Khai thác dữ liệu viễn thám ước tính chỉ số sử dụng nước sạch cho vụ lúa tỉnh Phú Yên

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQGTPHCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phan Hiền Vũ

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Phan Thị Anh Thư

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Thái Bình

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 16 tháng 8 năm 2018.
Thành phần hội đồng đảnh giả luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Trần Trọng Đức
2. TS. Phan Thị Anh Thư
3. TS. Trần Thái Bình
4. TS. Lê Minh Vĩnh
5. TS. Nguyễn Trường Ngân

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KTXD


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYÊN TUẤN ANH

MSHV: 1570193

Ngày, tháng, năm sinh: 26-05-1987

Nơi sinh: Hải Dương
Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý
Mã số: 60440214
L TÊN ĐỀ TÀI:
“KHAI THÁC DỮ LIỆU VIỄN THÁM ƯỚC TÍNH CHỈ SỐ SỬ DỤNG NƯỚC SẠCH
CHO VỤ LÚA TỈNH PHỦ YÊN”
IL NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tìm hiểu về Water footprint ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp, thu thập ảnh
LANpSAT 8 giai đoạn từ tháng 12-2015 đến thảng 4-2016 và thực hiện tính toán chỉ số
mùa vụ của cây lúa thông qua giá trị NDVI, tính toán chỉ số sử dụng nước sạch cho cây
lúa vụ Đông Xuân của tỉnh Phú Yên.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10-7-2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17-6-2018
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHAN HIỀN VŨ

Tp. HCM, ngày.... thảng' năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KTXD
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn, em đã nhận được sự giúp
đỡ của quý Thầy cô giáo bộ môn Địa Tin học, trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ
Chí Minh, gia đình, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ
Chí Minh đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm khoa học cho em.
Đặc biệt em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS. Phan Hiền Vũ, người đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong toàn bộ thời gian thực hiện luận văn.
Trong thời gian thực hiện luận văn, bản thân em đã cố gắng hết sức để đạt được kết
quả tốt nhất. Tuy nhiên vẫn còn nhiều thiếu sót khi bước đầu làm quen với công tác
nghiên cứu khoa học, kính mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô giáo, bạn bè, đồng
nghiệp để luận văn của em hoàn chỉnh ơn.
Cuối cùng, em kính chúc quý Thầy Cô giáo luôn dồi dào sức khỏe và đạt được
nhiều thành công trong công việc và cuộc sống.
Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên

Nguyễn Tuấn Anh

2


TÓM TẮT
Việt Nam đang là khu vực chịu ảnh hưởng rõ rệt nhất của biến đổi khí hậu, tình
trạng hạn hán, thiếu nước trong mùa khô, ô nhiễm nguồn nước đều là những vấn đề

nóng bỏng, diễn ra ở nhiều khu vực của nước ta. Khu vực ven biển miền Trung, nơi vẫn
chủ yếu phát triển kinh tế dựa vào nông nghiệp thì các vấn đề trên càng trở nên cần thiết
và cấp bách hơn bao giờ hết. Vào mùa khô, khi lượng mưa giảm đáng kể, lượng bốc
thoát hơi nước tăng cao do nhiệt độ và gió thì khu vực này thường bị thiếu nước trầm
trọng, vấn đề này đã dẫn tới nhiều khu vực đất bị bỏ hoang, nhiều diện tích cây trồng bị
chết héo trong đó có cây lúa. Đề tài tập trung nghiên cứu vào việc xác định lượng nước
sạch cần thiết trong việc sản xuất lúa vụ Đông Xuân ở tỉnh Phú Yên. Đề tài sử dụng dữ
liệu ảnh LANDS AT 8 trong khoảng thời gian để tính toán giá trị NDVI của cây lúa qua
các giai đoạn phát triển khác nhau, và xây dựng mô hình Model Builder để tính toán các
chỉ số WFgreen, WFblue, WFgrey cho một vụ lúa. Kết quả thu được gồm: WFgreen
=56,35m3/tấn; WFblue = 318,87m3/tấn; WFgrey = 20,07m3/tấn; tổng WF =
395,69m3/tấn.

3


ABSTRACT
Vietnam is one of the areas affected by climate change; Drought condition, water
shortage and water pollution in the dry season are becoming to the important problem
in many provinces in the country. In the central coastal region, where the development
of the economy is mainly based on agriculture, that problem is becoming more urgent
and necessary. In the dry season, when rainfall decreases considerably, water
evaporation increased because of temperature and wind, this area will be seriously
dehydrated, leading to much of the land abandoned, many crops will be died including
rice. The Subject concentrates on reasearching the amount of clean water needed to
produce winter-spring rice in Phu Yen province. The subject used LANDS AT 8 data
from december 20 2015 to April 30 2016 to calculate the NDVI values of rice based on
different stages of development. And the subject used LANDSAT 8 to build model
named Model Builder to calculate the WFgreen, WFblue, WFgrey index for a rice crop.
The results are: WFgreen = 56,35m3/ton; WFblue = 318,87m3/ton; WFgrey =

20,07m3/ton; Total WF = 395,69m3/ton.

4


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả luận văn xin cam đoan bản luận văn này là nghiên cứu khoa học của riêng
tác giả duới sụ huớng dẫn khoa học của TS. Phan Hiền Vũ. Các dữ liệu sử dụng trong
luận văn có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đúng quy định. Các kết quả nêu trong
luận văn do tác giả thực hiện và phân tích một cách trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác.

Học viên

Nguyễn Tuấn Anh

5


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 2
TÓM TẮT..................................................................................................................... 3
ABSTRACT ................................................................................................................. 4
PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 12
1- ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................... 12
2- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................... 13
3- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................ 13
4- PHẠM VI THỰC HIỆN ...................................................................................... 13
5. CẤU TRÚC LUẬN VĂN ...................................................................................... 13
PHẦN NỘI DUNG ..................................................................................................... 15

CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................. 15
1.1. WATER FOOTPRINT ..................................................................................... 15
1.1.1. Khái niệm ........................................................................................................ 15
1.1.2. Mô hình Water footprint ................................................................................. 16
1.1.3. Uớc tính thể tích nước..................................................................................... 18
1.2. CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ........................................................... 23
1.2.1. Trên thế giới .................................................................................................... 23
1.2.2. Tại việt nam .................................................................................................... 24
CHƯƠNG 2: KHU VỰC NGHIÊN CỨU VÀ DỮ LIỆU.......................................... 25
2.1. KHU VỰC NGHIÊN CỨU .............................................................................. 25
2.1.1. Vị trí địa lý...................................................................................................... 25
2.1.2. Địa hình .......................................................................................................... 25
2.1.3. Khí hậu ........................................................................................................... 26
2.1.4. Đất đai ............................................................................................................ 27
2.2. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN cứu ............................................................................. 27
2.3. Dữ LIỆU ........................................................................................................... 29
2.3.1. Dữ liệu bản đồ hiện trạng sử dụng đất ........................................................... 30
2.3.2. Dữ liệu khí tượng............................................................................................ 32
2.3.3. Dữ liệu ảnh LANDSAT .................................................................................. 40
2.3.4. Dữ liệu ASTER GDEM .................................................................................. 43
CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU ......................................................... 46

6


3.1. ƯỚC TÍNH LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC ............................................ 46
3.1.1. Lượng bốc thoát hơi tham chiếu ..................................................................... 46
3.1.2 Lượng bốc thoát hơi nước mùa vụ: ................................................................. 57
3.2. TRỮ LƯỢNG NƯỚC ....................................................................................... 65
3.2.1 WFsiue ............................................................................................................. 66

3.2.2 WFcreen .......................................................................................................... 69
3.2.3 WFGrey .............................................................................................................. 71
3.3. MÔ HÌNH MODEL BUILDER ........................................................................ 73
3.3.1. Model builder cwu .......................................................................................... 73
3.3.2. Model builder WFGrey ..................................................................................... 75
3.3.3. Model builder WF .......................................................................................... 75
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ............................................................................................ 77
PHẦN KẾT LUẬN .................................................................................................... 82
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 84
PHẦN PHỤ LỤC ....................................................................................................... 86

7


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
WF - Water footprint
WForecn - Green water footprint
WFBlue - Blue water footprint
WFcrey - Grey water footprint
cwu-Crop Water Use
NDVI - Normalized Difference Vegetation Index
ASTER GDEM - Advanced spacebome Thermal Emission and Reflection
Radiometer Global Digital Elevation Model
IDW - Inverse distance weighting
FAO - The Food and Agriculture Organization
CCME - Canadian Council of Ministers of the Environment

8

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Chỉ số sử dụng nước sạch của một sản phẩm ....................................... 15
Hình 1.2. Các thành phần của Water footprint...................................................... 17
Hình 1.3. Sơ đồ tính toán chỉ số WF ...................................................................... 19
Hình 1. 4. Bốc thoát hơi nước ................................................................................ 22
Hình 1.5. Kết quả xác định chỉ số mùa vụ (a) và lượng bốc thoát hơi nước của
cây trồng (b) khu vực sông Nile ở Ai Cập .................................................................. 23
Hình 1.6. Lượng bốc thoát hơi nước của cây trồng trong thời gian từ tháng 122011 đến tháng 3-2012 tại Macalister - Australia ...................................................... 24
Hình 2. 1. Đơn vị hành chính cấp huyện - tỉnh Phú Yên ....................................... 26
Hình 2. 2. Quá trình sinh trưởng, phát triển của cây lúa ........................................ 28
Hình 2. 3. Hiện trạng khu vực trồng lúa tỉnh Phú Yên .......................................... 31
Hình 2. 4. Vị trí các trạm khí tượng ....................................................................... 33
Hình 2. 5. Nhiệt độ max ngày 16-02-2016 được nội suy bằng công cụ IDWArcGIS .................................. ..... ..........................................................................
34
Hình 2. 6. Nhiệt độ min ngày 16-02-2016 được nội suy bằng công cụ IDWArcGIS .............. ....................................................................................................... 35
Hình 2. 7. Độ ẩm ngày 16-02-2016 được nội suy bằng công cụ IDW-ArcGIS ...36
Hình 2. 8. Số giờ nắng ngày 16-02-2016 được nội suy bằng công cụ IDW- ArcGIS
37
Hình 2. 9. Tốc độ gió ngày 16-02-2016 được nội suy bằng công cụ IDW-ArcGIS .
38
Hình 2. 10. Lượng mưa ngày 06-02-2016 được nội suy bằng công cụ IDWArcGIS .............................................................. . .................................................. 40
Hình 2. 11. Ảnh LANDS AT 8 chụp ngày 17-03-2016 ......................................... 42
Hình 2. 12. Ảnh LANDSAT 8 chụp ngày 08-03-2016 .......................................... 42
Hình 2.13. Dữ liệu ASTER GDEM....T. ................................................................ 43
Hình 2. 14. Dữ liệu độ cao cắt theo vị trí lúa ......................................................... 44
Hình 2. 15. Dữ liệu vĩ độ cắt theo khu vực trồng lúa ............................................. 45
Hình 3. 1. Sơ đồ tính ET0 ...................................................................................... 47
Hình 3. 2. Sơ đồ khối model builder tính nhiệt trung bình ................................... 49
Hình 3. 3. Nhiệt trung bình ngày 16-02-2016 ........................................................ 49
Hình 3. 4. Sơ đồ khối model builder tính hệ số ẩm ............................................... 50

Hình 3. 5. Hệ số ẩm ngày 16-02-2016 ................................................................... 50
Hình 3. 6. Sơ đồ khối model builder tính es và ea ................................................. 51
Hình 3. 7. Sơ đồ khối model builder tính độ dốc của đường cong áp suất ............ 52

9


Hình 3. 8. Sơ đồ khối model builder tính bức xạ bề mặt........................................ 55
Hình 3. 9. Bức xạ bề mặt ngày 16-02-2016 ........................................................... 56
Hình 3. 10. Sơ đồ khối model builder tính ETo ..................................................... 56
Hình 3.11. Lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu ngày 16-02-2016 ..................... 57
Hình 3. 12. Lượng bốc thoát hơi nước mùa vụ ...................................................... 58
Hình 3. 13. Sơ đồ tính ETC ..................................................................................... 58
Hình 3. 14.Chỉ số mùa vụ qua các giai đoạn phát triển của cây trồng ................... 59
Hình 3.15. Giá trị NDVI và Ke giai đoạn tăng trưởng .......................................... 61
Hình 3.16 Giá trị NDVI và Kc giai đoạn làm đòng tới trổ bông ............................ 62
Hình 3. 17. Giá trị NDVI và Ke giai đoạn lúa chín ............................................. 63
Hình 3. 18. Sơ đồ khối model builder tính ETC ................................................... 64
Hình 3. 19. Lượng bốc thoát hơi nước mùa vụ ngày16-02-2016 ......................... 65
Hình 3. 20. Sơ đồ tính WF ................................................................................... 66
Hình 3.21. Kết quả tính CWUBiue tại vị trí có lúa ngày 06-02-2016..................... 67
Hình 3. 22 Kết quả tính CWUsiue theo đơn vị hành chính huyện ......................... 68
Hình 3. 23. Kết quả tính WFBiuetại vị trí có lúa .................................................. 68
Hình 3. 24. Kết quả tính CWUcreen tại vị trí có lúa ngày 10-02-2016 ............... 70
Hình 3. 25. Kết quả tính CWUcreen theo đơn vị hành chính huyện ................... 70
Hình 3. 26. Kết quả tính WFcreen tại vị trí có lúa ............................................... 71
Hình 3. 27. Kết quả tính tổng các chất ô nhiễm ................................................... 72
Hình 3. 28. Kết quả tính WFgrey tại vị trí lúa ..................................................... 73
Hình 3. 29. Mô hình tính CWU hoàn chỉnh ........................................................... 74
Hình 3. 30. Hộp thoại CWU khi sử dụng ............................................................... 74

Hình 3. 31. Mô hình tính tổng các chất ô nhiễm .................................................... 75
Hình 3. 32. Mô hình tính WF ................................................................................. 76
Hình 4. 1. Chỉ số WFBlue của vụ lúa Đông Xuân năm 2016 ................................... 78
Hình 4. 2. Chỉ số WFGreen của vụ lúa Đông Xuân năm 2016 ................................. 78
Hình 4. 3. Chỉ số WFGrey của vụ lúa Đông Xuân năm 2016 .................................. 79
Hình 4. 4. Chỉ số WF của vụ lúa Đông Xuân năm 2016 ........................................ 79

10


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2. 1. Diện tích các nhóm đất chính của tỉnh Phú Yên .............................. 27
Bảng 2.2. Đặc trưng của chỉ số mùa vụ và chỉ số thực vật ................................ 29
Bảng 2.3. Đặc điểm hệ tọa độ VN-2000 và WGS-84 ........................................ 30
Bảng 2.4. Tham số chuyển đổi từ hệ tọa độ VN-2000 sang WGS-84 ............... 30
Bảng 2.5. Diện tích, năng suất lúa tỉnh Phú Yên ............................................... 31
Bảng 2.6. Nhiệt độ không khí ngày 16-02-2016 ............................................... 34
Bảng 2.7. Độ ẩm ngày 16-02-2016 ................................................................... 36
Bảng 2.8. Số giờ nắng ngày 16-02-2016 .......................................................... 37
Bảng 2.9. Tốc độ gió ngày 16-02-2016 ............................................................. 38
Bảng 2.10. Lượng mưa ngày 16-02-2016 .......................................................... 40
Bảng 2.11. Dữ liệu ảnh LANDSAT sử dụng ..................................................... 41
Bảng 3. 1 Kết quả tính CWUBiue ...................................................................... 67
Bảng 3. 2 Kết quả tính CWUcreen .................................................................. 69
Bảng 4. 1. Kết quả tính Water footprint tại Phú Yên ...................................... 77
Bảng 4. 2. Kết quả tính Water footprint cho tỉnh Phú Yên ............................. 80
Bảng 4. 3. Kết quả tính Water footprint khu vực Nam Trung Bộ ................... 80

11

PHẦN MỞ ĐẦU
1- ĐẶT VẤN ĐÈ
Cùng với xu thế công nghiệp hóa phát triển kinh tế, vấn đề thu hẹp diện tích đất
nông nghiệp đặc biệt là đất lúa đang diễn ra ở khắp các tỉnh trong cả nước. Điều đó phần
nào đã ảnh hưởng trực tiếp tới phần đông dân số của nước ta sống dựa vào đồng ruộng;
cùng với đó là sự ảnh hưởng của thiên tai, lũ lụt, hạn hán của thiên nhiên làm cho sinh
hoạt của nông dân có nhiều thay đổi, diện tích đất cho sản xuất lúa ngày càng giảm.
Ở trong nước và ngoài nước đã có nhiều học giả, nhiều hoạt động nghiên cứu khoa
học nhằm mục đích nâng cao năng suất lúa trong cùng một không gian lãnh thổ, hoặc
nghiên cứu các giống lúa thích ứng được với tình trạng biến đổi khí hậu; hoặc nghiên
cứu về sự ảnh hưởng của dịch bệnh tới sinh trưởng, năng suất lúa,.... Theo đó, một
hướng nghiên cứu về sự phát triển của cây lúa trong từng giai đoạn được thực hiện nhằm
mục đích nâng cao năng suất, chất lượng lúa, kiểm soát dịch bệnh. Dù vậy, trên phạm
vi canh tác lúa rộng lớn thì việc giám sát quá trình phát triển của lúa gặp nhiều khó khăn
nếu chỉ sử dụng trực tiếp con người.
Với công nghệ viễn thám, nguồn dữ liệu thu được là liên tục và đa dạng, do đó
hoàn toàn có thể giải quyết được bài toán nhằm giám sát sự phát triển của cây lúa qua
các giai đoạn khác nhau trền một khu vực rộng lớn. Các nghiền cứu ứng dụng viễn thám
đối với sản xuất lúa được thực hiện nhiều ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, đồng
bằng sông Hồng - những nơi có diện tích lúa lớn nhất cả nước, thường sử dụng các ảnh
viễn thám có độ phân giải cao hoặc ảnh radar để giám sát quá trình phát triển của cây
lúa.
Tỉnh Phú Yên là một tỉnh thuộc khu vực Nam Trung Bộ, nơi có địa hình đa dạng
với đồi núi, cao nguyên, đồng bằng ven biển và chịu nhiều sự ảnh hưởng từ biến đổi khí
hậu. Việc canh tác lúa nơi đây tập trung chủ yếu tại khu vực đồng bằng hạ lưu sông Ba
nơi có nguồn phù sa của sông. Dù vậy, trước tình trạng phát triển kinh tế, đẩy mạnh quá
trình đô thị hóa và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu dẫn tới việc giảm diện tích đất trồng
lúa, thiếu nước ngọt canh tác trong mùa khô cũng như ngập nặng trong mùa mưa dẫn
đến việc sản xuất lúa gặp rất nhiều khó khăn. Thông thường, người dân nơi đây canh

tác lúa được thực hiện theo kế hoạch của lịch thời vụ do Sở Nông nghiệp lập, trong đó

12


có dự báo quá trình sinh trưởng, phát triển, năng suất lúa cũng như các yêu cầu về phân
bón, dịch bệnh, lượng nước tưới,...
Trước thực tiễn nêu trên, đề tài đặt ra nghiên cứu áp dụng viễn thám đối với sản
xuất lúa ở Phú Yên nhằm ước tính lượng nước cần thiết phải cung cấp để sản xuất trong
một vụ lúa Đông Xuân năm 2016.
2- MỤC TIÊU CỦA ĐÈ TÀI
Ước tính được tổng lượng nước cần thiết phục vụ cho trồng lúa trong một vụ Đông
Xuân, từ đó đưa ra dự báo về lượng trữ nước cần thiết để phục vụ trồng lúa.
3- NỘI DUNG NGHIÊN cứu
- Tìm hiểu quá trình sinh trưởng, phát triển và phân bố của cây lúa trong tỉnh Phú
Yên.
- Tìm hiểu về Water footprint và ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp.
- Tìm hiểu khả năng khai thác ảnh viễn thám để ước tính chỉ số mùa.
- Thu thập ảnh viễn thám khu vực nghiên cứu.
- Xác định lượng bốc thoát hơi mùa vụ.
- Tính toán tổng lượng nước cần thiết để phục vụ cho việc sản xuất lúa tại tỉnh
Phú Yên trong một mùa.
4- PHẠM VI THỰC HIỆN
- Phạm vi không gian: Khu vực tỉnh Phú Yên
- Phạm vi thời gian: Một vụ sản xuất lúa từ tháng 12/2015 đến tháng 4/2016.
5. CẤU TRÚC LUÂN VĂN
Cấu trúc luận văn gồm 4 chương:
-Chương 1: Cơ sở lý thuyết
- Chương 2: Khu vực nghiên cứu và dữ liệu
- Chương 3: Quy trình xử lý dữ liệu

-Chương 4: Kết quả.

13


PHẦN NỘI DUNG
CHƯƠNG 1 - Cơ SỞLÝ THƯYÉT
1.1. WATER FOOTPRINT
1.1.1. Khái niệm
Nước sạch là một trong những thành phần quan trọng nhất trên trái đất. Tất cả mọi
sinh vật đều cần có nước để cố thể tồn tại, nếu không có nước thì sẽ không cố sụ sống
trên trái đất. Nước sạch có thể được định nghĩa là nước không màu, không mùi, không
vị, có thể chứa các yếu tố vật lý, hóa học và vi sinh trong mức độ cho phép không gây
ảnh hưởng tới sức khỏe con người.
Năm 2002, Arjen Hoekstra khi đang làm việc tại UNESCO-IHE đã đề xuất khái
niệm về Water footprint và xem đó như là thước đo lượng nước cần thiết để sản xuất
hàng hóa và dịch vụ theo toàn bộ chuỗi cung ứng của hàng hóa và sản phẩm đó: Water
footprint là chỉ số sử dụng nước sạch một cách trực tiếp và gián tiếp của người tiêu thụ
hoặc người sản xuất. Hay nối cách khác, chỉ số sử dụng nước sạch là tổng lượng nước
sạch được tiêu thụ trong chuỗi quá trình xử lý sản xuất ra một sản phẩm hoặc một dịch
vụ và được coi như là một chỉ số rõ ràng về địa lý, thể hiện tổng lượng nước sạch sử
dụng, vị trí địa lý của chỉ số đỏ [9]. Trong ví dụ ở hình 1.1 mô tả chỉ số sử dụng nước
sạch cần thiết để sản xuất ra một vỏ chai nước uống cần một thể tích là 5 lít, một tách
cà phê cần 140 lít, một tách trà cần 30 lít,...

