Nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Hồng bằng công nghệ viễn thám và GIS

Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá của nhân loại. Hiện nay, mức độ ô nhiễm môi trường nước mặt ở nước ta đã và đang ngày càng gia tăng do không kiểm soát hiệu quả các nguồn gây ô nhiễm. Tình trạng này đang gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người dân, làm tăng nguy cơ ung thư, sảy thai và dị tật bẩm sinh, dẫn đến suy giảm nòi giống do đó việc bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn nước là nhiệm vụ sống còn của con người. Công tác giám sát và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt là một trong những công tác quan trọng nằm trong quy trình bảo vệ nguồn nước. Với những tiến bộ trong khoa học vũ trụ, sự phát triển của các ứng dụng cũng như khả năng tính toán của máy tính trong những thập kỷ gần đây, công nghệ viễn thám cho phép giám sát và xác định các vấn đề về môi trường trên một khu vực và các vùng nước rộng lớn một cách hiệu quả.

Theo Báo cáo môi trường quốc gia năm 2012 thì chất lượng nước sông Hồng hiện nay đang bị đe dọa nghiêm trọng bởi nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp khi chảy qua các khu vực đô thị. Do đó việc phát triển và ứng dụng các kỹ thuật định lượng vào giám sát chất lượng nước của sông Hồng, đặc biệt là khu vực biên giới là vô cùng cần thiết để quản lý chất lượng nước sông cũng như các vấn đề khai thác nước của dòng sông. Việc 3 giám sát chất lượng nước sông Hồng, hiện nay, chủ yếu dựa trên phương pháp lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm. Phương pháp quan trắc truyền thống này thường gây tốn kém về mặt thời gian và kinh phí và đặc biệt dữ liệu thu thập được chỉ đại diện cho một khu vực hạn chế quanh điểm quan trắc. Điều này dẫn đến thực trạng thiếu dữ liệu trong việc quản lý sông Hồng. Trong khi đó, trên thế giới, viễn thám đã được sử dụng như là một công cụ hiện đại trong việc giám sát chất lượng nước từ cuối thập kỷ 70 của thế kỷ 20 và cho đến nay đã đạt được những thành tựu đáng kể. Tuy nhiên, do đặc tính là dòng chảy thường xuyên, có sự pha trộn các chất hòa tan lơ lửng ở các tỷ lệ khác nhau nên việc áp dụng các thuật toán đã có vào tính toán các thông số chất lượng của nước sông còn chưa chính xác. Đặc biệt, do kích thước của dòng chảy sông thường hẹp về chiều ngang nên các dữ liệu ảnh vệ tinh sử dụng để tính toán SSC cần hội tụ đủ sự phù hợp của cả hai yếu tố: độ phân giải không gian và độ phân giải bức xạ. Để giải quyết vấn này một cách thấu đáo cần có cái nhìn trên quan điểm địa lý tổng hợp, đồng thời phải định lượng được hàm lượng một số chất trong nước sông bằng công nghệ địa - tin học.

Với ý nghĩa như vậy, nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Phạm Quang Vinh, Viện Địa lý đứng đầu đã kiến nghị và được chấp thuận thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Hồng bằng công nghệ viễn thám và GIS” để có thể xây dựng cơ sở khoa học và phương pháp hiện đại cho công tác quản lý chất lượng môi trường nước sông; góp phần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ viễn thám vào đánh giá, giám sát tài nguyên - môi trường. Cụ thể là kết hợp phương pháp viễn thám và GIS để xác định một số chất gây ô nhiễm nguồn nước mặt; hiển thị cập nhật các chỉ số ô nhiễm trên WebGIS cho các khu vực nghiên cứu. Đánh giá được khả năng chiết tách một số chất gây ô nhiễm nguồn nước sông bằng công nghệ viễn thám kết hợp GIS.

Từ các kết quả nghiên cứu thu được, nhóm đề tài đưa ra một số kết luận như sau:

1. Kết quả xử lý ảnh vệ tinh

- Trong các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển cho ảnh Landsat hiện có thì FLAASH là phương pháp có độ chính xác cao hơn cả, phù hợp cho mục tiêu giám sát chất lượng nước. Đối với Sentinel 2A, các phương pháp hiệu chỉnh khí quyển hiện nay chưa được hoàn thiện, do đó gặp khó khăn trong quá trình thực hiện bằng SNAP. Kết quả so sánh cho thấy phương pháp hiệu chỉnh ELM sử dụng số liệu đo thực tế là phù hợp hơn cả để hiệu chỉnh nhiễu khí quyển với điều kiện mọi phép tính cần tích hợp tỷ số kênh phổ của ảnh thay vì dùng đơn kênh.

- Kết quả so sánh phổ phản xạ mặt nước sông Hồng với một số ảnh hiện nay cho thấy các ảnh Landsat 5, 8 và Sentinel 2A có đường cong phổ giống đường cong phổ phản xạ thu được tại mặt nước hơn cả, do đó phù hợp để giám sát các thông số chất lượng nước, đặc biệt là ảnh Landsat 8 và Sentinel 2A là 2 loại ảnh có tiềm năng cao phục vụ nghiên cứu, giám sát chất lượng nước các thủy vực nội địa (sông, hồ).

- Đã xây dựng được hàm hồi qui để tính 5 yếu tố TSS, Chlorophyll-a, BOD5, COD và nhiệt độ từ các ảnh Landsat 5,8 và Sentinal-2A, trong đó 3 yếu tố có độ tin cậy cao là TSS, Chlorophyll-a và nhiệt độ, với độ chính xác lần lượt là R2 = 0,81 RMSE = 3,95mg/l.

- Đã xây dựng được WEBGIS để hiển thị cập nhật các chỉ số ô nhiễm cho ba khu vực nghiên cứu của đề tài, với tên miền là “songhong.tk”.

2. Kết quả thành lập bản đồ nồng độ các chất TSS, Chl-a, COD, BOD và nhiệt độ

- Kết quả lập sơ đồ cho thấy rõ sự thay đổi của phân bố các thông số môi trường nước TSS, Chl-a, COD, BOD5 và nhiệt độ bề mặt nước theo không gian (thượng nguồn và đoạn hợp lưu) và theo thời gian (mùa mưa, mùa khô) phù hợp với quy luật tự nhiên và số liệu giám sát đo đạc của một số trạm thủy văn trên sông, cụ thể như sau:

- Sự phân bố không gian của hàm lượng TSS trong nước sông Hồng là không đồng đều giữa các nhánh sông (cụ thể là sông Lô, Đà, Thao) và có sự biến đổi theo mùa một cách rõ rệt. Vào mùa mưa, TSS có hàm lượng cao phân bố tập trung từ nhánh sông Thao đến 2/3 dòng chính sông Hồng (phần tiếp giáp với thành 204 phố Việt Trì - tỉnh Phú Thọ) và dòng TSS tiếp tục được vận chuyển về phía hạ lưu. Nhánh sông Đà và 1/3 phần mặt nước còn lại của dòng chính sông Hồng (phía tiếp giáp với huyện Ba Vì) có hàm lượng TSS trong khoảng từ 60-120 mg/L, ở mức trung bình so với toàn bộ giá trị TSS tại khu vực nghiên cứu. Cuối cùng là sông Lô - nhánh sông thể hiện hàm lượng TSS thấp nhất. Điều này phù hợp với kết quả quan trắc nhiều năm của các trạm quan trắc thủy văn trên hệ thống sông Hồng và nhận định của một số nghiên cứu trước đó về phù sa lơ lửng trong nước sông.

- Hàm lượng Chl-a có xu hướng thay đổi theo mùa: thường cao vào mùa mưa và thấp vào mùa khô; phân bố tập trung trên nhánh sông Đà và sông Lô và bên bờ phải, nơi tập trung đông dân cư và diễn ra các hoạt động sản xuất, sinh hoạt.

- Hàm lượng COD phân bố không đồng đều thường tập trung nhiều ở bên bờ trái về phía TP Việt Trì. Hàm lượng COD ở khu vực này cao nhất ở mức > 30 mg/l vào tháng 9 năm 2015 và thấp nhất ở mức < 1mg/l vào các tháng 9/2005, 6/2010, 11/2010, 6/2016 và 8/2017. Tại khu vực chảy qua TP Lào Cai COD có xu hướng tăng cao ở 2 bên ven bờ sông Hồng, đạt giá trị cao nhất vào tháng 7 năm 2017 ở mức 18,9 mg/l và thấp nhất vào tháng 5 năm 2005, ở mức 4 mg/l.

- Hàm lượng BOD5 phân bố không đồng đều, thường tập trung cao ở sông Lô, sông Thao và bên bờ trái phía TP Việt Trì, cao vào các tháng mùa khô và thấp vào mùa mưa. Nhìn chung chất lượng nước sông Hồng đoạn qua TP Việt Trì tương đối sạch, chưa bị ô nhiễm, hàm lượng BOD5 chủ yếu ở mức thấp dưới 3mg/l. Nhiệt độ bề mặt nước sông Hồng chịu sự chi phối của khí hậu, chế độ mùa và nhiệt độ trong tháng. Do đó, ở các tháng có nhiệt độ cao như tháng 7 năm 2015 và tháng 10 năm 2016, nhiệt độ mặt nước lên tới 30 độ C. Ngược lại, vào mùa lạnh và những ngày mưa, nhiệt độ mặt nước giảm xuống 18 độ C.

Để đánh giá được tiềm năng của việc sử dụng phương pháp viễn thám trong nghiên cứu, giám sát chất lượng nước, cần tiến hành nghiên cứu thử nghiệm trên nhiều loại tư liệu ảnh khác nhau như Sentinel 3, ảnh siêu phổ… Hơn nữa, cần bố trí thêm các trạm quan trắc tự động có kết nối với máy chủ đặt tại các tỉnh trong lưu vực sông Hồng, nhằm quan trắc, giám sát một cách nhanh chóng, kịp thời các thông số đánh giá chất lượng nước, cùng với phương pháp viễn thám tạo ra một mạng lưới quan trắc đồng bộ, rộng khắp cho toàn bộ lưu vực.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16663/2019) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)