,59 Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Tình hình sản suất lúa địa bàn thủ Hà Nội Diện tích, suất lúa hàng năm toàn TĐHN giai đoạn 2000 - 2019 thống kê trình bày Hình 3, số liệu 2000 2018 số liệu từ niên giám thống kê quốc gia, số liệu 2019 số liệu xử lý ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1 Nếu phân chia giai đoạn gần thập kỷ thành giai đoạn nhỏ (trước 2007 sau 2009) cho thấy diện tích canh tác sản lượng lúa thu địa bàn TĐHN có xu hướng giảm xuống Diện tích trồng lúa có xu hướng giảm dần từ 54.200 (năm 2000) xuống 43.300 (năm 2007) Sản lượng lúa giai đoạn có xu giảm dần từ 224,6 nghìn (năm 2000) xuống cịn 184,2 nghìn (năm 2007) Năm 2008, theo Nghị số 15/2008/NQ-QH12 Quốc hội, từ 01/08/2008 TĐHN mở rộng địa giới hành Theo TĐHN mở rộng diện tích gấp 3,6 so với diện tích TĐHN lúc Địa giới hành sau mở rộng bao gồm: TĐHN lúc đó, tồn H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 tỉnh Hà Tây, huyện Mê Linh (Vĩnh Phúc) xã huyện Lương Sơn (Hịa Bình) Tổng diện tích TĐHN 3.300 km2 Điều đáng nói phần diện tích mở rộng có góp mặt địa phương có hoạt động sản xuất nơng nghiệp ấn tượng, suất cao vùng Kết dẫn đến tăng đột biến diện tích đất nơng nghiệp tồn TĐHN lên 206.900 (Hình 3a) Đi kèm với gia tăng diện tích canh tác, sản lượng lúa năm 2008 thống kê cho thấy tăng gấp sáu lần so với năm 2007, lên 1.177.800 Những năm sau đó, sản lượng lúa dao động quanh mức 1,1 - 1,2 triệu Xu hướng chung có q trình suy giảm diện tích giao trồng (xuống cịn 177 nghìn ha) sản lượng lúa thu hoạch (khoảng 1,026 nghìn tấn) vào năm 2019 Diện tích đất trồng lúa TĐHN tập trung chủ yếu huyện ngoại thành Ba Vì, Ứng Hịa, Sóc Sơn, Phú Xun, Thanh Oai, Mỹ Đức Thường Tín Đây phần lớn địa phương sát nhập TĐHN sau 2008 Như vậy, diện tích trồng lúa có xu hướng bị thu hẹp, song trình áp dụng khoa 87 học kỹ thuật việc cải tiến giống lúa, kỹ thuật trồng chăm sóc tiên tiến dẫn đến sản lượng lúa trì Và nhờ suất lúa địa bàn TĐHN không ngừng gia tăng hàng năm, đạt số gần tấn/ha (Hình 3b), thuộc diện cao vùng Đông Nam Á [9,18] Hình Diện tích gieo trồng, sản lượng suất lúa TĐHN, giai đoạn 2000-2019 Hình Mức tương quan số liệu vệ tinh SAR Sentinel-1 (trục tung) số liệu thống kê quốc gia (trục hoành) 88 H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 Bảng Kết kiểm kê lượng rơm rạ đốt đồng ruộng tổng khí phát thải từ hoạt động đốt rơm rạ địa bàn thủ đô Hà Nội năm 2019 (đơn vị: tấn) Huyện/Quận Ba Vì Chương Mỹ Đan Phượng Đơng Anh Gia Lâm Hồi Đức Mê Linh Mỹ Đức Phú Xuyên Phúc Thọ Quốc Oai Sóc Sơn Thạch Thất Thanh Oai Thường Tín Từ Liêm Ứng Hịa Hà Đơng Hồng Mai Long Biên Tây Hồ Sơn Tây Tổng Rơm rạ 31.548,2 45.052,4 3.959,1 22.412,4 8.780,1 5.769,6 5.306,4 50.517,1 47.533,3 15.990,7 21.560,0 43.911,3 24.868,1 38.676,1 23.704,2 1.069,6 59.369,0 2.763,4 150,1 945,2 46,3 6.625,8 460.558,1 BC 16,1 23,0 2,0 11,4 4,5 2,9 2,7 25,8 24,2 8,2 11,0 22,4 12,7 19,7 12,1 0,5 30,3 1,4 0,1 0,5 0,0 3,4 234,9 PM10 287,1 410,0 36,0 204,0 79,9 52,5 48,3 459,7 432,6 145,5 196,2 399,6 226,3 352,0 215,7 9,7 540,3 25,1 1,4 8,6 0,4 60,3 4.191,1 PM2.5 261,9 373,9 32,9 186,0 72,9 47,9 44,0 419,3 394,5 132,7 178,9 364,5 206,4 321,0 196,7 8,9 492,8 22,9 1,2 7,8 0,4 55,0 3.822,6 3.2 Khả cung cấp liệu SAR Sentinel-1 Để kiểm chứng khả cung cấp (độ xác tương đối) liệu công cụ ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1, nghiên cứu sử dụng độ chồng lấp liệu giai đoạn 2015 - 2018 thu qua chuỗi số liệu thống kê quốc gia chuỗi số liệu xử lý ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1 Kết mối tương quan biểu diễn qua Hình cho thấy mức tương quan (R2) có giá trị khoảng 0,78 - 0,86 Xu hướng giá trị độ tương quan R2 lớn dần từ 2015 - 2018, vụ Đông - Xuân tăng từ R2 = 0,78 - 0,86, vụ Hè tăng từ R2 = 0,68 - 0,84 Điều cho thấy chất lượng giải mã đối tượng SAR Sentinel-1 nâng cấp dần Giá trị R2 vụ mùa lớn vụ Đơng - Xn điều kiện thời tiết (lượng mưa, CO2 37.132,3 53.026,7 4.659,8 26.379,4 10.334,1 6.790,8 6.245,6 59.458,6 55.946,7 18.821,1 25.376,2 51.683,6 29.269,8 45.521,7 27.899,8 1.258,9 69.877,3 3.252,5 176,7 1.112,4 54,5 7.798,5 542.076,9 CO 2.934,0 4.189,9 368,2 2.084,4 816,5 536,6 493,5 4.698,1 4.420,6 1.487,1 2.005,1 4.083,7 2.312,7 3.596,9 2.204,5 99,5 5.521,3 257,0 14,0 87,9 4,3 616,2 42.831,9 SO2 5,7 8,1 0,7 4,0 1,6 1,0 1,0 9,1 8,6 2,9 3,9 7,9 4,5 7,0 4,3 0,2 10,7 0,5 0,0 0,2 0,0 1,2 82,9 NOx 71,9 102,7 9,0 51,1 20,0 13,2 12,1 115,2 108,4 36,5 49,2 100,1 56,7 88,2 54,0 2,4 135,4 6,3 0,3 2,2 0,1 15,1 1.050,1 NH3 129,3 184,7 16,2 91,9 36,0 23,7 21,8 207,1 194,9 65,6 88,4 180,0 102,0 158,6 97,2 4,4 243,4 11,3 0,6 3,9 0,2 27,2 1.888,3 CH4 302,5 432,1 38,0 214,9 84,2 55,3 50,9 484,5 455,8 153,4 206,8 421,1 238,5 370,9 227,3 10,3 569,3 26,5 1,4 9,1 0,4 63,5 4.416,8 độ che phủ bóng mây, aerosol) cản trở [12,14] Như thấy mức độ tương quan đủ tốt sử dụng cho việc ước tính sản lượng lúa địa phương qua cơng cụ vệ tinh SAR Sentinel-1 Kết cho thấy giá trị tương quan có thấp kết nghiên cứu Le cộng (2020) [9] cho vùng đồng sông Hồng, nhiên nghiên cứu so sánh theo khơng gian (địa phương cấp tỉnh), nghiên cứu lại so sánh theo số liệu theo thời gian (từng năm, giai đoạn 2015 - 2018) Kết mối tương quan biểu diễn qua Hình cho thấy mức tương quan (R2) có giá trị khoảng 0,78 - 0,86 Xu hướng giá trị độ tương quan R2 lớn dần từ 2015 - 2018, vụ Đông - Xuân tăng từ R2 = 0,78 - 0,86, vụ Hè tăng từ R2 = 0,68 - 0,84 Điều cho thấy chất lượng H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 giải mã đối tượng SAR Sentinel-1 nâng cấp dần Giá trị R2 vụ mùa lớn vụ Đơng - Xn điều kiện thời tiết (lượng mưa, độ che phủ bóng mây, aerosol) cản trở [12,14] Như thấy mức độ tương quan đủ tốt sử dụng cho việc ước tính sản lượng lúa địa phương qua công cụ vệ tinh SAR Sentinel-1 Kết cho thấy giá trị tương quan có thấp kết nghiên cứu Le cộng (2020) [9] cho vùng đồng sông Hồng, nhiên nghiên cứu so sánh theo khơng gian (địa phương cấp tỉnh), nghiên cứu lại so sánh theo số liệu theo thời gian (từng năm, giai đoạn 2015 - 2018) 3.3 Tổng lượng khí thải phát sinh từ hoạt động đốt rơm rạ đồng ruộng địa bàn thủ đô Hà Nội Để ước tính lượng chất thải phát sinh hoạt động đốt rơm rạ đồng ruộng địa bàn TĐHN, nghiên cứu sử dụng liệu vệ tinh SAR Sentinel-1 năm 2019 Kết xử lý ảnh vệ tinh diện tích, suất lúa vụ Đơng - Xn vụ Mùa năm 2019 địa bàn TĐHN trình bày Hình Hình Từ sử dụng cơng thức (1) (2) để tính tốn tổng lượng khí thải thể qua Bảng Kết kiểm kê khí thải năm 2019 Bảng cho thấy lượng 89 CO2 thành phần phát thải lớn (543 nghìn tấn; chiếm 90%), tiếp CO (43 nghìn tấn; chiếm 7%), tổng lượng chất ô nhiễm khác PM10, PM2.5, BC, SO2, NOx, NH3 CH4 chiếm lượng nhỏ khoảng 3% lại Điều đáng lo ngại chất nhiễm nói có chất tác nhân gây nên hiệu ứng nhà kính, góp phần gây xấu thêm tình trạng biến đổi khí hậu vốn cấp bách Các khí thải từ đốt rơm rạ cánh đồng (năm 2019) tập trung nhiều huyện Ứng Hịa, Mỹ Đức, Phú Xun (Hình 7) Nguyên khác diện tích trồng sản xuất lúa gạo tỷ lệ đốt rơm rạ đồng địa phương Tổng lượng chất nhiễm có mối quan hệ chặt chẽ với tình hình sản xuất lúa gạo tỷ lệ đốt rơm rạ Nói cách khác, địa phương có suất, sản lượng lúa tỷ lệ đốt rơm cao tổng lượng chất khí phát sinh lớn tương ứng Chất lượng mơi trường khơng khí vùng thị TĐHN bị ảnh hưởng lớn chất khí phát sinh hoạt động đốt rơm rạ vùng ngoại ô Phần tổng quan cho thấy, để giảm thiểu sai số phương pháp kiểm kê khí thải từ hoạt động đốt rơm rạ thực nhờ số giải pháp đầu tư xây dựng, cập nhật sở liệu phát sinh nguồn rơm rạ thải bỏ bị đốt, đầu tư vào hệ thống quan trắc kiểm sốt nhiễm khơng khí, cần thiết xây dựng hệ số phát thải chuẩn cho địa phương Hình Bản đồ diện tích, suất lúa vụ Đông - Xuân địa bàn thủ đô Hà Nội năm 2019 90 H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 Hình Bản đồ diện tích, suất lúa vụ Mùa địa bàn thủ đô Hà Nội năm 2019 Hình Phân bố tổng lượng khí thải đốt rơm rạ đồng ruộng địa bàn quận/huyện TĐHN theo vụ Đông - Xuân (a, c), vụ Mùa (b, d) năm 2019 H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 91 Kết luận Tài liệu tham khảo Đốt rơm rạ cánh đồng trở thành vấn đề nghiêm trọng, cần quan tâm quản lý chất lượng môi trường khơng khí xung quanh Cần phải lập kế hoạch quản lý đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng rơm rạ sau thu hoạch, tránh vấn đề môi trường phát sinh từ đốt rơm rạ đồng ruộng phổ biến Việc giải đốn ảnh vệ tinh SAR Sentinel-1 hồn tồn đáp ứng mục đích kiểm kê diện tích, sản lượng gieo trồng lúa để ước tính lượng rơm rạ thải bỏ đồng ruộng Kết ảnh vệ tinh cho tiên lượng lượng khí thải phát sinh hoạt động đốt rơm rạ ngồi đồng ruộng gây nên để qua có sách quản lý sớm, phù hợp nhằm giảm thiểu nhiễm mơi trường Theo kết tính tốn vào năm 2019, với lượng rơm rạ thải bỏ bị đem đốt đồng ruộng địa bàn TĐHN vào khoảng 460 nghìn tấn, tạo nên tổng lượng số chất gây ô nhiễm bao gồm PM2.5, PM10, BC, CO, CO2, SO2, NOx, NH3 CH4, tương ứng 3.822, 4.191, 235, 42.832, 542.000, 83, 1.000, 1.888, 4.400 CO2 thành phần phát sinh lớn (gần 90%), sau CO chiếm khoảng 7%, khí thải khác chiếm khoảng 3% cịn lại Khí thải sinh từ đốt rơm rạ tập trung chủ yếu huyện ngoại thành Ứng Hòa, Mỹ Đức, Phú Xun nơi có diện tích trồng lúa lớn Kết nghiên cứu cung cấp liệu để kiểm kê phát thải TĐHN sử dụng quản lý chất lượng mơi trường khơng khí Việt Nam [1] M He, J Zheng, S Yin, Y Zhang, Trends, temporal and spatial characteristics, and uncertainties in biomass burning emissions in the Pearl River Delta, China, Atmospheric Environment, 45 (2011) 4051-4059 https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2011.04.016 [2] MONRE, Environemtal status of Vietnam in 2016: Urban environment issuse, Ministry of Natural Resources and Environment (MONRE), Hanoi, 2017 (in Vietnamese) [3] H.A Le, N.T.T Hạnh, L.T Linh, Estimated gas emission from burning rice straw in open fields in Thái Bình province, VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences (2013) 26-33 (in Vietnamese) [4] N.M Dung, An Estimation of Air Pollutant Emissions from Open Rice Straw Burning in the Red River Delta, Journal of Science and Development 10 (2012) 190-198 (in Vietnamese) [5] P.D Agustian, N.T.K Oanh, Assessment of biomass open burning emissions in Indonesia and potential climate forcing impact, Atmospheric Environment 78 (2013) 250-258 https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.10.016 [6] N.T.K Oanh, B.T Ly, D Tipayarom, B.R Manandhar, P Prapat, C.D Simpson, L.-J.S Liu, Characterization of particulate matter emission from open burning of rice straw, Atmospheric Environment 45 (2011) 493-502 https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2010.09.023 [7] D.M Cuong, H.A Le, H.X Co, Calculation of Gas Emission from Rice Straw Open Burning in Ninh Binh Province for 2010 - 2015 Period and Proposal of Mitigation Solutions VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences 32 (2016) 70 76 (in Vietnamese) [8] H.A Le, T.V Anh, N.T.Q Hung, Ais pollutants estimated from rice straw open burning in Hanoi, Journal of Agricultural Science and Technology, (2017) 101 - 107 (in Vietnamese) [9] H.A Le, D.M Phuong, L.T Linh, Emission inventories of rice straw open burning in the Red River Delta of Vietnam: Evaluation of the potential of satellite data, Environmental Pollution 260 (2020) 113972-113986 https://doi.org/10.1016/j.envpol.2020.113972 [10] K Thongchai, N.T.K Oanh, Development of spatial and temporal emission inventory for crop residue field burning, Environmental Modeling & Assessment, 16 (2011) 453-464 https://doi.org/10.1007/s10666-010-9244-0 Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 105.082018.04 92 H.A Le et al / VNU Journal of Science: Earth and Environmental Sciences, Vol 37, No (2021) 81-92 [11] N.T Luan, N.T Hung, V.D Cuong, N.T Huyen, P.Q Son, Building the flood maps based on Radar remote sensing data applying for the downstream of the Tra Khuc River and the Ve River in Quang Ngai province, Journal of Water Resources and Environmental Engineering, 39 (2017) 21-28 (in Vietnamese) [12] N.V Viet, N.Q Hiep, A new approach to data processing of Sentinel-1 radar remote sensing image on the establishment of reservoir characteristic curve Journal of Water Resources and Environmental Engineering, (2019) 155-162 (in Vietnamese) [13] L.V Trung, N.T Co, Assessment of capacity of using sentinel-1 images in monitoring land subsidence in Ho Chi Minh City Science and Technology Development Journal (Science of the Earth & Environment), (2018) 19-25 (in Vietnamese) [14] N.V Thi, N.D Duong, T.Q Bao, The relation between backscatter of Sentinel-1 radar image and NDVI sentinel-2 optical image: Case study of dipterocarp forest in Dak Lak province, Journal of Agricultural Science and Technology (2018) 167-176 (in Vietnamese) [15] B Wu, J Meng, Q Li, F Zhang, X Du, N Yan, Latest Development of "CropWatch" - And Global Crop Monitoring System with Remote Sensing, Advances in Earth Science, 25 (2010) 1013 -1022 [16] L Busetto, S Casteleyn, C Granell, M Pepe, M Barbieri, M Campos-Taberner, R Casa, F Collivignarelli, R Confalonieri, A Crema, Downstream services for rice crop monitoring in Europe: From regional to local scale, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 10 (2017) 5423-5441 https://doi.org/10.1109/JSTARS.2017.2679159 [17] M.K Gumma, P.S Thenkabail, A Maunahan, S Islam, A Nelson, Mapping seasonal rice cropland extent and area in the high cropping intensity environment of Bangladesh using MODIS 500 m data for the year 2010, ISPRS Journal of [18] [19] [20] [21] [22] [23] Photogrammetry and Remote Sensing, 91 (2014) 98-113 https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2014.02.007 T.D Setiyono, E.D Quicho, F.H Holecz, N.I Khan, G Romuga, A Maunahan, C Garcia, A Rala, J Raviz, F Collivignarelli, L Gatti, M Barbieri, D.M Phuong, V.Q Minh, Q.T Vo, A Intrman, P Rakwatin, M Sothy, T Veasna, S Pazhanivelan, M.R.O Mabalay, Rice yield estimation using synthetic aperture radar (SAR) and the ORYZA crop growth model: development and application of the system in South and Southeast Asian countries, International Journal of Remote Sensing, 40 (2019) https://doi.org/10.1080/01431161.2018.1547457 R.E Huke, Rice area by type of culture: South, Southeast, and East Asia, International Rice Research Institute., Manila, Philippines, 1982 R Dwivedi, B Rao, S Kushwaha, The Utility of Day-and-Night Observation and Cloud-Penetration Capability of ERS-1 SAR Data for Detection of Wetlands, Geocarto International, 15 (2000) 7-12 https://doi.org/10.1080/10106040008542134 A Nelson, T Setiyono, A Rala, E Quicho, J Raviz, P Abonete, A Maunahan, C Garcia, H Bhatti, L Villano, Towards an operational SARbased rice monitoring system in Asia: Examples from 13 demonstration sites across Asia in the RIICE project, Remote Sensing, (2014) 1077310812 https://doi.org/10.3390/rs61110773 T Le Toan, F Ribbes, L.-F Wang, N Floury, K.H Ding, J.A Kong, M Fujita, T Kurosu, Rice crop mapping and monitoring using ERS-1 data based on experiment and modeling results, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 35 (1997) 41-56 https://doi.org/10.1109/36.551933 T.V Anh, Estimated gas emission of straw open burning in rice field of Hanoi, Master thesis in advance program VNU University of Science, (2014) Hanoi (in Vietnamese)  ... lượng khí thải phát sinh từ hoạt động đốt rơm rạ đồng ruộng địa bàn thủ đô Hà Nội Để ước tính lượng chất thải phát sinh hoạt động đốt rơm rạ đồng ruộng địa bàn TĐHN, nghiên cứu sử dụng liệu vệ tinh. .. (2021) 81-92 Kiểm kê khí thải phát sinh đốt rơm rạ ngồi đồng ruộng địa bàn thủ Hà Nội ứng dụng vệ tinh SAR Sentinel-1 Hoàng Anh Lê1,*, Nguyễn Việt Thanh1, Đỗ Minh Phương2, Hồ Quốc Bằng3 , Nguyễn... lượng khí thải Theo đó, thơng số ảnh hưởng q trình đốt hệ số phát thải (g/kg) khí thải phát đốt rơm rạ đồng ruộng thể qua Bảng Bảng Tổng hợp giá trị/thơng số kiểm kê khí thải Hệ số phát thải Giá