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

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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018


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

: 9520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS KIỀU KIM TRÚC
2. TS VƯƠNG TRỌNG KHA

HÀ NỘI 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của
riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng,
đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi
tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan.
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Lệ Hằng


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i
MỤC LỤC .................................................................................................... ii
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU............................... Error! Bookmark not defined.
DANH MỤC HÌNH VẼ............................................................................... xi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 4
3. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 4
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................... 5
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 5
6. Những điểm mới của luận án ...................................................................... 6
7. Luận điểm bảo vệ ....................................................................................... 6
8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................... 6
9. Cơ sở tài liệu thực hiện luận án .................................................................. 7
10. Cấu trúc luận án........................................................................................ 7
11. Lời cảm ơn ............................................................................................... 7
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................ 9
1.1 Khái niệm nước mặt và đánh giá chất lượng nước mặt ............................. 9
1.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt .................................. 13
1.2.1 Nước thải sinh hoạt.............................................................................. 13
1.2.2 Nước thải công nghiệp......................................................................... 15
1.2.3 Nước thải y tế ...................................................................................... 17
1.2.4 Nước thải nông nghiệp ........................................................................ 17
1.3 Sử dụng chỉ số WQI đánh giá chất lượng nước mặt ................................ 17


iii

1.4 Tổng quan các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học xây
dựng CSLD và đánh giá chất lượng nước mặt .............................................. 20
1.4.1 Trên thế giới ........................................................................................ 20
1.4.2 Trong nước .......................................................................................... 29
1.5 Khai thác khoáng sản và ảnh hưởng của nó tới chất lượng nước mặt vùng
mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh ............................................................................ 37
1.5.1 Tài nguyên nước mặt ở vùng mỏ Quảng Ninh ..................................... 37

1.5.2 Ảnh hưởng của khai thác khoáng sản tới chất lượng nước mặt vùng mỏ
Cẩm Phả, Quảng Ninh .................................................................................. 39
1.6 Tiểu kết chương 1................................................................................... 47
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC ỨNG DỤNG ĐỊA TIN HỌC XÂY
DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG
NƯỚC MẶT ............................................................................................... 48
2.1 Nghiên cứu lựa chọn giải pháp ứng dụng địa tin học xây dựng cơ sở dữ
liệu phục vụ đánh giá chất lượng môi trường nước mặt ................................ 48
2.1.1 Khái niệm về Địa tin học và CSLD ..................................................... 48
2.1.2 Khả năng ứng dụng kỹ thuật địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh
giá chất lượng môi trường nước mặt ............................................................. 50
2.2 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt ... 55
2.3 Phương pháp tính toán chỉ số WQI ......................................................... 58
2.4 Ứng dụng kỹ thuật địa tin học khai thác CSDL chất lượng nước mặt ..... 61
2.4.1 Thành lập bản đồ chất lượng nước mặt bằng phương pháp nội suy...... 61
2.4.2 Phân tích thống kê không gian ............................................................. 63
2.4.3 Mô hình hóa chất lượng môi trường nước............................................ 65
2.5 Lựa chọn công nghệ phù hợp với vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh......... 68
2.5.1 Kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm môi trường trong xây dựng
CSDL nước mặt ........................................................................................... 68


iv

2.5.2 Tích hợp tư liệu viễn thám và GIS ....................................................... 70
2.6 Tiểu kết chương 2................................................................................... 76
CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐÁNH
GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC MẶT KHU VỰC CẨM
PHẢ, QUẢNG NINH ................................................................................. 77
3.1 Đặc điểm khu vực nghiên cứu ................................................................ 77

3.2 Đặc điểm tư liệu sử dụng trong luận án .................................................. 80
3.2.1 Số liệu quan trắc chất lượng nước mặt ................................................. 80
3.2.2 Dữ liệu viễn thám ................................................................................ 83
3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng
Ninh ............................................................................................................. 86
3.4 Khai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá, giám sát chất lượng
môi trường nước mặt .................................................................................... 88
3.4.1 Xây dựng bản đồ chuyên đề các thông số môi trường nước mặt .......... 88
3.4.2 Đánh giá chất lượng nước mặt bằng phương pháp thống kê ............... 90
3.4.3 Đánh giá biến động hàm lượng các thông số chất lượng nước theo quý... 97
3.4.4 Đánh giá chất lượng nước mặt bằng chỉ số WQI ............................... 100
3.4.5 Xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước mặt bằng tư liệu viễn
thám ........................................................................................................... 114
3.5 Kết luận chương 3 ................................................................................ 128
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 129
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 133
PHỤ LỤC 1............................................................................................... 144
PHỤ LỤC II.............................................................................................. 156


