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 mô hình hoá các dữ liệu không gian và các quá trình trong không 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, nông nghiệp, rừng, quản lý tài nguyên, viễn thông, cung cấp điện, giao thông... 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 công nghiệp và các nƣớc phát triển 0,1%. GIS trong các nƣớc Đông âu từ 1989 đến nay đã phát triển không 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 không gian nào đó (theo quan niệm của GIS, sẽ kéo theo sự phát triển thay đổi của thực thể không gian khác. Ví dụ sự phát triển của khu dân cƣ mới kéo theo các vấn đề khác nhƣ hệ thống trƣờng học, cấp thoát nƣớc, giao thông.... Tiếng ồn giao thông gây ô nhiễm và tác động nên con ngƣời. GIS cho phép tính toán 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 không 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 mô hình của các lƣu vực con có quy mô lớn và trung bình bằng phần mềm ArcView GIS [26].
Tác giả Berhanu F.Alemaw (2012) nghiên cứu sử dụng mô hình HATWAB (mô hình cân bằng nƣớc mặt trên đất liền và khí quyển trên cơ sở GIS) để xây dựng mô hình thủy lực cho các lƣu vực tiêu nƣớc lớn. Mô hình đƣợc xây dựng trên 2 lƣu vực sông Limpopo và Congo ở Châu Phi. Khi đƣợc xây dựng, mô hình sẽ giúp đánh giá về độ ẩm của đất, quá trình bay hơi thực tế, dòng chảy...[14]
Các tác giả K.R.J Perera and N.T.S Wijesekera (2012) sử dụng mô hình phân phối không gian GIS để mô phỏng dòng chảy ở lƣu vực sông Attanagalu Oya. Các tính toán 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 mô hình GIS để tính toán 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 nguyên nƣớc, của lƣu vực sông Cầu. Ví dụ nhƣ nghiên cứu của Cục quản lý nƣớc và công trình thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (2000) nhằm tính toán cân bằng nguồn nƣớc sông 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 công trình thủy của Trung tâm công trình thủy, Đại học Xây dựng Hà Nội (Báo cáo hiện trạng công trình thủy trên tiểu hệ thống sông Cầu, 3/2000). Trong nghiên cứu của Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng, ngoài những đánh giá về môi trƣờng nƣớc lƣu vực sông Cầu, các nhà nghiên cứu còn kiểm kê nguồn tài nguyên 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 công nghệ hoá 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 nguyên và Môi trƣờng đã có công 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 sông, 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 sông thì công nghệ mô 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 mô hình dòng chảy nƣớc mƣa để mô phỏng dòng chảy tại lƣu vực con Cần Lê, thuộc lƣu vực sông Sài Gòn. Nghiên cứu sử dụng ba phƣơng án xây dựng mô hình khác nhau: sử dụng GIUH là mô hình đƣợc tính toán chỉ sử dụng các thông số đƣờng biên; mô hình HEC-HMS kết hợp với SMA (Soil Moisture Accounting); mô 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 mô 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. Mô hình SWAT có thể mô phỏng và xem xét tổng hợp các mối quan hệ của các quá trình diễn ra trong tự nhiên, nhƣng để giải quyết bài toán môi trƣờng, SWAT đòi hỏi số lƣợng dữ liệu đầu vào rất lớn. Tuy nhiên, đặc thù ở Việt Nam, cơ sở dữ liệu nền còn rất thiếu, lại rải rác đã gây ra khó khăn trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Do vậy quá trình sử dụng mô 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 mô hình MIKE11 để mô phỏng chất lƣợng sông Ba, là dòng sông đóng vai trò 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 mô hình thủy lực và mô hình khuếch tán của phần mềm MIKE 11. Hạn chế của nghiên cứu là chƣa tích hợp đƣợc việc chính xác hóa tính toán lan truyền ô 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 công 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 sông [8].
