Luận văn Ứng dụng công nghệ viễn thám trong thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018

GIAI ĐOẠN 2017 – 2018 ĐẶNG NGUYỆT ANH CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Mà SỐ: 8440301 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. TRỊNH LÊ HÙNG 2. PGS.TS. LÊ THỊ TRINH HÀ NỘI, NĂM 2018 i CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Cán bộ hướng dẫn chính: PGS.TS. Trịnh Lê Hùng Cán bộ hướng dẫn phụ: PGS.TS. Lê Thị Trinh Cán bộ chấm phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Nam Cán bộ chấm phản biện 2: PGS.TS. Lưu Thế Anh Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 01 tháng 10 năm 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Kết quả nghiên cứu của luận văn là những đóng góp riêng dựa trên số liệu thu thập, những kết quả nghiên cứu kế thừa các công trình khoa học khác đều được trích dẫn theo đúng quy định. Nếu luận văn có sự sao chép từ các công trình khoa học khác, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Học viên Đặng Nguyệt Anh iii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ của nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị. Nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới: PGS.TS. Trịnh Lê Hùng, người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn trân trọng tới PGS.TS. Lê Thị Trinh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường “Nghiên cứu đặc điểm phân bố, lịch sử tích lũy môt số kim loại nặng, hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong trầm tích và đánh giá rủi ro môi trường khu vực hạ lưu sông Đáy”, mã số TNMT 2017.04.09 cho các nội dung nghiên cứu thực nghiêm của luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn TS. Trịnh Thị Thắm giảng viên khoa Môi trường, nhóm các bạn sinh viên Phạm Thị Linh Chi, Nguyễn Thị Như Quỳnh, Nguyễn Thu Thảo, lớp ĐH4QM về sự hỗ trợ trong quá trình thực nghiệm. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, cán bộ, đồng nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh nhất, song do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cô để luận văn được hoàn thiện hơn. iv Một lần nữa tôi xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên Đặng Nguyệt Anh v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................. ii LỜI CẢM ƠN ...................................................................................... iii TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................. Error! Bookmark not defined. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU........................................................ viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................... ix MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của luận văn ........................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 2 3. Nội dung nghiên cứu ................................................................................. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ................... 4 1.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu .......................................................... 4 1.2. Tổng quan về công nghệ viễn thám ...................................................... 18 1.2.1. Công nghệ viễn thám ...................................................................... 18 1.2.2. Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu chất lượng nước ................................................................................................ 20 1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .......................... 26 1.4. Đặc điểm tư liệu ảnh vệ tinh Sentinel – 2 ............................................. 41 1.5. Tổng kết chương 1 ................................................................................ 43 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 45 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................ 45 2.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 45 2.2.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu ..................................... 46 2.2.2. Phương pháp điều tra và khảo sát thực địa ..................................... 48 2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích chất lượng nước ..................... 48 2.2.4. Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám ............................................................................................ 54 vi 2.3. Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Sentinel-2 phục vụ xác định hàm lượng TSS ............................................................................................................... 58 2.3.1. Tiền xử lý ảnh ................................................................................. 58 2.3.2. Xác định phổ phản xạ bề mặt ......................................................... 59 2.3.3. Xác định hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng TSS ........................................................................... 62 2.4. Tổng kết chương 2 ................................................................................ 62 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................ 63 3.1. Đặc điểm tư liệu sử dụng trong nghiên cứu .......................................... 63 3.1.1. Tư liệu viễn thám ............................................................................ 63 3.1.2. Số liệu quan trắc ............................................................................. 67 3.2. Xây dựng hàm quan hệ giữa chất lượng nước và phổ phản xạ ảnh vệ tinh Sentinel-2 .............................................................................................. 70 3.3. Thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 từ dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel-2A .......................... 75 3.4. Đánh giá hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 ......................................................................................... 79 3.4.1. Đánh giá chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy theo kết quả quan trắc thực tế ........................................................................................ 79 3.4.2. Theo bản đồ hiện trạng chiết xuất từ ảnh viễn thám ...................... 83 3.4.3. So sánh kết quả giữa hai phương pháp ........................................... 84 3.6. Tổng kết chương 3 ................................................................................ 86 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................. 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................... 89 PHỤ LỤC ................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 1: CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH TỔ HỢP MÀU ẢNH VỆ TINH ...................................................................... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 2: CÁC BƯỚC TIẾN HÀNH THÀNH LẬP BẢN ĐỒ ..... Error! Bookmark not defined. PHỤ LỤC 3: HÌNH ẢNH THU THẬP ....... Error! Bookmark not defined. vii viii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT GIS : Hệ thống thông tin địa lý WQI GPS : Chỉ số chất lượng nước mặt : Hệ thống định vị toàn cầu NSMI : Chỉ số chất rắn lơ lửng COD : Nhu cầu oxy hóa học BOD : Nhu cầu oxy sinh hóa DO : Oxy hòa tan TSS : Tổng chất rắn lơ lửng BVTV : Bảo vệ thực vật RS : Viễn thám LVS : Lưu vực sông KQ : Khí quyển TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN : Quy chuẩn kĩ thuật quốc gia Việt Nam ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng nước ...................................................................................................... 22 Bảng 1.2: Đặc điểm một số bộ cảm siêu phổ sử dụng trong đánh giá chất lượng nước [8] ................................................................................................. 24 Bảng 1.3: Đặc điểm các kênh phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ........................... 42 Bảng 2.1: Phương pháp bảo quản mẫu ........................................................... 49 Bảng 2.2: Các phương pháp đo nhanh tại hiện trường ................................... 50 Bảng 2.3: Các phương pháp pháp phân tích trong phòng thí nghiệm ............ 50 Bảng 2.4: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu ........................................................ 52 Bảng 3.1: Bảng kết quả phân tích chất lượng nước tại các điểm lấy mẫu tại sông Đáy (ngày 09/04/2018) ........................................................................... 68 Bảng 3.2: Giá trị phản xạ phổ tại kênh ảnh tại các vị trí tương ứng ............... 70 Bảng 3.3: Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phản xạ phổ kênh 2, 3, 4, 8 ảnh vệ tinh Sentinel-2A và hàm lượng các thông số chất lượng nước .................. 73 Bảng 3.4: So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 09/4/2018 ................................................................................................ 75 x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu ................................................................ 4 Hình 1.2: Biểu đồ diễn biến hàm lượng COD trên sông Đáy năm 2014 [6] .. 16 Hình 1.3: Biểu đồ diễn biến hàm lượng BOD5 trên sông Đáy năm 2014 [6] . 17 Hình 1.4: Biểu đồ diễn biến hàm lượng NH4+-N trên sông Đáy năm 2014 [6] 17 Hình 1.5: Quan hệ giữa thông số độ đục và phổ phản xạ chiết suất từ tư liệu viễn thám [8] ................................................................................................... 27 Hình 1.6: Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Weipi He [16] .................................................................................................. 28 Hình 1.7: Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và NH3-N từ tư liệu viễn thám [12] ................................................................................................. 28 Hình 1.8: Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SPM) vùng Gironde (Pháp) trên ảnh SPOT HRV và Landsat ETM+ [14] ...................................... 29 Hình 1.9: Phân bố hàm lượng SPM khu vực German Bight từ ảnh SPOT .... 30 Hình 1.10: Bản đồ phân bố độ đục của nước khu vực sông Gomti Lucknow từ ảnh vệ tinh QuickBird [22] ............................................................................. 32 Hình 1.11: Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SS) trong nước mặt hồ Buyukcekmece (Thổ Nhĩ Kỳ) từ tư liệu ảnh vệ tinh IKONOS [23] ............... 33 Hình 1.12: Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam vào tháng 5 năm 2008 và 2011 [24] ................................................................ 35 Hình 1.13 Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng SPM khu vực ven bờ sông Hồng (ngày 25 tháng 9 năm 2014)[24] ........................................................... 