CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.3. Giới thiệu về GIS (Geographic Information System)
1.3.1. Giới thiệu chung về GIS
Hệ thông tin Địa lý (GIS) là tổ hợp của ba hợp phần có quan hệ thống nhất, liên quan chặt chẽ với nhau là phần cứng gồm máy tính và thiết bị liên quan, phần mềm và tổ chức con ngƣời đƣợc hoạt động đồng bộ nhằm thu thập, lƣu trữ, quản lý, thao tác, tìm kiếm-hỏi đáp, phân tích, hiển thị và mơ hình hố các dữ liệu khơng gian và các q trình trong khơng gian có định vị toạ độ đƣợc tham chiếu với một hệ tọa độ dùng thể hiện bề mặt cầu của Trái Đất và các dữ liệu thuộc tính nhằm thoả mãn các yêu cầu thực tế.
GIS ngày càng có tầm quan trọng ngành kinh tế-xã hội. Theo điều tra của Mordic Kvanjit (1987) có khoảng 50%-70% dữ liệu dùng trong hành chính là dữ liệu địa lý. Dữ liệu bản đồ và địa lý đƣợc sử dụng trong nhiều ngành khác nhau và các ngành nhƣ xây dựng, hành chính, nơng nghiệp, rừng, quản lý tài nguyên, viễn thông, cung cấp điện, giao thơng... đã bỏ ra 1,5-2% ngân sách của mình. Nếu tính theo tổng sản lƣợng tăng trƣởng quốc gia (GNP) thì tiền phí 0,50% cho GIS trong các nƣớc cơng nghiệp và các nƣớc phát triển 0,1%. GIS trong các nƣớc Đông âu từ 1989 đến nay đã phát triển khơng ngừng và kinh phí cho GIS ngày càng tăng bởi lẽ GIS có khả năng xử lý dữ liệu từ nhiều ngành khác nhau. Sự phát triển của một thực thể khơng gian nào đó (theo quan niệm của GIS, sẽ kéo theo sự phát triển thay đổi của thực thể khơng gian khác. Ví dụ sự phát triển của khu dân cƣ mới kéo theo các vấn đề khác nhƣ hệ thống trƣờng học, cấp thốt nƣớc, giao thơng.... Tiếng ồn giao thông gây ô nhiễm và tác động nên con ngƣời. GIS cho phép tính tốn và cung cấp dữ liệu cần thiết cho việc xử lý tác động trên. GIS tham gia vào việc vận hành và bảo dƣỡng đƣờng ống và các loại cáp ngầm khác nhau. Số lƣợng cáp và đƣờng ống ngầm theo chủng loại rất nhiều và phức tạp, rất rễ dàng gây nhầm lẫn, chồng chéo. GIS sẽ cho phép bảo dƣỡng, vận hành thể hiện các đối tƣợng không gian trên theo kích thƣớc, chủng loại và đặc biệt tọa độ khơng gian của chúng ở bất kì vị trí nào. Có thể kể ra là thành phố Oslo, Norway ( dân số 500000 ) có 5 triệu mét đƣờng ống và cáp ngầm thể hiện trên 20 loại bản đồ khác nhau với số lƣợng 4500 tờ.
1.3.2. Các ứng dụng của GIS trong lĩnh vực môi trường nước
Cho đến nay, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề dự báo dòng chảy và chất lƣợng nƣớc ở các lƣu vực sông. Y.B.Liu và các cộng sự (2004) đã có nghiên cứu nhằm tham số hóa các dữ liệu mơ hình của các lƣu vực con có quy mơ lớn và trung bình bằng phần mềm ArcView GIS [26].
Tác giả Berhanu F.Alemaw (2012) nghiên cứu sử dụng mơ hình HATWAB (mơ hình cân bằng nƣớc mặt trên đất liền và khí quyển trên cơ sở GIS) để xây dựng mơ hình thủy lực cho các lƣu vực tiêu nƣớc lớn. Mơ hình đƣợc xây dựng trên 2 lƣu vực sơng Limpopo và Congo ở Châu Phi. Khi đƣợc xây dựng, mơ hình sẽ giúp đánh giá về độ ẩm của đất, q trình bay hơi thực tế, dịng chảy...[14]
Các tác giả K.R.J Perera and N.T.S Wijesekera (2012) sử dụng mơ hình phân phối khơng gian GIS để mơ phỏng dịng chảy ở lƣu vực sơng Attanagalu Oya. Các tính tốn đƣợc thực hiện bằng các công cụ GIS và phần mềm ArcGIS. Các dữ liệu nhƣ mục đích sử dụng đất, loại đất, độ dốc đất có thể đƣợc thay đổi trong mơ hình GIS để tính tốn khi các hệ số thay đổi do những sự biến động về không gian [17].
Ở Việt Nam, nghiên cứu về dự báo dòng chảy và chất lƣợng nƣớc ở các lƣu vực sông cũng phát triển tƣơng đối mạnh. Trƣớc đây, cũng đã có một số nghiên cứu của các nhà khoa học, các đơn vị nghiên cứu khoa học đƣợc thực hiện đối với lƣu vực sông Cầu. Các nghiên cứu ban đầu này xoay quanh đánh giá nguồn tài nguyên thiên nhiên hiện có, đặc biệt là tài ngun nƣớc, của lƣu vực sơng Cầu. Ví dụ nhƣ nghiên cứu của Cục quản lý nƣớc và cơng trình thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nơng thơn (2000) nhằm tính tốn cân bằng nguồn nƣớc sơng Cầu để đánh giá khả năng đáp ứng của nguồn nƣớc cho các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội trong lƣu vực. Hay những thống kê về hệ thống cơng trình thủy của Trung tâm cơng trình thủy, Đại học Xây dựng Hà Nội (Báo cáo hiện trạng cơng trình thủy trên tiểu hệ thống sông Cầu, 3/2000). Trong nghiên cứu của Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Mơi trƣờng, ngồi những đánh giá về môi trƣờng nƣớc lƣu vực sông Cầu, các nhà nghiên cứu cịn kiểm kê nguồn tài ngun khí hậu, thủy văn, những yếu tố ảnh hƣởng rất lớn đến môi trƣờng nƣớc trong lƣu vực. Nhiều giải pháp khắc phục,
xử lý đối với hiện trạng khai thác nƣớc sông đã đƣợc đƣa ra trong các nghiên cứu nhƣ “Báo cáo đánh giá bổ sung hiện trạng ô nhiễm môi trƣờng và các giải pháp khắc phục tại lƣu vực sông Cầu giai đoạn 2000 - 2020” [Liên hiệp khoa học sản xuất cơng nghệ hố học - Trung tâm Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc gia, 3/2000], “Báo cáo hiện trạng nƣớc sạch - vệ sinh môi trƣờng 6 tỉnh và các xã ven sông Cầu và đề xuất các giải pháp xử lý ” [Ban chỉ đạo lâm thời đề án 6 tỉnh bảo vệ khai thác lƣu vực sông Cầu, 4/2000]. Năm 2009, Trung tâm Tƣ vấn và Công nghệ Môi trƣờng thuộc Bộ Tài ngun và Mơi trƣờng đã có cơng trình điều tra, thống kê các nguồn thải, hiện trạng môi trƣờng và những tác động đến môi trƣờng trên lƣu vực sông Cầu. Kết quả điều tra đã bổ sung các cơ sở sản xuất/kinh doanh, các khu công nghiệp, cũng nhƣ một số nguồn thải khác… đang hoạt động trên lƣu vực sông Cầu, giúp đƣa ra bức tranh tổng thể về các nguồn thải trên lƣu vực sơng, trong đó tập trung nghiên cứu vào đối tƣợng là nƣớc thải. Tiếp đó, năm 2010 Trung tâm Tƣ vấn và Công nghệ Môi trƣờng tiếp tục thực hiện dự án “Lập quy hoạch bảo vệ môi
trường lưu vực sông Cầu đến 2015 và định hướng đến 2020” với các mục tiêu chính
là: Lập đƣợc bản đồ hiện trạng môi trƣờng lƣu vực sông Cầu (tỉ lệ 1/50.000); Xác định đƣợc định hƣớng chức năng của lƣu vực sông Cầu trong sự phát triển kinh tế xã hội của miền Bắc Việt Nam và đề xuất đƣợc khung nội dung quy hoạch bảo vệ môi trƣờng; Dự thảo đƣợc Quy hoạch bảo vệ môi trƣờng LVS Cầu đến năm 2015 và định hƣớng đến năm 2020, trình cấp có thẩm quyền xem xét, phê duyệt [1,3,4,9].
Trong những năm gần đây, ngoài các nghiên cứu tổng hợp về các lƣu vực sơng thì cơng nghệ mơ hình hóa và các ứng dụng của GIS cũng đã phát triển mạnh và đƣợc sử dụng nhiều vào công tác quản lý thủy lợi ở nhiều lƣc vực sông tại Việt Nam, thông qua một số nghiên cứu điển hình sau:
Tác giả Nguyễn Hồng Quân (2006) nghiên cứu đƣa ứng dụng của mơ hình dịng chảy nƣớc mƣa để mơ phỏng dòng chảy tại lƣu vực con Cần Lê, thuộc lƣu vực sơng Sài Gịn. Nghiên cứu sử dụng ba phƣơng án xây dựng mơ hình khác nhau: sử dụng GIUH là mơ hình đƣợc tính tốn chỉ sử dụng các thông số đƣờng biên; mơ hình HEC-HMS kết hợp với SMA (Soil Moisture Accounting); mơ hình REW
(Representative Elementary Watershed). Nghiên cứu tạm thời dừng lại với đối tƣợng là lƣu vực sông nhỏ, chƣa áp dụng đối với các lƣu vực sông lớn [24].
Tác giả Nguyễn Kim Lợi và Nguyễn Hà Trang (2010) đã nghiên cứu mơ hình SWAT(Soil and Water Assessment Tool) và GIS để đánh giá chất lƣợng nƣớc lƣu vực sông La Ngà nhằm cung cấp thông tin hỗ trợ cho công tác quản lý và quy hoạch. Mơ hình SWAT có thể mơ phỏng và xem xét tổng hợp các mối quan hệ của các quá trình diễn ra trong tự nhiên, nhƣng để giải quyết bài tốn mơi trƣờng, SWAT đòi hỏi số lƣợng dữ liệu đầu vào rất lớn. Tuy nhiên, đặc thù ở Việt Nam, cơ sở dữ liệu nền cịn rất thiếu, lại rải rác đã gây ra khó khăn trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Do vậy q trình sử dụng mơ hình SWAT đã nảy sinh một số vấn đề chƣa tƣơng thích với điều kiện ở Việt Nam [19].
Tác giả Bùi Tá Long và các cộng sự (2012) đã nghiên cứu ứng dụng mơ hình MIKE11 để mơ phỏng chất lƣợng sơng Ba, là dịng sơng đóng vai trị quan trọng trong sự phát triển kinh tế của các tỉnh Kon Tum, Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên. Nhóm tác giả đã sử dụng các số liệu khí tƣợng thủy văn của ba năm 2009, 2010, 2011 và các số liệu quan trắc chất lƣợng nƣớc, cũng nhƣ các kết quả khảo sát địa hình thực tế để có đủ số liệu chạy mơ hình thủy lực và mơ hình khuếch tán của phần mềm MIKE 11. Hạn chế của nghiên cứu là chƣa tích hợp đƣợc việc chính xác hóa tính tốn lan truyền ơ nhiễm [7].
Đặc biệt nghiên cứu “Đánh giá ngưỡng chịu tải nước sông Cầu, làm cơ sở
xây dựng các quy hoạch kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường” đƣợc Trung tâm Tƣ
vấn và Công nghệ Môi trƣờng thực hiện vào năm 2009 là một nghiên cứu qui mô, tập trung đánh giá vào sông Cầu đoạn chạy từ thị xã Bắc Kạn qua thành phố Thái Nguyên và kết thúc tại Phả Lại, Bắc Ninh. Nghiên cứu đã có đóng góp tích cực vào cơng tác quản lý tài nguyên nƣớc, môi trƣờng trong lƣu vực sông Cầu, đáp ứng các yêu cầu cụ thể. Tuy nhiên, chủ yếu mới tập trung vào việc điều tra, đánh giá, chƣa đƣa ra đƣợc bức tranh tổng thể về ô nhiễm môi trƣờng nƣớc sông Cầu phân bố liên tục theo không gian, thời gian, cũng nhƣ mối quan hệ tƣơng tác giữa hiện trạng môi trƣờng nƣớc và sự phát triển kinh tế xã hội trong lƣu vực sơng [8].
Khai thác thế mạnh trong tính tốn mơ phỏng, khả năng tích hợp dữ liệu của phần mềm GIS, đặc biệt là khả năng kết nối với các phần mềm máy tính khác, nhóm nghiên cứu đề tài này đã đƣa ra một phƣơng pháp tiếp cận hồn tồn mới thơng qua mơ hình phân phối thơng số GIS để mơ phỏng, dự báo dịng chảy và q trình lan truyền các chất ơ nhiễm cũng nhƣ việc tối ƣu hóa tổng hợp sử dụng nguồn nƣớc của lƣu vực sông Cầu. Với phƣơng pháp này, những hạn chế, sự phức tạp và những khó khăn đã nêu trong các mơ hình tính tốn trên có thể đƣợc khắc phục một cách triệt để.