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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
****************

NGUYỄN TUẤN ANH

KHAI THÁC DỮ LIỆU VIỄN THÁM ƢỚC TÍNH
CHỈ SỐ SỬ DỤNG NƢỚC SẠCH CHO VỤ LÖA
TỈNH PHÖ YÊN
Chuyên ngành: Bản Đồ, Viễn Thám và Hệ Thống Thông Tin Địa Lý
Mã số: 60440214

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 8 năm 2018


Cơng trình đƣợc hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQGTPHCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Phan Hiền Vũ

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

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

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 16 tháng 8 năm 2018.
Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Trần Trọng Đức
2. TS. Phan Thị Anh Thƣ
3. TS. Trần Thái Bình
4. TS. Lê Minh Vĩnh

5. TS. Nguyễn Trƣờng Ngân

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

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƢỞNG KHOA KTXD


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

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

MSHV: 1570193

Ngày, tháng, năm sinh: 26-05-1987

Nơi sinh: Hải Dƣơng

Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý
Mã số : 60440214
I. TÊN ĐỀ TÀI:
“KHAI THÁC DỮ LIỆU VIỄN THÁM ƢỚC TÍNH CHỈ SỐ SỬ DỤNG NƢỚC
SẠCH CHO VỤ LÚA TỈNH PHÚ YÊN”
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Tìm hiểu về Water footprint ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp, thu thập ảnh
LANDSAT 8 giai đoạn từ tháng 12-2015 đến tháng 4-2016 và thực hiện tính tốn
chỉ số mùa vụ của cây lúa thơng qua giá trị NDVI, tính tốn chỉ số sử dụng nƣớc
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 HƢỚNG DẪN: TS. PHAN HIỀN VŨ

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2018
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƢỞNG KHOA KTXD
(Họ tên và chữ ký)

1


LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn, em đã nhận đƣợc sự
giúp đỡ của quý Thầy cô giáo bộ môn Địa Tin học, trƣờng Đại học Bách khoa
Thành phố Hồ Chí Minh, gia đình, bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cơ giáo trƣờng 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 đƣợc gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo TS. Phan

Hiền Vũ, ngƣời đã tận tình hƣớng 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
đƣợc kết quả tốt nhất. Tuy nhiên vẫn cịn nhiều thiếu sót khi bƣớc đầu làm quen với
cơng tác nghiên cứu khoa học, kính mong sự đóng góp ý kiến của q Thầy Cơ
giáo, bạn bè, đồng nghiệp để luận văn của em hoàn chỉnh ơn.
Cuối cùng, em kính chúc q Thầy Cơ giáo ln dồi dào sức khỏe và đạt đƣợc
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 hƣởng rõ rệt nhất của biến đổi khí hậu,
tình trạng hạn hán, thiếu nƣớc trong mùa khô, ô nhiễm nguồn nƣớc đều là những
vấn đề nóng bỏng, diễn ra ở nhiều khu vực của nƣớc ta. Khu vực ven biển miền
Trung, nơi vẫn chủ yếu phát triển kinh tế dựa vào nơng nghiệp thì các vấn đề trên
càng trở nên cần thiết và cấp bách hơn bao giờ hết. Vào mùa khơ, khi lƣợng mƣa
giảm đáng kể, lƣợng bốc thốt hơi nƣớc tăng cao do nhiệt độ và gió thì khu vực này
thƣờng bị thiếu nƣớc 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 lƣợng nƣớc sạch cần thiết trong việc sản xuất lúa vụ
Đông Xuân ở tỉnh Phú Yên. Đề tài sử dụng dữ liệu ảnh LANDSAT 8 trong khoảng
thời gian để tính tốn giá trị NDVI của cây lúa qua các giai đoạn phát triển khác
nhau, và xây dựng mơ hình Model Builder để tính tốn các chỉ số WFgreen, WFblue,

WFgrey cho một vụ lúa. Kết quả thu đƣợc 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 LANDSAT 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 dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của TS. Phan Hiền Vũ. Các dữ liệu sử
dụng trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đƣợc 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

chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng 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
CHƢƠNG 1 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................15
1.1. WATER FOOTPRINT.......................................................................................15
1.1.1. Khái niệm ........................................................................................................15
1.1.2. Mơ hình Water footprint .................................................................................16
1.1.3. Ƣớc tính thể tích nƣớc.....................................................................................18
1.2. CÁC NGHIÊN CỨU CÓ LIÊN QUAN ............................................................23
1.2.1. Trên thế giới ....................................................................................................23
1.2.2. Tại việt nam.....................................................................................................24
CHƢƠNG 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 TƢỢNG 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 tƣợng ............................................................................................32
2.3.3. Dữ liệu ảnh LANDSAT ..................................................................................40

6


2.3.4. Dữ liệu ASTER GDEM ..................................................................................43
CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH XỬ LÝ DỮ LIỆU ........................................................46
3.1. ƢỚC TÍNH LƢỢNG BỐC THỐT HƠI NƢỚC .............................................46
3.1.1. Lƣợng bốc thoát hơi tham chiếu .....................................................................46
3.1.2 Lƣợng bốc thoát hơi nƣớc mùa vụ: ..................................................................57
3.2. TRỮ LƢỢNG NƢỚC ........................................................................................65
3.2.1 WFBlue ...............................................................................................................66
3.2.2 WFGreen .............................................................................................................69
3.2.3 WFGrey...............................................................................................................71
3.3. MƠ 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
CHƢƠNG 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
WFGreen - Green water footprint
WFBlue - Blue water footprint
WFGrey - Grey water footprint
CWU - Crop Water Use
NDVI - Normalized Difference Vegetation Index
ASTER GDEM - Advanced Spaceborne 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 nƣớc sạch của một sản phẩm ......................................15
Hình 1.2. Các thành phần của Water footprint .....................................................17
Hình 1. 3. Sơ đồ tính tốn chỉ số WF ..................................................................19
Hình 1. 4. Bốc thốt hơi nƣớc ...............................................................................22
Hình 1. 5. Kết quả xác định chỉ số mùa vụ (a) và lƣợng bốc thoát hơi nƣớc của
cây trồng (b) khu vực sơng Nile ở Ai Cập ................................................................23
Hình 1. 6. Lƣợng bốc thoát hơi nƣớc 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 trƣởng, 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 tƣợng ......................................................................33
Hình 2. 5. Nhiệt độ max ngày 16-02-2016 đƣợc nội suy bằng cơng cụ IDWArcGIS ......................................................................................................................34
Hình 2. 6. Nhiệt độ min ngày 16-02-2016 đƣợc nội suy bằng cơng cụ IDWArcGIS ......................................................................................................................35
Hình 2. 7. Độ ẩm ngày 16-02-2016 đƣợc nội suy bằng cơng cụ IDW-ArcGIS ...36
Hình 2. 8. Số giờ nắng ngày 16-02-2016 đƣợc nội suy bằng cơng cụ IDWArcGIS ......................................................................................................................37
Hình 2. 9. Tốc độ gió ngày 16-02-2016 đƣợc nội suy bằng cơng cụ IDW-ArcGIS
...................................................................................................................................38
Hình 2. 10. Lƣợng mƣa ngày 06-02-2016 đƣợc nội suy bằng cơng cụ IDWArcGIS ......................................................................................................................40
Hình 2. 11. Ảnh LANDSAT 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 ......................................................................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 đƣờng 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 ET0 ....................................................56
Hình 3. 11. Lƣợng bốc thốt hơi nƣớc tham chiếu ngày 16-02-2016 ..................57
Hình 3. 12. Lƣợng bốc thốt hơi nƣớc 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 Kc giai đoạn tăng trƣởng .........................................61
Hình 3. 16 Giá trị NDVI và Kc giai đoạn làm đòng tới trổ bơng .........................62
Hình 3. 17. Giá trị NDVI và Kc giai đoạn lúa chín...............................................63
Hình 3. 18. Sơ đồ khối model builder tính ETc ....................................................64
Hình 3. 19. Lƣợng bốc thốt hơi nƣớc mùa vụ ngày 16-02-2016 ........................65
Hình 3. 20. Sơ đồ tính WF ....................................................................................66
Hình 3. 21. Kết quả tính CWUBlue tại vị trí có lúa ngày 06-02-2016 ...................67
Hình 3. 22 Kết quả tính CWUBlue theo đơn vị hành chính huyện.........................68
Hình 3. 23. Kết quả tính WFBlue tại vị trí có lúa....................................................68
Hình 3. 24. Kết quả tính CWUGreen tại vị trí có lúa ngày 10-02-2016 ..................70
Hình 3. 25. Kết quả tính CWUGreen theo đơn vị hành chính huyện ......................70
Hình 3. 26. Kết quả tính WFGreen tại vị trí có lúa ..................................................71
Hình 3. 27. Kết quả tính tổng các chất ơ nhiễm ...................................................72
Hình 3. 28. Kết quả tính WFgrey tại vị trí lúa ........................................................73
Hình 3. 29. Mơ hình tính CWU hồn chỉnh .........................................................74
Hình 3. 30. Hộp thoại CWU khi sử dụng .............................................................74
Hình 3. 31. Mơ hình tính tổng các chất ơ nhiễm ..................................................75
Hình 3. 32. Mơ hình tính WF ...............................................................................76
Hình 4. 1. Chỉ số WFBlue của vụ lúa Đơng Xn 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 Đơng Xn 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 trƣng 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 n .............................................31
Bảng 2.6. Nhiệt độ khơng 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. Lƣợng mƣa ngày 16-02-2016 ........................................................40
Bảng 2.11. Dữ liệu ảnh LANDSAT sử dụng ...................................................41
Bảng 3. 1 Kết quả tính CWUBlue ......................................................................67
Bảng 3. 2 Kết quả tính CWUGreen .....................................................................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 ĐỀ
Cùng với xu thế công nghiệp hóa phát triển kinh tế, vấn đề thu hẹp diện tích
đất nơng nghiệp đặc biệt là đất lúa đang diễn ra ở khắp các tỉnh trong cả nƣớc. Điều
đó phần nào đã ảnh hƣởng trực tiếp tới phần đông dân số của nƣớc ta sống dựa vào
đồng ruộng; cùng với đó là sự ảnh hƣởng của thiên tai, lũ lụt, hạn hán của thiên
nhiên làm cho sinh hoạt của nơng dân có nhiều thay đổi, diện tích đất cho sản xuất
lúa ngày càng giảm.
Ở trong nƣớc và ngoài nƣớc 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 đƣợc với tình trạng biến đổi khí hậu;

hoặc nghiên cứu về sự ảnh hƣởng của dịch bệnh tới sinh trƣởng, năng suất lúa,….
Theo đó, một hƣớng nghiên cứu về sự phát triển của cây lúa trong từng giai đoạn
đƣợc thực hiện nhằm mục đích nâng cao năng suất, chất lƣợng lúa, kiểm soát dịch
bệnh. Dù vậy, trên phạm vi canh tác lúa rộng lớn thì việc giám sát q trình phát
triển của lúa gặp nhiều khó khăn nếu chỉ sử dụng trực tiếp con ngƣời.
Với công nghệ viễn thám, nguồn dữ liệu thu đƣợc là liên tục và đa dạng, do đó
hồn tồn có thể giải quyết đƣợc bài toán nhằm giám sát sự phát triển của cây lúa
qua các giai đoạn khác nhau trên một khu vực rộng lớn. Các nghiên cứu ứng dụng
viễn thám đối với sản xuất lúa đƣợc thực hiện nhiều ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu
Long, đồng bằng sông Hồng – những nơi có diện tích lúa lớn nhất cả nƣớc, thƣờng
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 hƣởng từ
biến đổi khí hậu. Việc canh tác lúa nơi đây tập trung chủ yếu tại khu vực đồng bằng
hạ lƣu sơng Ba nơi có nguồn phù sa của sơng. Dù vậy, trƣớc tình trạng phát triển
kinh tế, đẩy mạnh q trình đơ thị hóa và ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu dẫn tới

12


việc giảm diện tích đất trồng lúa, thiếu nƣớc ngọt canh tác trong mùa khô cũng nhƣ
ngập nặng trong mùa mƣa dẫn đến việc sản xuất lúa gặp rất nhiều khó khăn. Thơng
thƣờng, ngƣời dân nơi đây canh tác lúa đƣợc thực hiện theo kế hoạch của lịch thời
vụ do Sở Nơng nghiệp lập, trong đó có dự báo q trình sinh trƣởng, phát triển,
năng suất lúa cũng nhƣ các yêu cầu về phân bón, dịch bệnh, lƣợng nƣớc tƣới,...
Trƣớc thực tiễn nêu trên, đề tài đặt ra nghiên cứu áp dụng viễn thám đối với
sản xuất lúa ở Phú Yên nhằm ƣớc tính lƣợng nƣớc cần thiết phải cung cấp để sản
xuất trong một vụ lúa Đông Xuân năm 2016.
2- MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Ƣớc tính đƣợc tổng lƣợng nƣớc cần thiết phục vụ cho trồng lúa trong một vụ
Đơng Xn, từ đó đƣa ra dự báo về lƣợng trữ nƣớc cần thiết để phục vụ trồng lúa.
3- NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Tìm hiểu quá trình sinh trƣởng, phát triển và phân bố của cây lúa trong tỉnh
Phú Yên.
- Tìm hiểu về Water footprint và ứng dụng trong sản xuất nơng nghiệp.
- Tìm hiểu khả năng khai thác ảnh viễn thám để ƣớc tính chỉ số mùa.
- Thu thập ảnh viễn thám khu vực nghiên cứu.
- Xác định lƣợng bốc thốt hơi mùa vụ.
- Tính tốn tổng lƣợng nƣớc 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 LUẬN VĂN
Cấu trúc luận văn gồm 4 chