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

O

V

OT O

Ờ

-

Ễ

Ở

Ệ

Ằ

Ứ

VÙNG M

Ệ
Ở

Ệ

Ờ

Ớ

NG NINH

À Ộ - 2018


O

V

OT O

Ờ

-

Ễ

Ệ

Ở

Ằ

Ứ

Ệ
Ở

Ệ

Ờ

Ớ

VÙNG M

NGÀNH :
à Ố

Ắ

-B

: 9520503

Ĩ

Ờ

Ớ

1. PGS.TS
2. TS

À Ộ 2018

Ẫ

Ồ

i

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

guyễn hị ệ

ằng


ii

Ờ

............................................................................................. i
........................................................................................................ ii
Ắ ...................................................................... v
B

B Ể ............................... Error! Bookmark not defined.
Ì

Ở

Ẽ ................................................................................. xi

.......................................................................................................... 1

. Tính c p thiết của đ tài ................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 4
3. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................... 4
4. ối 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. ơ sở tài liệu thực hiện luận án ..................................................................... 7
0.

u trúc luận án .......................................................................................... 7

. Lời cảm ơn .................................................................................................. 7
1

Ổ

Ứ ......................... 9

1.1 hái niệm nước m t và đánh giá ch t lượng nước m t .............................. 9
.2 Những yếu tố ảnh hưởng tới ch t lượng nước m t ................................... 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 ch số WQ đánh giá ch t lượng nước m t ................................. 17

iii

1.4 T ng quan các công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ địa tin học xây
dựng SL và đánh giá ch t lượng nước m t ................................................ 20
1.4. Trên thế giới ........................................................................................... 20
1.4.2 Trong nước ............................................................................................. 29
1.5

hai thác khoáng sản và ảnh hưởng của nó tới ch t lượng nước m t v ng

m

m Phả, Quảng Ninh .............................................................................. 37

.5. Tài nguyên nước m t ở v ng m Quảng Ninh ...................................... 37
.5.2

nh hưởng của khai thác khoáng sản tới ch t lượng nước m t v ng m

m Phả, Quảng Ninh..................................................................................... 39
.6 Tiểu kết chương ...................................................................................... 47
2

Ở
Ở

Ớ

Ứ
Ệ

Ờ

.................................................................................................. 48

2. Nghiên cứu lựa chọn giải pháp ứng dụng địa tin học xây dựng cơ sở dữ
liệu phục vụ đánh giá ch t lượng môi trường nước m t ................................. 48
2. .

hái niệm v

ịa tin học và SL ....................................................... 48

2. .2 hả n ng ứng dụng k thuật địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu và đánh
giá ch t lượng môi trường nước m t ............................................................... 51
2.2 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu ch t lượng môi trường nước m t ... 56
2.3 Phương pháp tính toán ch số WQ ........................................................... 59
2.4

ng dụng k thuật địa tin học khai thác S L ch t lượng nước m t ..... 62

2.4. Thành lập bản đồ ch t lượng nước m t b ng phương pháp nội suy ...... 62
2.4.2 Phân tích thống kê không gian ............................................................... 64
2.4.3 Mô hình hóa ch t lượng môi trường nước ............................................. 66
2.5 Lựa chọn công nghệ ph hợp với v ng m
2.5.

ết hợp các ph n m m

m Phả, Quảng Ninh ......... 69

S và ph n m m môi trường trong xây dựng

S L nước m t............................................................................................... 69


iv

2.5.2 Tích hợp tư liệu viễn thám và

S ......................................................... 71

2.6 Tiểu kết chương 2...................................................................................... 77
3

Ệ

Ở
Ờ

Ệ

Ớ

.................................................................................... 78
3.

c điểm khu vực nghiên cứu .................................................................. 78

3.2

c điểm tư liệu sử dụng trong luận án .................................................... 81

3.2. Số liệu quan tr c ch t lượng nước m t................................................... 81
3.2.2 ữ liệu viễn thám ................................................................................... 84
3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu ch t lượng nước m t khu vực

m Phả, Quảng

Ninh ................................................................................................................. 87
3.4

hai thác, sử dụng cơ sở dữ liệu phục vụ đánh giá, giám sát ch t lượng

môi trường nước m t ....................................................................................... 89
3.4. Xây dựng bản đồ chuyên đ các thông số môi trường nước m t .......... 89
3.4.2

ánh giá ch t lượng nước m t b ng phương pháp thống kê ................ 91

3.4.3 ánh giá biến động hàm lượng các thông số ch t lượng nước theo qu ... 98
3.4.4 ánh giá ch t lượng nước m t b ng ch số WQ ................................. 101
3.4.5 Xác định hàm lượng các thông số ch t lượng nước m t b ng tư liệu viễn
thám ............................................................................................................... 115
3.5 ết luận chương 3 ................................................................................... 130
À
À

Ệ

.................................................................... 131
.......................................................................... 135

1 .................................................................................................. 146
................................................................................................. 158


v

Ắ
vi t tắt

STT
1

gh

GIS - Geographical Information
System

2

WQI - Water Quality Index

3

TSS - Total Suspended Sediment

4

5

BOD

-

Biochemical

Oxygen

Demain
NSMI - Normalized Suspended
Material Index

ti ng iệt

ệ thông tin địa l
h số ch t lượng nước
T ng ch t r n h a tan
Nhu c u oxi sinh hóa
h số vật ch t lơ lửng chu n hóa
àm lượng ch t hóa học h a tan