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
STT
1

Từ viết tắt

Nghĩa tiếng Việt

GIS - Geographical Information
System

Hệ thông tin địa lý

2

WQI - Water Quality Index

Chỉ số chất lượng nước

3

TSS - Total Suspended Sediment

Tổng chất rắn hòa tan

4
5

BOD

-

Biochemical

Oxygen

Demain
NSMI - Normalized Suspended

Material Index

Nhu cầu oxi sinh hóa
Chỉ số vật chất lơ lửng chuẩn hóa

6

COD

Hàm lượng chất hóa học hòa tan

7

SWAT

Mô hình thủy văn, thủy lực SWAT

8

SPOT

Vệ tinh SPOT

9

TKV

Tập đoàn Than Khoáng sản Việt Nam

10

CSDL

Cơ sở dữ liệu

11

IDW

12

NIR - Near Infrared

Cận hồng ngoại

13

SWIR - Shortware Infrared

Hồng ngoại sóng ngắn

14

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

15

RGB

Red - Green - Blue

16

IWRA

17

UNECE

Phương pháp nội suy khoảng cách
ngược có trọng số

International

Water

Resources

Association
United

Nations

Commission for Europe

Economic

vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Tổng lượng nước thải và thải lượng các chất ô nhiễm trong nước
thải từ các khu công nghiệp [20] .................................................................. 16
Bảng 1.2 Bảng xác định giá trị WQI tương ứng với mức đánh giá chất lượng
nước [21] ...................................................................................................... 20
Bảng 2.1 Các bộ cảm viễn thám sử dụng phổ biến trong đánh giá chất lượng
nước [42] ...................................................................................................... 54
Bảng 2.2. Bảng quy định các giá trị qi, BPi ................................................... 59
Bảng 3.1 Tên trạm quan trắc và các thông số môi trường nước mặt vùng Cẩm
Phả ............................................................................................................... 82
Bảng 3.2 Đặc điểm các kênh phổ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ........................... 84
Bảng 3.3 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý I - 2012................. 102
Bảng 3.4 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý II- 2012 ................ 103
Bảng 3.5 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý III- 2012 ............... 104
Bảng 3.6 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý IV- 2012 ............... 105
Bảng 3.7 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý I - 2014................. 105
Bảng 3.8 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý II – 2014 ............... 106
Bảng 3.9 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý III - 2014 .............. 107
Bảng 3.10 Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý IV - 2014 ............ 108
Bảng 3.11 WQI năm cho các quý và cho cả năm 2012 ............................... 110
Bảng 3.12 WQI năm cho các quý và cho cả năm 2014 ............................... 111
Bảng 3.13 Bảng đánh giá CLN mặt tại các điểm quan trắc trong các quý I ÷
IV 2012 ...................................................................................................... 112
Bảng 3.14 Bảng đánh giá CLN mặt tại các điểm quan trắc trong các quý I ÷ IV
20141........................................................................................................................ 13


vii

Bảng 3.15 Hàm lượng chất lơ lửng trong nước biển ven bờ Cẩm Phả, Quảng
Ninh tại các trạm quan trắc và điểm lấy mẫu quý 1 và 4 năm 2016 ............ 116
Bảng 3.16 So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentienl2A ngày 16/04/2016 ................................................................................... 124
Bảng 3.17 So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentienl2A ngày 02/12/2016 ................................................................................... 124
Bảng 3.18 Hàm lượng NH4+ trong nước biển ven bờ Cẩm Phả, Quảng Ninh
tại các trạm quan trắc và điểm lấy mẫu quý 1 và 4 năm 2016 ..................... 125


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tỉ lệ phân bố tài nguyên nước theo các lưu vực sông [19] ............. 10
Hình 1.2 Tỉ lệ giữa các vùng về tổng lượng các chất ô nhiễm trong nước
thải sinh hoạt [19] ....................................................................................... 14
Hình 1.3 Nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm ở Quảng Ninh (nguồn: internet) . 15
Hình 1.4 Vị trí một số trạm quan trắc trong nghiên cứu của Alssgeer et al.
(2017)........................................................................................................... 22
Hình 1.5 Giao diện ứng dụng GIS phục vụ quản lý chất lượng nước mặt trong
nghiên cứu của Boubakri, Rhinane (2017).................................................... 22
Hình 1.6 Giao diện ứng dụng GIS quản lý chất lượng nước ở Washington
(Bilhimer, 2012) .......................................................................................... 23
Hình 1.7 Kết quả nội suy hàm lượng Canxi, Magie, Clo trong nước ngầm khu
vực Bhadravathia bằng phương pháp IDW ................................................... 24
Hình 1.8 Kết quả nội suy hàm lượng pH trong nghiên cứu của Gharbia et al
(2016)........................................................................................................... 25
Hình 1.9 Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của Weipi
He [46] ......................................................................................................... 26
Hình 1.10 Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và NH3-N trong
nghiên cứu của Weipi He ............................................................................. 26

