. Đặc điểm tự nhiên
1.3. Lịch sử nghiên cứu
1.3.1. Ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu SSC
1.3.1.1. Trên thế giới
SSC là một chỉ tiêu thiết yếu để đánh giá chất lượng nước đồng thời góp phần xác định chu trình vận chuyển trầm tích và các chất ơ nhiễm trong môi trường nước. Hàm lượng SSC cao ảnh hưởng đến sự phát triển và năng suất sinh học của một số hệ sinh thái. Do đó, cần phải thường xuyên quan trắc sự biến đổi SSC theo không gian và thời gian để hiểu rõ hơn về các quá trình tự nhiên như q trình lắng đọng trầm tích, xói lở bờ sơng, vận chuyển chất ơ nhiễm, … đồng thời nó cũng là nhân tố có vai trò quan trọng trong chu trình sinh địa hóa bởi chúng chứa đựng thành phần hóa học khác nhau của mơi trường nước. Nghiên cứu sự phân bố SSC vùng nước sông nội địa đã được các nhà khoa học quốc tế quan tâm từ hàng trăm năm nay và đạt được rất nhiều thành tựu quan trọng. Các kết quả nghiên cứu được áp dụng phục vụ cho việc bảo vệ và phát triển môi trường bền vững.
Các nhà nghiên cứu ở các nước phát triển như Mỹ, Hà Lan, Đan Mạch, Nhật Bản đã nghiên cứu các q trình động lực - mơ phỏng phân bố SSC bằng xây dựng các mơ hình vật lý, mơ hình tốn. Do sự tương tác của các quá trình thủy và thạch động lực mà kết quả cuối cùng của sự tương tác này tạo ra những dạng địa hình khác nhau, phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố thạch động lực như kích thước, hình dạng hạt vật liệu, tỉ trọng, mức độ gắn kết của vật liệu, độ dốc địa hình, … và các yếu tố thủy động lực: sóng, dịng chảy biển, sơng… là các yếu tố luôn biến đổi theo thời gian và khơng gian. Do đó các mơ hình số được thiết lập để tính tốn sự tương tác các quá trình thủy - thạch động lực đa phần có liên quan đến các cơng thức thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm. Vì vậy, nhu cầu có những phịng thí nghiệm để thiết lập và kiểm tra tính đúng đắn của các mơ hình vật lý là rất cần thiết.
Việc tiến hành quan trắc sự phân bố SSC theo các phương pháp truyền thống cho một vùng thường tốn kém về mặt thời gian và kinh phí. Trong khi đó, trên thế giới việc ứng dụng viễn thám để quan trắc SSC đã trở nên khá phổ biến và mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm được thời gian và kinh phí. Các nghiên cứu ban đầu về ứng dụng viễn thám để quan trắc SSC chủ yếu tập trung vào chứng minh mối quan hệ giữa phổ phản xạ và SSC dựa trên các phương pháp thực nghiệm [33,51,65-66,68]. Hầu hết các nghiên cứu đều tìm ra mối quan hệ tuyến tính giữa phổ phản xạ và SSC trong nước mặt. Năm 1976, Ritchie và cộng sự đã tìm ra mối quan hệ tuyến tính có tương quan cao giữa phổ phản xạ trong dải sóng từ 700 - 800 nm và SSC ở hồ chứa
Mississippi với hệ số xác định R2 = 0,85 [67]. Mối quan hệ giữa phổ phản xạ trong
dải sóng từ 450 - 700 nm và từ 700 - 1050 nm cũng tương quan khá cao với SSC theo phương trình hàm logarit [33]. Nghiên cứu của Novo et al. đối với nhóm trầm tích đất đỏ nhiệt đới chỉ ra rằng mối quan hệ giữa SSC và phổ phản xạ là tuyến tính và khơng đổi trong khoảng bước sóng từ 450 - 900 nm [61]. Trong các nghiên cứu kể trên thì mối quan hệ giữa SSC và phổ phản xạ chiết xuất từ dữ liệu viễn thám đều có mối tương quan cao cả ở trong phịng thí nghiệm và ngoài thực địa với hệ số tương quan cao nhất lần lượt là R = 0,98 và R = 0,83. Bên cạnh đó, các nghiên cứu trong phịng thí nghiệm cũng đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng phổ phản xạ chiết xuất từ dữ liệu viễn thám để tính tốn SSC với giá trị sai số trung bình khơng vượt q 8%.
Đã có rất nhiều thuật tốn sử dụng các kênh phổ riêng lẻ hay tỷ số các kênh phổ phản xạ từ các dữ liệu vệ tinh đa phổ khác nhau để tính tốn SSC [50,55]. Điển hình như nghiên cứu của Harrington et al. đã chỉ ra rằng phổ phản xạ tại kênh 3 (NIR) của ảnh Landsat MSS có mối quan hệ tuyến tính với giá trị SSC trong khoảng từ 0 - 500 mg/l nhưng mối quan hệ này lại phi tuyến tính khi SSC cao hơn 500 mg/l [51]. Năm 2010, Wang và Lu cũng tiến hành nghiên cứu đối với ảnh MODIS, kết quả cho thấy phổ phản xạ của nước ở kênh 2 (841 - 876 nm) quan hệ tuyến tính với SSC trong khoảng giá trị từ 74 - 600 mg/l tuy nhiên trong khoảng giá trị SSC từ 600 - 881 mg/l, phổ phản xạ kênh 2 gần như không tương quan với SSC [79]. Ngoài ra, các tỷ lệ về phổ phản xạ trong dải phổ ánh sáng nhìn thấy (đỏ, lục, lam) đến cận hồng ngoại hay tỷ lệ dải phổ đỏ - lục cũng được áp dụng thành cơng trong việc tính tốn SSC [38,74,85].
Ngày nay, có rất nhiều các cơng trình nghiên cứu về viễn thám trong môi trường nước để xây dựng các bản đồ cung cấp thơng tin hữu ích về mạng lưới thủy văn và chế độ động lực của nó. Ví dụ như nghiên cứu sự biến đổi lưu lượng trầm tích trung bình hàng năm ở sơng Amazon được định lượng thơng qua việc tính tốn hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng từ dữ liệu phổ phản xạ của ảnh MODIS [57], hay ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS trong việc tính SSC để đánh giá môi trường do tác động của bão Frances ở vịnh Apalachicola của Mỹ. Nghiên cứu đã chỉ ra sự phân bố và quá trình tái lắng đọng trầm tích ở vịnh bằng cách so sánh SSC giữa trước, trong và sau khi xảy ra bão [32]. Bên cạnh việc khai thác dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS thì dữ liệu ảnh EO-1 và ALI cũng được áp dụng thành công trong mô tả chi tiết sự phân bố không gian SSC ở cửa sông Pearl thuộc miền Nam Trung Quốc bằng việc sử dụng mối quan hệ giữa phổ phản xạ tại bước sóng 549 nm và SSC (R2 = 0,91 và P < 0,001) [41]. Năm 2009, nghiên cứu của Pavelsky và Smith đã sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc tính tốn SSC để ước lượng được tốc độ dịng chảy và nguồn bổ sung cho nước hồ ở đồng bằng châu thổ Peace - Athabasca thuộc Canada [63]. Mối quan hệ giữa SSC đo được và phổ phản xạ trong dải sóng nhìn thấy/cận hồng ngoại (NIR) từ dữ liệu ảnh vệ tinh SPOT và ASTER cũng được sử dụng để thành lập bản đồ phân bố không gian hàm lượng phù sa lơ lửng và xác định quá
trình vận chuyển trầm tích gần bờ từ các trầm tích cacbonate trong hai trận bão. Nghiên cứu đã mở ra tiềm năng trong việc sử dụng công nghệ viễn thám để tính tốn lượng cacbonate từ các rạn san hô, cồn ngầm và các đảo san hô [27]. Năm 2007, Warrick và cộng sự đã sử dụng 705 mẫu nước thu thập bằng 36 thuyền kết hợp với dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS để đánh giá mơ hình phát tán và động lực từ luồng nước ngọt ở miền nam California [81]. Nghiên cứu của Avinash và cộng sự đã chứng minh được tiềm năng trong việc sử dụng viễn thám để xây dựng thuật toán thành lập bản đồ phân bố SSC theo không gian và theo mùa ở vùng nước nông miền nam Karnataka [30]. Để mô tả chi tiết sự biến đổi SSC theo không gian và theo thời gian, thuật toán thực nghiệm từ SSC phổ phản xạ tại các bước sóng 490; 555 và 670 nm được điều chỉnh đối với từng vùng bằng việc áp dụng các chỉ tiêu thống kê. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự biến đổi SSC theo không gian là không đáng kể, đáng chú là xu hướng phân bố SSC ở khu vực nước nông gần bờ cao hơn so với vùng biển sâu xa bờ [46].
