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
GIS -

Nghĩa tiếng Việt

Geographical Information Hệ thông tin địa lý

System
2

WQI - Water Quality Index

Chỉ số chất lượng nước

3

TSS - Total Suspended Sediment Tổng chất rắn hòa tan

4

BOD

- Biochemical Oxygen Nhu cầu oxi sinh hóa

Demain
5

NSMI

- Normalized Suspended Chỉ số vật chất lơ lửng chuẩn hóa

Material Index
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

Phương pháp nội suy khoảng cách
ngược có trọng số

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

International
Association

Water

Resources

17

UNECE

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 3.7Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý I - 2014 ................. 105
Bảng 3.8Kết quả tính WQI cho từng thông số của quý II – 2014 ............... 106
Bảng 3.9Kết 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 Sentienl-

2A ngày 16/04/2016......................................................................................................... 124
Bảng 3.17 So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentienl-

2A 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 Sentinel2A 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 m 3 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.