Hình 1.11 Tư liệu ảnh Landsat 8 và sơ đồ các điểm lấy mẫu chất lượng nước
trong nghiên cứu của Li et al. (2018) [50] .................................................... 27
Hình 1.12 Ô nhiễm nước mặt do khai thác than ở suối Diễn Vọng, Mông
Dương, Cẩm Phả (nguồn Internet)................................................................ 40
Hình 1.13 Tác động của khai thác than đối với các thành phần tài nguyên,
môi trường ................................................................................................... 43
Hình 1.14 Tác động bồi lấp sông suối trong khai thác than tại Cẩm Phả,
Quảng Ninh (nguồn Internet) ....................................................................... 45


ix

Hình 1.15 Diễn biến một số thông số chất lượng nước khu vực Cẩm Phả,
Quảng Ninh giai đoạn 2005 – 2009 (nguồn: Tổng Công ty than khoáng sản
Việt Nam) .................................................................................................... 46
Hình 2.1 Minh họa về các kỹ thuật trong công nghệ Địa tin học (nguồn
Internet)........................................................................................................ 48
Hình 2.2 Ví dụ về cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực
Parkowe, Ba Lan (Absalon et al., 2002) [25] ................................................ 52
Hình 2.3 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước
mặt ............................................................................................................... 56
Hình 2.4 Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ phân bố các thông số chất lượng
nước từ cơ sở dữ liệu .................................................................................... 62
Hình 2.5 Ví dụ về sử dụng phương pháp nội suy không gian trong đánh giá
chất lượng nước khu vực hồ Tonle Sap, Cambodia (a – Simple Kriging, b –
Ordiginal Kriging, c – IDW) (Chum et al., 2017) [36].................................. 63
Hình 2.6 Sự thay đổi về không gian đối với các thông số chất lượng nước pH,
COD, TN, F (Lee and White,1992) [48] ....................................................... 65
Hình 2.7 Các thành tố chính trong mô hình môi trường................................ 66
Hình 2.8 Mô tả mô hình AQUATOX trong đánh giá ô nhiễm nước ngọt ..... 67

Hình 2.9 Giao diện phần mềm EQWin Data Manager .................................. 69
Hình 2.10 Kết quả xác định hàm lượng chlorophyll-a từ ảnh vệ tinh Spot, khu
vực hồ chứa Te-Chi, Đài Loan (Yang et al., 1996) [76]................................ 71
Hình 2.11 Các thành phần của bức xạ Mặt Trời đi tới nguồn nước được bộ
cảm biến ghi nhận ........................................................................................ 72
Hình 2.12 Các thành phần bức xạ thu nhận từ đầu thu [54, 55] .................... 74
Hình 3.1 Bản đồ hành chính thành phố Cẩm Phả, Quảng Ninh .................... 77
Hình 3.2 Một số hoạt động kinh tế – xã hội tại Cẩm Phả, Quảng Ninh ......... 80


x

Hình 3.3 Tư liệu ảnh Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 khu vực Cẩm Phả,
Quảng Ninh, RGB=432 ................................................................................ 85
Hình 3.4 Tư liệu ảnh Sentinel-2A chụp ngày 01/12/2016 khu vực Cẩm Phả,
Quảng Ninh, RGB=432 ................................................................................ 85
Hình 3.5 Nhập dữ liệu trong EQWin ............................................................ 87
Hình 3.6 Hiển thị cơ sở dữ liệu và đồ thị thông số môi trường nước mặt Cẩm
Phả, Quảng Ninh trong phần mềm EQWin ................................................... 88
Hình 3.7 Ví dụ nhập dữ liệu chất lượng nước mặt trong phần mềm EQWin . 89
Hình 3.8 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số Coliform quý IV/2016 .... 89
Hình 3.9 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số COD quý IV/2016 .......... 90
Hình 3.10 Đồ thị thông số BOD5 các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn
2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 91
Hình 3.11 Đồ thị thông số Độ pH các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn
2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 92
Hình 3.12 Đồ thị thông số NO2 các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn
2014 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 93
Hình 3.13 Đồ thị thông số Coliform các đợt quan trắc tại các trạm đo giai
đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008. ..................................... 94

Hình 3.14 Đồ thị thông số kim loại nặng tổng Fe các đợt quan trắc tại các
trạm đo giai đoạn 2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .................. 95
Hình 3.15 Đồ thị thông số Dầu mỡ các đợt quan trắc tại các trạm đo giai đoạn
2011 - 2016 và giới hạn theo QCVN 08:2008 .............................................. 97
Hình 3.16 Đồ thị diễn biến hàm lượng TSS theo mùa giai đoạn 2011 - 2016
tại 15 điểm quan trắc nước mặt ở Cẩm Phả, Quảng Ninh ............................. 98
Hình 3.17 Đồ thị diễn biến hàm lượng pH theo mùa giai đoạn 2011 – 2016
tại 15 điểm quan trắc nước mặt ở Cẩm Phả, Quảng Ninh ............................. 99


xi

Hình 3.18 Kết quả xác định chỉ số NSMI đối với khu vực Cẩm Phả, Quảng
Ninh từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 (a) và 02/12/2016 (b).... 115
Hình 3.19 Sơ đồ các điểm quan trắc, lấy mẫu chất lượng nước khu vực Cẩm
Phả, Quảng Ninh ........................................................................................ 116
Hình 3.20 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị chỉ số NSMI và hàm
lượng chất lơ lửng trong nước biển khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ngày
16/04/2016 ................................................................................................. 118
Hình 3.21 Kết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị chỉ số NSMI và hàm
lượng chất lơ lửng trong nước biển khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh ngày
02/12/2016 ................................................................................................. 120
Hình 3.22 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực
ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 ................. 121
Hình 3.23 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel
2A ngày 16/04/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần thành phố
Cẩm Phả ..................................................................................................... 121
Hình 3.24 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A
ngày 16/04/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần biển Vân Đồn .......122
Hình 3.25 Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng trong nước mặt khu vực

ven biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 02/12/2016 ................. 122
Hình 3.26 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel
2A ngày 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần thành phố
Cẩm Phả ..................................................................................................... 123
Hình 3.27 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel 2A
ngày 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh, đoạn gần biển Vân Đồn .......123
Hình 3.28 Kết quả xác định hàm lượng NH4+ trong nước mặt khu vực ven
biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 16/04/2016 ........................ 127
Hình 3.29 Kết quả xác định hàm lượng NH4+ trong nước mặt khu vực ven
biển Cẩm Phả từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A ngày 02/12/2016 ........................ 127


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước là một nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, là thành phần thiết yếu
của sự sống và môi trường. Có thể coi nước là thành phần quyết định đến sự
tồn tại và phát triển của mỗi quốc gia.
Việt Nam là một nước có nguồn tài nguyên nước mặt phong phú. Do
đặc thù về vị trí địa lý và đặc điểm điều kiện tự nhiên, tổng lượng nước mặt
của nước ta phân bố không đồng đều cả về thời gian và không gian, dẫn đến
tình trạng có những vùng bị lũ lụt thường xuyên, trong khi đó có những vùng
lại bị khô hạn kéo dài. Hơn nữa, mặc dù có nguồn tài nguyên nước dồi dào,
tuy nhiên tài nguyên nước mặt ở Việt Nam không phải là vô tận. Nước mặt
cũng dễ bị tổn thương do được khai thác tối đa phục vụ cho các nhu cầu sinh
hoạt và 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 các hoạt động này đến
nguồn nước khiến tình trạng ô nhiễm nước mặt diễn ra nghiêm trọng. Tốc độ
công nghiệp hoá, đô thị hoá nhanh chóng, hoạt động giao thông đường thủy,

hoạt động khai thác khoáng sản, hoạt động nuôi trồng thủy hải sản và sự gia
tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề đối với tài nguyên nước mặt ở các
hệ thống sông, hồ cũng như ven biển. Môi trường nước mặt ở nhiều khu vực
trên thế giới đang bị ô nhiễm nặng nề bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn.
Xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt đang là một vấn đề có tính cấp
thiết, phục vụ công tác quản lý, bảo vệ và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên
nước mặt ở Việt Nam.
Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú,
trong đó một số loại có trữ lượng thuộc loại lớn ở khu vực như than đá, sắt,
dầu khí...Khai thác mỏ là ngành công nghiệp giữ vai trò quan trọng trong nền
kinh tế Việt Nam, góp phần quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội ở


2

nước ta thời gian qua. Bên cạnh những lợi ích to lớn mang lại, công nghiệp
khai thác mỏ cũng tác động mạnh mẽ đối với các thành phần tài nguyên, môi
trường, phá vỡ thế hài hòa vốn có của cảnh quan thiên nhiên trên một diện
tích rộng lớn. Tại các khu vực khai thác mỏ lộ thiên, do không có ao chứa
lắng, xử lý nên phần lớn các nhà máy đưa trực tiếp nước thải ra môi trường
mà không qua bất kỳ hình thức xử lý nào. Bên cạnh đó, trong những năm
trước đây, nhiều đơn vị khai thác khoáng sản chỉ quan tâm đến lợi ích kinh tế
trước mắt mà xem nhẹ công tác bảo vệ môi trường. Hậu quả là nhiều thành
phần tài nguyên và môi trường vùng mỏ bị tác động và biến đổi mạnh mẽ, ảnh
hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến đời sống dân sinh trong khu vực mà nước
mặt là một đối tượng quan trọng.
Cũng như nhiều vùng khác trong cả nước, Cẩm Phả là thành phố côngnông nghiệp. Bên cạnh công nghiệp mỏ, các loại hình công nghiệp khác như
nhiệt điện, xi măng, cơ khí v.v...ngày càng được phát triển. Cùng với quá
trình công nghiệp hoá và đô thị hoá, dân số ngày một tăng, nhu cầu cung cấp
nước cho các ngành công-nông nghiệp và sinh hoạt ngày càng lớn. Một

nghịch lý đang diễn ra gay gắt: công nghiệp càng phát triển, dân số càng tăng
thì tài nguyên nước mặt ngày càng bị suy thoái cả về số lượng và chất lượng.
Các nguồn nước mặt trong các ao hồ, sông suối và nước ven biển vùng mỏ
Cẩm Phả đang bị ô nhiễm trầm trọng. Ngoài những nguyên nhân phổ quát do
ô nhiễm không khí, chất thải rắn, chất thải lỏng từ hoạt động công nghiệp,
giao thông vận tải, nông nghiệp và sinh hoạt của người dân, chất lượng nước
mặt vùng mỏ Cẩm Phả còn bị suy giảm nặng nề bởi nguyên nhân khai thác
mỏ. Nước mỏ lộ thiên, hầm lò; nước mỏ từ các cơ sở tuyển khoáng, nước
chảy tràn từ bãi thải và bãi chứa than v.v…là các nhân tố làm gia tăng quy mô
và mức độ ô nhiễm làm suy giảm nghiêm trọng chất lượng nước mặt vùng mỏ
Cẩm Phả. Dân số ngày càng tăng, các hoạt động du lịch, công nghiệp khai


3

thác khoáng sản, cơ khí, xi măng ngày càng mở rộng là các 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 các thành phần, đánh giá chất
lượng nguồn nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh là nhu cầu cấp thiết
nhằm xác định diễn biến chất lượng nước, phân vùng và nhận diện các thành
phần ô nhiễm, hướng tới xây dựng các giải pháp xử lý, quản lý các nguồn
nước mặt trong khu vực, góp phần ngăn ngừa, giảm thiểu các tác động tiêu
cực, nâng cao chất lượng nước sạch cho dân cư vùng Quảng Ninh nói chung
và khu vực Cẩm Phả nói riêng.
Có nhiều phương pháp đánh giá chất lượng nước mặt. Mỗi phương
pháp đều có ưu nhược điểm và điều kiện ứng dụng riêng. Dù là đánh giá bằng
phương pháp nào cũng phải dựa trên cơ sở dữ liệu. Mặc dù đã được quan trắc
nhiều, nhưng dữ liệu nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả Quảng Ninh vẫn còn bị
phân tán về định dạng, về cấu trúc, về chuẩn hoá dữ liệu v.v…Một cơ sở dữ
liệu đầy đủ, được xây dựng bằng các phương pháp và công nghệ hiện đại với

các khả năng cập nhật, quản lý, phân tích, hiển thị và chia sẻ kịp thời là cơ sở
cho công tác đánh giá chính xác và hiệu quả các thành phần tài nguyên, môi
trường nói chung và tài nguyên nước mặt nói riêng [10]. Công nghệ địa tin
học mà tiêu biểu là viễn thám và hệ thông tin địa lý (GIS) là các công cụ hiện
đại đáp ứng các yêu cầu đó.
Với những lý do trên, đề tài luận án “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” là xuất phát từ yêu
cầu thực tiễn và có tính khoa học. Kết quả nhận được trong luận án góp phần
nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ Địa tin học cũng như cung cấp thông
tin kịp thời, giúp các nhà quản lý trong giám sát, đánh giá và bảo vệ môi
trường nước mặt khu vực khai thác mỏ.


4

2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác lập được cơ sở khoa học ứng
dụng công nghệ địa tin học trong xây dựng cơ sở dữ liệu đánh giá chất lượng
môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả, Quảng Ninh.
3. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, trong luận án tiến hành nghiên cứu các nội
dung sau:
 Nghiên cứu tổng quan về tài nguyên nước mặt và các nguyên nhân gây
ra sự suy thoái chất lượng ở vùng mỏ Cẩm Phả, các phương pháp đánh giá
chất lượng nước mặt; tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước liên
quan đến ứng dụng công nghệ địa tin học trong xây dựng cơ sở dữ liệu và
đánh giá chất lượng nước mặt.
 Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nước
mặt bằng công nghệ địa tin học phục vụ công tác quản lý, giám sát và đánh

giá chất lượng nước mặt.
 Thu thập số liệu quan trắc chất lượng nước mặt tại 15 điểm quan trắc
trong đất liền và 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả phục vụ xây dựng cơ sở
dữ liệu. Thu thập dữ liệu viễn thám (ảnh vệ tinh Sentinel-2A) phục vụ xác
định hàm lượng một số thông số chất lượng nước khu vực ven biển.
 Nghiên cứu kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá
môi trường EQWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt.
 Khai thác sử dụng cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt nhằm
thành lập các bản đồ chuyên đề về các thông số chất lượng nước, đánh giá
chất lượng nước bằng chỉ số WQI, đánh giá chất lượng nước kết hợp với tư
liệu viễn thám.
 Thử nghiệm ứng dụng phần mềm EQWin và WQI trong đánh giá chất
lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả.


5

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là
chất lượng nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả.
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 các số liệu quan trắc môi
trường nước mặt được đo trực tiếp tại 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 một số thông số chất lượng nước khu vực
ven biển Cẩm Phả.
5. Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp phân tích, tổng hợp: tổng hợp, phân tích các nghiên
cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung luận án; các số liệu, tài liệu
về chất lượng nước mặt khu vực nghiên cứu.
 Phương pháp thu thập số liệu: trong luận án tiến hành thu thập số
liệu tại 15 điểm quan trắc chất lượng nước mặt khu vực đất liền và 20 điểm
khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh giai đoạn 2011 - 2016.
 Phương pháp GIS: kết hợp các phần mềm GIS (MapInfo, ArcGIS) và
phần mềm đánh giá môi trường EQWin Manager trong xây dựng và khai thác
cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh.
 Phương pháp thống kê: sử dụng trong phân tích thống kê nhằm đánh
giá diễn biến theo quý và năm chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm
Phả, Quảng Ninh tại 15 trạm đo trong đất liền.
 Phương pháp viễn thám: sử dụng trong xử lý ảnh vệ tinh quang học
Sentinel 2A nhằm xác định phân bố hàm lượng một số thông số chất lượng
nước khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh.


6

6. Những điểm mới của luận án
Thứ nhất, kết hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá
môi trường EQWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu chất lượng nước mặt là
phương án phù hợp và hiệu quả đối với hiện trạng cơ sở hạ tầng và số liệu
quan trắc chất lượng nước mặt khu vực khai thác mỏ ở nước ta hiện nay.
Thứ hai, cơ sở dữ liệu xây dựng trong luận án là công cụ hiệu quả phục
vụ quản lý, đánh giá và giám sát chất lượng môi trường nước mặt thông qua
thành lập các bản đồ thông số chất lượng nước, đánh giá bằng chỉ số WQI, kết
hợp tư liệu viễn thám trong xác định hàm lượng các thông số chất lượng nước…
7. Luận điểm bảo vệ
Luận điểm 1: Công nghệ Địa tin học là công cụ hiệu quả trong xây dựng

cơ sở dữ liệu chất lượng môi trường nước mặt khu vực khai thác mỏ trên cơ sở
tích hợp các phần mềm GIS và phần mềm quản lý, đánh giá môi trường.
Luận điểm 2: Ứng dụng cơ sở dữ liệu nước mặt giúp quản lý, giám sát
và đánh giá chất lượng môi trường nước mặt một cách hiệu quả theo thời gian
và không gian với sự trợ giúp của công nghệ Địa tin học thông qua các kỹ
thuật phân tích, thống kê không gian.
8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án giúp hoàn
thiện cơ sở khoa học và chứng minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương
pháp ứng dụng công nghệ Địa tin học trong xây dựng và khai thác cơ sở dữ
liệu môi trường nước mặt.
Ý nghĩa thực tiễn: cơ sở dữ liệu môi trường nước mặt xây dựng trong
đề tài luận án có thể được khai thác ứng dụng phục vụ công tác quản lý, giám
sát và sử dụng bền vững tài nguyên nước mặt nói chung, tài nguyên nước mặt
khu vực khai thác mỏ nói riêng.


7

9. Cơ sở tài liệu thực hiện luận án
Bản đồ địa hình: Bản đồ địa hình tỷ lệ 1:25 000 năm 2000 do Cục Bản
đồ/Bộ Tổng tham mưu xây dựng. Bản đồ này được sử dụng để nắn chỉnh ảnh
vệ tinh các thời điểm về hệ tọa độ với hệ quy chiếu VN2000 cũng như phục
vụ xây dựng các bản đồ .
Dữ liệu quan trắc: bao gồm các số liệu đo đạc, quan trắc chất lượng
nước mặt khu vực nghiên cứu giai đoạn 2011 - 2016, trong đó có 15 điểm quan
trắc khu vực đất liền và 20 điểm khu vực ven biển Cẩm Phả, Quảng Ninh.
Tư liệu viễn thám: 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao
Sentinel-2A chụp ngày 16/4/2016 và 02/12/2016 khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh.
10. Cấu trúc luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và nội dung
chính được trình bày trong 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở khoa học ứng dụng địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu
đánh giá chất lượng môi trường nước mặt
Chương 3: Thực nghiệm xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nhằm
đánh giá chất lượng môi trường nước mặt khu vực Cẩm Phả, Quảng Ninh.
11. Lời cảm ơn
Luận án được hoàn thành tại bộ môn Trắc địa Mỏ, trường đại học Mỏ Địa chất, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Kiều Kim Trúc và TS.
Vương Trọng Kha.
Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, NCS luôn nhận được sự
giúp đỡ nhiệt tình của bộ môn Trắc địa mỏ cùng các đơn vị chức năng thuộc
trường đại học Mỏ - Địa chất; Sự tạo điều kiện của Ban giám hiệu Trường
Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, sự ủng hộ của Lãnh đạo khoa
Trắc địa, Bản đồ và Thông tin địa lý thuộc Trường Đại học Tài nguyên và