Khai thác thế mạnh trong tính toán mô 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 hoàn toàn mới thông qua mô hình phân phối thông số GIS để mô phỏng, dự báo dòng chảy và quá trình lan truyền các chất ô 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 mô hình tính toán trên có thể đƣợc khắc phục một cách triệt để.
CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1 Thiết bị, vật tƣ hóa chất
Chúng tôi sử dụng phƣơng pháp phân tích NO2--N, NO3--N, NH4+-N và Ntổng theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện hành:
- TCVN 6178:1996 Chất lƣợng nƣớc – Xác định Nitrit. Phƣơng pháp trắc - phổ hấp thụ phân tử. - TCVN 6180-1996 - Chất lƣợng nƣớc – Xác định Nitrat- Phƣơng pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic. - TCVN 6179-1:1996 - - Chất lƣợng nƣớc - Xác định amoni Phần 1: Phƣơng pháp trắc phổ thao tác bằng tay.
03 phƣơng pháp phân tích trên đã đƣợc thẩm tra, phê duyệt bởi Phòng thí nghiệm của Trung tâm Quan trắc và Phân tích môi trƣờng tỉnh Hải Dƣơng và đƣợc Văn phòng Công nhận chất lƣợng – Bộ Khoa học và Công nghệ chứng phù hợp với tiêu chuẩn ISO/IEC 17025:2005.
2.1.1 Hóa chất, vật tư
Các hóa chất sử dụng là hóa chất có độ tinh khiết PA, sử dụng nƣớc cất 2 lần để pha loãng dung dịch.
Dung dịch chuẩn NO3--N 100mg/l
Dung dịch chuẩn NO2--N 100mg/l của hãng HACH (Mỹ) Dung dịch chuẩn NH4+-N 100mg/l
Dung dịch HCl 1M: Lấy 41,67ml dung dịch acid HCl đặc (36%) pha với 250ml nƣớc cất rồi định mức thành 500ml.
Dung dịch Griess A: Cân 0,5g acid sulfanilic cho vào 150ml dung dịch acid HCl 1M, sau đó chuyển vào chai nâu.
Dung dịch Griess B: Cân 0,1g Nathylamin cho vào 150ml dung dịch acid HCl 1M, sau đó chuyển vào chai nâu.
Dung dịch natri diclorosoxyanurat: Hoà tan 32.0 g ± 0.1 g natri hydroxit trong 500 ml ± 50 ml nƣớc. Làm nguội dung dịch đến nhiệt độ trong phòng và thêm 2.00g ± 0.02 g natri diclorosoxyanurat 2 phân tử nƣớc (C2N3O3 Cl2Na.2H2O) vào
dung dịch. Hoà tan chất rắn và chuyển toàn bộ dung dịch sang bình định mức dung tích 1000 ml. thêm nƣớc tới vạch.
Thuốc thử màu cho NH4+: Hoà tan 130 g ± 1 g natri salixylat (C7H6O3Na) và 130 g g ± 1 g trinatri xytrat ngậm hai phân tử nƣớc C6H5O7Na3.2H2O trong nƣớc cất trong bình định mức 1000 ml. Thêm một lƣợng nƣớc đủ để cho tổng thể tích chất lỏng bằng khoảng 950 ml và sau đó thêm 0.970 g ± 0.005 g natri nitrosopentaxyano sắt(III) 2 phân tử nƣớc natri nitroprusiat, {Fe(CN)5NO}Na2.2H2O} vào dung dịch. Hoà tan chất rắn trong dung dịch, sau đó pha loãng bằng nƣớc tới vạch.
Dung dịch natri salixylat, HO-C6H4-COONa = 10 g/l: Hòa tan 1 g + 0,1g natri salixylat (HO-C6H4-COONa) trong 100 ml + 1 ml nƣớc. Bảo quản dung dịch trong chai thuỷ tinh hoặc chai polyetylen. Chuẩn bị dung dịch mới trong ngày làm thí nghiệm.
Nƣớc cất deion Pipet, pipetman...
2.1.2 Thiết bị, dụng cụ
Máy UV-VIS Shimazu, vùng phổ 190-800 nm Cân phân tích có độ chính xác 0,01mg
Tủ sấy, nhiệt độ làm việc từ 40 – 1600C Các loại dụng cụ thủy tinh, micro pipet…
2.2 Vị trí các điểm lấy mẫu, quan trắc
Vị trí các điểm lấy mẫu phân tích chất lƣợng NH4+, NO2-, NO3- trên hệ thống sông Thái Bình, hệ thống sông Bắc Hƣng Hải nằm trong dự án “xây dựng mạng lƣới các điểm quan trắc tài nguyên và môi trƣờng (đất, nƣớc, không khí, chất thải rắn sinh hoạt) trên địa bàn tỉnh Hải Dƣơng giai đoạn 2011 – 2015” và đã đƣợc Ủy ban nhân dân tỉnh Hải Dƣơng phê duyệt, đƣợc mô tả tại bảng 2.1 và hình 2.1
Bảng 2.1: Vị trí và tọa độ các điểm lấy mẫu phân tích các hợp chất Nitơ
TT KH Vị trí quan trắc Tọa độ
N E
I Hệ thống sông Thái Bình
1 S1
Sông Lục Nam, nhánh phía Bắc, cách ngã ba sông Lục Nam và sông Thƣơng 500m về phía thƣợng lƣu
21016'194" 106032'135"
2 S2
Sông Lục Nam, nhánh phía Đông Bắc, cách ngã ba sông Lục Nam và sông Thƣơng 500m về phía thƣợng lƣu,
21016'127" 106031'850 3 S3 Sông Thƣơng, cạnh đền Kiếp Bạc, 21014'638" 106032'472" 4 S4
Sông Cầu, cách điểm nối giữa sông Cầu và sông Thƣơng 500m về phía thƣợng lƣu,
21011'636" 106029'810"
5 S5
Sông Đuống, cách điểm nối giữa sông Đuống và sông Thƣơng 500m về phía thƣợng lƣu,
21009'233" 106030'244’’
6 S6
Sông Thái Bình ta ̣i xã Nhân Hu ệ, cách ngã ba sông Thái Bình và sông Kinh Thầy 500m về phía thƣợng lƣu,
21008'540" 106032'350"
7 S7 Sông Đông Mai ta ̣i xã Văn Đ ức, huyê ̣n
Chí Linh 21
0
06'784" 106044'685"
8 S8
Sông Đá Vách, cách cảng xuất xi măng của Công ty xi măng Hoàng Thạch 500m về phía hạ lƣu
21003'921" 106059'643"
9 S9 Sông Kinh Thầy, cách phà Hiệp Thƣơng (cũ) 500m về phía hạ lƣu 21
0
00'940" 106054'901"
10 S10
Sông Kinh Môn, cách điểm giao nhau với sông Kinh Thầy 200 về phía thƣợng lƣu, thuộc xã Minh Hòa, huyện Kinh Môn
20094'781" 106059'202"
11 S11 Sông Kinh Môn, cách điểm xả nƣớc thải của KCN Phú Thái 1000m về phía hạ lƣu 20
057'451" 106031'333" 12 S12 Sông Kinh Môn, cách nhà máy nƣớc Phú
Thái 500m về phía thƣợng lƣu 20
096'851" 106051'865" 13 S13 Sông Thái Bình, cách nhà máy nƣớc
Cẩm Thƣợng 500m về phía thƣợng lƣu 20
095'632" 106031'359" 14 S14 Sông Thái Bình, cách điểm nối giữa sông 20055'214" 106020'688"
Sặt và sông Thái Bình 1000m về phía hạ lƣu
15 S15
Sông Rạng, cách điểm xả nƣớc thải của KCN tàu thủy Lai Vu 1000m về phía hạ lƣu
20058'461" 106023'231"