35 Hình 1.14: Bản đồ phân bố các trạm quan trắc chất lượng nước khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng [25] ........................................................................ 36 Hình 1.15: Bản đồ phân bố hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt hồ Trị An trong nghiên cứu của Trịnh Lê Hùng [26] ...................................................... 37 Hình 1.16: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng chất rắn lơ lửng sông Đáy vào tháng 3(a), tháng 5(b), tháng 7(c), tháng 9(d) và tháng 11(e) năm 2015 . 40 Hình 1.17: Cấu hình quỹ đạo 2 vệ tinh cùa Sentinel-2 ................................... 42 Hình 2.1: Lược đồ thành lập bản đồ chất lượng nước sông Đáy .................... 46 Hình 2.2: Giao diện website tải ảnh vệ tinh Sentinel 2 ................................... 48 Hình 2.3: Sơ đồ vị trí lấy mẫu trên sông Đáy ................................................. 51 Hình 2.4: Ví dụ về nắn ảnh bằng điểm khống chế .......................................... 59 xi Hình 2.5: Ví dụ về các ”đối tượng tối” trên ảnh vệ tinh Landsat (nguồn gisapmaps.com) ............................................................................................... 60 Hình 2.6: So sánh phổ phản xạ của thực vật trước và sau khi hiệu chỉnh KQ .... 61 Hình 2.7: So sánh phổ phản xạ của nước trước và sau khi hiệu chỉnh KQ . 61 Hình 2.8: So sánh phổ phản xạ của đất trước và sau khi hiệu chỉnh KQ .. 61 Hình 3.1a: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 20/12/2017 (cảnh ảnh 1) ............................................................................................................... 64 Hình 3.1b: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 20/12/2017 (cảnh ảnh 2) ............................................................................................................... 64 Hình 3.1c: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 20/12/2017 (sau khi khớp ảnh) ................................................................................................... 65 Hình 3.1d: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 09/4/2018 (cảnh ảnh 1) ............................................................................................................... 65 Hình 3.1e: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 09/4/2018 (cảnh ảnh 2) ............................................................................................................... 66 Hình 3.1f: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 09/4/2018 (sau khi khớp ảnh) ......................................................................................................... 66 Hình 3.1: Giao diện phần mềm Erdas Imagine 2014 ...................................... 67 Hình 3.2: Giá trị phản xạ phổ (dạng số nguyên, chưa chia cho 10000) tại 4 kênh ảnh vệ tinh Sentinel-2A (kênh 2, 3, 4 và 8) tại từng vị trí lấy mẫu ........ 70 Hình 3.3: Công cụ hồi quy (regression) trong tool Data Analysis của phần mềm Microsoft Excel 2013 ............................................................................. 72 Hình 3.4: Kết quả hồi quy bội tuyến tính nhằm xác định hàm lượng TSS ..... 73 Hình 3.5: Công cụ mô hình hóa (Modeler) trong phần mềm ERDAS Imagine 2014 ................................................................................................................. 76 Hình 3.6: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 20/12/2017 ............................................................................ 77 Hình 3.7: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 09/4/2018 .............................................................................. 78 Hình 3.8: So sánh giá trị TSS hạ lưu sông Đáy từ hai phương pháp .............. 84 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận văn Lưu vực sông Nhuệ - Đáy là một trong những lưu vực sông lớn của Việt Nam, có vị trí địa lý đặc biệt, giữ vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội vùng đồng bằng sông Hồng. Sông Đáy là sông chính của lưu vực sông Nhuệ - Đáy ở phía tây nam vùng châu thổ sông Hồng và là một trong những con sông dài nhất ở miền Bắc nước ta. Với chiều dài khoảng 237 km, sông Đáy chảy qua các tỉnh và thành phố Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình. Đây là vùng lãnh thổ có điều kiện tự nhiên, môi trường phong phú đa dạng, có vị trí địa lý đặc biệt quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế – xã hội. Tuy nhiên, sông Đáy hiện nay đang đứng trước nhiều nguy cơ và thách thức, nổi bật trong số đó là vấn đề chất lượng môi trường nước của con sông huyết mạch trong lưu vực. Trong những năm gần đây, tài nguyên nước trên sông Đáy đã thay đổi rất rõ rệt cả về chất và lượng nước, điều này ảnh hưởng xấu đến tình hình kinh tế - xã hội và môi trường sống trong khu vực mà con sông này đi qua. Lưu vực sông Đáy đang chịu tác động mạnh mẽ của các hoạt động kinh tế – xã hội nhất là của các khu công nghiệp, làng nghề, khu khai thác và chế biến. Trong khi đó, nguồn nước từ hệ thống sông này vẫn đang được sử dụng để cung cấp ngược lại cho các hoạt động sản xuất công – nông nghiệp. Vì vậy, trước những yêu cầu phát triển bền vững kinh tế - xã hội, yêu cầu cấp thiết đặt ra là nghiên cứu đánh giá hiện trạng, dự báo xu thế diễn biến môi trường chất lượng nước hạ lưu sông Đáy để làm cơ sở dữ liệu cho việc bảo vệ, xử lý và quản lý nguồn nước nhằm đảm bảo cung cấp nguồn nước sạch phục vụ cho dân sinh. Có rất nhiều giải pháp nhằm cải thiện chất lượng nước sông đã được đưa ra như: ban hành các văn bản pháp luật kèm theo các chế tài hợp lý, thành 2 lập các Ủy ban Bảo vệ Môi trường Lưu vực sông, áp dụng các công cụ kinh tế như thu phí nước thải, lập quỹ Bảo vệ Môi trường, xây dựng các chương trình quan trắc, giám sát môi trường lưu vực sôngTuy nhiên, các giải pháp hiện nay vẫn chưa đạt được hiệu quả như mong đợi. Ô nhiễm nước tại lưu vực sông Đáy vẫn đang là vấn đề nan giải đối với các nhà quản lý và ngày càng nhức nhối đối với cộng đồng. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, công nghệ viễn thám đã được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả quan trọng trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước mặt. Các phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt truyền thống dựa trên kết quả phân tích mẫu nước chỉ thể hiện chất lượng nước cục bộ xung quanh điểm đo và trên thực tế không thể tiến hành lấy mẫu dày đặc ở một khu vực rộng lớn do tốn kém về thời gian và chi phí. Phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám với các ưu điểm nổi bật như diện tích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn đang trở thành một công cụ hiệu quả trong nghiên cứu chất lượng nước mặt, đặc biệt đối với các khu vực rộng lớn như lưu vực sông. Trên cơ sở đó, đề tài “Ứng dụng công nghệ viễn thám trong thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018” được thực hiện là xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, nhằm góp thêm một hướng ứng dụng công nghệ mới phuc vụ quản lý chất lượng môi trường nước. 2. Mục tiêu nghiên cứu Thành lập được bản đồ hiện trạng chất lượng nước và đánh giá được chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017-2018 bằng công nghệ viễn thám. 3. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên, trong luận văn tiến hành nghiên cứu các nội dung sau: 3 (1) Xây dựng hàm quan hệ giữa chất lượng nước và phổ phản xạ ảnh vệ tinh - Thu thập số liệu nguồn thải chính phát sinh vào hạ lưu Sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 - Lấy mẫu và phân tích chất lượng nước hạ lưu sông Đáy tại 37 điểm - Thu thập dữ liệu ảnh viễn thám quang học Sentinel 2 khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018; - Xác định phản xạ phổ mặt nước từ ảnh vệ tinh Sentinel 2 và xây dựng hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ với hàm lượng các thông số chất lượng nước; (2) Thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 từ dữ liệu ảnh vệ tinh - Thành lập bản đồ phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018; - Đánh giá độ chính xác kết quả xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước từ dữ liệu ảnh viễn thám. (3) Đánh giá hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về khu vực nghiên cứu 1.1.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực hạ lưu sông Đáy a. Điều kiện tự nhiên [1] Sông Đáy là một trong những con sông dài ở miền Bắc Việt Nam, nó là con sông chính của lưu vực sông Nhuệ - Đáy ở phía tây nam vùng châu thổ sông Hồng. Sông Đáy chảy qua các tỉnh thành Hà Nội, Hà Nam, Ninh Bình và Nam Định với dòng sông chảy gần song song bên hữu ngạn hạ lưu sông Hồng. Trong lưu vực sông Đáy có nhiều sông khác như sông Tích, sông Nhuệ, sông Bùi, sông Bôi, sông Lạng, sông Hoàng Long, sông Sắt, sông Vạc, sông Nam Định, liên quan đến nhau nên đã được quy hoạch thủy lợi chung vào hệ thống sông Đáy. Hình 1.1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu 5 - Đặc điểm khí hậu Do nằm trong khu vực Bắc Bộ nên có nền khí hậu mang đầy đủ những thuộc tính cơ bản của khí hậu miền Bắc Việt Nam đó là nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mùa đông khá lạnh và ít mưa, mùa hè nắng nóng nhiều mưa tạo nên bởi tác động qua lại của các yếu tố: bức xạ mặt trời, địa hình, các khối không khí luân phiên khống chế. + Chế độ nắng: Khu vực nghiên cứu nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng 105 - 120 kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600 - 1750 giờ/năm, trong đó tháng 7 có số giờ nắng nhiều nhất đạt 200 - 230 giờ/tháng và tháng 2, 3 có số giờ nắng ít nhất khoảng 25 - 45 giờ/tháng. Chế độ nắng cũng giống như chế độ nhiệt, nó ảnh hưởng đến tốc độ và dạng phân hủy các hợp chất hữu cơ và nồng độ oxy hòa tan trong nước. + Chế độ nhiệt: Chế độ nhiệt phân hóa rõ rệt theo đai cao trong khu vực nghiên cứu. Nhiệt độ trung bình năm ở vùng thấp đạt từ 27 - 300C, ở vùng đồi núi phía Tây và Tây Bắc nhiệt độ trung bình năm xấp xỉ 240C. Mùa đông nhiệt độ trung bình ở vùng cao giảm xuống còn 16 - 190C, mùa hè trung bình khoảng 220C; còn ở vùng thấp mùa đông nhiệt độ trung bình 18 - 200C, mùa hè từ 27 - 300C. Trong trường hợp cực đoan, nhiệt độ tối cao có thể lên tới 400C, và nhiệt độ tối thấp có thể xuống tới dưới 00C.Chế độ nhiệt của nước phụ thuộc vào chế độ nhiệt của không khí đã ảnh hưởng đến các quá trình hóa lý xảy ra trong nước, nó ảnh hưởng đến đời sống các vi sinh vật và vi khuẩn sống trong nước. + Chế độ mưa ẩm: Do địa hình khu vực nghiên cứu đa dạng và phức tạp nên lượng mưa cũng biến đổi không đều theo không gian. Phần hữu ngạn của lưu vực có mưa khá lớn (P > 1800 mm), nhất là vùng đồi núi phía Tây (P > 2000 mm). Phần tả ngạn lưu vực, lượng mưa tương đối nhỏ (P = 1500 - 6 1800 mm), nhỏ nhất ở thượng nguồn sông Đáy, sông Nhuệ (P = 1500 mm), và lại tăng dần ra phía biển (P = 1800 - 2000 mm). Mùa mưa kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10 với tổng lượng mưa chiếm tới xấp xỉ 83% tổng lượng mưa năm, lượng mưa trung bình năm đạt từ 1200 – 1800 mm với số ngày mưa vào khoảng 60-70 ngày. Lượng mưa các tháng mùa khô đều dưới 100 mm/tháng, trong đó tháng 12 – tháng 3 dưới 50 mm/tháng. Trong thời kỳ này, dòng chảy nhỏ, chủ yếu phụ thuộc vào thời gian mở cống Liên Mạc. + Chế độ gió: Mùa đông gió có hướng thịnh hành là Đông Bắc, tần suất đạt 60 - 70%. Một số nơi do ảnh hưởng của địa hình, hướng gió đổi thành Tây Bắc và Bắc, tần suất đạt 25 - 40%. Mùa hè các tháng 5 – tháng 7 có hướng gió ổn định, thịnh hành là Đông và Đông Nam, tần suất đạt 60 - 70%. Tháng VIII hướng gió phân tán, hướng thịnh hành nhất cũng chỉ đạt tần suất 20 - 25%. Các tháng chuyển tiếp hướng gió không ổn định, tần suất mỗi hướng thay đổi trung bình từ 10 - 15%. - Mạng lưới thủy văn Sông Đáy nguyên là một phân lưu lớn đầu tiên của sông Hồng, bắt đầu từ cửa Hát Môn chảy theo hướng Đông Bắc – Tây Nam. Nhưng đến năm 1937, sau khi xây dựng xong đập Đáy thì nước sông Hồng không thường xuyên đổ vào sông Đáy qua cửa đập Đáy trừ những năm phân lũ, vì vậy phần đầu nguồn sông (từ 0 km đến Ba Thá dài 71 km) sông Đáy coi như đoạn sông chết. Hiện tượng bồi lắng và nhân dân lấn đất canh tác cản trở việc thoát lũ mùa mưa. Lượng nước để nuôi sông Đáy chủ yếu là do các sông nhánh, quan trọng nhất là sông Tích, sông Bôi, sông Đào Nam Định, sông Nhuệ. Sông chảy theo hướng Tây Bắc – Đông Nam. Hiện nay, sông Đáy đã bị xâm nhập mặn ở vùng hạ du. Phần thượng và trung lưu cũng đã bị ô nhiễm do nguồn thải ở vùng dân cư tập trung, khu công 7 nghiệp của các tỉnh Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình và Hà Nội, đặc biệt là úng, lụt ở vùng trũng Nam Định, Ninh Bình gây ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng. - Chế độ thủy văn Cũng như mưa, dòng chảy phân bố trên lưu vực cũng không đều, dòng chảy lớn nhất là ở núi Ba Vì, phần hữu ngạn lưu vực có dòng chảy lớn hơn. Dòng chảy mùa lũ từ tháng 6 – tháng 10 cũng chiếm 70 - 80% lượng dòng chảy năm, tháng 9 là tháng có dòng chảy trung bình tháng lớn nhất chiếm khoảng 20 - 30% lượng dòng chảy năm và lũ lớn nhất năm của sông Đáy cũng thường xảy ra vào tháng 9. Do độ dốc lòng sông và cường độ mưa lớn ở vùng thượng lưu vực nên lũ ở các sông suối vừa và nhỏ lên xuống rất nhanh với cường suất lũ lên lớn nhất có thể tới 2 m/h (tại trạm Hưng Thi 2,28 m/h). Thời gian kéo dài một trận lũ chỉ từ 1 - 3 ngày. Sông Đáy có vị trí rất quan trọng, trước đây nó vừa là đường thoát nước chính của sông Hồng, vừa là đường tiêu lũ của bản thân LVS Đáy. Trên dòng chính sông Đáy ở trung và hạ lưu có các chi lưu là sông Nhuệ, sông Châu, sông Đào. Chế độ dòng chảy sông Đáy không những chịu ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm trong lưu vực, các yếu tố khí hậu (trước hết là mưa) chế độ nhiệt, chế độ thủy triều vịnh Bắc Bộ, mà còn phụ thuộc vào chế độ nước và hệ thống kênh tưới – tiêu và đặc biệt là chế độ thủy văn của sông Hồng (chủ yếu thông qua sông Đào nhận nước sông Hồng tại Nam Định và sông Nhuệ nhận nước sông Hồng qua cống Liên Mạc, Hà Nội). Vì thế mà chế độ dòng chảy sông Đáy rất phức tạp và có sự khác nhau nhất định giữa các đoạn sông. Do địa hình lòng dẫn ở một số đoạn bị thu hẹp (như eo Tân Lang), và sự lấn chiếm lòng sông, bãi sông làm cản trở thoát lũ, thêm vào đó là nước từ sông Đào do sông Hồng chảy sang và nhất là khi lũ gặp triều cường thì lũ rút rất 8 chậm, kéo dài trong nhiều ngày gây úng ngập ở các vùng trũng, ảnh hưởng xấu đến nước sinh hoạt và môi trường sống vùng úng ngập. Các kết quả đo đạc và tính toán dài năm tại các trạm thủy văn trên hệ thống sông Đáy cho thấy: Nhìn chung, khoảng 85% lượng nước của sông Đáy được cung cấp bởi sông Hồng, chỉ có khoảng 15% là do các dòng trong lưu vực. Tổng lượng nước hàng năm của các sông suối trong sông Đáy khoảng 28,8 tỷ m3, trong đó lượng nước sông Đào (Nam Định) khoảng 25,7 tỷ m3 (chiếm 89,5%), sông Hoàng Long ở Hưng Thi chỉ có 0,68 tỷ m3 (chiếm 2,4%), sông Tích và sông Đáy ở Ba Thá khoảng 1,35 tỷ m3 (chiếm 4,7%). b. Đặc điểm kinh tế xã hội Tài nguyên nước nói chung và tài nguyên nước mặt nói riêng là một trong những yếu tố ảnh hưởng sự phát triển kinh tế – xã hội của một vùng lãnh thổ hay một quốc gia. Sự gia tăng dân số, quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ làm tăng nhu cầu sử dụng nước trong khi nguồn tài nguyên nước không thay đổi. Chính vì vậy dẫn đến việc tài nguyên nước bị suy giảm nghiêm trọng cả về chất và lượng. Nước thải công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt không những gây ra ô nhiễm nguồn nước mặt mà chúng còn gây ô nhiễm các tầng nước dưới đất., gây ảnh hưởng tới sức khỏe con người và đồng thời ảnh hưởng tới chu trình sinh – địa – hóa trong các hệ thống sông. Lưu vực sông Đáy có phạm vi không gian rộng, quá trình phát triển kinh tế với nhiều ngành nghề đa dạng thuộc hầu hết các lĩnh vực sản xuất. Các hoạt động kinh tế xã hội đã và đang ngày càng trở thành tác nhân chủ yếu gây ra các vấn đề về môi trường. Lưu vực sông Đáy nằm trong vùng kinh tế trọng điểm của vùng, đây cũng là khu vực tiềm ẩn những nguy cơ gây ô nhiễm môi trường lớn nhất bởi nhiều nguyên nhân. Dưới đây trình bày một số yếu tố kinh tế – xã hội trong lưu vực, ảnh hưởng tới chất lượng môi trường trong lưu vực. 9 - Phát triển sản xuất công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp trong lưu vực Trên lưu vực sông Đáy có khoảng 4113 cơ sở sản xuất lớn, được phân bố không đều trên 6 tỉnh trong lưu vực. Các làng nghề với những sản phẩm truyền thống mang tính chất hàng hóa cao và ngày càng tinh xảo đang được hồi phục và phát triển. Tuy nhiên, phần lớn công nghệ và kỹ thuật áp dụng cho sản xuất nghề còn lạc hậu, trình độ cơ khí hóa còn thấp, thiết bị phần lớn đã có, không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, an toàn và vệ sinh môi trường. Các làng nghề chủ yếu tập trung sản xuất hàng hóa mà thiếu đầu tư công nghệ, giải pháp thích hợp để xử lý chất thải. - Hiện trạng sử dụng đất và phát triển nông nghiệp trong lưu vực Trong lưu vực sông Đáy – Nhuệ, theo thống kê, diện tích đất nông nghiệp chiếm phần lớn (49,5%). Đất rừng và đất trồng cây công nghiệp chiếm 19,1% và 13,8%. Đất đô thị chỉ chiếm phần nhỏ khoảng 4,9% Trong những năm gần đây, do quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, diện tích đất nông nghiệp trong lưu vực đã dần bị thay thế bởi diện tích đô thị hoặc các khu công nghiệp mới. Tuy nhiên, nông nghiệp vẫn là ngành sản xuất chính có đóng góp lớn vào kinh tế lưu vực sông Đáy. Trong nội bộ ngành nông nghiệp tỷ trọng ngành trồng trọt giảm dần trong khi ngành chăn nuôi tăng dần. Trong toàn bộ lưu vực, số dân tham gia hoạt động sản xuất nông nghiệp chiếm khoảng 60-70% tổng dân số thuộc lưu vực. Hệ thống kênh tưới, tiêu dày đặc trong lưu vực đã và đang phục vụ đắc lực cho các hoạt động sản xuất nông nghiệp trong vùng. Song song với việc phát triển kinh t...lửng (SS) trong nước mặt hồ Buyukcekmece (Thổ Nhĩ Kỳ) từ tư liệu ảnh vệ tinh IKONOS [23] Nhìn chung, các nghiên cứu trên thế giới đã cho thấy tính hiệu quả của phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám trong đánh giá và ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước. Các nghiên cứu trên cũng cho thấy, giữa phản xạ phổ xác định từ ảnh viễn thám và hàm lượng các thông số chất lượng nước có mối quan hệ chặt chẽ với nhau. Do vậy, bản chất của việc ứng dụng tư liệu viễn thám trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước mặt là xây dựng hàm quan hệ giữa phổ phản xạ và hàm lượng các thông số chất lượng nước. 34 1.3.2. Trong nước Trước đây ở Việt Nam, để đánh giá mức độ ô nhiễm nước mặt thường dựa vào việc phân tích các thông số chất lượng nước riêng biệt, sau đó so sánh giá trị từng thông số đó với giá trị giới hạn được quy định trong các tiêu chuẩn/ quy chuẩn trong nước hoặc quốc tế. Tuy nhiên, cách làm này có rất nhiều hạn chế do việc đánh giá từng thông số riêng rẽ không nói lên diễn biến chất lượng tổng quát của nước mặt. Cho đến nay, ở nước ta đã có một số nghiên cứu sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt, trong đó sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình như SPOT, Landsat (nghiên cứu chất lượng nước mặt lục địa) hoặc ảnh vệ tinh độ phân giải thấp như MODIS (nghiên cứu chất lượng nước biển ven bờ). Nguyễn Văn Thảo (2016) [24] trong đề tài “Nghiên cứu các phương pháp phân tích, đánh giá và giám sát chất lượng nước ven bờ bằng tư liệu viễn thám độ phân giải cao và độ phân giải trung bình, đa thời gian; Áp dụng thử nghiệm cho ảnh của vệ tinh VNREDSat-1” đã tiến hành 7 chuyến khảo sát thực địa tại 3 vùng nghiên cứu. Đề tài đã sử dụng các phương pháp mô hình toán, phương pháp xây dựng thuật toán, bản đồ, cơ sở dữ liệu, công nghệ thông tin, khảo sát và đo đạc thực địa... để triển khai thực hiện các nội dung nghiên cứu. 35 Hình 1.12: Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam vào tháng 5 năm 2008 và 2011 [24] Hình 1.13 Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng SPM khu vực ven bờ sông Hồng (ngày 25 tháng 9 năm 2014)[24] 36 Lương Chính Kế và cộng sự (2011) [25] đã sử dụng tư liệu viễn thám trong xác định hàm lượng một số thông số chất lượng nước như BOD, COD, TSS khu vực ven biển Hải Phòng – Quảng Ninh. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình SPOT 5 kết hợp kết quả quan trắc tại 10 điểm lấy mẫu khu vực cửa sông, ven biển (hình 1.14) nhằm xác định hàm quan hệ giữa phản xạ phổ thu được từ ảnh vệ tinh và giá trị các thông số chất lượng nước. Hình 1.14: Bản đồ phân bố các trạm quan trắc chất lượng nước khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng [25] Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị đo thực địa hàm lượng chất ô nhiễm BOD (biochemical oxygen demand), COD (chemical oxygen demand), TSS (total suspended sediment) từ tư liệu ảnh quang học SPOT 5 đối với khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng được trình bày trong các công thức sau: 1.0339* 0.037510 1.0331* 11.245 1.0319* 2.6409 FBBOD COD FB TSS FB      Trong đó FB là tổ hợp lớp cao phân tử các kênh ảnh SPOT 5. Trong nghiên cứu trên, hệ số tương quan trong xác định hàm lượng các chất BOD, COD, TSS đối với khu vực Quảng Ninh – Hải Phòng tương ứng là 37 0.74, 0.84 và 0.91. Như vậy, có thể khẳng định, phương pháp sử dụng tư liệu viễn thám trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước khu vực ven biển Hải Phòng – Quảng Ninh có kết quả đảm bảo độ chính xác. Trịnh Lê Hùng (2014) [26] sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat và kết quả quan trắc chất lượng nước tại 10 điểm lấy mẫu để đánh giá phân bố hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt hồ Trị An. Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng tỉ lệ ảnh giữa kênh 4 (kênh cận hồng ngoại) và kênh 2 (kênh green) ảnh Landsat 7 ETM+ nhằm xây dựng hàm quan hệ với giá trị hàm lượng chất lơ lửng tại các điểm quan trắc: 838.18)(335.94).(55.131)( 2 42 2 4  band band band band l mg SS     Bình phương hệ số tương quan R2 trong nghiên cứu này đạt trên 0.98. Mặc dù vậy, có thể nhận thấy trong nghiên cứu này vẫn còn hạn chế do số lượng điểm lấy mẫu chất lượng nước tương đối ít (10 điểm). 