6

COD

7

SWAT

Mô hình thủy v n, thủy lực SW T

8

SPOT

Vệ tinh SPOT

9

TKV

Tập đoàn Than hoáng sản Việt Nam

10

CSDL

11

IDW

12

NIR - Near Infrared

ận hồng ngoại

13

SWIR - Shortware Infrared

ồng ngoại sóng ng n

14

QCVN

Quy chu n Việt Nam

15

RGB

Red - Green - Blue

16

IWRA

17

UNECE

ơ sở dữ liệu
Phương pháp nội suy khoảng cách
ngược có trọng số

International

Water

Resources

Association
United

Nations

Commission for Europe

Economic


vi

B

BỂ

ảng . T ng lượng nước thải và thải lượng các ch t ô nhiễm trong nước
thải t các khu công nghiệp [20 ..................................................................... 16
ảng .2 ảng xác định giá trị WQ tương ứng với mức đánh giá ch t lượng
nước [2 ......................................................................................................... 20
ảng 2.

ác bộ cảm viễn thám sử dụng ph biến trong đánh giá ch t lượng

nước [42 ......................................................................................................... 55
ảng 2.2. ảng quy định các giá trị qi, BPi..................................................... 60
ảng 3. Tên trạm quan tr c và các thông số môi trường nước m t v ng

m

Phả ................................................................................................................... 83
ảng 3.2

c điểm các kênh ph ảnh vệ tinh Sentinel-2A ............................ 85

ảng 3.3 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

- 2012 ................. 103

ảng 3.4 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

- 2012 ................. 104

ảng 3.5 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

- 2012................ 105

ảng 3.6 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

V- 2012 ............... 106

ảng 3.7 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

- 2014 ................. 106

ảng 3.8 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

– 2014 ............... 107

ảng 3.9 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

- 2014............... 108

ảng 3. 0 ết quả tính WQ cho t ng thông số của qu

V - 2014 ............ 109

ảng 3.

WQ n m cho các qu và cho cả n m 20 2 ................................ 111

ảng 3. 2 WQ n m cho các qu và cho cả n m 20 4 ................................ 112
ảng 3. 3 ảng đánh giá LN m t tại các điểm quan tr c trong các quý I ÷
IV 2012 .......................................................................................................... 113
ảng 3. 4 ảng đánh giá LN m t tại các điểm quan tr c trong các qu

÷ V

20141 .............................................................................................................................13


vii

ảng 3.15

àm lượng ch t lơ lửng trong nước biển ven bờ

Ninh tại các trạm quan tr c và điểm l y m u qu

m Phả, Quảng

và 4 n m 20 6 ............. 118

ảng 3. 6 So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS t ảnh vệ tinh Sentienl2A ngày 6 04 20 6 ...................................................................................... 126
ảng 3. 7 So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS t ảnh vệ tinh Sentienl2 ngày 02 2 20 6 ...................................................................................... 126
ảng 3.18

àm lượng NH4+ trong nước biển ven bờ

tại các trạm quan tr c và điểm l y m u qu

m Phả, Quảng Ninh

và 4 n m 2016 ...................... 127


viii

Ì

Ẽ

ình . T lệ phân bố tài nguyên nước theo các lưu vực sông [ 9 .............. 10

ình .2 T lệ giữa các v ng v t ng lượng các ch t ô nhiễm trong nước
thải sinh hoạt [ 9 .......................................................................................... 14
ình .3 Nước thải sinh hoạt gây ô nhiễm ở Quảng Ninh nguồn: internet . 15
ình .4 Vị trí một số trạm quan tr c trong nghiên cứu của

lssgeer et al.

(2017). ............................................................................................................. 22
ình .5 iao diện ứng dụng

S phục vụ quản l ch t lượng nước m t trong

nghiên cứu của oubakri, Rhinane 20 7 ..................................................... 22
ình .6

iao diện ứng dụng

S quản l ch t lượng nước ở Washington

(Bilhimer, 2012) ............................................................................................. 23
ình .7 ết quả nội suy hàm lượng anxi, Magie, lo trong nước ng m khu
vực hadravathia b ng phương pháp
ình .8

ết quả nội suy hàm lượng p

W..................................................... 24
trong nghiên cứu của

harbia et al

(2016) .............................................................................................................. 25
ình .9 Vị trí các điểm l y m u ch t lượng nước trong nghiên cứu của Weipi
He [46] ............................................................................................................. 26
ình .10

ết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và N

3-N

trong

nghiên cứu của Weipi e ................................................................................ 26
ình .11 Tư liệu ảnh Landsat 8 và sơ đồ các điểm l y m u ch t lượng nước
trong nghiên cứu của Li et al. 20 8 [50 ...................................................... 27
ình . 2
ương,

nhiễm nước m t do khai thác than ở suối

iễn Vọng, Mông

m Phả nguồn nternet) .................................................................. 40

ình . 3 Tác động của khai thác than đối với các thành ph n tài nguyên,
môi trường ...................................................................................................... 43
ình . 4 Tác động bồi l p sông suối trong khai thác than tại

m Phả,

Quảng Ninh nguồn nternet .......................................................................... 45


ix

ình . 5

iễn biến một số thông số ch t lượng nước khu vực

Quảng Ninh giai đoạn 2005 – 2009 nguồn: T ng

m Phả,

ông ty than khoáng sản

Việt Nam ........................................................................................................ 46
ình 2. Minh họa v các k thuật trong công nghệ

ịa tin học nguồn

Internet) ........................................................................................................... 48
ình 2.2 Ví dụ v cơ sở dữ liệu ch t lượng môi trường nước m t khu vực
Parkowe, Ba Lan (Absalon et al., 2002) [25].................................................. 53
ình 2.3 Sơ đồ quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu ch t lượng môi trường nước
m t ................................................................................................................... 57
ình 2.4 Sơ đồ quy trình thành lập bản đồ phân bố các thông số ch t lượng
nước t cơ sở dữ liệu ....................................................................................... 63
ình 2.5 Ví dụ v sử dụng phương pháp nội suy không gian trong đánh giá
ch t lượng nước khu vực hồ Tonle Sap, ambodia a – Simple Kriging, b –
Ordiginal Kriging, c – IDW) (Chum et al., 2017) [36] ................................... 64

ình 2.6 Sự thay đ i v không gian đối với các thông số ch t lượng nước p ,
COD, TN, F (Lee and White,1992) [48] ......................................................... 66
ình 2.7 ác thành tố chính trong mô hình môi trường ................................. 67
ình 2.8 Mô tả mô hình QU TOX trong đánh giá ô nhiễm nước ngọt ...... 68
ình 2.9 iao diện ph n m m QWin ata Manager ................................... 70
ình 2. 0 ết quả xác định hàm lượng chlorophyll-a t ảnh vệ tinh Spot, khu
vực hồ chứa Te- hi, ài Loan Yang et al., 1996) [76] ................................. 72
Hình 2.11

ác thành ph n của bức xạ M t Trời đi tới nguồn nước được bộ

cảm biến ghi nhận ........................................................................................... 73
Hình 2.12 ác thành ph n bức xạ thu nhận t đ u thu [54, 55] ..................... 75
ình 3.

ản đồ hành chính thành phố

m Phả, Quảng Ninh ..................... 78

ình 3.2 Một số hoạt động kinh tế – xã hội tại

m Phả, Quảng Ninh ......... 81


x

ình 3.3 Tư liệu ảnh Sentinel-2
Quảng Ninh, R

m Phả,

=432................................................................................... 86

ình 3.4 Tư liệu ảnh Sentinel-2
Quảng Ninh, R

chụp ngày 6 4 20 6 khu vực
chụp ngày 0

2 20 6 khu vực

m Phả,

=432................................................................................... 86

ình 3.5 Nhập dữ liệu trong QWin .............................................................. 88
ình 3.6

iển thị cơ sở dữ liệu và đồ thị thông số môi trường nước m t

m

Phả, Quảng Ninh trong ph n m m QWin .................................................... 89
ình 3.7 Ví dụ nhập dữ liệu ch t lượng nước m t trong ph n m m QWin . 90
ình 3.8 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số oliform qu
ình 3.9 Ví dụ kết quả thành lập bản đồ thông số O qu
ình 3. 0

ồ thị thông số O

5

V 20 6 .... 90

V 20 6 ........... 91

các đợt quan tr c tại các trạm đo giai đoạn

2011 - 20 6 và giới hạn theo Q VN 08:2008 ................................................ 92
ình 3.

ồ thị thông số

ộp

các đợt quan tr c tại các trạm đo giai đoạn

2011 - 20 6 và giới hạn theo Q VN 08:2008 ................................................ 93
ình 3. 2

ồ thị thông số NO2 các đợt quan tr c tại các trạm đo giai đoạn

2014 - 20 6 và giới hạn theo Q VN 08:2008 ................................................ 94
ình 3. 3
đoạn 20
ình 3. 4

ồ thị thông số

oliform các đợt quan tr c tại các trạm đo giai

- 20 6 và giới hạn theo Q VN 08:2008. ...................................... 95
ồ thị thông số kim loại n ng t ng Fe các đợt quan tr c tại các

trạm đo giai đoạn 2011 - 20 6 và giới hạn theo Q VN 08:2008 ................... 96
ình 3. 5 ồ thị thông số

u mỡ các đợt quan tr c tại các trạm đo giai đoạn

2011 - 20 6 và giới hạn theo Q VN 08:2008 ................................................ 98
ình 3. 6

ồ thị diễn biến hàm lượng TSS theo m a giai đoạn 20

tại 5 điểm quan tr c nước m t ở
ình 3. 7

m Phả, Quảng Ninh .............................. 99

ồ thị diễn biến hàm lượng p

tại 5 điểm quan tr c nước m t ở

- 20 6

theo m a giai đoạn 20

– 20 6

m Phả, Quảng Ninh ............................ 100

xi

ình 3. 8

ết quả xác định ch số NSM đối với khu vực

m Phả, Quảng

Ninh t ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 6 04 20 6 a và 02 2 20 6 b .... 117
ình 3. 9 Sơ đồ các điểm quan tr c, l y m u ch t lượng nước khu vực

m

Phả, Quảng Ninh ........................................................................................... 118
ình 3.20

ết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị ch số NSM và hàm

lượng ch t lơ lửng trong nước biển khu vực

m Phả, Quảng Ninh ngày

16/04/2016 ..................................................................................................... 120
ình 3.2

ết quả xác định hàm hồi quy giữa giá trị ch số NSM và hàm

lượng ch t lơ lửng trong nước biển khu vực

m Phả, Quảng Ninh ngày

02/12/2016 ..................................................................................................... 122
ình 3.22
ven biển

ết quả xác định hàm lượng ch t lơ lửng trong nước m t khu vực
m Phả t ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 6 04 20 6 .................. 123

ình 3.23 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS t ảnh vệ tinh Sentinel
2

ngày 6 04 20 6 khu vực

m Phả, Quảng Ninh, đoạn g n thành phố

m Phả ........................................................................................................ 123
ình 3.24 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS t ảnh vệ tinh Sentinel 2
ngày 6 04 20 6 khu vực
ình 3.25
ven biển

m Phả, Quảng Ninh, đoạn g n biển Vân ồn........124

ết quả xác định hàm lượng ch t lơ lửng trong nước m t khu vực
m Phả t ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 02 2 20 6 .................. 124

ình 3.26 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS t ảnh vệ tinh Sentinel
2

ngày 02 2 20 6 khu vực

m Phả, Quảng Ninh, đoạn g n thành phố

m Phả ........................................................................................................ 125
ình 3.27 Phóng to kết quả xác định hàm lượng TSS t ảnh vệ tinh Sentinel 2
ngày 02 2 20 6 khu vực
ình 3.28
biển

ết quả xác định hàm lượng N

+
4

trong nước m t khu vực ven

m Phả t ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 6 04 20 6 ......................... 129

ình 3.29
biển

m Phả, Quảng Ninh, đoạn g n biển Vân ồn........125

ết quả xác định hàm lượng N

+
4

trong nước m t khu vực ven

m Phả t ảnh vệ tinh Sentinel-2 ngày 02 2 20 6 ......................... 129


1

Ở
1

nh c p thi t củ

t i

Nước là một nguồn tài nguyên vô c ng qu giá, là thành ph n thiết yếu
của sự sống và môi trường. ó thể coi nước là thành ph n quyết định đến sự
tồn tại và phát triển của m i quốc gia.
Việt Nam là một nước có nguồn tài nguyên nước m t phong phú.

o

đ c th v vị trí địa l và đ c điểm đi u kiện tự nhiên, t ng lượng nước m t
của nước ta phân bố không đồng đ u cả v thời gian và không gian, d n đến
tình trạng có những v ng bị l lụt thường xuyên, trong khi đó có những v ng
lại bị khô hạn k o dài.

ơn nữa, m c d có nguồn tài nguyên nước dồi dào,

tuy nhiên tài nguyên nước m t ở Việt Nam không phải là vô tận. Nước m t
c ng dễ bị t n thương do được khai thác tối đa phục vụ cho các nhu c u sinh

hoạt và phát triển kinh tế xã hội. ên cạnh đó, c ng với sự phát triển mạnh m
của kinh tế - xã hội, những ảnh hưởng tiêu cực của các hoạt động này đến
nguồn nước khiến tình trạng ô nhiễm nước m t 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
t ng dân số gây áp lực ngày càng n ng n đối với tài nguyên nước m t ở các
hệ thống sông, hồ c ng như ven biển. Môi trường nước m t ở nhi u khu vực
trên thế giới đang bị ô nhiễm n ng n bởi nước thải, khí thải và ch t thải r n.
Xây dựng cơ sở dữ liệu ch t lượng nước m t đang là một v n đ có tính c p
thiết, phục vụ công tác quản l , bảo vệ và sử dụng b n vững nguồn tài nguyên
nước m t 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, s t,
d u khí...Khai thác m là ngành công nghiệp giữ vai tr quan trọng trong n n
kinh tế Việt Nam, góp ph n quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội ở


2

nước ta thời gian qua. ên cạnh những lợi ích to lớn mang lại, công nghiệp
khai thác m c ng tác động mạnh m đối với các thành ph n tài nguyên, môi
trường, phá vỡ thế hài h a vốn có của cảnh quan thiên nhiên trên một diện
tích rộng lớn. Tại các khu vực khai thác m lộ thiên, do không có ao chứa
l ng, xử l nên ph n lớn các nhà máy đưa trực tiếp nước thải ra môi trường
mà không qua b t k hình thức xử l nào.

ên cạnh đó, trong những n m

trước đây, nhi u đơn vị khai thác khoáng sản ch quan tâm đến lợi ích kinh tế
trước m t mà xem nhẹ công tác bảo vệ môi trường.

ậu quả là nhi u thành

ph n tài nguyên và môi trường v ng m bị tác động và biến đ i mạnh m , ảnh
hưởng trực tiếp ho c gián tiếp đến đời sống dân sinh trong khu vực mà nước
m t là một đối tượng quan trọng.
ng như nhi u v ng khác trong cả nước,

m Phả là thành phố công-

nông nghiệp. ên cạnh công nghiệp m , các loại hình công nghiệp khác như
nhiệt điện, xi m ng, cơ khí v.v...ngày càng được phát triển.

ng với quá

trình công nghiệp hoá và đô thị hoá, dân số ngày một t ng, nhu c u cung c p
nước cho các ngành công-nông nghiệp và sinh hoạt ngày càng lớn. Một
nghịch l đang diễn ra gay g t: công nghiệp càng phát triển, dân số càng t ng
thì tài nguyên nước m t ngày càng bị suy thoái cả v số lượng và ch t lượng.
ác nguồn nước m t trong các ao hồ, sông suối và nước ven biển v ng m
m Phả đang bị ô nhiễm tr m trọng. Ngoài những nguyên nhân ph quát do
ô nhiễm không khí, ch t thải r n, ch t thải l ng t hoạt động công nghiệp,
giao thông vận tải, nông nghiệp và sinh hoạt của người dân, ch t lượng nước
m t v ng m

m Phả c n bị suy giảm n ng n bởi nguyên nhân khai thác

m . Nước m lộ thiên, h m l ; nước m t các cơ sở tuyển khoáng, nước
chảy tràn t bãi thải và bãi chứa than v.v…là các nhân tố làm gia t ng quy mô
và mức độ ô nhiễm làm suy giảm nghiêm trọng ch t lượng nước m t v ng m

m Phả.

ân số ngày càng t ng, các hoạt động du lịch, công nghiệp khai


3

thác khoáng sản, cơ khí, xi m ng ngày càng mở rộng là các nguyên nhân t ng
hợp làm suy giảm ch t lượng tài nguyên nước m t v ng m

m Phả. Mọi

nghiên cứu xác định nguyên nhân, phân tích các thành ph n, đánh giá ch t
lượng nguồn nước m t v ng m

m Phả Quảng Ninh là nhu c u c p thiết

nh m xác định diễn biến ch t lượng nước, phân v ng và nhận diện các thành
ph n ô nhiễm, hướng tới xây dựng các giải pháp xử l , quản l các nguồn
nước m t trong khu vực, góp ph n ng n ng a, giảm thiểu các tác động tiêu
cực, nâng cao ch t lượng nước sạch cho dân cư v ng Quảng Ninh nói chung
và khu vực

m Phả nói riêng.

ó nhi u phương pháp đánh giá ch t lượng nước m t. M i phương
pháp đ u có ưu nhược điểm và đi u kiện ứng dụng riêng.

là đánh giá b ng

phương pháp nào c ng phải dựa trên cơ sở dữ liệu. M c d đã được quan tr c
nhi u, nhưng dữ liệu nước m t v ng m

m Phả Quảng Ninh v n c n bị

phân tán v định dạng, v c u trúc, v chu n hoá dữ liệu v.v…Một cơ sở dữ
liệu đ y đủ, được xây dựng b ng các phương pháp và công nghệ hiện đại với
các khả n ng cập nhật, quản l , phân tích, hiển thị và chia sẻ kịp thời là cơ sở
cho công tác đánh giá chính xác và hiệu quả các thành ph n tài nguyên, môi
trường nói chung và tài nguyên nước m t nói riêng [ 0 .
học mà tiêu biểu là viễn thám và hệ thông tin địa l

ông nghệ địa tin

S là các công cụ hiện

đại đáp ứng các yêu c u đó.
Với những l do trên, đ 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 xu t phát t yêu
c u thực tiễn và có tính khoa học.

ết quả nhận được trong luận án góp ph n

nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ

ịa tin học c ng như cung c p thông

tin kịp thời, giúp các nhà quản l trong giám sát, đánh giá và bảo vệ môi
trường nước m t khu vực khai thác m .

4

2

ục 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 ch t lượng
môi trường nước m t v ng m
3

m Phả, Quảng Ninh.

ội dung nghiên cứu
ể đạt được mục tiêu trên, trong luận án tiến hành nghiên cứu các nội

dung sau:
 Nghiên cứu t ng quan v tài nguyên nước m t và các nguyên nhân gây
ra sự suy thoái ch t lượng ở v ng m C m Phả, các phương pháp đánh giá
ch t lượng nước m t; t ng 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 ch t lượng nước m t.
 Nghiên cứu cơ sở khoa học xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nước
m t b ng công nghệ địa tin học phục vụ công tác quản l , giám sát và đánh
giá ch t lượng nước m t.
 Thu thập số liệu quan tr c ch t lượng nước m t tại 5 điểm quan tr c
trong đ t li n và 20 điểm khu vực ven biển

m Phả phục vụ xây dựng cơ sở

dữ liệu. Thu thập dữ liệu viễn thám ảnh vệ tinh Sentinel-2

phục vụ xác

định hàm lượng một số thông số ch t lượng nước khu vực ven biển.
 Nghiên cứu kết hợp các ph n m m

S và ph n m m quản l , đánh giá

môi trường QWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường nước m t.
 hai thác sử dụng cơ sở dữ liệu ch t lượng môi trường nước m t nh m
thành lập các bản đồ chuyên đ v các thông số ch t lượng nước, đánh giá
ch t lượng nước b ng ch số WQ , đánh giá ch t lượng nước kết hợp với tư
liệu viễn thám.
 Thử nghiệm ứng dụng ph n m m QWin và WQ trong đánh giá ch t
lượng môi trường nước m t vùng m C m Phả.


5

4

ối tượng v phạm vi nghiên cứu
ối tượng nghiên cứu
Xu t phát t yêu c u của đ tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là

ch t lượng nước m t v ng m

m Phả.

hạm vi nghiên cứu
Phạm vi không gian: luận án lựa chọn thực nghiệm ở khu vực

m Phả

- Quảng Ninh.
Phạm vi thời gian: đ tài luận án xây dựng với các số liệu quan tr c môi
trường nước m t được đo trực tiếp tại

m Phả giai đoạn 20

- 2016. Trong

luận án c ng sử dụng 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học Sentinel 2

n m 20 6

nh m đánh giá phân bố hàm lượng một số thông số ch t lượng nước khu vực
ven biển
5

m Phả.

hương pháp nghiên cứu
 Phương pháp phân tích, t ng hợp: t ng hợp, phân tích các nghiên

cứu trong và ngoài nước liên quan đến nội dung luận án; các số liệu, tài liệu
v ch t lượng nước m t khu vực nghiên cứu.

 Phương pháp thu thập số liệu: trong luận án tiến hành thu thập số
liệu tại 5 điểm quan tr c ch t lượng nước m t khu vực đ t li n và 20 điểm
khu vực ven biển

m Phả, Quảng Ninh giai đoạn 20

 Phương pháp

S: kết hợp các ph n m m

- 2016.
S Map nfo, rc

S và

ph n m m đánh giá môi trường QWin Manager trong xây dựng và khai thác
cơ sở dữ liệu ch t lượng môi trường nước m t khu vực

m Phả, Quảng Ninh.

 Phương pháp thống kê: sử dụng trong phân tích thống kê nh m đánh
giá diễn biến theo qu và n m ch t lượng môi trường nước m t khu vực

m

Phả, Quảng Ninh tại 5 trạm đo trong đ t li n.
 Phương pháp viễn thám: sử dụng trong xử l ảnh vệ tinh quang học
Sentinel 2

nh m xác định phân bố hàm lượng một số thông số ch t lượng

nước khu vực ven biển

m Phả, Quảng Ninh.


6

6

hững iểm mới củ luận án
hứ nh t, kết hợp các ph n m m

môi trường

S và ph n m m quản l , đánh giá

QWin trong xây dựng cơ sở dữ liệu ch t lượng nước m t là

phương án ph hợp và hiệu quả đối với hiện trạng cơ sở hạ t ng và số liệu
quan tr c ch t lượng nước m t khu vực khai thác m ở nước ta hiện nay.
hứ h i, cơ sở dữ liệu xây dựng trong luận án là công cụ hiệu quả phục
vụ quản l , đánh giá và giám sát ch t lượng môi trường nước m t thông qua
thành lập các bản đồ thông số ch t lượng nước, đánh giá b ng ch số WQ , kết
hợp tư liệu viễn thám trong xác định hàm lượng các thông số ch t lượng nước…
7

uận iểm bảo vệ
uận iểm 1: ông nghệ ịa tin học là công cụ hiệu quả trong xây dựng

cơ sở dữ liệu ch t lượng môi trường nước m t khu vực khai thác m trên cơ sở
tích hợp các ph n m m

S và ph n m m quản l , đánh giá môi trường.

uận iểm 2: Cơ sở dữ liệu nước m t xây dựng trong nghiên cứu giúp
quản l , giám sát và đánh giá ch t lượng môi trường nước m t khu vực

m

Phả Quảng Ninh một cách hiệu quả theo thời gian và không gian thông qua
các k thuật phân tích, thống kê không gian.
8 Ý ngh

kho học v thực tiễn

Ý ngh

kho học:

ết quả nghiên cứu của đ 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

ịa tin học trong xây dựng và khai thác cơ sở dữ

liệu môi trường nước m t.
Ý ngh

thực tiễn: cơ sở dữ liệu môi trường nước m t xây dựng trong

đ tài luận án có thể được khai thác ứng dụng phục vụ công tác quản l , giám
sát và sử dụng b n vững tài nguyên nước m t nói chung, tài nguyên nước m t
khu vực khai thác m nói riêng.


7

9

ơ sở t i liệu thực hiện luận án
Bản ồ ị hình: ản đồ địa hình tỷ lệ :25 000 n m 2000 do ục ản

đồ ộ T ng tham mưu xây dựng. ản đồ này được sử dụng để n n ch nh ảnh
vệ tinh các thời điểm v hệ tọa độ với hệ quy chiếu VN2000 c ng như phục
vụ xây dựng các bản đồ .
ữ liệu qu n trắc: bao gồm các số liệu đo đạc, quan tr c ch t lượng
nước m t khu vực nghiên cứu giai đoạn 2011 - 2016, trong đó có 5 điểm quan
tr c khu vực đ t li n và 20 điểm khu vực ven biển

m Phả, Quảng Ninh.

ư liệu viễn thám: 02 cảnh ảnh vệ tinh quang học độ phân giải cao
Sentinel-2 chụp ngày 6 4 20 6 và 02 2 20 6 khu vực
10

m Phả, Quảng Ninh.

u trúc luận án

Luận án bao gồm ph n mở đ u, kết luận, tài liệu tham khảo và nội dung

chính được trình bày trong 03 chương:
hương : T ng quan v v n đ nghiên cứu
hương 2: ơ sở khoa học ứng dụng địa tin học xây dựng cơ sở dữ liệu
đánh giá ch t lượng môi trường nước m t
hương 3: Thực nghiệm xây dựng và khai thác cơ sở dữ liệu nh m
đánh giá ch t lượng môi trường nước m t khu vực
11

m Phả, Quảng Ninh.

ời cảm ơn
Luận án được hoàn thành tại bộ môn Tr c địa M , trường đại học M -

ịa ch t, dưới sự hướng d n khoa học của P S.TS

i u

im Trúc và TS.

Vương Trọng ha.
Trong quá trình học tập và thực hiện luận án, N S luôn nhận được sự
giúp đỡ nhiệt tình của bộ môn Tr c địa m c ng các đơn vị chức n ng thuộc
trường đại học M -

ịa ch t; Sự tạo đi u kiện của

ại học Tài nguyên và Môi trường
Tr c địa,

an giám hiệu Trường

à Nội, sự ủng hộ của Lãnh đạo khoa

ản đồ và Thông tin địa l thuộc Trường

ại học Tài nguyên và


8

Môi trường

à Nội; các Th y cô giáo, các chuyên gia, các nhà khoa học và

các bạn đồng nghiệp hoạt động trong lĩnh vực Tr c địa - ản đồ ở các đơn vị
như Trường ại học Tài nguyên và Môi trường à Nội; Trường ại học M ịa ch t;

ục

o đạc,

ản đồ và Thông tin địa l Việt Nam;

ọc viện

thuật Quân sự, ội Tr c địa - ản đồ - Viễn thám Việt Nam, v.v…
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn

ông ty

ph n Tin học,

ông

nghệ và Môi trường – Vinacomin đã giúp đỡ tôi được tham khảo tài liệu, các
kết quả khảo sát và số liệu quan tr c môi trường giai đoạn 20

– 2016.

c biệt, N S bày t l ng biết ơn chân thành và sâu s c đến P S.TS
i u

im Trúc và TS. Vương Trọng

ha - người Th y r t tận tụy giúp đỡ

N S hoàn thành luận án này.
Xin trân trọng cảm ơn các Th y trong
giá để N S hoàn thiện hơn luận án.
Xin trân trọng cảm ơn. .

ội đồng đã đọc, góp

và đánh


9

1. Ổ
1.1

hái niệm nước m t v

Ứ
ánh giá ch t lượng nước m t

ước m t
Theo ”Thuật ngữ thủy v n và môi trường nước”, tài nguyên nước là
lượng nước trên một v ng đã cho ho c lưu vực, biểu diễn ở dạng nước có thể
khai thác, bao gồm nước m t và nước dưới đ t.
i u 2, Luật Tài nguyên nước Việt Nam 20 2 quy định: ”Tài nguyên
nước của Việt Nam bao gồm các nguồn nước m t, nước mưa, nước dưới
đ t, nước biển thuộc lãnh th 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 xu t trong hiện tại và tương lai.
Nước m t là một dạng tài nguyên nước. Theo Luật Tài nguyên nước
Việt Nam 20 2 , ”nước m t là nước tồn tại trên đ t li n và hải đảo”. Nước
m t là nước trong sông, hồ ho c nước ngọt trong v ng đ t ngập nước. Nước
m t được b sung một cách tự nhiên bởi nước mưa và chúng m t đi khi chảy
vào đại dương, bốc hơi và th m xuống đ t [9 .
o đ c điểm vị trí địa l và đi u kiện tự nhiên, hơn 60
của Việt Nam tập trung ở lưu vực sông Mê
sông

ồng – Thái ình và khoảng 4

ong, 6

ở lưu vực sông

lượng nước

tập trung ở lưu vực
ồng Nai.

các lưu

vực sông khác, t ng lượng nước m t ch chiếm ph n nh c n lại hình 1.1)
[19]. ên cạnh đó, t ng lượng nước m t của Việt Nam c ng phân bố không
đ u giữa các m a do lượng mưa phân bố không đồng đ u cả v thời gian và
không gian. Lượng mưa thay đ i theo m a và thời điểm m a mưa, m a khô ở
các v ng là khác nhau.


10

H

19]

T ng lượng nước m t của các lưu vực sông ở nước ta đạt khoảng 830
đến 840 tỷ m3 n m, trong đó khoảng 3 0 – 3 5 tỷ m3 là nước nội sinh chiếm
khoảng 37

, c n lại 520 - 525 tỷ m3 là nước chảy t các nước láng gi ng

vào lãnh th Việt Nam [19 . Như vậy, nếu tính theo bình quân đ u người,
nước ta đạt khoảng 9560 m3 người, th p hơn chu n 0000 m3 người n m của

quốc gia có tài nguyên nước ở mức trung bình theo quan điểm của WR

–

iệp hội Nước quốc tế, và nếu tính theo lượng nước nội sinh thì c n th p hơn.
Với sự gia t ng dân số c ng như quá trình sử dụng nước thiếu hợp l , Việt
Nam có thể đối m t với nguy cơ khan hiếm nước, ảnh hưởng đến sự phát triển
n định v kinh tế, xã hội và an ninh lương thực.
ánh giá ch t lượng nước m t
h t lượng nước là một ch tiêu quan trọng có liên quan tới t t cả khía
cạnh của hệ sinh thái và đời sống con người, như sức kh e cộng đồng, sản
xu t lương thực, hoạt động kinh tế và đa dạng sinh học.
X t trên khía cạnh quản l , ch t lượng nước được xác định bởi nhu c u
sử dụng cuối c ng của nó. Với các mục đích sử dụng nước như giải trí, n
uống, môi trường sống cho động thực vật thủy sinh, mức trong sạch của


11

nguồn nước thường đ i h i ở c p độ cao hơn so với các một số các mục đích
khác như đáp ứng nhu c u cho hoạt động thủy điện.

o đó, theo nghĩa rộng

ch t lượng nước là bao gồm các nhân tố vật l , hóa học và sinh học c n thiết
để đảm bảo cho nhu c u sử dụng theo

y ban kinh tế Liên hiệp quốc châu

Âu (UNECE), 1995).

ánh giá ch t lượng nước là yêu c u quan trọng đối với sức kh e của
con người và ch t lượng môi trường.

ể đánh giá ch t lượng nước c ng như

mức độ gây ô nhiễm nước, có thể dựa vào một số ch tiêu cơ bản và quy định
giới hạn của t ng ch tiêu đó tuân theo Luật ảo vệ môi trường của một quốc
gia ho c tiêu chu n quốc tế quy định cho t ng loại nước sử dụng cho các mục
đích khác nhau.

ác ch tiêu cơ bản trong đánh giá ch t lượng nước m t có

thể gộp thành 3 nhóm, bao gồm nhóm ch tiêu vật l , ch tiêu hóa học và ch
tiêu sinh học.
* Chỉ tiêu vật lý
-

ộ pH: là ch tiêu quan trọng để kiểm tra ch t lượng nước c p và

nước thải.

ựa vào giá trị p

ta s quyết định phương pháp xử l , và đi u

ch nh lượng và loại hoá ch t thích hợp trong quá trình xử l . Sự thay đ i giá
trị p trong nước có thể d n đến những thay đ i v thành ph n các ch t trong
nước do quá trình h a tan ho c kết tủa; ho c thúc đ y hay ng n ch n những
phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước. p

được xác định b ng máy

đo p ho c b ng phương pháp chu n độ.
-

ộ m u: do các ch t gumid, hợp ch t keo của s t, do nhiễm b n của

các loại nước thải hay do sự phát triển của rong tảo.

ộ màu được xác định

b ng phương pháp so màu với thang Platin - coban và tính b ng độ
-

ộ ục: do các ch t r n lơ lửng, các ch t hữu cơ phân rã ho c do

động thực vật thủy sinh gây nên.

ộ đục làm giảm khả n ng truy n ánh sáng

do vậy ảnh hưởng đến quá trình quang hợp dưới nước. độ đục càng lớn, môi
trường nước bị nhiễm b n càng cao và c n phải có biện pháp xử l .


12

-

h t rắn lơ lửng (TSS : h t r n lơ lửng là các hạt nh

hữu cơ ho c

vô cơ có trong nước thải. h t r n lơ lửng có ảnh hưởng đến ch t lượng nước
khi sử dụng cho sản xu t, cho sinh hoạt, cản trở và tiêu tốn nhi u hóa ch t
trong quá trình xử l .
* Chỉ tiêu hóa học
-

m lượng oxy hò t n trong nước (Dissolved Oxygen - DO): hàm

lượng oxy h a tan trong nước mg l là lượng oxy t không khí có thể h a tan
vào nước trong đi u kiện nhiệt độ, áp su t xác định. Oxy h a tan trong nước
tham gia vào quá trình trao đ i ch t, duy trì n ng lượng quá trình phát triển,
sinh sản và tái sản xu t cho các loài sinh vật dưới nước.

àm lượng oxy h a

tan cho ta biết ch t lượng nước. Oxy h a tan th p cho biết nước có nhi u ch t
hữu cơ, nhu c u oxy hóa t ng nên tiêu thu nhi u oxy trong nước. Oxy h a tan
cao, nước nhi u rong tảo tham gia quang hợp giải phóng oxy;
-

hu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand - BOD): là

lượng oxy c n thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong cå quá trình oxy hoá các ch t
hữu cơ trong nước, nh t là nước thải sinh hoạt. h số O
trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước.

là thông số quan

h số này càng cao cho th y

nước bị ô nhiễm càng nhi u;
-

hu cầu oxy hó học (Chemical Oxygen Demand - COD): đây c ng

là thông số c n thiết để đánh giá ch t lượng nguồn nước. Thông thường O
được sử dụng nhi u hơn O , do khi phân tích ch số O đ i h i thời gian
lâu hơn 5 ngày ở nhiệt độ 200C);
-

im loại n ng Pb, u, Ni, d, g, Sn, r, v.v… là một số kim loại

n ng đi vào trong nước do nước thải công nghiệp ho c đô thị. hủ yếu là chì,
đồng, k m, thủy ngân, v.v…Những kim loại này ở đi u kiện p khác nhau s
tồn tại những hình thái khác nhau và gây ô nhiễm môi trường;
-

ác hợp ch t phốtpho: thường ở dạng

polyphotphat,và phốtpho hữu cơ.

2PO4

-

, HPO42-, PO43-,

ây là một trong những nguồn dinh dưỡng