Phần 3 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
3.4. Nội dung nghiên cứu
3.5.3 Phương pháp mô hình hóa và phân tích không gian
Mô hình được xây dựng trên phần mềm ArcGIS 10.3 theo tiếp cận phân tích không gian thủy văn (Spatial analysis of hydrology) để phân chia bề mặt địa hình thành các vùng gom nước (basin). Tải lượng chất thải được xác định thông qua mức phát thải của các hộ chăn nuôi lợn nằm trong ranh giới của vùng gom nước. Phương pháp này được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới (Kellogg, 2000; Jha et al., 2010; Thanapongtharm et al., 2016; Deng et al., 2017). Chi tiết về phương pháp như sau:
Lập bản đồ phân bố các nguồn thải (hộ chăn nuôi):
Bản đồ che phủ đất, trong đó có phân lớp khu dân cư được xây dựng dựa vào giải đoán ảnh vệ tinh. Vì số liệu điều tra của phòng NN&PTNT (2017) không có tọa độ gắn với từng hộ nên tôi sử dụng thuật toán ngẫu nhiên để định vị các hộ chăn nuôi lợn trong khu dân cư (Hình 3.2). Mỗi hộ chăn nuôi sau đó được gán thuộc tính (số lượng lợn thịt, nái) dựa vào thống kê mô tả với các giá trị trung bình và độ lệch chuẩn.
Hình 3.2. Sơ đồ phương pháp lập bản đồ sự phân bố hộ chăn nuôi lợn
Phân tích dòng chảy:
Thực hiện trên phần mềm ArcGIS 10.3 với trình tự các bước chạy được trình bày tóm tắt trong Hình 3.3 Dữ liệu chính sử dụng để phân tích dòng chảy là mô hình số độ cao DEM và các điểm phát thải (hộ nuôi lợn).
Ảnh SENTINEL-2
Tách lớp Giải đoán
(Object based Image Segmentation)
Bản đồ sử dụng/che phủ
Ảnh Google độ
phân giải cao Số liệu thống kê chăn nuôi
Hiệu chỉnh và gán lớp
Bản đồ khu dân cư theo xã
Bản đồ hành chính
Tổng hợp thống kê
Tạo điểm ngẫu nhiên và gán thuộc tính Số hộ nuôi lợn Số lượng các loại lợn v.v. theo xã Bản đồ phân bố Hộ chăn nuôi
Hình 3.3. Mô hình phân tích dòng chảy
Ước lượng chất ô nhiễm tích lũy:
Lượng chất thải được tính theo số lượng vật nuôi và hệ số phát thải. Tải lượng ô nhiễm được tính dựa vào tổng lượng chất thải, hệ số các loại hình xử lý và hiệu suất xử lý (Hình 3.4). Trên địa bàn nghiên cứu chất thải chủ yếu được xử lý qua bể biogas. Tỷ lệ số hộ áp dụng biện pháp xử lý biogas tại các hộ gia đình được ước tính dựa trên phân tích hồi quy logic đa biến (Cramer, 2003; McFadden, 1974) sử dụng số liệu phỏng vấn nông hộ. Giả thuyết để tính toán tham số này là quyết định sử dụng bể biogas của các hộ gia đình có tương quan với điều kiện sinh kế và số lượng vật nuôi. Phương pháp này được lựa chọn theo đề xuất của Brown (2006) vì mục nó phù hợp cho mục đích phân tích liên quan đến quyết định sản xuất. Mô hình số độ cao DEM (PALSAR-2) Tính hướng dòng (Flow Direction) Hướng dòng chảy (Direction) Lọc nhiễu
(Fill) đã được lọc DEM
Xác định lưu vực (Watershed Basin Calculation) Lưu vực (Watershed Basin) Gộp dòng chảy (Flow Accumulation) Các dòng chảy Xác định cấp dòng (Stream Order) Cấp dòng chảy Điểm xả thải (Hộ nuôi lợn) TỪ MÔ HÌNH PHÂN BỐ HỘ CHĂN NUÔI Xác định tiểu vùng chứa (Sub-Drainage basin delineation)
Tiểu lưu vực - gom nước thải (Sub-Dranaige Basin)
Hình 3.4. Mô hình phân tích dòng chảy
Kiểm chứng mô hình:
Mô hình được kiểm chứng bằng cách so sánh quy luật phân tán chất thải tính trên phần mềm ArcGIS so với số liệu quan trắc thực tế. Do số liệu quan trắc có đơn vị đo là nồng độ (mg/l), khác so với kết quả mô hình có đơn vị là tải lượng (kg/ha/năm) thuật toán kiểm chứng không thể so sánh giá trị một cách trực tiếp (Kleijnen, 1999). Vì vậy, chúng tôi lựa chọn phương pháp kiểm chứng thống kê Bayesian (BIC) mà các chuyên gia về mô hình hóa (Rebba et al., 2006; Kleijnen et al., 1998; Kingdom and Prins, 2016) đã đề xuất.
Hệ số BIC được sử dụng để đánh giá mức độ chấp nhận của mô hình so với giá trị quan trắc thực tế và được tính như sau (Schwarz, 1978).
BIC = ln (n)k – 2ln(L^) Trong đó:
-L^: giá trị cực đại của hàm “likelohood”
HỘ CHĂN NUÔI Số lượng đàn lợn Sinh kế hộ chăn nuôi Dự báo khả năng áp dụng Biogas theo hệ số hồi quy logic
Xác suất hộ áp dụng Biogas Hệ số hiệu quả xử lý COD=81% BOD=86% Hệ số phát thải + Lợn thịt + Lợn nái Tải lượng từ hộ chăn nuôi thải ra môi trường Tải lượng trước xử lý TỪ MÔ HÌNH PHÂN TÍCH DÒNG CHẢY (Vị trí các tiểu lưu vực)
Liên kết không gian và tổng hợp thống kê (Spatial join) TỪ MÔ HÌNH PHÂN BỐ HỘ (Vị trí các hộ chăn nuôi)
Tải lượng ô nhiễm trên từng tiểu lưu vực
-n: số điểm quan trắc
-k: số lượng tham số trong mô hình
Hệ số này được tính toán một cách tự động trong phần mềm SPSS 16.0. Kết quả tính từ mô hình có thể đánh giá một cách trực quan thông qua đồ thị thể hiện vị trí của giá trị tính toán có nằm trong vùng tin cậy (95%) hay không.