1.5(mg/l) 88.0(mg/l) Hình 1.15: Bản đồ phân bố hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt hồ Trị An trong nghiên cứu của Trịnh Lê Hùng [26] 38 Cũng sử dụng ảnh vệ tinh Landsat, Nguyễn Quốc Phi và cộng sự (2014) đã nghiên cứu và đánh giá chất lượng nước mặt khu vực ven biển Cửa Đáy phục vụ công tác giám sát môi trường. Trong nghiên cứu này, các tác giả đã trích lọc thông tin về chất lượng nước thông qua việc tính toán các chỉ số phản xạ phổ cũng như áp dụng các chỉ số kinh nghiệm và phân tích đặc trưng phản xạ phổ để xác định phân bố tổng chất rắn chất lơ lửng, chlorophyll, chỉ số trầm tích lơ lửng, độ đục/độ trong. Lê Minh Sơn (2008) [27] trong đề tài nghiên cứu khoa học “Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh để xác định nhiệt độ và hàm lượng chlorophyll bề mặt nước biển” đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải thấp MODIS trong tính toán nhiệt độ bề mặt cũng như hàm lượng chất diệp lục (chlorophyll) bề mặt nước biển. Trong nghiên cứu này, các kênh hồng ngoại nhiệt ảnh MODIS được sử dụng để tính nhiệt độ bề mặt nước biển, trong khi đó hàm lượng chất diệp lục được xác định trên cơ sở áp dụng thuật toán truyền thống đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới là OC – Ocean Color. Thuật toán OC được xây dựng dựa trên quan hệ hàm mũ giữa hàm lượng chlorophyll với tỉ số phản xạ phổ giữa bước sóng 440 nm và 551 nm. Nguyễn Thị Thu Hà và Koike [28] đã sử dụng tư liệu viễn thám và địa thống kê trong quan trắc chất lượng nước biển ven bờ, áp dụng cho khu vực vịnh Tiên Yên, chứng minh tư liệu ảnh MODIS có khả năng cung cấp dữ liệu nhằm đánh giá hiệu quả chất lượng các vùng nước ven biển. Lê Thị Phương Mai (2012) [29] trong đề tài nghiên cứu khoa học “Sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để đánh giá ảnh hưởng do biến động của một số đối tượng bao gồm sử dụng đất, rừng ngập mặn, hàm lượng chất lơ lửng trong bề mặt nước biển đến biến động đường bờ khu vực tỉnh Cà Mau” đã sử dụng tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải trung bình SPOT 5 nhằm ước lượng sự phân bố hàm lượng chất lơ lửng (TSS) khu vực ven biển Cà Mau. 39 Mặc dù vậy, trong nghiên cứu này tác giả mới chỉ dừng lại ở việc thử nghiệm các mô hình, thuật toán đã được áp dụng trên thế giới vào điều kiện thực tế ở Việt Nam. Trịnh Lê Hùng và cộng sự [30] sử dụng phương pháp nội suy khoảng cách ngược có trọng số IDW trong ArcGIS nhằm đánh giá phân bố hàm lượng chất lơ lửng TSS trong nước mặt sông Đáy. Các bản đồ phân bố hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước mặt khu vực sông Đáy vào tháng 3, tháng 5, tháng 7, tháng 9 và tháng 11 năm 2015 được thể hiện dưới hình 1.16: a) b) 40 c) d) e) Hình 1.16: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng chất rắn lơ lửng sông Đáy vào tháng 3(a), tháng 5(b), tháng 7(c), tháng 9(d) và tháng 11(e) năm 2015 41 Có thể nhận thấy, cho đến nay tư liệu viễn thám đã được sử dụng hiệu quả tại Việt Nam trong nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước mặt. Mặc dù vậy, do vệ tinh Sentinel 2 mới hoạt động chưa lâu, các nghiên cứu sử dụng ảnh Sentinel 2 trong đánh giá chất lượng nước ở Việt Nam và trên thế giới còn khá hạn chế. 1.4. Đặc điểm tư liệu ảnh vệ tinh Sentinel – 2 Vệ tinh Sentinel-2A được phóng lên quỹ đạo tháng 6 năm 2015, cung cấp ảnh ở 13 kênh phổ, trong đó các kênh 2 (490 nm), 3 (560 nm), 4 (665 nm) và 8 (842 nm) có độ phân giải không gian 10 m; các kênh 5 (705 nm), 6 (740 nm), 7 (783 nm), 8a (865 nm), 11 (1610 nm) và 12 (2190 nm) có độ phân giải không gian 20 m và các kênh 1 (443 nm), 9 (940 nm) và 10 (1375 nm) có độ phân giải không gian 60 m. Chiều rộng của quỹ đạo là 290km. Vệ tinh Sentinel-2B với đặc điểm giống như Sentinel-2A được phóng thành công lên quỹ đạo vào ngày 07/03/2017, giúp rút ngắn thời gian chụp lặp lại tại một điểm trên bề mặt Trái đất còn 05 ngày. Với ưu điểm độ phân giải không gian cao, có thể lên đến 10m ở các kênh đa phổ và cận hồng ngoại; độ phân giải phổ tốt, đặc biệt được cung cấp hoàn toàn miễn phí với chu kỳ chụp lặp lại ngắn, ảnh vệ tinh Sentinel 2 đang trở thành nguồn dữ liệu quan trọng phục vụ công tác nghiên cứu quản lý, giám sát tài nguyên và môi trường. 42 Hình 1.17: Cấu hình quỹ đạo 2 vệ tinh cùa Sentinel-2 Hai vệ tinh của SENTINEL-2 cung cấp tính liên tục của dữ liệu hình ảnh SPOT và LANDSAT, góp phần vào các quan sát đa phổ và hỗ trợ các dịch vụ và ứng dụng của Copernicus như quản lý đất đai, nông nghiệp và lâm nghiệp, kiểm soát thiên tai, cứu trợ nhân đạo, lập bản đồ rủi ro và các vấn đề an ninh. Sentinel-2A có nhiệm vụ giám sát các hoạt độ canh tác nông nghiệp, rừng, sử dụng đất, thay đổi thực phủ/ sử dụng đất... Bảng 1.3: Đặc điểm các kênh phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A Kênh Tên kênh Bước sóng (nm) Độ phân giải không gian (m) Kênh 1 Coastal aerosol 0,421 – 0,457 60 Kênh 2 Blue 0,439 – 0,535 10 Kênh 3 Green 0,537 – 0,582 10 Kênh 4 Red 0,646 – 0,685 10 43 Kênh 5 Vegetation Red Edge 0,694 – 0,714 20 Kênh 6 Vegetation Red Edge 0,731 – 0,749 20 Kênh 7 Vegetation Red Edge 0,768 – 0,796 20 Kênh 8 Near Infrared 0,767 – 0,908 10 Kênh 8a Vegetation Red Edge 0,848 – 0,881 20 Kênh 9 Water vapour 0,931 – 0,958 60 Kênh 10 SWIR – Cirrus 1,338 – 1,414 60 Kênh 11 SWIR 1,539 – 1,681 20 Kênh 12 SWIR 2,072 – 2,312 20 1.5. Tổng kết chương 1 Phương pháp nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước truyền thống dựa trên kết quả phân tích các mẫu nước thử nghiệm chỉ giải quyết được vấn đề ở quy mô hạn chế. Phương pháp viễn thám với những ưu điểm nổi bật như diện tích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn, dải phổ đa dạng... đã được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả to lớn trong đánh giá và giám sát chất lượng nước mặt trên thế giới cũng như Việt Nam. Phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy, nguồn tư liệu viễn thám sử dụng trong đánh giá chất lượng nước có thể chia thành hai nhóm: ảnh vệ tinh độ phân giải thấp như MODIS, Envisat MERIS,... sử dụng trong nghiên cứu xác định hàm lượng chất diệp lục, hàm lượng muối hoặc nhiệt độ bề mặt nước biển; ảnh vệ tinh độ phân giải trung bình và cao như Landsat, Spot, QuickBird... sử dụng trong các nghiên cứu đánh giá chất lượng nước mặt lục địa nhằm ước lượng hàm lượng các thông số nước như chất lơ lửng, COD, BOD, chất diệp lục... Các nghiên cứu ở Việt Nam hầu hết mới dừng lại ở việc áp dụng các mô hình, hàm số... ước lượng hàm lượng một số thông số chất lượng nước đã 44 được sử dụng trong các nghiên cứu trên thế giới. Một số nghiên cứu đã sử dụng các kết quả đo thực, tuy nhiên kết quả vẫn còn hạn chế do số lượng điểm đo chất lượng nước còn ít. Trong khi đó, cho đến nay hầu như chưa có nghiên cứu nào sử dụng ảnh Sentinel-2 trong đánh giá chất lượng nước. 45 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: đổi tượng nghiên cứu trong luận văn là chất lượng nước mặt khu vực hạ lưu sông Đáy - Phạm vi nghiên cứu: + Phạm vi không gian: hạ lưu sông Đáy đoạn chảy qua các tỉnh bao gồm Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình. + Phạm vi thời gian: trong luận văn giới hạn nghiên cứu chất lượng nước mặt khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018. + Sử dụng thông số tổng chất rắn lơ lửng (TSS) để tính toán cho việc lập bản đồ. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel 2 và hàm lượng các thông số chất lượng nước tại các điểm lấy mẫu, cách tiếp cận thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước sông Đáy được sử dụng trong luận văn này sử dụng các phần mềm xử lý ảnh và phần mềm GIS khác nhau, bao gồm phần mềm ERDAS Imagine 2014 và ArcGIS 10.1. Các nội dung chính trong quá trình thành lập bản đồ phân bố hàm lượng các thông số chất lượng nước bao gồm:  Thu thập tư liệu ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao Sentinel 2 giai đoạn 2017 – 2018, cắt ảnh theo ranh giới khu vực nghiên cứu và xác định phổ phản xạ bề mặt;  Thu thập và phân tích các mẫu nước mặt khu vực hạ lưu sông Đáy, bao gồm 37 điểm ngày 09/4/2018;  Xây dựng hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng các thông số chất lượng nước, đánh giá độ chính xác;  Thành lập bản đồ phân bố hàm lượng TSS hạ lưu sông Đáy. 46 Có chấp nhận được không? Không Mục tiêu thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước hạ lưu sông Đáy Thu thập dữ liệu Tìm hiểu đặc điểm lưu vực Ảnh vệ tinh Số liệu quan trắc thực đo o Các nguồn thải chính Ghép ảnh, cắt ảnh Tiền xử lý (tăng cường chất lượng ảnh) Tính phản xạ phổ bề mặt So sánh Kết quả xác định hàm hồi quy Đánh giá độ chính xác Biên tập bản đồ Có Bản đồ hiện trạng chất lượng nước Hình 2.1: Lược đồ thành lập bản đồ chất lượng nước sông Đáy 47 2.2.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu Phương pháp thu thập tài liệu chủ yếu dựa vào các đề tài, dự án, chương trình đã và đang thực hiện có liên quan đến khu vực nghiên cứu về tài liệu, số liệu, bản đồ, vị trí lấy mẫu. Tài liệu thu thập được xử lý, phân tích và phân loại để từ đó xác định những vấn đề cần đánh giá. Thu thập các thông tin về điều kiện tự nhiên, tình hình kinh tế, xã hội của khu vực bằng phương pháp tổng hợp các số liệu thống kê tại các địa phương trong lưu vực sông Đáy. Thu thập các thông tin về các nguồn thải, số liệu quan trắc bằng phương pháp tổng hợp số liệu từ các phòng Tài nguyên môi trường các địa phương trong lưu vực sông Đáy, các báo cáo về hiện trang môi trường và các tài liệu khác có liên quan đến nội dung nghiên cứu. Thu thập số liệu, tài liệu đã có: từ các phòng ban, internet, văn bản quy phạm pháp luật, các số liệu, dữ liệu, thông tin có sẵn trong và ngoài nước liên quan đến nội dung của đề tài nghiên cứu. Dữ liệu ảnh vệ tinh Dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel 2 được thu thập miễn phí tại website https://earthexplorer.usgs.gov/, bao gồm 02 cảnh ảnh vào giai đoạn cuối năm 2017 và đầu năm 2018. Ví dụ về ảnh vệ tinh Sentinel 2 ngày 09/4/2018 khu vực hạ lưu sông Đáy trên giao diện website https://earthexplorer.usgs.gov/ được thể hiện trên hình 2.2. 48 Hình 2.2: Giao diện website tải ảnh vệ tinh Sentinel 2 2.2.2. Phương pháp điều tra và khảo sát thực địa Điều tra và khảo sát thực địa xác định nguồn thải từ cơ sở sản xuất, khu công nghiệp, y tế, dân cư trên địa bàn địa phương dọc lưu vực sông Đáy. Phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa được thực hiện với mục đích: - Điều tra thực tế hiện trạng, vị trí các nguồn thải của các địa phương thuộc diện tích của lưu vực sông Đáy. - Lấy mẫu phân tích phục vụ đánh giá chất lượng nước theo tiêu chuẩn hiện hành. 2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích chất lượng nước a. Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu + Phương pháp quan trắc ngoài hiện trường được áp dụng theo các văn bản quy định hiện hành, bao gồm:  TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1:2006) Chất lượng nước – Lấy mẫu. Phần 1: Hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu.  