Our Water Footprint
How Much Water does it take to Produce...

ifiia. m

■

K ■ ịh_

1 I
n—

lit—

i

MW—

Hinh 1.1. Chỉ số sử dụng nước sạch của một sản phẩm
Trước sự gia tăng của dân số thế giới, cùng với đó là nhu cầu cuộc sống của con

14


người ngày càng đa dạng dẫn tới sự gia tăng sản xuất và tiêu thụ các sản phẩm từ động
vật sẽ làm tăng thêm số lượng các loại động vật nuôi. Điều này sẽ gây thêm áp lực đối
với nguồn nước ngọt cần thiết phải cung cấp trong chăn nuôi trên thế giới. Đặc điểm và
kích thước của Water footprint là khác nhau đối với các động vật, thực vật, sản phẩm
và hệ thống sản xuất khác nhau. Ví dụ, Water footprint đối với việc chăn nuôi bò thịt
vào khoảng 15.400m3/tấn lớn hơn nhiều so với chăn nuôi cừu (thịt) 10.400m3/tấn, lợn
6.000m3/con, dê 500m3/tấn, gà 4.300m3/tấn,...
Nếu tính trên mỗi tấn sản phẩm, sản phẩm có nguồn gốc từ động vật nói chung có
lượng Water footprint lớn hơn sản phẩm có nguồn gốc từ thực vật. Cụ thể, Water
footprint trung bình trên mỗi calo thịt bò lớn gấp 20 lần so với ngũ cốc và tinh bột; với
mỗi gram protein từ sữa, trứng, thịt gà lớn gấp 1,5 lần so với đậu đỗ, còn thịt bò lớn hơn

gấp 6 lần với mỗi gram đậu đỗ,... [9].
1.1.2. Mô hình Water footprint
Trong hoạt động thường ngày của con người, chúng ta sử dụng nước để uống, nấu
nướng, giặt giũ,... nhưng một lượng nước lớn hơn được con người sử dụng vào các việc
khác như trồng cây, chế biến sản xuất hàng hóa,... Trong tất cả các hoạt động trên, nguồn
nước có vai trò rất quan trọng, có thể quyết định tới việc bố trí các khu dân cư, trồng
các loại cây, đặt các nhà máy,... Như vậy việc xác định được nguồn gốc và cách sử dụng
nguồn nước sẽ giúp chúng ta xác định được cụ thể lượng nước cần thiết được tiêu thụ
để tạo ra sản phẩm đó.
Theo tài liệu [9], Water footprint được xác định dựa theo lượng nước tiêu thụ,
lượng nước bốc hơi và lượng nước bị ô nhiễm. Lượng nước tiêu thụ đó chính là lượng
nước được sử dụng vào các mục đích như uống, tưới cây, chăn nuôi,... Lượng nước bốc
hơi là lượng nước thoát ra khỏi các bề mặt trái đất do ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên
như độ ẩm, nắng, gió,... Lượng nước bị ô nhiễm là lượng nước có chứa các chất vượt
quá tiêu chuẩn quy định cho nguồn nước sử dụng vào các mục đích. Như vậy, Water
footprint có ba thành phần bao gồm: chỉ số sử dụng nước mặt và nước ngầm - WFBIUC
chỉ số sử dụng nước mưa - WFCrrccn, chỉ số sử dụng nước sạch đồng hóa chất thải WForey được thể hiện như hình 1.2.

15


WF

Hình 1.2. Các thành phần của Water footprint
a. Blue Water footprint
WFsiue là chỉ số sử dụng nước sạch từ nước bề mặt và nước ngầm trong suốt quá
trinh sản xuất cho một sản phẩm hay một dịch vụ. Sự tiêu thụ ờ đây là lượng nước bề
mặt và nước ngầm bị bốc thoát hơi như: bốc hơi bề mặt, thoát hoi từ thực vật, cùng với
lượng nước kết hợp vào trong thu hoạch như: nước rửa sản phẩm, nước chế biến,... cho
một sản phẩm. Sự bốc thoát hơi nước nhiều hay ít ngoài sự phụ thuộc vào các yếu tố khí

hậu như lượng gió, số giờ nắng, nhiệt độ,... thì còn phụ thuộc vào chủng loại, mật độ,...
của thực vật.
Trong sản xuất nông nghiệp, thành phần Blue Water footprint đề cập tới lượng
nước bốc hơi thông qua sự phát triển của cây trồng sử dụng nước có nguồn gốc từ lượng
nước trên bề mặt hoặc lượng nước ngầm. Điều này có thể hiểu là lượng nước đã được
sử dụng để tưới mà không phải chảy lại vào nước bề mặt hoặc nước ngầm. Để có thể
xác định được lượng nước này, rõ ràng cần phải biết rõ quá trình sinh trưởng, thời gian
phát triển của từng loại cây trồng.
b. Green Water footprint
WFcreen là chỉ số sử dụng nước sạch từ nước mưa trong suốt quá trình sản xuất
ra một sản phẩm hay một dịch vụ. Sự tiêu thụ ở đây là lượng nước mưa bị bốc thoát hơi
qua thực vật như: các cánh đồng, nông trại,... cùng với lượng nước kết hợp vào trong
thu hoạch như: nước rửa sản phẩm, nước chế biến,... cho một sản phẩm. Thời gian mưa
và lượng mưa sẽ có vai trò quyết định tới WFcreen- Trong thời gian mưa nhiều, lượng
mưa lớn, độ ẩm không khí cao rõ ràng lượng bốc thoát hơi nước của thực vật cũng giảm
đi đáng kể.

16


c. Grey Water footprint
WF&ey là chỉ số sử dụng lượng nước sạch cần thiết để đồng hóa nước ô nhiễm do
nước thải từ các hoạt động sản xuất, sinh hoạt,... trở thành nước không gây hại cho tự
nhiên theo tiêu chuẩn chất lượng nước hiện tại. Nó được coi như thể tích nước cần thiết
để pha loãng các chất ô nhiễm đến mức chất lượng nước đạt hoặc cao hơn các tiêu chuẩn
quy định. Thành phần Grey Water footprint đề cập tới khối lượng nước bị ô nhiễm liên
quan đến sản xuất hàng hóa và dịch vụ được định lượng bằng khối lượng nước cần thiết
để pha loãng các chất ô nhiễm đến mức bằng so với tiêu chuẩn quy định về nước sạch.
Đối với sản xuất cây trồng, khối lượng pha loãng sẽ theo các tiêu chuẩn nitrat, phân bón
và nồng độ thuốc trừ sâu còn tồn đọng trong đất.

Grey Water footprint được xác định là lượng tiêu thụ gián tiếp trong khi đó Green
Water footprint và Blue Water footprint được coi là lượng tiêu hao trực tiếp nguồn nước.
Sự khác biệt giữa Green Water footprint và Blue Water footprint có ý nghĩa rất quan
họng trong sản xuất nông nghiệp bởi sự khác biệt đáng kể trong công tác quản lý nguồn
nước mưa và nước tưới trong nông nghiệp. Ngoài ra, nó cũng làm nổi bật các chi phí cơ
hội khác nhau của việc sử dụng nguồn nước, cụ the: Green Water footprint thường có
chi phí cơ hội thấp hơn so với Blue Water footprint và có nhiều tiện ích khác trong xã
hội.
1.1.3. Ước tính thể tích nước
Đối tượng nghiên cứu là cây lúa nên chỉ so WF của cây lúa là tổng các chỉ số WF
của mỗi quy trình xử lý trong một vụ mùa lúa. Trong sản xuất một vụ mùa lúa, cây lúa
gồm có các quá trình phát triển như sau: Giai đoạn ngâm-ủ hạt giống, giai

17


đoạn gieo sạ, giai đoạn cây lua đẻ nhánh, giai đoạn cây lúa làm đỏng, giai đoạn trổ bông,
giai đoạn lúa chín. Trong mỗi giai đoạn, nhu cầu nước cũng như thành phần nước cũng
khác nhau, trong đó phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khí tượng thủy vẵn của khu vực.
Hình 1.3 mô tả các bước tính toán chỉ số WF của quy trình tưới tiêu của cây lua
bằng cách tính lượng bốc thoát hơi nước, xác định lượng tải gây ô nhiễm, hiện trạng cây
lúa và số liệu năng suất để tính các chỉ số WF thành phần: WFfiiue, WFcreen, WFcrey
cuối cùng thu được chỉ số tổng hợp cuối cùng. Như vậy, ưong quá trình tính toán cần
phải hiểu rõ được nguồn gốc của từng loại cây trồng cũng như nhu cầu của từng giai
đoạn để phù hợp với quá trình phát triển và đảm bảo năng suất cao nhất. Tổng lượng
nước tiêu thụ trong một chu kì vụ mùa diễn ra ờ cây ưồng, bắt đầu từ ngày trồng (ngày
thứ nhất) cho đến khi thu hoạch (ngày thu hoạch).

ĩ

Lượng nước mặt và lượng
nước ngầm tiêu thụ
(CWUBiue)
-?■

Lượng bốc thoát hơi nước
mưa (ETdeen)

Lượng bốc thoát hơi nước
mặt và ngầm (ETfiiue)

Lương nước mưa tiêu thu
(CWUJ

Lượng nước sạch
dùng để đồng hốa
nước ô nhiễm (L)
Theo tài liệu [9], chỉ số WF được tính theo công thức:
WF-WFcreen + WFBlue + WForey
Hình 1.3. Sơ đồ tính toán chỉ số WF
WT7
WrBlue- Y

— CW^Blue

(1.2)

18

XX TỴ7
Wr Green-

Yim

_ CWUGreen
Y

(1.3)

(a-AR)/(Cmax_Qiat)

WFGrey-

Y

“

(1.4)

CWUB^IOESETB^

(1.5)

CWU^lOZgETo™,

(1.6)

ETBiue= max(0, ETC - P)

(1.7)

ETGreen= min(P, ETC)

(1.8)

Trong đó:
WF: chỉ số sử dụng nước sạch, m3/tấn;
WFBlue: chỉ số sử dụng nước mặt và nước ngầm, m3/tấn;
WFcreen: chỉ số sử dụng nước mưa, m3/tấn;
WFcrey: chỉ số sử dụng nước sạch để đồng hóa chất, m3/tấn;
CWUBiue: tổng lượng nước mặt và nước ngầm tiêu thụ, m3/ha;
CWUGreen: tổng lượng nước mưa tiêu thụ, m3/ha;
Y: năng suất sản phẩm, tấn/ha;
a: phần lọc đi do dòng nước;
AR: khối lượng chất hóa học được sử dụng vào sản xuất, kg/ha; cmay: nồng độ tối
đa chấp nhận được của chất thải, kg/m3;
Cnat: nồng độ chất thải trong tự nhiên, kg/m3;
lgd: chu kì sinh trường của một cây trồng nhất định, ngày;
p - là lượng mưa trên khu vực nghiên cứu mm/ngày.

ETC là lượng bốc thoát hơi mùa vụ, mm/ngày.

19


1.1.4. Bốc thoát hoi nước
a. Bốc hơi
Bốc hơi là quá trình chuyển hóa các phân tử nước từ bề mặt đất và bề mặt thoáng
của một vùng chứa nước từ thể lỏng sang thể hơi và đi vào không khí do tác động chính

của bức xạ mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm không khí, gió và các yếu tố môi trường khác [11].
Nước bốc hơi từ nhiều bề mặt khác nhau, như ao hồ, sông, vỉa hè, đất và thảm thực vật
ướt. Các yếu tố gây ảnh hưởng tới sự bốc hơi nước bao gồm: bức xạ mặt trời, tốc độ gió,
nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí. Tất cả các yếu tố trên có liên quan chặt chẽ với
nhau và khi có một yếu tố thay đổi đều làm cho hàm lượng của các phân tử nước gia tăng
làm cho chúng cho nhiều điều kiện để khuếch tán vào không khí. Do vậy, khi xác xác
định lượng bốc hơi cần phải nghiên cứu các yếu tố trên để đánh giá lượng bốc hơi nước.
Trong trường hợp bề mặt bốc hơi là bề mặt đất, độ rộng của tán cây và lượng nước
tưới sẵn có trên bề mặt đất cũng là yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi. Khi trời mưa
thường xuyên, lượng nước tưới đầy đủ làm cho bề mặt đất luôn ẩm ướt. Trường hợp này
lượng bốc hơi được xác định bởi các điều kiện khí tượng. Tuy nhiên khi khoảng thời gian
giữa lượng mưa và nước tưới càng xa nhau, khả năng duy trì độ ẩm bề mặt của đất nhỏ,
hàm lượng nước trong lớp đất mặt giảm xuống, bề mặt đất khô. Trong trường hợp này,
lượng nước còn lại có ảnh hưởng tới việc bốc hơi nước. Nếu không có nguồn cung cấp
nước cho bề mặt đất, sự bốc hơi nước sẽ giảm nhanh chóng và có thể gần như hoàn toàn
chấm dứt (bề mặt đất khô hoàn toàn).
b. Thoát hơi
Thoát hơi là hiện tượng nước thoát ra không khí từ mặt lá, thân cây như là một phản
ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó [11]. Thoát hơi là một
phần của chu trình nước của thực vật và là sự mất nước từ các bộ phận của cây, quá trình
này xảy ra nhiều nhất ở lá và thân (ngoài ra còn có ở hoa và rễ). Trên bề mặt lá có các lỗ
khí, và có ở hầu hết các loài, nó có nhiều tại mặt dưới của lá. Quá trình này làm mát cây,
làm áp suất thẩm thấu thay đổi, và cho phép lưu thông các chất dinh dưỡng, chất khoáng
và nước từ rễ đến chồi.
Cây trồng sẽ điều chỉnh tốc độ thoát hơi nước thông qua mức độ mở lỗ khí. Tốc độ
thoát hơi nước cũng bị ảnh hưởng bởi nhu cầu bay hơi của không khí xung quanh như độ

20

ẩm, nhiệt độ, ánh sáng mặt ười, tốc độ gió. Do vậy, khỉ đánh giá sự thoát hơi nước của
cây ưồng cần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố: bức xạ, nhiệt độ không khí, độ ẩm
không khí, gió đến sụ thoát hơi nước của cây trồng.
c. Bốc thoát hơi nước
Bắc thoát hơi nước là tổng lượng nước bốc hơi từ mặt đất nơi ưồng mùa vụ và lượng
thoát hơi nước từ bề mặt của lá cây ưồng. Trong thực tiễn, bốc hơi và thoát hơi nước là
hai quá trình xảy ra đồng thời và không dễ dàng để cố thể phân biệt hai quá trình đó.
Ngoài sự bốc hơi nước sẵn có trên bề mặt đất, sự bốc hơi nước từ một vùng đất diễn ra
chủ yếu do phần bức xạ mặt trời chạm tới bề mặt đất (hình 1.4). Tỷ lệ này sẽ giảm ưong
các giai đoạn phát triển của cây khi tán lá che phủ diện tích đất nhiều hơn.

Evaporatiai + Transpiration EvapcTrespiration

Hình 1.4. Bốc thoát hơi nước

21


1.2. CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN
1.2.1. Trên thế giới
- Nghiên cứu của nhóm tác giả Mohammed A. El-Shirbeny [1]. Trong nghiên cứu
của mình, nhóm tác giả đã sử dụng dữ Eệu ảnh LANDSAT 8 để nghiên cứu sự bốc thoát
hơi nước của cây trồng tại khu vực sông Nile ờ Ai Cập trong năm 2013. Dựa vào mối
quan hệ giữa chỉ số thực vật NDVI và chỉ số mùa vụ Ke (hình 1.5a) kết hợp với các số
liệu khí tượng, nhóm tác giả đã xác định được lượng bốc thoát hơi nước của cây trồng
ETC (hình 1.5b) lớn nhất tập trung ờ khu vực phía Nam với lượng bốc thoát hơi nước là
12mm/ngày.

b)
Hình 1.5. Kết quả xác định chỉ số mùa vụ (a) và lượng bốc thoát hơi nước của cây

trồng (b) khu vực sông Nile ở Ai Cập
- Nghiên cứu của nhốm tác giả Mohammad Abuzar [2]. Trong nghiên cứu của mình,
nhóm tác giả đã sử dụng dữ liệu ảnh ASTER và LANDSAT 7 để ước tính nhu cầu nước
của cây trồng tại khu vực Macalister - Australia trong thời gian từ

22


tháng 12-2011 đến tháng 3-2012, qua đó tính toán được tổng lượng bốc thoát hoi
nước của cây trồng cao nhất là hon 500mm (hình 1.6).

wu. bir.iairr

ạ __________ 14

Klomcvn
CWR irtVTlJ
■Ệ4Ũ1 500
301 - 430 ] ỈO1 MM ■iio-l 2UD
« 100

Hình 1. ố. Lượng bốc thoát hơi nước của cây tròng trong thời gian từ tháng 12-2011
đến tháng 3-2012 tại Macalister - Australia
- Nghiên cứu của M. M. Mekonnen và A. Y. Hoekstra [3]. Trong nghiên cứu này,
tác giả đã ước tính được lượng nước sạch cho sản xuất cây trồng trong giai đoạn 19962005 như hình 1.7, tác giả sử dụng mô hình cân bằng nước để tính toán lượng nước sử
dụng theo thời gian. Trong đó có cả sự ước tính ô nhiễm nước liên quan tới việc sử dụng
phân bốn trong sản xuất nông nghiệp. Tác giả đã tính toán được lượng nước sạch trung
bình cần thiết cho các loại cây ưồng ưên toàn cầu như sau: rau (khoảng 300m3/tán), các
loại củ (400m3/tấn), quả (1.000m3/tán), ngũ cốc (1.600m3/tấn). Trong giai đoạn 19962005 đã có 7.404 tỉ mét khối nước được sử dụng mỗi năm (78% Green, 12% Blue, 10%
Grey).

1.2.2. Tại việt nam
Nghiên cứu của Lương Hữu Dũng và Lê Tuấn Nghĩa [4]. Trong nghiên cứu của
mình, nhóm tác giả đã áp dụng tính toán giá trị nước ảo với sản phẩm nông nghiệp và
chăn nuôi trên phạm vi toàn quốc. Theo đố đối với sản phẩm gạo tại khu vực Nam Trung
Bộ nhóm tác giả đã tính được WFGreen là 204m3/tấn, WFBlue là 835m3/tấn và WFGrey

23


là 190m3/tấn.
CHƯƠNG 2: KHU vực NGHIÊN cứu VÀ DỮ LIỆU
2.1. KHU Vực NGHIÊN cứu
Phần này giới thiệu sơ lược về điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội của tỉnh Phú
Yên. Các thông tin được trích từ cổng thông tin điện tử của tỉnh Phú Yên [6].
2.1.1. Vị trí địa lý
Phú Yên là một tỉnh thuộc vùng duyên hài Nam Trung bộ, có tọa độ địa lý: Điểm
cực Bắc: 13°41 '28"; Điểm cực Nam: 12°42'36"; Điểm cực Tây: 108°40’40" và điểm cực
Đông: 109°27'47". Diện tích tự nhiên toàn tỉnh là 5061,14km2, phía Bắc giáp tính Bình
Định, phía Nam giáp tỉnh Khánh Hòa, phía Tây giáp tính Gia Lai và Đắk Lắk, phía Đông
giáp biển Đông. Phú Yên có vị trí rất thuận lợi và quan trọng khi là cửa ngõ đi lên Tây
nguyên và cũng là một trong số ít các tính vừa có sân bay, ga tàu hỏa, đường quốc lộ,
cảng biển nhằm phục vụ phát triển kinh tế, đảm bảo an ninh quốc phòng cho khu vực
duyên hải Nam Trung Bộ.
Tỉnh Phú Yên có 9 đơn vị hành chính gồm: các huyện Đồng Xuân, Đông Hòa, Sông
Hình, Sơn Hòa, Phú Hòa, Tây Hòa, Tuy An, thị xã Sông cầu và thành phố Tuy Hòa là
trung tâm tỉnh lỵ. Hầu hết các huyện, thị xã, thành phố của tỉnh đều phát triền ngành nông
nghiệp với các sản phẩm chủ yếu như lúa, sắn mì, mía,.., Hình 2.1 thể hiện các đơn vị
hành chính cấp huyện của tỉnh Phú Yên.
2.1.2. Địa hình
a. Vùng đất liền

Phú Yên là tính có địa hình khá đa dạng, đồng bằng đồi núi, cao nguyên, thung lũng
xen kẽ nhau và thấp dần từ Tây sang Đông, phần lớn có độ dốc lớn. Phú Yên có 03 mặt
là núi, dãy Cù Mông ờ phía Bắc, dãy Vọng Phu - Đèo Cả ờ phía Nam, phía Tây là rìa
Đông của dãy Trường Sơn. Khu vực giữa sườn Đông của dãy Trường Sơn có một dãy
núi thấp hơn đâm ngang ra biển tạo nên cao nguyên Vân Hòa - là ranh giới phân chia hai
đồng bằng trù phú do sồng Ba và sông Kỳ Lộ bồi đắp.

24