Năm 2012, Chen và Quan đã phát triển mơ hình tính tốn SSC từ dữ liệu viễn thám để dự tính SSC nhiều năm ở vịnh Xiamen. SSC trung bình nhiều năm ở vùng nghiên cứu và các khu vực lân cận khi so sánh giữa SSC được tính tốn từ mơ hình dự tính và số liệu quan trắc cho thấy tỉ lệ sai số trung bình là 21,61% hoặc ít hơn, điều này phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật của q trình tính tốn sự lắng đọng trầm tích. Nghiên cứu của Lorthiois và cộng sự về sự biến đổi trầm tích lơ lửng hàng ngày và theo mùa ở sông Rhne dựa trên dữ liệu viễn thám và số liệu phổ đo ngoài thực địa đã góp phần cải thiện mơ hình thủy động lực học bằng cách kết hợp sự biến đổi theo khơng gian và thời gian của trầm tích [55].
Mặc dù đã có rất nhiều các nghiên cứu ứng dụng viễn thám để tính tốn hàm lượng phù sa lơ lửng nhưng do sự phức tạp về thành phần và đặc tính của nước sơng sâu trong nội địa nên các ứng dụng này còn nhiều vấn đề tồn tại như mơ hình tính tốn thơng số nước từ dữ liệu viễn thám chưa thống nhất, các phương pháp xử lý ảnh cho các vùng khác nhau cần được làm rõ, các mơ hình đã có cần được so sánh, đánh giá và ứng dụng cho nhiều vùng sông nội địa khác nhau. Để góp phần giải quyết các vấn đề còn tồn tại, nghiên cứu ứng dụng viễn thám cho nước sông nội địa cần được tiến hành ở nhiều nơi khác nhau.
1.3.1.2. Ở Việt Nam
Vấn đề nghiên cứu trầm tích lơ lửng tại Việt Nam được bắt đầu phát triển khá sớm từ khoảng đầu những năm 1980 [5]. Đa số các nghiên cứu được tiến hành bằng phương pháp mơ hình số trị và được chú trọng trong Chương trình biển KT.03 (1991 - 1995); KHCN.06 (1996 - 2000), nghiên cứu trầm tích lơ lửng liên quan đến xói lở bờ biển cịn được đặt ra trong khuôn khổ đề tài độc lập cấp nhà nước và trong chương trình biển giai đoạn 2001 - 2005. Các tác giả Trần Hồng Thái và cs [17], Đinh Văn Ưu [25], Nguyễn Thọ Sáo và cs. [16] đã ứng dụng và phát triển một số phương pháp và mơ hình tính tốn động lực, vận chuyển trầm tích cho một số vùng cửa sơng ven biển (Cửa Ơng - Quảng Ninh, cửa Tùng - Quảng Trị, Hải Phòng). Các nghiên cứu này chú trọng vào động lực học của lớp gần đáy để cải tiến phương pháp tính bán thực nghiệm đã có. Các tác giả thuộc Viện Hải dương học Nha Trang, như Bùi Hồng Long [11] đã nghiên cứu vùng Phan Rí, Hàm Tiến, Phước Thể với mục tiêu cung cấp các thông số kỹ thuật, đưa ra các phương án thiết kế và thi cơng đê, kè chống xói lở. Các tác giả thuộc Viện cơ học đã ứng dụng mơ hình thủy-thạch động lực tổng hợp nhiều yếu tố để tính tốn q trình vận chuyển trầm tích và biến đổi địa hình đáy vùng ven bờ theo hướng mơ hình hóa để nghiên cứu biến động bờ biển và vùng cửa sơng. Các tính tốn cịn đi sâu, chi tiết vào việc tính cặp các yếu tố thủy - thạch động lực như sóng, dịng chảy, mực nước vào nghiên cứu biến đổi đáy. Ngồi ra, các tác giả cịn đưa ra những tổng kết về các phương pháp tính tốn vận chuyển bùn cát và các mơ hình tính biến động đường bờ và kết quả áp dụng cụ thể cho nhiều vùng xói lở dọc bờ biển Việt Nam như vùng Hải Hậu, Nam Định, Hồ Tàu - Định An, Trà Vinh, Gành Hào, Bạc Liêu. Các tác giả thuộc Viện TN&MT biển đã ứng dụng mơ hình DELFT3D để nghiên cứu các vấn đề có liên quan đến phù sa lơ lửng ở các khu vực khác nhau như Quảng Ninh, Hải Phịng, Thái Bình và Nam Định [82]. Các nghiên cứu này đã giúp cho các nhà quản l địa phương nói trên có cách nhìn một cách tổng thể về mối quan hệ giữa phát triển kinh tế - xã hội, quản lý tổng hợp dải ven bờ và bảo vệ môi trường biển.
Ngày nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ địa không gian, ảnh vệ tinh có thể đem lại nhiều thơng tin trực tiếp và gián tiếp về mạng lưới thủy văn, khối lượng và chất lượng cũng như diễn biến theo mùa, theo thời gian, các hiện tượng
thủy văn có liên quan như lũ lụt, nhiễm mặn, biến động lịng sơng, lịng hồ,… Việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh để điều tra, giám sát tài nguyên nước là một phương pháp cho kết quả nhanh và kịp thời nhất.
Tại Việt Nam, những nghiên cứu liên quan đến ứng dụng công nghệ viễn thám trong quản lý chất lượng mơi trường nước nói chung và SSC nói riêng cịn rất ít, có một số nghiên cứu liên quan đến quan trắc hàm lượng chlorophyll và SSC trong nước biển Đông [1,21-22,70-71] và vùng vịnh ven biển [47,72]. Nghiên cứu của Ha and Koike đã xây dựng phương pháp ứng dụng viễn thám và địa thống kê trong quan trắc chất lượng nước biển ven bờ, áp dụng nghiên cứu vịnh Tiên Yên đã chứng minh rằng ảnh MODIS hồn tồn có khả năng cung cấp dữ liệu nhằm đánh giá hiệu quả chất lượng các vùng nước ven biển [47]. Nghiên cứu của Nguyễn Quốc Phi và nnk với mục tiêu ứng dụng tư liệu viễn thám để đánh giá hiện trạng môi trường nước biển ven bờ tại cửa Đáy phục vụ công tác giám sát môi trường [13]. Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat để chiết tách thông tin về chất lượng nước thơng qua việc tính tốn các chỉ số phản xạ phổ, áp dụng các chỉ số kinh nghiệm và phân tích các đặc trưng phản xạ phổ để xác định và phân vùng khu vực cửa Đáy qua các thông số tổng chất rắn lơ lửng, chlorophyll-a, chỉ số trầm tích lơ lửng, độ trong. Đáng chú trong nghiên cứu là tổng chất rắn lơ lửng được tính tốn theo chỉ số thực nghiệm, theo đó hàm lượng phù sa lơ lửng tính bằng phương trình hồi quy đa biến của 4 kênh ảnh Landsat TM. Tuy nhiên, chỉ số thực nghiệm chỉ đúng vào một thời điểm nhất định mà không tuân theo nguyên lý vật l do đó thường dẫn đến sai số vào lần áp dụng sau.
Gần đây, Nguyễn Văn Thảo và nnk đã có nghiên cứu “Xây dựng thuật tốn xử lý dữ liệu viễn thám xác định hàm lượng vật chất lơ lửng tại vùng biển ven bờ châu thổ sông Hồng” [20]. Nghiên cứu này đã sử dụng hai loại ảnh vệ tinh có độ phân giải cao là Landsat 8 OLI và VNRESAT-1 chứng minh mối quan hệ giữa phổ phản xạ rời mặt nước với hàm lượng vật chất lơ lửng tuân theo hàm đa thức bậc hai với hệ số tương quan R2 > 0,9. Tuy nhiên, nghiên cứu này còn thiếu dữ liệu kiểm chứng, kết quả thu được ở dạng đo một lần không phản ánh rõ được các yếu tố tác động đến sự phân bố và thay đổi của hàm lượng vật chất lơ lửng trong nước khu vực biển nghiên cứu.
Để góp phần làm rõ những vấn đề còn tồn tại, đặc biệt là xác định được mối quan hệ giữa SSC trong nước sông nội địa và các kênh phổ phản xạ của các ảnh vệ tinh quang học khác nhau, kiểm chứng kết quả thu được từ các nghiên cứu trước đó về dạng phương trình tính tốn, bước sóng sử dụng tính tốn hàm lượng phù sa lơ lửng, nghiên cứu này được tiến hành với vùng lựa chọn là thượng nguồn sông Hồng, đã thu thập hàm lượng phù sa lơ lửng trong nước sông đồng thời với thời điểm chụp ảnh của các vệ tinh quang học. Kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận văn sẽ phần nào làm sáng tỏ các vấn đề còn tồn tại trong phương pháp và thực tiễn tại vùng nước sông nội địa.