NSI = 1 - 2 1 2 1 ( ) ( ) N i n i Oi Pi Oi Pi (2.4) (2.3) (2.4)Với:
- O là giá trị thực đo là giá trị thực đo trung bình, P là giá trị mô phỏng. - Plà giá trị mô phỏng trung bình, n là số lƣợng giá trị tính toán.
- Giá trị R2 nằm trong khoảng từ 0 đến 1, thể hiện mối tƣơng quan giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng.
Trong khi đó, chỉ số NSI chạy từ -∞ đến 1, đo lƣờng sự phù hợp giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng trên đƣờng thẳng 1:1. Nếu R 2 , NSI nhỏ hơn hoặc gần bằng 0, khi đó kết quả đƣợc xem là không thể chấp nhận hoặc độ tin cậy kém. Ngƣợc lại, nếu những giá trị này bằng 1, thì kết quả mô phỏng của mô hình là hoàn hảo. Tuy nhiên, không có những tiêu chuẩn rõ ràng nào đƣợc xác định trong việc đánh giá kết quả mô phỏng từ các thông số thống kê này (C. Santhi et al., 2001).
2.3. Các phần mềm hỗ trợ phát triển hệ thống2.3.1. Phần mềm ArcGIS[4] 2.3.1. Phần mềm ArcGIS[4]
ArcGIS là dòng sản phẩm hỗ trợ quyền mà ArcGIS trong hệ thống thông tin địa lý (GIS) của ESRI. Tùy mức độ đăng ký bản sẽ ở dạng ArcView, ArcEditor, ArcInfo. Trong đó ArcInfo có chi phí bản quyền lớn nhất và nhiều chức năng nhất.
Hình 2.5: Phần mềm ArcGIS
ArcGIS hỗ trợ nhiều phần mở rộng gọi là các Extension, mỗi Extension hỗ trợ một số chức năng chuyên biệt nhƣ: phân tích không gian (spatial analyst), phân tích 3D (3D analyst), phân tích mạng (Network analyst), xử lý dữ liệu, thống kê không gian...
ArcGIS hỗ trợ đọc đƣợc nhiều định dạng dữ liệu khác nhau (khoảng 300 định dạng) nhƣ shapefile, geodatabase, AutoCad, Raster, Coverage,...
Ngày nay ArcGIS đƣợc sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng trong Hệ thống thông tin địa lý nhƣ quản lý Môi trƣờng, Đất đai, Xã hội, Kinh tế...
ArcGIS lƣu trữ và quản lý dữ liệu địa lý ở nhiều khuôn dạng. Ba mô hình dữ liệu cơ bản mà ArcGIS sử dụng là vector, raster, và TIN. Ngoài ra, ngƣời dùng có thể nhập dữ liệu bảng vào GIS.
Phần mềm ArcGIS desktop
ArcGIS Desktop - hệ thống thông tin địa lý máy tính để bàn, với chức năng tối đa trong một dòng sản phẩm phần mềm ArcGIS . Bao gồm tất cả các chức năng của ArcGIS cho máy tính để bàn cơ bản (ArcView) và ArcGIS cho máy tính để bàn tiêu
chuẩn (ArcEditor) và mở rộng với công cụ bổ sung của phân tích không gian và xử lý dữ liệu, cũng nhƣ các công cụ lập bản đồ chuyên nghiệp.
ArcView
Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây dựng và phân tích dữ liệu địa lý, các công cụ phân tích không gian cùng với việc biên tập và phân tích từ các lớp bản đồ khác nhau, đồng thời thể hiện các mối quan hệ và nhận dạng mô hình.
ArcEditor
Cung cấp chức năng dùng để chỉnh sửa và quản lý dữ liệu địa lý. ArcEditor bao gồm các tình năng của ArcView và thêm vào đó là một số các công cụ chỉnh sửa và biên tập.
ArcInfo
Là bộ sản phẩn phầm mềm GIS đầy đủ nhất. ArcInfo bao gồm tất cả các chức năng cửa ArcView lẫn ArcEditor.
Cung cấp chức năng tạo và quản lý một hệ GIS, xử lý dữ liệu không gian và khả nawg chuyển đổi dữ liệu, xây dựng dữ liệu, mô hình hóa, Phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hính máy tính và xuất bản đồ ra các phƣơng tiện khác nhau.
ArcMap:
Dùng để xây dựng, hiển thị, xử lý và phân tích bản đồ.