8

Môi trường Hà Nội; các Thầy cô giáo, các chuyên gia, các nhà khoa học và
các bạn đồng nghiệp hoạt động trong lĩnh vực Trắc địa - Bản đồ ở các đơn vị
như Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội; Trường Đại học Mỏ Địa chất; Cục Đo đạc, Bản đồ và Thông tin địa lý Việt Nam; Học viện Kỹ
thuật Quân sự, Hội Trắc địa - Bản đồ - Viễn thám Việt Nam, v.v…
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Công ty Cổ phần Tin học, Công
nghệ và Môi trường – Vinacomin đã giúp đỡ tôi được tham khảo tài liệu, các
kết quả khảo sát và số liệu quan trắc môi trường giai đoạn 2011 – 2016.
Đặc biệt, NCS bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến PGS.TS
Kiều Kim Trúc và TS. Vương Trọng Kha - người Thầy rất tận tụy giúp đỡ
NCS hoàn thành luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn các Thầy trong Hội đồng đã đọc, góp ý và đánh

giá để NCS hoàn thiện hơn luận án.
Xin trân trọng cảm ơn./.


9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Khái niệm nước mặt và đánh giá chất lượng nước mặt
Nước mặt
Theo ”Thuật ngữ thủy văn và môi trường nước”, tài nguyên nước là
lượng nước trên một vùng đã cho hoặc lưu vực, biểu diễn ở dạng nước có thể
khai thác, bao gồm nước mặt và nước dưới đất.
Điều 2, Luật Tài nguyên nước Việt Nam (2012) quy định: ”Tài nguyên
nước (của Việt Nam) bao gồm các nguồn nước mặt, nước mưa, nước dưới
đất, nước biển thuộc lãnh thổ Việt Nam”. Như vậy, có thể hiểu, tài nguyên
nước của một khu vực là toàn bộ lượng nước có trong đó mà con người có thể
khai thác, sử dụng được cho sinh hoạt, sản xuất trong hiện tại và tương lai.
Nước mặt là một dạng tài nguyên nước. Theo Luật Tài nguyên nước
Việt Nam (2012), ”nước mặt là nước tồn tại trên đất liền và hải đảo”. Nước
mặt là nước trong sông, hồ hoặc nước ngọt trong vùng đất ngập nước. Nước
mặt được bổ sung một cách tự nhiên bởi nước mưa và chúng mất đi khi chảy
vào đại dương, bốc hơi và thấm xuống đất [9].
Do đặc điểm vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên, hơn 60% lượng nước
của Việt Nam tập trung ở lưu vực sông Mê Kong, 16% tập trung ở lưu vực
sông Hồng – Thái Bình và khoảng 4% ở lưu vực sông Đồng Nai. Ở các lưu
vực sông khác, tổng lượng nước mặt chỉ chiếm phần nhỏ còn lại (hình 1.1)
[19]. Bên cạnh đó, tổng lượng nước mặt của Việt Nam cũng phân bố không
đều giữa các mùa do lượng mưa phân bố không đồng đều cả về thời gian và
không gian. Lượng mưa thay đổi theo mùa và thời điểm mùa mưa, mùa khô ở
các vùng là khác nhau.

10

Hình 1.1 Tỉ lệ phân bố tài nguyên nước theo các lưu vực sông [19]

Tổng lượng nước mặt của các lưu vực sông ở nước ta đạt khoảng 830
đến 840 tỷ m3/năm, trong đó khoảng 310 – 315 tỷ m3 là nước nội sinh (chiếm
khoảng 37%), còn lại 520 - 525 tỷ m3 là nước chảy từ các nước láng giềng
vào lãnh thổ Việt Nam [19]. Như vậy, nếu tính theo bình quân đầu người,
nước ta đạt khoảng 9560 m3/người, thấp hơn chuẩn 10000 m3/người/năm của
quốc gia có tài nguyên nước ở mức trung bình theo quan điểm của IWRA –
Hiệp hội Nước quốc tế, và nếu tính theo lượng nước nội sinh thì còn thấp hơn.
Với sự gia tăng dân số cũng như quá trình sử dụng nước thiếu hợp lý, Việt
Nam có thể đối mặt với nguy cơ khan hiếm nước, ảnh hưởng đến sự phát triển
ổn định về kinh tế, xã hội và an ninh lương thực.
Đánh giá chất lượng nước mặt
Chất lượng nước là một chỉ tiêu quan trọng có liên quan tới tất cả khía
cạnh của hệ sinh thái và đời sống con người, như sức khỏe cộng đồng, sản
xuất lương thực, hoạt động kinh tế và đa dạng sinh học.
Xét trên khía cạnh quản lý, chất lượng nước được xác định bởi nhu cầu
sử dụng cuối cùng của nó. Với các mục đích sử dụng nước như giải trí, ăn
uống, môi trường sống cho động thực vật thủy sinh, mức trong sạch của


11

nguồn nước thường đòi hỏi ở cấp độ cao hơn so với các một số các mục đích
khác như đáp ứng nhu cầu cho hoạt động thủy điện. Do đó, theo nghĩa rộng
chất lượng nước là bao gồm các nhân tố vật lý, hóa học và sinh học cần thiết

để đảm bảo cho nhu cầu sử dụng (theo Ủy ban kinh tế Liên hiệp quốc châu
Âu (UNECE), 1995).
Đánh giá chất lượng nước là yêu cầu quan trọng đối với sức khỏe của
con người và chất lượng môi trường. Để đánh giá chất lượng nước cũng như
mức độ gây ô nhiễm nước, có thể dựa vào một số chỉ tiêu cơ bản và quy định
giới hạn của từng chỉ tiêu đó tuân theo Luật Bảo vệ môi trường của một quốc
gia hoặc tiêu chuẩn quốc tế quy định cho từng loại nước sử dụng cho các mục
đích khác nhau. Các chỉ tiêu cơ bản trong đánh giá chất lượng nước mặt có
thể gộp thành 3 nhóm, bao gồm nhóm chỉ tiêu vật lý, chỉ tiêu hóa học và chỉ
tiêu sinh học.
* Chỉ tiêu vật lý
- Độ pH: là chỉ tiêu quan trọng để kiểm tra chất lượng nước cấp và
nước thải. Dựa vào giá trị pH ta sẽ quyết định phương pháp xử lý, và điều
chỉnh lượng và loại hoá chất thích hợp trong quá trình xử lý. Sự thay đổi giá
trị pH trong nước có thể dẫn đến những thay đổi về thành phần các chất trong
nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa; hoặc thúc đẩy hay ngăn chặn những
phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước. pH được xác định bằng máy
đo pH hoặc bằng phương pháp chuẩn độ.
- Độ màu: do các chất gumid, hợp chất keo của sắt, do nhiễm bẩn của
các loại nước thải hay do sự phát triển của rong tảo. Độ màu được xác định
bằng phương pháp so màu với thang Platin - coban và tính bằng độ
- Độ đục: do các chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ phân rã hoặc do
động thực vật thủy sinh gây nên. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng
do vậy ảnh hưởng đến quá trình quang hợp dưới nước. độ đục càng lớn, môi
trường nước bị nhiễm bẩn càng cao và cần phải có biện pháp xử lý.


12

- Chất rắn lơ lửng (TSS): hất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ (hữu cơ hoặc

vô cơ) có trong nước thải. Chất rắn lơ lửng có ảnh hưởng đến chất lượng nước
khi sử dụng cho sản xuất, cho sinh hoạt, cản trở và tiêu tốn nhiều hóa chất
trong quá trình xử lý.
* Chỉ tiêu hóa học
- Hàm lượng oxy hòa tan trong nước (Dissolved Oxygen - DO): hàm
lượng oxy hòa tan trong nước (mg/l) là lượng oxy từ không khí có thể hòa tan
vào nước trong điều kiện nhiệt độ, áp suất xác định. Oxy hòa tan trong nước
tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy trì năng lượng quá trình phát triển,
sinh sản và tái sản xuất cho các loài sinh vật dưới nước. Hàm lượng oxy hòa
tan cho ta biết chất lượng nước. Oxy hòa tan thấp cho biết nước có nhiều chất
hữu cơ, nhu cầu oxy hóa tăng nên tiêu thu nhiều oxy trong nước. Oxy hòa tan
cao, nước nhiều rong tảo tham gia quang hợp giải phóng oxy;
- Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand - BOD): là
lượng oxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong cå quá trình oxy hoá các chất
hữu cơ trong nước, nhất là nước thải sinh hoạt. Chỉ số BOD là thông số quan
trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước. Chỉ số này càng cao cho thấy
nước bị ô nhiễm càng nhiều;
- Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD): đây cũng
là thông số cần thiết để đánh giá chất lượng nguồn nước. Thông thường COD
được sử dụng nhiều hơn BOD, do khi phân tích chỉ số BOD đòi hỏi thời gian
lâu hơn (5 ngày ở nhiệt độ 200C);
- Kim loại nặng (Pb, Cu, Ni, Cd, Hg, Sn, Cr, v.v…) là một số kim loại
nặng đi vào trong nước do nước thải công nghiệp hoặc đô thị. Chủ yếu là chì,
đồng, kẽm, thủy ngân, v.v…Những kim loại này ở điều kiện pH khác nhau sẽ
tồn tại những hình thái khác nhau và gây ô nhiễm môi trường;
- Các hợp chất phốtpho: thường ở dạng H2PO4-, HPO42-, PO43-,
polyphotphat,và phốtpho hữu cơ. Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng