BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN THỊ LỆ HẰNG XÁC LẬP CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ ĐỊA TIN HỌC XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT VÙNG MỎ CẨM PHẢ, QUẢNG NINH Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số: 9.52.05.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 Cơng trình hồn thành tại: Bộ môn Trắc địa Mỏ Khoa Trắc địa Bản đồ Quản lý đất đai Trường Đại học Mỏ - Địa Chất Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Kiều Kim Trúc TS Vương Trọng Kha Phản biện 1: PGS.TS Trần Xuân Trường Phản biện 2: GS.TS Võ Chí Mỹ Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp ., Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi … … ngày … tháng… năm 2018 Có thể tìm hiểu ḷn án thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nước nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, thành phần thiết yếu của sự sống môi trường Có thể coi nước thành phần quyết định đến sự tồn phát triển của mỗi quốc gia Việt Nam nước có nguồn tài nguyên nước mặt phong phú Do đặc thù về vị trí địa lý đặc điểm điều kiện tự nhiên, tổng lượng nước mặt của nước ta phân bố không đồng đều cả về thời gian không gian, dẫn đến tình trạng có những vùng bị lũ lụt thường xuyên, đó có những vùng lại bị khô hạn kéo dài Hơn nữa, mặc dù có nguồn tài nguyên nước dồi dào, nhiên tài nguyên nước mặt ở Việt Nam không phải vô tận Nước mặt cũng dễ bị tổn thương khai thác tối đa phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt phát triển kinh tế xã hội Bên cạnh đó, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế - xã hội, những ảnh hưởng tiêu cực của hoạt động đến ng̀n nước khiến tình trạng nhiễm nước mặt diễn nghiêm trọng Tốc độ cơng nghiệp hố, thị hố nhanh chóng, hoạt động giao thơng đường thủy, hoạt động khai thác khống sản, hoạt động ni trồng thủy hải sản sự gia tăng dân số gây áp lực ngày nặng nề tài nguyên nước mặt ở hệ thống sông, hồ cũng ven biển Môi trường nước mặt ở nhiều khu vực thế giới bị ô nhiễm nặng nề bởi nước thải, khí thải chất thải rắn Xây dựng sở dữ liệu chất lượng nước mặt vấn đề có tính cấp thiết, phục vụ công tác quản lý, bảo vệ sử dụng bền vững nguồn tài nguyên nước mặt ở Việt Nam Việt Nam quốc gia có ng̀n tài ngun khống sản phong phú, đó số loại có trữ lượng thuộc loại lớn ở khu vực than đá, sắt, dầu khí Khai thác mỏ ngành công nghiệp giữ vai trò quan trọng nền kinh tế Việt Nam, góp phần quan trọng sự phát triển kinh tế - xã hội ở nước ta thời gian qua Bên cạnh những lợi ích to lớn mang lại, công nghiệp khai thác mỏ cũng tác động mạnh mẽ thành phần tài nguyên, môi trường, phá vỡ thế hài hòa vốn có của cảnh quan thiên nhiên diện tích rộng lớn Tại khu vực khai thác mỏ lộ thiên, không có ao chứa lắng, xử lý nên phần lớn nhà máy đưa trực tiếp nước thải môi trường mà không qua bất kỳ hình thức xử lý Bên cạnh đó, những năm trước đây, nhiều đơn vị khai thác khống sản quan tâm đến lợi ích kinh tế trước mắt mà xem nhẹ công tác bảo vệ môi trường Hậu quả nhiều thành phần tài nguyên môi trường vùng mỏ bị tác động biến đổi mạnh mẽ, ảnh hưởng trực tiếp gián tiếp đến đời sống dân sinh khu vực mà nước mặt đối tượng quan trọng Cũng nhiều vùng khác cả nước, Cẩm Phả thành phố công-nông nghiệp Bên cạnh công nghiệp mỏ, loại hình cơng nghiệp khác nhiệt điện, xi măng, khí v.v ngày phát triển Cùng với trình cơng nghiệp hố thị hố, dân số ngày tăng, nhu cầu cung cấp nước cho ngành công-nông nghiệp sinh hoạt ngày lớn Một nghịch lý diễn gay gắt: công nghiệp phát triển, dân số tăng tài nguyên nước mặt ngày bị suy thoái cả về số lượng chất lượng Các nguồn nước mặt ao hồ, sông suối nước ven biển vùng mỏ Cẩm Phả bị nhiễm trầm trọng Ngồi những ngun nhân phở qt nhiễm khơng khí, chất thải rắn, chất thải lỏng từ hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, nông nghiệp sinh hoạt của người dân, chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả bị suy giảm nặng nề bởi nguyên nhân khai thác mỏ Nước mỏ lộ thiên, hầm lò; nước mỏ từ sở tuyển khoáng, nước chảy tràn từ bãi thải bãi chứa than v.v…là nhân tố làm gia tăng quy mô mức độ ô nhiễm làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Dân số ngày tăng, hoạt động du lịch, cơng nghiệp khai thác khống sản, khí, xi măng ngày mở rộng nguyên nhân tổng hợp làm suy giảm chất lượng tài nguyên nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Mọi nghiên cứu xác định nguyên nhân, phân tích thành phần, đánh giá chất lượng nguồn nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh nhu cầu cấp thiết nhằm xác định diễn biến chất lượng nước, phân vùng nhận diện thành phần ô nhiễm, hướng tới xây dựng giải pháp xử lý, quản lý nguồn nước mặt khu vực, góp phần ngăn ngừa, giảm thiểu tác động tiêu cực, nâng cao chất lượng nước cho dân cư vùng Quảng Ninh nói chung khu vực Cẩm Phả nói riêng Có nhiều phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm điều kiện ứng dụng riêng Dù đánh giá phương pháp cũng phải dựa sở dữ liệu Mặc dù đã quan trắc nhiều, dữ liệu nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh bị phân tán về định dạng, về cấu trúc, về chuẩn hoá dữ liệu v.v…Một sở dữ liệu đầy đủ, xây dựng phương pháp công nghệ đại với khả cập nhật, quản lý, phân tích, hiển thị chia sẻ kịp thời sở cho công tác đánh giá xác hiệu quả thành phần tài ngun, mơi trường nói chung tài ngun nước mặt nói riêng [10] Cơng nghệ địa tin học mà tiêu biểu viễn thám hệ thông tin địa lý (GIS) công cụ đại đáp ứng yêu cầu đó Với những lý trên, đề tài luận án“Xác lập sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng sở liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh” xuất phát từ yêu cầu thực tiễn có tính khoa học Kết quả nhận luận án góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ Địa tin học cũng cung cấp thông tin kịp thời, giúp nhà quản lý giám sát, đánh giá bảo vệ môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ Mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu a/ Mục tiêu: Mục tiêu nghiên cứu của luận án xác lập sở khoa học ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh b/ Nhiệm vụ: - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: tổng quan về tài nguyên nước mặt nguyên nhân gây ô nhiễm nước mặt ở Việt Nam, phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt; tởng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng sở dữ liệu đánh giá chất lượng nước mặt - Nghiên cứu sở khoa học xây dựng khai thác sở dữ liệu nước mặt công nghệ địa tin học phục vụ công tác quản lý, giám sát đánh giá chất lượng nước mặt - Thu thập số liệu quan trắc chất lượng nước mặt 15 điểm quan trắc đất liền 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả phục vụ xây dựng sở dữ liệu Thu thập dữ liệu viễn thám (ảnh vệ tinh Sentinel-2A) phục vụ xác định hàm lượng số thông số chất lượng nước khu vực ven biển - Nghiên cứu kết hợp phần mềm GIS phần mềm quản lý, đánh giá môi trường EQWin xây dựng sở dữ liệu môi trường nước mặt, thử nghiệm cho khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh - Khai thác sử dụng sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt nhằm thành lập bản đồ chuyên đề về thông số chất lượng nước, đánh giá chất lượng nước số WQI, đánh giá chất lượng nước kết hợp với tư liệu viễn thám Giới hạn phạm vi nghiên cứu a/ Đối tượng nghiên cứu Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án chất lượng nước mặt khu vực khai thác mỏ b/ Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi không gian: luận án lựa chọn thực nghiệm ở khu vực Cẩm Phả - Quảng Ninh - Phạm vi thời gian: đề tài luận án xây dựng với số liệu quan trắc môi trường nước mặt đo trực tiếp Cẩm Phả giai đoạn 2011 - 2016 Trong luận án cũng sử dụng 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2A năm 2016 nhằm đánh giá phân bố hàm lượng số thông số chất lượng nước khu vực ven biển Cẩm Phả Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích, tổng hợp: tổng hợp, phân tích nghiên cứu nước liên quan đến nội dung luận án; số liệu, tài liệu về chất lượng nước mặt khu vực nghiên cứu - Phương pháp thu thập số liệu: luận án tiến hành thu thập số liệu 15 điểm quan trắc chất lượng nước mặt khu vực đất liền 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh giai đoạn 2011 - 2016 - Phương pháp GIS: kết hợp phần mềm GIS (MapInfo, ArcGIS) phần mềm đánh giá môi trường EQWin Manager xây dựng khai thác sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh - Phương pháp thống kê: sử dụng phân tích thống kê nhằm đánh giá diễn biến theo quý năm chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh 15 trạm đo đất liền - Phương pháp viễn thám: sử dụng xử lý ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2A nhằm xác định phân bố hàm lượng số thông số chất lượng nước khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh Các luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Công nghệ Địa tin học công cụ hiệu quả xây dựng sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ sở tích hợp phần mềm GIS phần mềm quản lý, đánh giá môi trường Luận điểm 2: Ứng dụng sở dữ liệu nước mặt giúp quản lý, giám sát đánh giá chất lượng môi trường nước mặt cách hiệu quả theo thời gian không gian với sự trợ giúp của công nghệ Địa tin học thông qua kỹ thuật phân tích, thống kê không gian Những điểm luận án Thứ nhất, kết hợp phần mềm GIS phần mềm quản lý, đánh giá môi trường EQWin xây dựng sở dữ liệu chất lượng nước mặt phương án phù hợp hiệu quả trạng sở hạ tầng số liệu quan trắc chất lượng nước mặt khu vực khai thác mỏ ở nước ta Thứ hai, sở dữ liệu xây dựng luận án công cụ hiệu quả phục vụ quản lý, đánh giá giám sát chất lượng môi trường nước mặt thông qua thành lập bản đồ thông số chất lượng nước, đánh giá số WQI, kết hợp tư liệu viễn thám xác định hàm lượng thông số chất lượng nước… Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án giúp hoàn thiện sở khoa học chứng minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương pháp ứng dụng công nghệ Địa tin học xây dựng khai thác sở dữ liệu môi trường nước mặt Ý nghĩa thực tiễn:cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt xây dựng đề tài luận án khai thác ứng dụng phục vụ công tác quản lý, giám sát sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt nói chung, tài nguyên nước mặt khu vực khai thác mỏ nói riêng Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 03 chương cùng phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm nước mặt đánh giá chất lượng nước mặt 1.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt 1.2.1 Nước thải sinh hoạt 1.2.2 Nước thải công nghiệp 1.2.3 Nước thải y tế 1.2.4 Nước thải nông nghiệp 1.3 Sử dụng chỉ số WQI đánh giá chất lượng nước mặt Để đánh giá chất lượng nước cũng mức độ gây ô nhiễm nước dựa vào số tiêu tởng hợp Các tiêu chia thành nhóm: nhóm tiêu vật lý (pH, độ màu, độ đục, chất rắn lơ lửng), nhóm tiêu hóa học (hàm lượng oxy hòa tan nước - DO, nhu cầu oxy sinh học - BOD, nhu cầu oxy hóa học - COD, kim loại nặng, hợp chất photpho, sunphat, hợp chất nitơ ) nhóm tiêu sinh học (vi khuẩn E.coli) Việc đánh giá chất lượng nước mặt theo tiêu tổng hợp có thể thực cách so sánh với QCVN 08-MT:2015/BTNMT Chỉ số chất lượng nước (viết tắt WQI) số tính tốn từ thơng số quan trắc chất lượng nước, dùng để mô tả định lượng về chất lượng nước khả sử dụng của nguồn nước đó biểu diễn qua thang điểm Đây phương pháp đánh giá chất lượng nước hiệu quả, sử dụng rộng rãi ở Việt Nam [1,7,12,16] Chỉ số WQI có giá trị khoảng từ đến 100, đó chất lượng nước chia thành cấp bảng 1.2 Bảng 1.2 Bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng nước Loại Giá trị WQI Mức đánh giá chất lượng nước Thang màu I 91 – 100 Sử dụng tốt cho mục đích cấp nước sinh hoạt Xanh nước biển II 76 – 90 Sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt cần biện pháp xử lý phù hợp Xanh III 51 – 75 Sử dụng cho mục đích tưới tiêu mục đích tương đương khác Vàng IV 26 – 50 Sử dụng cho giao thông thủy mục đích tương đương khác Da cam V – 25 Nước ô nhiễm nặng, cần biện pháp xử lý tương lai Đỏ 1.4 Tổng quan công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học xây dựng CSLD đánh giá chất lượng nước mặt 1.4.1 Trên thế giới Trong những thập kỷ gần đây, công nghệ địa tin học nói chung, công nghệ GIS viễn thám nói riêng đã trở thành công cụ hiệu quả xây dựng sở dữ liệu phục vụ đánh giá môi trường nước mặt thế giới Có thể kể đến nghiên cứu của Bilhimer [28], Boubakri and Rhinane [29], Silberbauer [67], Zaidi [79], Zeilhofer et al [80], Từ sở dữ liệu chất lượng nước mặt, phương pháp nội suy IDW, Kriging đã sử dụng nghiên cứu của Gharbia et al [40], Gunarathna et al [43], McKinney and Annning [52], Mayer [53], Nas [53], Oke et al [59], Raikar et al [61], nhằm xây dựng bản đồ phân bố hàm lượng thông số chất lượng nước mặt Tư liệu viễn thám cũng kết hợp với kỹ thuật GIS đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Do phản xạ phổ xác định từ ảnh vệ tinh quang học có khả thể đặc điểm phản xạ của số thông số chất lượng nước [62-64], dữ liệu viễn thám đã sử dụng hiệu quả kết hợp với kết quả quan trắc nhằm xây dựng hàm hồi quy đánh giá chất lượng nước Có thể kể đến nghiên cứu của Doxaranet al [37, 38], Cheng and Lei [35], He et al [46], Olet [60], Wang et al [73], Sudheer et al [69], Xing-Ping Wen [78], Yuan - Fong Su [77],… Nước thải q trình khai thác khống sản ngun nhân quan trọng gây ô nhiễm nguồn nước mặt nước ngầm ở vùng mỏ Một số nghiên cứu của Alaghmand et al [26], Evans [39], Mays [50], Pierre-Yves [65], Twardowska and Szczepanska [70], Tomic [71], Woldai [74]…đã sử dụng kỹ thuật Địa tin học phục vụ xây dựng sở dữ liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ 1.4.2 Trong nước Các nghiên cứu trước ở Việt Nam đánh giá chất lượng nước mặt chủ yếu sử dụng số WQI thông qua mẫu nước, đó có thể kể đến nghiên cứu của Phạm Thế Anh Nguyễn Văn Huy [1], Trương Văn Đàn cộng sự [3], Tôn Thất Lãng [7], Nguyễn Duy Phú [12], Lê Văn Thăng cộng sự [15]… Từ đầu thế kỷ XXI, ở Việt Nam đã có số cơng trình nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật địa tin học phục vụ xây dựng CSDL đánh giá chất lượng nước mặt Có thể kể đến nghiên cứu của nhà khoa học Cục Viễn thám quốc gia (Bộ Tài nguyên Môi trường), nghiên cứu của Nguyễn Thị Thu Hà cộng sự [5], Nguyễn Quốc Phi cộng sự [11], Nguyễn Văn Thảo [14], Trịnh Lê Hùng [72]…Đối với khu vực Quảng Ninh, bên cạnh dự án đánh giá môi trường nước mặt ảnh hưởng của khai thác than có số nghiên cứu của Đoàn Văn Kiển cộng sự [4], Kiều Kim Trúc cộng sự [17, 18] đã bước đầu sử dụng kỹ thuật địa tin học phục vụ quản lý, đánh giá ứng phó với nhiễm nước mặt 1.5 Khai thác khống sản ảnh hưởng nó tới chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh 1.5.1 Tài nguyên nước mặt vùng mỏ Quảng Ninh Quảng Ninh có hệ thống sông, suối dài 10 km, diện tích lưu vực xấp xỉ 3000 km2 Các sông lớn sơng Ka Long, Tiên n, Ba Chẽ có diện tích lưu vực gần 1000 km2 Mạng lưới sông, suối dày đặc, mật 11 dụng đầu tiên ở Canada, sau đó Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Organization for Standardization) nhiều quan quốc tế khác sử dụng Cơ sở liệu (Database) tập hợp thông tin thu thập theo mục đích sử dụng đó, lưu trữ máy tính theo những quy tắc định Đó tập hợp dữ liệu mà có thể điều khiển lưu trữ số lượng lớn dữ liệu dữ liệu có thể chia sẻ giữa ứng dụng khác Cơ sở dữ liệu thành phần quan trọng, xem cốt lõi của hệ thông tin địa lý Tùy mục đích yêu cầu của người dùng mà người ta thiết kế sở dữ liệu (tổ chức cấu trúc) có mức độ phức tạp khác 2.1.2 Khả ứng dụng kỹ thuật địa tin học xây dựng sở liệu đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Công nghệ GIS với khả lưu trữ, phân tích hiển thị dữ liệu công cụ hiệu quả xây dựng sở dữ liệu cũng đánh giá chất lượng môi trường nước mặt Các phần mềm GIS thông dụng AcrGIS, MapInfo, MicroStation…đều cho phép xây dựng sở dữ liệu nói chung, sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt nói riêng cách thuận tiện Dữ liệu quan trắc có thể chuẩn hóa, chuyển đổi định dạng cách dễ dàng phần mềm GIS, lưu trữ sở dữ liệu thống sử dụng thuận tiện phục vụ đánh giá chất lượng nước mặt Người dùng có thể dễ dàng tiếp cận, khai thác, sử dụng cập nhật dữ liệu chất lượng nước Cơ sở dữ liệu GIS chất lượng môi trường nước mặt cũng có thể cung cấp thông tin giúp nhà quản lý đưa biện pháp cụ thể đánh giá, giám sát sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt Đặc biệt với sự phát triển của Internet, công nghệ đã đời - công nghệ WebGIS, cho phép người sử dụng có thể khai thác sử dụng sở dữ liệu ở bất kỳ đâu Cùng với công nghệ GIS, từ cuối thế kỷ XX, kỹ thuật viễn thám đã sử dụng rộng rãi mang lại hiệu quả quan trọng nghiên cứu đánh giá chất lượng nước Tư liệu ảnh viễn thám với độ phân giải không gian đa dạng cho phép nghiên cứu, giám sát vùng nước ở quy mô khác (bảng 2.1) 12 Bảng 2.1 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến đánh giá chất lượng nước [42] Loại Độ phân giải cao Độ phân giải trung bình Độ phân giải thấp Vệ tinh-Bộ cảm Digital Globe WorldView – Digital Globe WorldView – NOAA WorldView – Digital Globe Quykckbird GeoEye Geoeye – GeoEye IKONOS Ngày phóng Độ phân giải không gian (m) Độ rộng dải chụp Độ phân giải thời gian (ngày) 18/09/2007 0,5 17,7 1,7 16,4 1,1 13,1 1-4,5 18 2,5 15,2