- Tạo các bản đồ từ rất nhiều các loại dữ liệu khác nhau
- Truy vấn dữ liệu không gian để tìm kiếm và mối liên hệ giữa các đói tƣợng không gian
- Tạo các biểu đồ
- Hiển thị trang in ấn
ArcCatalog
ArcCatalog dùng để lƣu trữ quản lý hoặc tạo mới các dữ liệu địa lý.
- Explore và tìm kiếm dữ liệu
- Xác định hệ thống tọa độ cho cơ sở dữ liệu
ArcToolbox
ArcToolbox cung cấp các công cụ để xử lý không gian, phân tích GIS, xuất- nhập dữ liệu từ các định dạng khác nhƣ Mapinfo, Microtation, AutoCAD
2.3.2. Phần mềm Matlab R2015a
Matlab là một phần mềm chuyên dụng cho tính toán số liệu dƣới dạng ma trận. Dây là một công cụ tốt trong việc triển khai và đánh giá các thuật toán. Đặc biệt, các thuật toán tìm đƣờng đi tối ƣu trên thực tế đã đƣợc công bố đều đa phần minh họa trên Matlab nên rất tiện cho việc đối sánh hiệu năng của các thuật toán. Bên cạnh đó, Matlab cũng hỗ trợ giao diện GUI giao tiếp với ngƣời dùng giống các phần mềm khác nhƣ Visual Basic, Java, Visual C nhƣng tập lệnh và cú pháp dễ sử dụng hơn nhiều.
2.4. Kết luận chƣơng 2
Trong chƣơng 2, đề tài nghiên cứu tổng quan các phƣơng pháp nội suy không gian (IDW, Spline, Kriging) cùng với ƣu nhƣợc điểm của từng phƣơng pháp nội suy, phƣơng pháp đánh giá các thuật toán nội suy; những công cụ phần mềm hỗ trợ phát triển hệ thống quản lý nƣớc ngầm cũng đƣợc đề cập tới. Những kiến thức tổng quan đƣợc đề cập ở chƣơng 2 tạo tiền đề cho việc xác định nội dung nghiên cứu, bài toán và phƣơng pháp nghiên cứu trong chƣơng tiếp theo.
CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM BÀI TOÁN QUẢN LÝ NƢỚC NGẦM TẠI TỈNH BẮC NINH
3.1. Giới thiệu bài toán quản lý tài nguyên nƣớc ngầm tỉnh Bắc Ninh
Đối với một tỉnh có mật độ dân số cao và nhiều khu công nghiệp nhƣ tỉnh Bắc Ninh thì việc quản lý tài nguyên, đặc biệt tài nguyên nƣớc là rất quan trọng. Nếu không có sự quản lý chặt chẽ thì chất lƣợng nƣớc ngầm sẽ nhanh chóng bị suy giảm và kéo theo đó là sự ô nhiễm của các môi trƣờng khác nhƣ môi trƣờng đất, hiện tƣợng sụt lún đất.
Hiện tại, toàn tỉnh có 62 làng nghề, trong đó có 30 làng nghề truyền thống và 32 làng nghề mới. Cùng với sự giàu lên nhanh chóng từ các làng nghề là tình trạng ô nhiễm môi trƣờng nghiêm trọng, gây nguy hại trực tiếp đến đời sống và sức khỏe của ngƣời dân. Kết quả điều tra, khảo sát chất lƣợng môi trƣờng tại một số làng nghề trên địa bàn Bắc Ninh cho thấy, mức độ ô nhiễm nguồn nƣớc (thông qua các chỉ số DO , BOD5, COD, pH...) đều vƣợt tiêu chuẩn cho phép từ 2,5 đến 5,3 lần. Bên cạnh những làng nghề đã có từ lâu, trong quá trình phát triển kinh tế, Bắc Ninh quy hoạch đƣợc 15 khu công nghiệp (KCN) tập trung, trong đó có 10 KCN đã đi vào hoạt động. Năm KCN đã đầu tƣ hệ thống xử lý nƣớc thải tập trung, các khu còn lại do tỷ lệ các doanh nghiệp vào chƣa nhiều, cho nên hệ thống này chƣa đƣợc xây dựng. Tại các cụm công nghiệp, hầu nhƣ nƣớc thải của các nhà máy, xí nghiệp không qua xử lý mà thải trực tiếp ra môi trƣờng bên ngoài.
Theo số liệu thống kê, trên địa bàn toàn tỉnh, mỗi ngày có khoảng 500 tấn chất thải sinh hoạt, 200 tấn chất thải công nghiệp, hai tấn chất thải y tế thải ra môi trƣờng. Trung bình mỗi năm, lƣợng chất thải rắn sinh hoạt tăng 10%, chất thải rắn công nghiệp tăng 15%, chất thải y tế tăng 8%. Các khu vực thành thị tập trung dân cƣ là nguồn phát sinh chủ yếu các loại chất thải rắn sinh hoạt, chỉ tính riêng TP Bắc Ninh và thị xã Từ Sơn mỗi ngày thải ra hơn 200 tấn. Chung quanh các KCN, số dân tăng cơ học chiếm tỷ lệ cao, không cố định cũng tạo nên áp lực lớn đối với môi trƣờng. Bà Trần Thị Loan ở xã Yên Trung, huyện Yên Phong cho biết: Ngày nào cũng thấy một lƣợng lớn rác tập kết về các bãi chứa, chỉ cần một ngày không đƣợc
vận chuyển "vì lý do gì đó" thì cả xã nhƣ ngập trong rác. Từ nhà ra ngõ đâu đâu cũng ngồn ngộn rác.
Đặc biệt, sông Cầu tiếp nhận nhiều lƣợng nƣớc thải sinh hoạt sản xuất từ thƣợng nguồn và chảy qua địa bàn thành phố Bắc Ninh và sông Ngũ Huyện Khê chảy qua nhiều xã thuộc huyện Yên Phong, Từ Sơn, Tiên Du trên địa bàn tỉnh và hàng ngày phải tiếp nhận nhiều lƣợng nƣớc thải của 5 làng nghề khác nhau. Hầu hết các Làng nghề đều không có hệ thống xử lý, tiêu thoát nƣớc thải, nƣớc thải xả trực tiếp ra kênh rạch rồi ra sông.
Hiện nay quy hoạch tài nguyên nƣớc của tỉnh đƣợc thực hiện tách riêng cho từng đơn vị hành chính, do vậy chƣa đảm bảo thực hiện theo quy định của Luật tài nguyên nƣớc về quy hoạch tài nguyên nƣớc của tỉnh, thành phố.
Nguồn nƣớc dƣới đất là nguồn cung cấp nƣớc cơ bản cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của nhân dân trên địa bàn, tuy nhiên việc khai thác và sử dụng nƣớc chƣa kiểm soát đƣợc. Mặt khác các hoạt động sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, sản xuất nông nghiệp phát sinh nƣớc thải không đƣợc xử lý, ngấm dần xuống tầng nƣớc ngầm có nguy cơ làm ô nhiễm nƣớc dƣới đất.
Mạng lƣới quan trắc giám sát tài nguyên nƣớc trên địa bàn còn mỏng, toàn tỉnh có 20 điểm quan trắc nƣớc dƣới đất, không có trạm quan quan trắc tài nguyên nƣớc mặt. Trong khi nguồn nƣớc sạch cung cấp cho sinh hoạt của ngƣời dân chủ yếu là nguồn nƣớc dƣới đất. Do vậy, công tác quản lý nƣớc dƣới đất hiện nay của tỉnh còn gặp nhiều khó khăn.
Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, với ƣu điểm là đánh giá chất lƣợng nƣớc một cách nhanh chóng thì công nghệ GIS và thuật toán nội suy sẽ giúp ta dễ dàng quản lý môi trƣờng và nguồn nƣớc một cách toàn diện.
3.2. Nhiệm vụ quản lý tài nguyên nƣớc ngầm
- Công tác quản lý tài nguyên nƣớc ngầm bao gồm quản lý trữ lƣợng, chất lƣợng nƣớc ngầm, mực nƣớc ngầm, các dòng chảy ngầm, các hang chứa nƣớc ngầm. Tuy nhiên, do thời gian nghiên cứu hạn chế, nên học viên giới hạn việc thực hiện
chƣơng trình thử nghiệm trong phạm vi quản lý mực nƣớc ngầm và chất lƣợng nƣớc ngầm tại 20 điểm quan trắc nƣớc ngầm của tỉnh Bắc Ninh.
Mục tiêu chung của bài toán thực nghiệm là nhằm quản lý dữ liệu nƣớc ngầm tại tỉnh Bắc Ninh thông qua ứng dụng GIS và thuật toán nội suy, cụ thể nhƣ sau:
- Ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu quan trắc chất lƣợng nƣớc.
- Sử dụng thuật toán nội suy mô phỏng các thông số chất lƣợng nƣớc.
- Nhận xét đánh giá diễn biến chất lƣợng nƣớc.
- Có thể truy vấn, trình diễn dữ liệu.
3.3. Thu thập dữ liệu thử nghiệm
Học viên sử dụng 1 bộ dữ liệu quan trắc mực nƣớc và chất lƣợng nƣớc dƣới đất của Sở Tài nguyên và môi trƣờng tỉnh Bắc Ninh trong 12 tháng năm 2014, tọa độ các điểm quan trắc cùng với bản đồ nền tỉnh Bắc Ninh.
Thu thập kết quả quan trắc động thái nƣớc dƣới đất năm 2014 bao gồm quan trắc mực nƣớc và quan trắc các chỉ số đánh giá chất lƣợng nƣớc.
Dữ liệu các chỉ số quan trắc đánh giá chất lƣợng nƣớc là kết quả đợt 1 (sáu tháng đầu năm 2014), và kết quả quan trắc đợt 2 (sáu tháng cuối năm 2014). Trong phạm vi xây dựng thực nghiệm, học viên chỉ đƣa ra 10 chỉ số trên tổng số 25 chỉ số quan trắc thực tế của Trung tâm Quan trắc môi trƣờng, Sở tài nguyên và Môi trƣờng tỉnh Bắc Ninh (pH, độ cứng, Clorua, As, Cd, Pb, Cu, Zn, Mn và Fe) đây là 10 chỉ số có mức độ biến động và mức độ vƣợt mức quy chuẩn chất lƣợng nƣớc nhiều nhất so với các chỉ số còn lại.
Tỉnh Bắc Ninh nằm tại tọa độ địa lý: Vĩ độ 21°11′15″B và kinh độ 106°04′24″, có bản đồ hành chính với tỷ lệ 1:25000 nhƣ sau:
Hình 3.2: Bản đồ sông ngòi tỉnh Bắc Ninh
Thu thập dữ liệu không gian về các điểm quan trắc đƣợc thể hiện dƣới bảng dữ liệu sau:
Bảng 1: Tọa độ các điểm quan trắc nƣớc ngầm
Mã
trạm Địa chỉ X Y
G1 UBND xã Long Châu, huyện Yên Phong 21.1919477 105.9857997 G2 Trạm Y tế xã Châu Khê phƣờng Châu Khê thị xã
Từ Sơn 21.1141125 105.9288106
G3 Phƣờng Đình Bảng - Từ Sơn 21.1122356 105.9327666 G4 Trạm Y tế phƣờng Đồng Kỵ - Từ Sơn 21.1361102 105.9419544 G5 Công ty TNHH Anh Trí, KCN Tân Hồng – Hoàn
Sơn - Bắc Ninh 21.1195792 105.961413
G6 Nhà máy nƣớc sạch, KCN Tiên Sơn - Bắc Ninh 21.1227437 105.9840539 G7 nhà máy nƣớc sạch KCN Quế Võ 1 - Bắc Ninh 21.1987065 106.0064685 G8 Trạm cấp nƣớc sạch thôn Hữu Chấp, xã Hoà Long 21.2198159 106.0627198 G9 Nhà máy nƣớc sạch KCN Yên Phong 21.1985948 106.008207
Mã
trạm Địa chỉ X Y
G10 Khu đô thị nam Từ Sơn, thị xã Từ Sơn 21.1873779 105.9572661 G11 Công ty Cƣờng Thịnh, KCN Phong Khê 1 21.1649306 106.0301666 G12 Thị trấn Phố Mới, Quế Võ 21.1534995 106.152143 G13 Công ty Đại Thịnh, KCN Xuân Lâm, Thuận Thành 21.1741618 105.9836663 G14 UBNN xã Bồng Lai, huyện Quế Võ 21.1836548 106.0549216 G15 xã Đào Viên, Quế võ 21.1152949 106.1948935
G16 UBNN huyện Tiên Du 21.1410555 106.0170314
G17 KCN Thuận thành III 21.1049413 105.9900424 G18 UBNN Thị trấn Hồ, huyện Thuận Thành 21.0637285 106.084609 G19 UBNN xã Đại Bái, huyện Gia Bình 21.0489684 106.1413809 G20 UBNN xã Nhân Thắng, huyện Gia Bình 21.0663624 106.2291965
Thu thập các dữ liệu thuộc tính
Bảng 2: Dữ liệu quan trắc mực nƣớc tại các điểm quan trắc năm 2014(G1-G10) Mực nƣớc Thời gian G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 G8 G9 G10 HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB 2014-01 7.18 6.08 8.04 5 3.58 8.16 3.64 8.1 10.16 2.68 2014-02 7.17 6.08 8.04 4.99 3.57 8.16 3.66 8.12 10.16 2.68 2014-03 7.18 6.08 8.07 5.01 3.59 8.17 3.6 8.1 10.16 2.67 2014-04 7.17 6.06 8.07 4.99 3.59 8.15 3.62 8.1 10.2 2.68 2014-05 7.34 6.1 8.07 5.03 3.6 8.19 3.61 8.12 9.93 2.7 2014-06 7.34 6.09 8.08 5.03 3.61 8.19 3.62 8.13 9.22 2.71 2014-07 7.38 6.32 8.13 5.04 3.62 8.23 3.6 8.17 10.03 2.69 2014-08 7.40 6.3 8.15 5.05 3.65 8.22 3.62 8.17 10.05 2.69 2014-09 7.43 6.3 8.17 5.18 3.65 8.34 3.65 8.2 10.12 2.69 2014-10 7.40 6.2 8.2 5.23 3.73 8.81 3.67 8.64 10.12 2.64 2014-11 7.72 6.2 8.25 5.25 3.74 8.28 3.69 8.69 10.24 2.65 2014-12 7.69 6.21 8.21 5.23 3.72 8.82 3.69 8.69 10.23 2.63
Bảng 3: Dữ liệu quan trắc mực nƣớc tại các điểm quan trắc năm 2014(G11-G20) Mực nƣớc Thời gian G11 G12 G13 G14 G15 G16 G17 G18 G19 G20 HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB HTB 2014-01 6.3 4.69 2.71 1.68 1.66 13.61 3.06 3.67 2.05 2.65 2014-02 6.26 4.7 2.68 1.66 1.66 13.61 3.07 3.68 2.08 2.64 2014-03 6.28 4.72 2.72 1.68 1.64 13.62 3.02 3.67 2.05 2.63 2014-04 6.28 4.68 2.7 1.67 1.65 13.64 3.05 3.68 2.07 2.63 2014-05 6.29 4.69 2.71 1.66 1.66 13.61 3.06 3.66 2.1 2.64 2014-06 6.3 4.7 2.71 1.67 1.66 13.62 3.07 3.67 2.09 2.65 2014-07 6.29 4.69 2.7 1.68 1.67 13.62 3.1 3.69 2.11 2.67 2014-08 6.3 4.68 2.71 1.68 1.68 13.6 3.09 3.68 2.1 2.66 2014-09 6.3 4.7 2.71 1.68 1.68 13.66 3.16 3.69 2.15 2.66 2014-10 6.69 4.69 2.71 1.71 1.7 13.68 3.17 3.69 2.2 2.66 2014-11 6.7 4.71 2.73 1.72 1.72 13.73 3.18 3.69 2.23 2.64 2014-12 6.73 4.72 2.72 1.74 1.73 13.72 3.22 3.72 2.21 2.67
Bảng 4: Kết quả- hiện trạng phân tích chất lƣợng môi trƣờng nƣớc ngầm Đợt 1- 2014(G1-G5) STT Thông số Đơn vị G1 G2 G3 G4 G5 1 pH - 6,5 6,1 7,0 6,6 6,8 2 Độ cứng mg/l 38 89 47 102 107 3 Clorua mg/l 37 127 72 64 59 4 As mg/l <0,002 <0,002 <0,002 <0,002 <0,002 5 Cd mg/l <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 <0,001 6 Pb mg/l <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 <0,0001 7 Cu mg/l <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 <0,25 8 Zn mg/l <0,15 <0,15 <0,15 <0,15 <0,15 9 Mn mg/l 0,49 <0,28 <0,28 <0,28 <0,28 10 Fe mg/l 1,47 3,81 3,18 3,34 3,88
Bảng 5: Kết quả- hiện trạng phân tích chất lƣợng môi trƣờng nƣớc ngầm Đợt 1-