TCVN 6663-3:2008 (ISO 5667-3:2003) Chất lượng nước – Lấy mẫu. Phần 3: Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu. 49  TCVN 6663-6:2008 (ISO 5667-6:2005) Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 6: Hướng dẫn lấy mẫu ở sông và suối. + Mẫu được lấy bằng thiết bị lấy mẫu ngang “Van Dorn Sampler” loại 4 lít. + Các chỉ tiêu đo nhanh tại hiện trường được đo bằng thiết bị đo chất lượng nước đa chỉ tiêu TOA WQC-22A. + Tọa độ của điểm lấy mẫu được xác định bằng thiết bị định vị toàn cầu (GPS) + Các mẫu nước được thu thập ở giữa sông, ở độ sâu 0 - 25 cm, cùng thời điểm thu nhận ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 09/4/2018 + Mẫu được bảo quản lạnh ở 40C và chuyển về trong phòng thí nghiệm để phân tích ngay. Bảng 2.1: Phương pháp bảo quản mẫu TT Chỉ tiêu phân tích Lượng mẫu Loại bình chứa Kỹ thuật bảo quản Thời gian bảo quản tối đa đề nghị trước khi phân tích sau khi bảo quản Ghi chú 1 TSS 500 ml Nhựa Làm lạnh đến giữa 1oC và 5oC 2 ngày 2 COD 500 ml Nhựa Axit hóa đến pH từ 1 đến 2 với H2SO4 1 tháng 3 NH4 + 21 ngày 4 BOD5 500 ml Nhựa Làm lạnh đến giữa 1oC và 5oC 24 h Lưu giữ mẫu ở nơi tối 5 PO4 3- 1,5 l Nhựa Làm lạnh đến giữa 1oC và 5oC 1 tháng 50 b. Phương pháp phân tích chất lượng nước Các thông số chất lượng nước bao gồm BOD5, COD, N-NH4, P-PO4, TSS được phân tích trong phòng thí nghiệm và DO, nhiệt độ được đo nhanh tại hiện trường. Các phương pháp phân tích được thực hiện dựa trên QCVN 08- MT:2015/BTNMT và theo Sổ tay hướng dẫn tại Phòng thí nghiệm khoa Môi trường - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội với các thông số và phương pháp được thể hiện ở bảng 2.2 và 2.3. Bảng 2.2: Các phương pháp đo nhanh tại hiện trường STT Thông số Phương pháp Trang thiết bị 1 pH TCVN 6492:2011 Máy Hach HQ440d 2 Nhiệt độ SMEWW 2550B:2012 Máy Hach HQ440d 3 Oxy hòa tan (DO) TCVN 7325:2004 Máy Hach HQ440d Bảng 2.3: Các phương pháp pháp phân tích trong phòng thí nghiệm STT Chỉ tiêu phân tích Tiêu chuẩn quy định Phương pháp phân tích 1 BOD5 TCVN 6001-1: 2008 (ISO 5815-1: 2003) Phương pháp pha loãng và cấy có bổ sung Allythiourea 2 COD SMEWW 5220 - D Phương pháp chuẩn độ Đicromat 3 NH4 + 4500 NH3 - F, SMEWW,2012 Phương pháp trắc quang 4 PO4 3- TCVN 6202: 2008 (ISO 6878: 2004) Phương pháp trắc quang dùng thuốc thử Molipdat 5 TSS TCVN 6625: 2000 (ISO 11923 : 1997) Phương pháp phân tích khối lượng 51 Quy trình phân tích được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội (VILAS 955) c. Thực nghiệm Nghiên cứu thực hiện lấy 37 mẫu nước dọc theo chiều dài của sông Đáy từ Kim Bảng, Hà Nam đến Nghĩa Hưng, Nam Định. Thời gian và địa điểm lấy mẫu được thực hiện theo kế hoạch lấy mẫu của đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi trường, mã số TNMT 2017.04.09 vào tháng 4/2018. Các vị trí lấy mẫu được tiến hành ở giữa sông nhằm tranh sai số do ảnh hưởng của độ phân giải không gian ảnh vệ tinh. Sơ đồ vị trí lấy mẫu được thể hiện như Hình 2.3: Hình 2.3: Sơ đồ vị trí lấy mẫu trên sông Đáy Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu được thể hiện trong bảng sau: 52 Bảng 2.4: Vị trí lấy mẫu và ký hiệu mẫu STT Ký hiệu mẫu Tọa độ Địa chỉ Vĩ độ Kinh độ 1 Đ01.1 20°34'04.9"N 105°51'11.4"E Liên Sơn - Kim Bảng - Hà Nam 2 Đ01.2 20°34'05.7"N 105°51'12.1"E Liên Sơn - Kim Bảng - Hà Nam 3 Đ02 20°34'26''N 105°52'11''E Liên Sơn - Kim Bảng - Hà Nam 4 Đ03 20°34'19''N 105°53'23''E Kim Bình - Kim Báng - Hà Nam 5 Đ04 20°33'14''N 105°53'41''E Phù Vân - Phủ Lý - Hà Nam 6 Đ05 20°32'36.6''N 105°54'29.1''E TP Phủ Lý - Hà Nam 7 Đ06.1 20°32'33.9''N 105°54'31.8''E TP Phủ Lý - Hà Nam 8 Đ06.2 20°32'34.3"N 105°54'35.9"E TP Phủ Lý - Hà Nam 9 Đ06.3 20°32'36.8"N 105°54'37.5"E TP Phủ Lý - Hà Nam 10 Đ07 20°31'46.3"N 105°54'44.9"E Cầu Phú Lý, Phủ Lý - Hà Nam 11 Đ08 20°30'44.0"N 105°54'24.0"E Châu Sơn, Phủ Lý - Hà Nam 12 Đ09 20°29'41.3"N 105°53'37.1"E TT Kiện Khê - Thanh Liêm - Hà Nam 13 Đ10 20°28'37.5"N 105°53'23.2"E Thanh Thúy - Thanh Liêm - Hà Nam 14 Đ11 20°24'27.0"N 105°54'26.0"E Thanh Nghị - Thanh 53 Liêm - Hà Nam 15 Đ12 20°22'27.5"N 105°54'57.3"E Điểm giao Hà Nam – Ninh Bình 16 Đ13 20°21'17.4"N 105°57'10.9"E Gia Trấn - Gia Viễn - Ninh Bình 17 Đ14.1 20°19'41.7"N 105°56'08.4"E Gián Khẩu - Gia Viễn - Ninh Bình 18 Đ14.2 20°19'37.7"N 105°56'10.0"E Gián Khẩu - Gia Viễn - Ninh Bình 19 Đ15 20°18'38.2"N 105°58'05.7"E Ninh Khanh - Hoa Lư - Ninh Bình 20 Đ16.1 20°15'47.0"N 105°58'52.0"E Đông Thành - TP Ninh Bình 21 Đ16.2 20°15'43.8"N 105°58'59"E Thanh Bình - TP Ninh Bình 22 Đ17 20°15'06.4"N 106°01'59.1"E Khánh Phú - Yên Khánh - Ninh Bình 23 Đ18 20°15'07.2"N 106°02'48.6"E Yên Khang - TP Ninh Bình - Ninh Bình 24 Đ19 20°13'27.4"N 106°02'12.0"E Xã Khánh An - Yên Khánh - Ninh Bình 25 Đ20 20°15'18.0"N 106°05'27.0"E Yên Nhân, Nghĩa Hưng - Nam Định 26 Đ21.1 20°15'02.0"N 106°05'55.0"E Hoàng Nam - Nghĩa Hưng - Nam Định 27 Đ21.2 20°15'02.6"N 106°05'51.4"E Hoàng Nam - Nghĩa Hưng - Nam Định 28 Đ22 20°12'60.0"N 106°06'31.0"E Hoàng Nam - Nghĩa Hưng - Nam Định 29 Đ23 20°12'08.7"N 106°09'34.8"E Nghĩa Sơn - Nghĩa 54 Hưng - Nam Định 30 Đ24.1 20°7'23"N 106°09'44.0"E Nghĩa Lạc - Nghĩa Hưng - Nam Định 31 Đ24.2 20°7'21"N 106°09'38.0"E Nghĩa Lạc - Nghĩa Hưng - Nam Định 32 Đ25 20°5'45"N 106°08'43.0"E Nghĩa Hồng - Nghĩa Hưng - Nam Định 33 Đ26 20°3'22"N 106°07'53.0"E Nghĩa Hòa - Nghĩa Hưng, Nam Định 34 Đ27.1 20°02'59.5"N 106°07'00.5"E Nghĩa Hùng - Nghĩa Hưng, Nam Định 35 Đ27.2 20°03'01.3"N 106°06'58.7"E Nghĩa Hòa - Nghĩa Hưng, Nam Định 36 Đ28 20°00'21.1"N 106°06'27.4"E Nghĩa Hòa - Nghĩa Hưng, Nam Định 37 Đ29 19°58'56.8"N 106°05'54.4"E Nam Điền - Nghĩa Hưng, Nam Định 2.2.4. Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám a. Cơ sở khoa học Theo Mobley, giá trị phản xạ viễn thám Rrs đối với nước được xác định bằng công thức sau: (2.1) Trong đó: là bức xạ rời khỏi mặt nước, là bức xạ từ mặt trời hay bức xạ nguồn sáng đi tới mặt nước. 55 Bức xạ nguồn sáng đi tới mặt nước, vẫn theo nghiên cứu của Mobley, 1999, có giá trị: (2.2) Trong đó: là bức xạ phổ đo được, là tham số phản xạ, λ- kênh ảnh ứng với bước sóng tương thích. Giá trị bức xạ phổ ở trên mặt nước (above-water radiance) là tổng bức xạ rời khỏi mặt nước và bức xạ phản xạ bề mặt nước , nghĩa là: Với k là tham số tỷ lệ giữa bức xạ bầu trời và bức xạ phản xạ trực tiếp từ bề mặt nước . Bức xạ rời khỏi mặt nước có dạng: (2.3) Giá trị k phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường khí quyển. Cho trường hợp sử dụng ảnh vệ tinh quang học như SPOT, Landsat, vv giá trị này phụ thuộc vào bước sóng của từng kênh ảnh. Do đặc điểm thu nhận, ảnh viễn thám quang học nói chung để đưa vào sử dụng cần phải tiến hành hiệu chỉnh ảnh hưởng của môi trường khí quyển. Để hiệu chỉnh các ảnh hưởng của khí quyển đến chất lượng ảnh, ảnh gốc cần biến đổi từ giá trị số nguyên (digital number – DN) về ảnh phản xạ ở đỉnh khí quyển R* (top of atmospheric – TOA), sau đó đưa về phản xạ bề mặt thông qua phép hiệu chỉnh khí quyển. 56 Phản xạ R* liên quan với đối tượng nước, cụ thể là phản xạ rời khỏi mặt nước Rw thông qua biểu thức (2.4) Trong đó: Ra và Rr là phản xạ sol khí (aerosol) và phản xạ Rayleigh, Tg và Td là tham số truyền dẫn và khuyếch tán bức xạ trong khí quyển. Như vậy, phản xạ viễn thám Rrs được tính theo mối quan hệ sau: (1 . ) w rs w R R S R   (2.5) Ở đây S là giá trị suất phân chiếu bầu trời (albedo). Từ những phân tích trên có thể kết luận rằng, phản xa viễn thám xác định từ tư liệu ảnh vệ tinh quang học tuân theo quy luật khách quan khi có tương tác của ánh sáng vào đối tượng nước. b. Xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước Các nghiên cứu trong và ngoài nước cho thấy, hàm lượng các thông số chất lượng nước như chất lơ lửng, chất diệp lục, BOD, COD,...có mối quan hệ chặt chẽ với phản xạ phổ mặt nước, trong đó giá trị bình phương hệ số tương quan R2 có thể đạt trên 0,8. Như vậy, để thành lập bản đồ phân bố hàm lượng các thành phần ô nhiễm nước mặt từ dữ liệu ảnh viễn thám, điểm mấu chốt cần thiết lập mô hình ước lượng các thông số chất lượng nước dựa trên phản xạ rời khỏi bề mặt nước. Bản chất của việc thiết lập mô hình này là xây dựng hàm hồi quy giữa giá trị đo hàm lượng các thành phần ô nhiễm nước mặt từ các trạm đo thực địa và phản xạ rời khỏi bề mặt nước xác định từ dữ liệu ảnh viễn thám quang học. Tùy đặc điểm cụ thể của khu vực nghiên cứu, có thể sử dụng các mô hình hàm hồi quy khác nhau như hàm mũ, hàm tuyến tính, hàm đa thức...Các mô hình hồi quy phổ biến có thể tóm tắt ở bốn dạng cơ bản như sau: 57 (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) Trong đó: Y là biến số chất lượng nước (hàm lượng BOD, COD, TSS...), Xi là phản xạ rời khỏi mặt nước trong một dải sóng cụ thể, ai, ci là các hệ số, k là số lượng kênh ảnh. Khi xây dựng mô hình, mấu chốt là cần phản ánh đúng, mang tính khách quan mà không phụ thuộc vào sự áp đặt ý thức của con người về mối quan hệ hữu cơ giữa các biến chất lượng nước với phản xạ rời khỏi bề mặt nước. Giải quyết điều này chính là bản chất đúng đắn của công nghệ. Nhằm thực hiện được mục tiêu đó cần thực hiện 2 nội dung: - Tìm mối quan hệ tồn tại khách quan giữa biến chất lượng nước với phản xạ rời khỏi bề mặt nước. - Lựa chọn mô hình thích hợp để lập bản đồ chất lượng nước. Công cụ hữu hiệu để giải quyết công nghệ nêu trên là dựa vào lý thuyết hàm hồi quy với việc xử lý và tổ hợp ảnh ở mức cao. Độ chính xác kết quả ước lượng hàm lượng các thông số chất lượng nước từ dữ liệu viễn thám có thể đánh giá bằng cách sử dụng hệ số tương quan giữa dữ liệu đo và phản xạ phổ mặt nước (giá trị R2). Ngoài ra, bên cạnh một phần số liệu phân tích chất lượng nước tại các điểm đo được sử dụng để xây dựng mô hình hàm quan hệ với phản xạ bề mặt nước xác định từ ảnh vệ tinh, một phần số liệu có thể được sử dụng để đánh giá độ chính xác kết quả xây dựng mô hình. 58 2.3. Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Sentinel-2 phục vụ xác định hàm lượng TSS 2.3.1. Tiền xử lý ảnh Ảnh viễn thám sau khi được thu nhận từ vệ tinh thông thường vẫn tồn tại nhiều sai số. Sai số của ảnh viễn thám là những yếu tố làm sai lệch giá trị phổ hoặc đặc điểm hình học của ảnh. Do vậy, để có thể sử dụng trong các bài toán cụ thể, một yêu cầu bắt buộc là phải tiền xử lý ảnh viễn thám. Có 2 loại sai số của ảnh viễn thám, bao gồm sai số về phổ (radiometric error) – liên quan đến độ xám của các pixel ảnh và sai số về hình học (geometric error) – liên quan đến hình dạng ảnh. Hiệu chỉnh sai số về phổ. Sai số về phổ thường xuất phát từ các nguyên nhân như ảnh hưởng của bầu khí quyển, tán xạ năng lượng (hiệu ứng Rayleigh, hiệu ứng Mie), do lỗi của sensor. Việc hiệu chỉnh các sai số về phổ thường được thực hiện bởi nhà cung cấp ảnh ở giai đoạn tiền xử lý (pre – processing). Hiệu chỉnh sai số hình học. Các sai số hình học làm méo mó ảnh viễn thám được chia làm 2 nhóm: sai số hình học của chính hệ thống sensor và sai số do ảnh hưởng của các yếu tố ngoài hệ thống. Sai số méo hình học của hệ thống sensor phát sinh chủ yếu do có sự thay đổi trong hoạt động của sensor như méo hình quang học của sensor, thay đổi tốc độ quét tuyến tính, sự lặp lại của các đường quét,....Các sai số này nhìn chung là nhỏ so với các sai số do ảnh hưởng của các yếu tố ngoài hệ thống, trong một chừng mực nào đó có thể bỏ qua sai số này. Sai số do các yếu tố ngoài hệ thống gây ra do sự thay đổi các nguyên tố định hướng ngoài (vị trí quỹ đạo sensor), khúc xạ khí quyển, độ cong Trái đất, chênh độ cao địa hình,... 59 Hình 2.4: Ví dụ về nắn ảnh bằng điểm khống chế Ảnh viễn thám thường được nhà cung cấp ảnh nắn chỉnh sai số hệ thống và đăng ký theo một hệ tọa độ địa lý nào đó (UTM, Lat/Long, ...), tuy nhiên, độ chính xác của những ảnh như thế thường không đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Thông thường, những ảnh vệ tinh được nhà cung cấp nắn chỉnh ban đầu có sự sai lệch so với vị trí ngoài thực địa lên đến hàng km. Từ thực trạng đó yêu cầu phải nắn chỉnh ảnh bằng các phép biến đổi hình học và các điểm khống chế (GCP – Ground Control Points) (Hình 2.4). 2.3.2. Xác định phổ phản xạ bề mặt Giá trị số nguyên tại các kênh nhìn thấy (kênh 2, 3, 4) và cận hồng ngoại (kênh 8) ảnh vệ tinh Sentinel-2 được chuyển đổi sang giá trị phản xạ đỉnh khí quyển (TOA – Top of Atmospheric). Do ảnh vệ tinh Sentinel 2 khi tải về đã được nhà cung cấp hiệu chỉnh bức xạ, trong luận văn chỉ tiến hành hiệu chỉnh khí quyển dựa vào phương pháp DOS (Dark Object Subtraction). Trong phương pháp này, các đối tượng tối được xem là các pixel có giá trị độ xám thấp nhất trên ảnh (hình 2.5). Các đối tượng tối được xác định trực tiếp trên ảnh dựa trên phân tích histogram. Năm 1996, Chavez đã phát triển phương pháp này sau khi bổ sung thêm các thông số khí quyển khác trong quá 60 trình hiệu chỉnh. Hiện nay có nhiều phiên bản DOS khác nhau, từ phiên bản đơn giản (DOS simple) chỉ sử dụng các thông tin trích xuất từ ảnh vệ tinh đến những phiên bản cao hơn có tính đến ảnh hưởng của các yếu tố khí quyển cho từng khu vực. Hình 2.5: Ví dụ về các ”đối tượng tối” trên ảnh vệ tinh Landsat (nguồn gisapmaps.com) So sánh đồ thị phản xạ phổ của một số đối tượng như thực vật, nước và đất trước và sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của khí quyển bằng phương pháp “trừ đối tượng tối” – DOS được mô tả trên các hình 2.6 – 2.8. Có thể nhận thấy, phổ phản xạ bề mặt trước và sau khi hiệu chỉnh khí quyển đối với một số đối tượng cơ bản như nước, thực vật và đất có sự khác nhau khá đáng kể. Như vậy, quá trình hiệu chính khí quyển giúp nâng cao độ chính xác khi xác định mối quan hệ giữa phản xạ phổ mặt nước và hàm lượng các thông số chất lượng nước. 61 Hình 2.6: So sánh phổ phản xạ của thực vật trước và sau khi hiệu chỉnh KQ Hình 2.7: So sánh phổ phản xạ của nước trước và sau khi hiệu chỉnh KQ Hình 2.8: So sánh phổ phản xạ của đất trước và sau khi hiệu chỉnh KQ 62 2.3.3. Xác định hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt nước và hàm lượng TSS Giá trị phản xạ phổ mặt nước xác định từ các kênh nhìn thấy và cận hồng ngoại ảnh vệ tinh Sentinel 2 và hàm lượng TSS tại các ... 0,1421 0,1340 0,1288 0,988 14 11 0,1387 0,1353 0,1320 0,934 15 12 0,1337 0,1241 0,1213 0,1137 16 13 0,1300 0,1233 0,1250 0,711 17 14.1 0,1417 0,1297 0,1374 0,1205 18 14.2 0,1318 0,1264 0,1276 0,742 19 15 0,1301 0,1243 0,1237 0,758 20 16.1 0,1323 0,1239 0,1226 0,730 21 16.2 0,1302 0,1216 0,1193 0,694 22 17 0,1307 0,1254 0,1206 0,678 23 18 0,1291 0,1261 0,1213 0,646 24 19 0,1324 0,1282 0,1202 0,650 25 20 0,1317 0,1312 0,1177 0,585 26 21.1 0,1321 0,1318 0,1208 0,590 27 21.2 0,1323 0,1333 0,1224 0,590 28 22 0,1335 0,1321 0,1231 0,624 29 23 0,1359 0,1348 0,1234 0,629 30 24.1 0,1306 0,1281 0,1276 0,628 31 24.2 0,1293 0,1314 0,1280 0,646 32 25 0,1302 0,1278 0,1159 0,526 33 26 0,1273 0,1212 0,1123 0,563 34 27.1 0,1298 0,1248 0,1159 0,558 35 27.2 0,1282 0,1222 0,1116 0,543 36 28 0,1272 0,1235 0,1110 0,505 37 29 0,1328 0,1266 0,1056 0,487 72 Trong mô hình này, biến phụ thuộc là hàm lượng thông số chất lượng nước (bảng 3.1), trong khi các biến giải thích là giá trị phản xạ phổ tại 4 kênh ảnh vệ tinh Sentinel-2A (bảng 3.2), bao gồm 3 kênh nhìn thấy (kênh 2, 3, 4) và kênh cận hồng ngoại (kênh 8). Số liệu hàm lượng thông số chất lượng nước tại 30 điểm được sử dụng để xây dựng hàm hồi quy, giá trị hàm lượng thông số chất lượng nước tại 7 vị trí lấy mẫu (Đ24.2, Đ25, Đ26, Đ27.1, Đ27.2, Đ28, Đ29) được dùng để đánh giá độ chính xác của mô hình hồi quy. Quá trình hồi quy bội tuyến tính được thực hiện trong phần mềm Microsoft Excel 2013 với sự trợ giúp của công cụ Regression trong tool Data Analysis. Hình 3.3: Công cụ hồi quy (regression) trong tool Data Analysis của phần mềm Microsoft Excel 2013 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phản xạ phổ tại 4 kênh đa phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A và hàm lượng các thông số chất lượng nước tại các điểm đo được thể hiện trong hình 3.4. 73 SUMMARY OUTPUT Regression Statistics Multiple R 0.879392 R Square 0.77333 Adjusted R Square 0.737063 Standard Error 2.048811 Observations 30 ANOVA df SS MS F Significance F Regression 4 358.026 89.50651 21.32313 9.34E-08 Residual 25 104.9406 4.197625 Total 29 462.9667 Coefficients Standard Error t Stat P-value Lower 95% Upper 95% Lower 95.0% Upper 95.0% Intercept 24.32305 14.30714 1.700064 0.101529 -5.14306 53.78915 -5.14306 53.78915 X Variable 1 -550.1 222.5822 -2.47145 0.020621 -1008.52 -91.6832 -1008.52 -91.6832 X Variable 2 749.823 155.5346 4.820941 5.93E-05 429.4936 1070.152 429.4936 1070.152 X Variable 3 -121.834 80.90471 -1.50589 0.144626 -288.46 44.79239 -288.46 44.79239 X Variable 4 -26.222 26.51085 -0.9891 0.332089 -80.8221 28.37814 -80.8221 28.37814 Hình 3.4: Kết quả hồi quy bội tuyến tính nhằm xác định hàm lượng TSS Nguồn: Tool Data Analysis của phần mềm Microsoft Excel 2013 Tương tự xác định hàm hồi quy với các thông số được thể hiện trên bảng 3.3: Bảng 3.3: Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phản xạ phổ kênh 2, 3, 4, 8 ảnh vệ tinh Sentinel-2A và hàm lượng các thông số chất lượng nước STT Thông số chất lượng nước Hàm hồi quy R2 Giá trị sai số chuẩn (mg/l) 1 BOD5 (mg/l) 228,396B2 + 176,775B3 – 171,461B4 – 0,615B8 – 22,534 0,155 2,98 74 2 COD (mg/l) 6555,513B2 – 3863,78B3 – 304,01B4 – 866,07B8 – 198,687 0,105 45,96 3 TSS (mg/l) -550,1B2 + 749,823B3 – 121,834B4 – 26,222B8 + 24,323 0,773 2.04 4 DO (mg/l) 46,438B2 + 47,114B3 – 29,627B4 – 28,146B8 + 05,519 0,392 0,89 Trong đó: B2, B3, B4, B8 là giá trị phản xạ phổ tại các kênh 2, 3, 4 và 8 ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 09/04/2018 Việc sử dụng cả 4 kênh đa phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A trong đánh giá chất lượng nước mặt nhìn chung cho kết quả với độ chính xác tương đối cao. Kết quả nhận được cho thấy, độ chính xác (R2) trong các hàm hồi quy bội tuyến tính cao nhất đạt 0,773 của TSS, trong đó độ chính xác R2 đối với các thông số như BOD, COD và DO là thấp do không có hệ số tương quan thấp với giá trị phản xạ khổ tại kênh ảnh với hàm lượng chất lượng nước. Do vậy nghiên cứu lựa chọn thông số TSS với giá trị sai số chuẩn 2,04 mg/L, hàm lượng TSS trong nước mặt lưu vực sông Đáy có thể được xác định với độ chính xác đảm bảo theo phương trình tuyến tính sau: 2 3 4 8( ) 550,1 749,823 121,834 26,222 24,323 mg TSS B B B B L       (3.1) Ở đây B2, B3, B4, B8 là giá trị phản xạ phổ tại các kênh 2, 3, 4 và 8 ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 09/4/2018. Kết quả so sánh giá trị hàm lượng chất lơ lửng tại 07 điểm kiểm tra và giá trị xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A (theo công thức 3.1) được trình bày trong bảng 3.3. Có thể nhận thấy, tại tất cả 7 điểm kiểm tra, hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A đều nhỏ hơn kết quả lấy mẫu chất lượng nước. Chênh lệch giữa hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh và kết quả lấy mẫu chất lượng nước dao động trong khoảng từ 1,62% đến 15,53%. Như vậy, 75 có thể khẳng định, sử dụng ảnh vệ tinh quang học Sentinel-2 có thể xác định hàm lượng TSS với độ chính xác đảm bảo. Bảng 3.4: So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 09/4/2018 STT Tọa độ điểm quan trắc Hàm lượng TSS (mg/l) Chênh lệch (mg/l) Xác định từ ảnh vệ tinh Kết quả đo thực địa Vĩ độ Kinh độ 1 20°7'21"N 106°09'38.0"E 34,433 35 -0,567 2 20°5'45"N 106°08'43.0"E 33,028 35 -1,972 3 20°3'22"N 106°07'53.0"E 36,016 40 -3,984 4 20°02'59.5"N 106°07'00.5"E 30,914 36 -5,086 5 20°03'01.3"N 106°06'58.7"E 30,408 36 -5,592 6 20°00'21.1"N 106°06'27.4"E 32,106 37 -4,894 7 19°58'56.8"N 106°05'54.4"E 32,055 36 -3,945 Do trong khuôn khổ luận văn chỉ tiến hành 01 đợt thực địa lấy mẫu chất lượng nước vào ngày 09/4/2018 (trùng với thời gian chụp ảnh Sentinel 2), công thức 3.1 cũng được áp dụng cho cảnh ảnh vệ tinh Sentinel 2 ngày 20/12/2017. 3.3. Thành lập bản đồ hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 từ dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel-2A Sau khi xác định được hàm hồi quy, nghiên cứu tiến hành tính toán giá trị thông số chất lượng nước TSS khu vực hạ lưu sông Đáy đối với các ảnh vệ tinh Sentinel 2 ngày 20/12/2017 và 09/4/2018. Quá trình tính toán được thực hiện bằng công cụ Modeler trên phần mềm xử lý ảnh vệ tinh ERDAS IMAGINE 2014 (quy trình chi tiết được thể hiện ở phụ lục 02). Đây là công cụ mô hình hóa, cung cấp các hàm toán học từ đơn giản đến phức tạp giúp xây dựng các mô hình xử lý ảnh một cách dễ dàng. 76 Hình 3.5: Công cụ mô hình hóa (Modeler) trong phần mềm ERDAS Imagine 2014 Sau khi tính toán hàm lượng thông số TSS, tiến hành tách riêng khu vực nước mặt sông Đáy để đánh giá phân bố hàm lượng TSS. Quá trình thực hiện được tiến hành trên phần mềm ArcGIS 10.1. Kết quả xây dựng bản đồ phân bố hàm lượng TSS trong nước mặt khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 được trình bày trên các hình 3.6 và 3.7 dưới đây. 77 Hình 3.6: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 20/12/2017 78 Hình 3.7: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 09/4/2018 79 3.4. Đánh giá hiện trạng chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018 3.4.1. Đánh giá chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy theo kết quả quan trắc thực tế Từ kết quả quan trắc và phân tích trên 37 mẫu lấy tại khu vực hạ lưu sông Đáy tại bảng 3.1, so sánh với QCVN 08 – MT:2015/BTNMT, cột A2 và B1, có thể rút ra một số nhận xét về chất lượng nước sông Đáy theo kết quả quan trắc như sau: - pH: Giá trị pH trên sông Đáy qua đợt quan trắc đều nằm trong khoảng giới hạn QCVN 08-MT:2015 loại A2 (6 - 8,5) chiếm 100%. Nhìn chung giá trị pH giữa các điểm đều không có sự thay đổi lớn, độ chênh lệch giữa các điểm không nhiều. - Giá trị Oxy hòa tan (DO): Giá trị DO tại các điểm quan trắc trên Sông Đáy nằm trong khoảng 4,1- 8,32 mg/L. Trong đó điểm cao nhất là Điểm 28 lấy tại xã Nghĩa Hải – Nghĩa Hưng, Nam Định, đây là nơi tâp trung nuôi trồng thủy hải sản, đăc biệt còn có 2 cơ sở sản xuất nước mắm; điểm thấp nhất là điểm Đ1.2 lấy tại bờ trái gần cầu Cấm Sơn, bên bờ sông là các đầm lầy, cây sậy. Có 36/37 điểm đạt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT loại A2 (≥5 mgO2/L) - Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5): Kết quả quan trắc BOD5 trong năm 2018 dao động từ 4- 16 mg/L, hầu hết các điểm có giá trị BOD5 không đạt QCVN 08-MT:2015/BTNMT loại A2 nhưng đều nằm trong giới hạn của QCVN 08-MT:2015/BTNMT loại B1 Vị trí Đ17 có nồng độ cao nhất và gấp 2,67 lần so với QCVN 08- MT:2015/BTNMT loại A2 nguyên nhân do vị trí gần với KCN Khánh Phú nơi tập trung các nhà máy như: Phân đạm, sàng tuyển than, bốc xếp hàng hóa 80 và đóng , sửa chữa tàu thuyền sông...chứa hàm lượng chất cặn bã hữu cơ với lưu lượng thải 16.974 m3/ngày Theo phân tích cho thấy hàm lượng BOD5 có xu hướng cao ở các vị trí thượng nguồn và giảm dần ở hạ nguồn và thấp nhất ở vị trí cuối huyện Nghĩa Hưng, điểm gần chạy ra cửa Đáy. - Nhu cầu oxy hóa học (COD): Theo kết quả phân tích, hàm lượng COD tại các vị trí lấy mẫu có dao động rất lớn từ 24 - 120mg/L, giá trị COD đo được ở cùng một vị trí có sự chênh lệch lớn, đặc biệt là điểm 21 ở 2 vị trí Đ21.1 và Đ21.2. Ở tất cả các vị trí quan trắc đều có hàm lượng COD không đạt quy chuẩn QCVN 08- MT:2015/BTNMT đối với cột A2 (A2=15mg/L), đối với cột B1 chỉ có một số vị trí quan trắc vẫn nằm trong giới hạn, ngoài ra các vị trí còn lại đều vượt quy chuẩn B1. Giá trị COD đo được cao nhất là tại điểm Đ21.2 với giá trị là 120mg/L, cao gấp 4 lần so với quy chuẩn cột B1 với nguyên nhân đây là mẫu được lấy giữa ngã ba sông Đáy giao với sông Đào, lòng sông nhiều đá, cát, hai bên bờ sông là các bãi bồi trồng ngô và ruộng lúa, là nơi đi lại của nhiều phương tiện giao thông đường thủy. Giá trị COD đo được thấp nhất là ở điểm Đ20 và Đ21.1 với nồng độ là 24mg/L, tuy nhiên nhìn chung, hàm lượng COD tại tất cả các vị trí quan trắc đều rất cao và đều vượt ngưỡng chuẩn cho phép. Thêm vào đó, thời điểm ngày quan trắc nước sông lớn do mưa điều này khiến nước sông từ thương nguồn (sông Hồng, sông Nhuệ) đổ về dẫn đến giá trị COD cao hơn so với mọi năm. Có thể nói, chỉ số COD cao chứng tỏ nguồn nước chứa nhiều hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vậy từ trên 2 chỉ tiêu BOD và COD, ta có nhận xét: các vị trí tại điểm lấy mẫu đều có hàm lượng COD và BOD cao, điều này sẽ gây ảnh hưởng đối với chất lượng nước, vì vậy, đối với nước cấp sinh hoạt cần có các biện pháp xử lý nước thích hợp để việc sử dụng nước được an toàn hơn. 81 - Amoni (NH4+): Kết quả quan trắc hàm lượng NH4+ dao động từ 0,032 - 0,74 mgN/L, có thể thấy sự chênh lệch khá lớn giữa các điểm trên sông. Nồng độ có xu hướng tăng từ thượng nguồn xuống hạ lưu. Hàm lượng amoni (NH4+) tại các vị trí quan trắc rất thấp ở hầu hết các điểm quan trắc, một số điểm không phát hiện. Tại điểm Đ27.2 là điểm lấy đoạn ngã ba giao giữa sông Vạc bên bờ phải nên hàm lượng amoni đã vượt quá giới hạn 2,87 lần so với cột A2, đối với đường giới hạn B1 thì vẫn đạt yêu cầu. Nguyên nhân của sự tăng đột ngột nồng độ N-NH4+ là do các điểm quan trắc này đi qua thành phố nơi tập trung dân cư đông đúc, bệnh viện và các nhà máy, điều này dẫn đến nước thải chứa nồng độ các chất cặn bã hữu cơ và vi sinh vật cao. - Photphat (PO43-): Kết quả đánh giá hàm lượng PO43- của nước hạ lưu sông Đáy cho thấy, hàm lượng PO43- giao động từ 0.0191 - 0.054mg/l , khi so sánh kết quả phân tích với QCVN 08-MT:2015/BTNMT đối với cột A2 và B1, ta thấy nhìn chung trong nước hàm lượng photphat ở nồng độ thấp, tất cả các điểm quan trắc nồng độ PO43- đều đạt chuẩn trong giới hạn. - Tổng chất rắn lơ lửng (TSS): Kết quả đánh giá hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước của hạ lưu sông Đáy có giá trị dao động từ 22 - 40mg/L, có thể thấy giá trị TSS có sự chênh lệch không lớn giữa các vị trí quan trắc. Theo kết quả phân tích được thì tại tất cả các điểm quan trắc, hàm lượng TSS vượt quy chuẩn QCVN 08- MT:2015/BTNMT đối với cột A2 (A2 = 30mg/L), tuy nhiên hàm lượng vẫn đạt ngưỡng chuẩn so với quy chuẩn đối với cột B1 (B1 = 50mg/L). Giá trị TSS đo được ở vị trí điểm 26 - Đ26 (40mg/L) đạt mức cao nhất, gấp 1,3 lần do hoạt động giao thông đường thủy, nơi tập trung khai thác cát và là đoạn 82 giao nhau giữa 2 con sông (là vị trí gần bến đò Quỹ Nhất, ngay trước điểm giao với sông Quỹ Nhất bên bờ trái). Ngoài ra ở vị trí điểm 1 – Đ1.1, hàm lượng TSS đo được có giá trị thấp nhất (22mg/L). - Nhận xét chất lượng nước hạ lưu sông Đáy: Từ kết quả quan trắc có thể thấy chất lượng nước sông Đáy biến động nhiều theo khu vực địa lý, phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng nước các kênh, mương, sông nhánh dồn vào trên suốt chiều dài của sông. Có nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra ô nhiễm nguồn nước sông Đáy và từ đó dẫn đến làm giảm chất lương môi trường sống trên toàn lưu vực. Nguyên nhân chủ yếu là do dòng chính sông Đáy phải tiếp nhận rất nhiều nguồn nước thải, từ nước thải sản xuất đến nước thải sinh hoạt trên phạm vi rộng. Nước sông Đáy bị ô nhiễm ở mức nhẹ hơn sông Nhuệ và ô nhiễm chỉ mang tính cục bộ. Sông Đáy chủ yếu bị ô nhiễm hữu cơ ở từng đoạn sông với các mức độ khác nhau. Ở khu vực thượng nguồn, chất lượng nước sông Đáy bị ô nhiễm tùy từng đoạn, nhất là ở các điểm tiếp giáp với các sông nhánh khác. Càng về hạ lưu mức ô nhiễm trên sông Đáy (từ Kim Sơn – Ninh Bình ra cửa Đáy) có xu hướng giảm, nguồn thải thượng nguồn dồn về đã được pha loãng cộng với quá trình tự làm sạch của dòng sông nên chất lượng ở hạ lưu sông Đáy được cải thiện so với các đoạn trên, nhưng vẫn chỉ sử dụng được cho mục đích tưới tiêu và giao thông thủy. Tại đây, hàm lượng TSS cao hơn so với khu vực thượng nguồn, nguyên nhân chủ yếu do khu vực này chịu ảnh hưởng của hoạt động vận tải, khai thác cát trên sông và hoạt động đóng tàu ở hai bên bờ sông. Khu vực đoạn chảy qua địa phận tỉnh Hà Nam (từ Cầu Quế đến nhà máy xi măng Việt Trung), chất lượng nước được cải thiện hơn ở khu vực thượng lưu. Nước thải chủ yếu của khu vực này là nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp, nước thải làng nghề và nước thải công nghiệp. Ở huyện 83 Kim Bảng, huyện Duy Tiên có các khu công nghiệp, cụm công nghiệp như KCN Đồng Văn I,thải nước thải trực tiếp xuống sông, không qua hệ thống xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước. Khu vực đoạn chảy qua tỉnh Ninh Bình (từ Trung Hiếu Hạ đến Cửa Đáy) chất lượng nước được cải thiện hơn. Đoạn sông này ngoài tiếp nhận nước thải sinh hoạt của tỉnh Ninh Bình, còn có các khu công nghiệp, cụm công nghiệp như KCN Gián Khẩu, KCN Khánh Phú, Công ty TNHH MTV đạm, công ty may,do vậy nước thải đoạn này mang đặc tính nước thải công nghiệp. Ngoài ra, còn do các hoạt động của thuyền du lịch, hoạt động khai thác cát trên sông, hoạt động đóng tàu ở hai bên bờ sông gây ô nhiễm nguồn nước sông. 3.4.2. Theo bản đồ hiện trạng chiết xuất từ ảnh viễn thám Kết quả xác định phân bố hàm lượng TSS trong nước mặt khu vực sông Đáy xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 09/4/2018 được trình bày trên hình 3.7, trong đó hàm lượng TSS nằm trong khoảng từ 17,40 (mg/L) đến 42,54 (mg/L). Từ bản đồ có thể thấy rằng hàm lượng TSS của các điểm quan trắc ít giữa 2 đợt ít có sự biến động. Phân tích kết quả đạt được cho thấy, hàm lượng TSS đạt giá trị thấp ở phía thượng nguồn (đoạn chảy qua Hà Nam, Nam Định và thành phố Ninh Bình. Hàm lượng TSS trong nước mặt sông Đáy đạt cao ở đoạn tiếp giáp với sông Nam Định, có xu hướng giảm ở đoạn chảy song song với sông Ninh Cồ và sau đó tăng mạnh tại hạ lưu, nơi đổ ra biển. Hàm lượng TSS trong nước mặt sông Đáy cũng được ghi nhận đạt tương đối cao tại đoạn tiếp giáp với sông Bôi (Ninh Bình). Đối chiếu với Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN08-MT:2015/BTNMT), giá trị hàm lượng TSS tại sông Đáy phần lớn nằm trong mức độ phân hạng từ A2 (Dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt 84 nhưng phải áp dụng công nghệ xử lý phù hợp) đến B1 (Dùng cho mục đích tưới tiêu, thủy lợi hoặc các mục đích sử dụng khác có yêu cầu chất lượng nước tương tự). Điều này là phù hợp với thực tế do khu vực hạ nguồn sông Đáy là nơi có mật độ giao thông thủy cao, diễn ra các hoạt động khai thác cát các hiện tượng xói mòn các bãi bồi, rửa trôi thảm thực vật, cùng rác thải của các hộ dân dẫn đến lượng chất rắn bị cuốn theo dòng chảy và giữ lại các hạt lơ lửng, làm chúng không lắng xuống được dẫn đến tăng hàm lượng chất lơ lửng. Ở thượng lưu dòng chảy chưa bị tác động nhiều nên độ đục thấp, dần dần dòng chảy đi xuống hạ lưu cuốn theo rác thải, đất đá xói mòn trong quãng đường đi nên làm tăng lượng chất rắn lơ lửng, cặn, trong nước. Chỉ số chất lơ lửng có quan hệ mật thiết với chỉ số độ đục của nước, tại các khu vực có chỉ số chất lơ lửng cao thì độ đục trong nước cũng cao. 3.4.3. So sánh kết quả giữa hai phương pháp Phân tích kết quả đạt được cho thấy, sự phân bố hàm lượng TSS ở 2 phương pháp quan trắc thực tế và theo bản đồ hiện trạng chiết xuất từ ảnh viễn thám là tương đối đồng nhất Hình 3.8: So sánh giá trị TSS hạ lưu sông Đáy từ hai phương pháp 85 Kết quả so sánh giá trị hàm lượng TSS tại 37 điểm quan trắc và giá trị xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A (theo công thức 3.1) có thể nhận thấy, hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A đều tương đồng kết quả lấy mẫu chất lượng nước. Chênh lệch giữa hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh và kết quả lấy mẫu chất lượng nước dao động trong khoảng từ 1,62% đến 15,53%. Như vậy, có thể khẳng định, sử dụng ảnh vệ tinh quang học Sentinel- 2 có thể xác định hàm lượng TSS với độ chính xác đảm bảo. Phương pháp đánh giá chất lượng nước bằng các mẫu thực địa có ưu điểm nổi bật là cho kết quả nhanh chóng, có thể áp dụng rộng rãi. Phương pháp này cũng có độ chính xác cao về thành phần và hàm lượng các thông số chất lượng nước. Mặc dù vậy, phương pháp phân tích các mẫu nước trong phòng thí nghiệm cũng có nhược điểm cơ bản là phản ánh chất lượng nước cục bộ xung quanh điểm đo và trên thực tế cũng không thể lấy quá nhiều mẫu nước do tốn kém thời gian và chi phí. Hơn nữa, phương pháp này không thể sử dụng để đánh giá chất lượng nước trong quá khứ khi không có các số liệu đo. Những hạn chế này có thể được khắc phục khi sử dụng tư liệu viễn thám. Với những ưu điểm nổi bật như diện tích phủ trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn, dải phổ đa dạng, phương pháp viễn thám đã được áp dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả quan trọng trong giám sát và đánh giá chất lượng nước mặt. Do phản xạ phổ mặt nước có mối quan hệ chặt chẽ với nhiều thông số chất lượng nước, việc sử dụng ảnh viễn thám cho phép xác định hàm lượng các thông số này chi tiết đến từng pixel. Mô hình hồi quy xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước có thể sử dụng lâu dài, kể cả đánh giá hồi cố chất lượng nước bằng cách sử dụng ảnh viễn thám chụp trong quá khứ, giúp giảm chi phí lấy mẫu và phân tích chất lượng nước. Do vậy, phương pháp 86 viễn thám giúp đánh giá một cách toàn diện diễn biến chất lượng nước mặt trong một thời gian dài. Bên cạnh đó, phương pháp viễn thám cũng có những nhược điểm cơ bản như chỉ thích hợp để xác định hàm lượng một số thông số như TSS, độ đục, NH4,.., trong khi với các thông số như pH, COD, BOD5việc sử dụng tư liệu viễn thám còn nhiều hạn chế do các thông số này ít có sự tương quan với phản xạ phổ. Mặt khác, độ chính xác của phương pháp viễn thám cũng thấp hơn so với phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm. 3.6. Tổng kết chương 3 Ảnh vệ tinh quang học Sentinel-2 với ưu điểm dải phổ đa dạng, thời gian cập nhật ngắn, độ phân giải không gian tốt và được cung cấp hoàn toàn miễn phí có thể sử dụng hiệu quả trong nghiên cứu, đánh giá hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt các lưu vực sông, phục vụ công tác quản lý và sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt. Độ chính xác khi xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A đạt tương đối cao, thể hiện ở giá trị hệ số xác định R2 (0,773) cũng như so sánh độ chênh lệch với kết quả phân tích mẫu nước tại 07 điểm kiểm tra. Phân tích kết quả nhận được cho thấy, nước mặt khu vực sông Đáy đoạn chảy qua các tỉnh Hà Nam, Nam Định và Ninh Bình có hàm lượng TSS tương đối cao trong mức độ phân hạng từ A2 đến B1 theo QCVN08- MT:2015/BTNMT. Hàm lượng TSS trong nước mặt sông Đáy cũng có xu hướng tăng lên ở đoạn hạ lưu nơi chảy ra biển cũng như tại các khu vực tiếp giáp với sông Bôi, sông Nam Định . Với khả năng xác định hàm lượng TSS trên diện rộng và nhanh chóng, kết quả nhận được trong nghiên cứu là một nguồn thông tin hữu ích, giúp các nhà quản lý đưa ra những biện pháp trong theo dõi, quản lý và ứng phó với ô nhiễm nước mặt tại các lưu vực sông. 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau một thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được các kết quả sau: - Đã thu thập và xử lý số liệu quan trắc nước mặt lưu vực sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018, từ đó kết hợp với giá trị phản xạ phổ tại 30 điểm quan trắc xác định hàm quan hệ giữa chất lượng nước và phổ phản xạ của ảnh vệ tinh. - Từ kết quả xác định hàm hồi quy, với giá trị hệ số xác định (R2) trong các hàm hồi quy bội tuyến tính cao nhất đạt 0,773 của thông số TSS, tiến hành lựa chọn thông số TSS thành lập bản đồ phân bố chỉ số TSS khu vực hạ lưu sông Đáy bằng phần mềm ERDAS và ArcGIS 10.1 của 2 đợt quan trắc trong 2 năm 2017 và 2018. Kết quả cho thấy hàm lượng TSS tại các điểm quan trắc có không có sự thay đổi rõ rệt giữa tháng 12 năm 2017 và tháng 4 năm 2018. Các bản đồ hiện trạng chất lượng nước rõ ràng và trực quan sẽ là một cơ sở để phân vùng và quản lý chất lượng nước tại khu vực nghiên cứu. - Đã đánh giá được sự phân bố hàm lượng thông số chất rắn lơ lửng của lưu vực sông Đáy từ ảnh vệ tinh quang học Sentinel – 2A. Kết quả cho thấy, chỉ số TSS đối với nước mặt khu vực sông Đáy dao động trong khoảng 17,40 (mg/L) đến 42,54 (mg/L). Như vậy, trong điều kiện tư liệu ảnh vệ tinh trùng với thời gian lấy mẫu, giá trị các chỉ số này có thể được sử dụng để xây dựng hàm hồi quy nhằm xác định mối quan hệ với giá trị các thông số chất lượng nước. - Kết quả của nghiên cứu cho thấy bức tranh tổng quát về phân vùng hàm lượng chất lơ lửng trên hạ lưu của lưu vực sông Đáy. Kiến nghị Do trong khuôn khổ luận văn chỉ tiến hành 01 đợt thực địa lấy mẫu chất lượng nước vào ngày 09/4/2018 (trùng với thời gian chụp ảnh Sentinel 2) 88 nên công thức hàm hồi quy được áp dụng cho cảnh ảnh vệ tinh Sentinel 2 ngày 20/12/2017 là chưa có độ chính xác cao. Trong thời gian sắp tới, nghiên cứu sẽ mở rộng đánh giá và tiến hành quan trắc thêm các đợt trong năm để thấy được sự thay đổi về sự phân vùng hàm lượng chất lơ lửng trên hạ lưu của lưu vực sông Đáy. Ngoài ra kết hợp với kết quả của các thông số khác để có được bức tranh tổng quát về hiện trạng chất lượng nước hạ lưu sông Đáy. 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] UBND các tỉnh, thành phố: Hà Nội, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình, Hòa Bình (2006), Đề án tổng thể bảo vệ môi trường Lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy đến năm 2020, tr.7-11. [2] Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), Báo cáo hiện trạng môi trường quôc gia 2012 - Môi trường nước mặt lục địa, Hà Nội, tr.48 [3] Ủy ban BVMT lưu vực Sông Nhuệ - Sông Đáy (2014), Báo cáo kết quả triển khai đề án tổng thể BVMT Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy giai đoạn 2013 – 2014, Hà Nội. [4] Văn phòng Chính Phủ (2013), Quyết định 681/QĐ-TTg- Phê duyệt Quy hoạch hệ thống thoát nước và xử lý nước thải khu vực dân cư, khu công nghiệp thuộc lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đến năm 2030. [5] Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Ý Như, Trần Ngọc Anh, Lê Thị Hường, Khảo sát hiện trạng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ Đáy, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học tự nhiên và công nghệ 27, Số 1S (2011) 227 – 234. [6] Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục môi trường (2014), Báo cáo tổng hợp nhiệm vụ "Quan trắc môi trường nước Lưu vực sông Nhuệ - Đáy, Hà Nội. [7] Briney, Amanda, ThoughtCo (2018), An Overview of Remote Sensing, thoughtco.com/an-overview-of-remote-sensing-1434624. [8] Sylvain Ouillon (2008), Optical Algorithms at Satellite Wavelengths for Total Suspended Matter in Tropical Coastal Waters, Sensor, vol. 8, nr. 7, pp. 4165 - 4185. [9] Harington Jr J.R. (1992), Remote sensing of Lake Chicot, Arkansas: Monitoring suspended sediments, turbidity, and Secchi depth with Landsat MSS data, Remote Sensing of Environment, vol.39, nr.1, pp. 15-27. 90 [10] Ritchie J.C. (1990), The relationship of MSS and TM digital data with suspended sediments, chlorophyll, and temperature in Moon Lake, Mississippi, Remote Sensing of Environment, vol.33, nr.1, pp.137-148. [11] Ritchie J.C. (1987), Using landsat multispectral scanner data to estimate suspended sediments in Moon Lake, Mississippi, Remote Sensing of Environment, vol.23, nr.1, pp. 65-81. [12] Weiqi HE, Shan CHEN, Xuehua LIU, Jining CHEN (2008), Water quality monitoring in slightly – polluted body through remote sensing – a case study in Guanting Reservoir Beijing, China, Front. Environ. Sci. Engin. China, Vol.1, 11 pp. [13] Doxaran D, Dynamics of the turbidity maximum zone in a macrotidal estuary (the Gironde, France): Observations from field and MODIS satellite data, Estuarine, Coastal and Shelf Science, vol. 81, nr. 3, pp. 321-332, 2009 [14] D. Doxaran, P. Castaing, S.J. Lavender (2006), Monitoring the maximum turbidity zone and detecting fine – scale turbidity features in the Gironde estuary using high spatial resolution satellite sensor (Spot HVR, LANDSAT ETM+) data, International Journal of Remote sensing, Vol.27(11), pp. 2303 – 2321. [15] David Doxaran, Jean – Marie Froidefond, Samantha Lavender, Patrice Castaing (2007), Spectral signature of highly turbid waters application with SPOT data to quantify suspended particulate matter concentrations, Remote sensing of Enviroment, Vol. 81, pp. 149 – 161. [16] Ledner S et al (2004), High resolution maps of suspended particulate matter concentration in the German Bight, EARSeL eProceedings 3. [17] Emmanuel Olet (2010), Water quality monitoring of Roxo reservior using LANDSAT images and In – situ measurements, International institude for geo – information science and earth observation enschede, the Netherlands, 69 pp. 91 [18] Jian – Jun Wang, Xi Xi Lu, Soo Chin Liew, Yue Zhou (2009), Retrieval of suspended sediment concentrations in large turbid rivers using LANDSAT ETM+: an example from the Yangtze river, China, Earth surface processes and landforms 34, pp. 1082 – 1092. [19] Xing Ping Wen (2010), Monitoring of Water quality using remote sensing data mining, Knowledge-oriented Application in Data Mining, pp. 135-146. [20] S.F, Guzman V.R (2009), Using MODIS 250m Imagery to estimate Total suspended sediment in a Tropical open bay, International Journal of Systems Application, Engineering and Development, vol. 3, nr.1, pp.36-44. [21] Oki Kazuo et al (2012), Analysis of stream water quality and estiamtion of nutrient load with the aid of Quick Bird remote sensing imagery, Hydrological Sciences Journal, vol. 57, nr.5. [22] Somvanshi S. (2011), Water Turbidity Assessment in Part of Gomti River Using, i Geospatia world forum, Hyderabad, India. [23] U. Berk (2011), Mapping water quality by using satellite imagery, i FIG Working Week, Marrakech, Marocco. [24] Nguyễn Văn Thảo (2016), “Nghiên cứu các phương pháp phân tích, đánh giá và giám sát chất lượng nước ven bờ bằng tư liệu viễn thám độ phân giải cao và độ phân giải trung bình, đa thời gian; Áp dụng thử nghiệm cho ảnh của vệ tinh VNREDSat-1”, Dự án nghiên cứu khoa học, Viện Tài nguyên và Môi trường biển. [25] Lương Chính Kế (2014), “Sử dụng công nghệ viễn thám và GIS xây dựng cơ sở dữ liệu thành lập bản đồ diễn biến vùng ô nhiễm nguồn nước thải từ các khu công nghiệp, đô thị nhằm đưa ra cảnh báo các vùng có nguy cơ ô nhiễm thuộc vùng kinh tế trọng điểm miền Bắc”, Dự án nghiên cứu khoa học, Cục Viễn thám quốc gia, Bộ Tài nguyên và Môi trường. 92 [26] Trinh Le Hung (2015), Mapping suspended sediment concentrations in surface water of Tri An lake using remote sensing and GIS, Journal of Science, Natural Sciences Issue, Hue University, Vol.96(8), 59 - 70. [27] Lê Minh Sơn (2008), Nghiên cứu ứng dụng ảnh vệ tinh để xác định nhiệt độ và hàm lượng chlorophyll bề mặt nước biển. [28] H.N.T.T. og Koike K (2011), Integrating satellite imagery and geostatistics of point samples for monitoring spatio-temporal changes of total suspended solids in bay waters: application to Tien Yen Bay (Northern Vietnam), Frotiers of Earth Science, vol.5, nr.3, pp. 305-316. [29] Lê Thị Phương Mai (2012), Sử dụng ảnh vệ tinh đa thời gian để đánh giá ảnh hưởng do biến động của một số đối tượng bao gồm sử dụng đất, rừng ngập mặn, hàm lượng chất lơ lửng trong bề mặt nước biển đến biến động đường bờ khu vực tỉnh Cà Mau. [30] Le Hung Trinh, Danh Tuyen Vu, Thi Trinh Le, Thi Thu Nga Nguyen (2017). Application of GIS technique for mapping suspended sediment concentration in surface water of the Day River, Northern Vietnam, International Journal of Environmental Problems, Vol.1(5), 47 – 54. [31] Nguyễn Thanh Sơn, Nguyễn Ý Như, Trần Ngọc Anh, Lê Thị Hường, “Khảo sát hiện trạng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ Đáy”, Tạp chí Khoa học Đại học Quốc gia Hà Nội, Khoa học tự nhiên và công nghệ 27, Số 1S (2011) 227 – 234. [32] Trung tâm Quan trắc môi trường, Tổng cục môi trường (2014), Báo cáo tổng hợp nhiệm vụ "Quan trắc môi trường nước Lưu vực sông Nhuệ - Đáy, Hà Nội [33] QCVN 08-MT:2015/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt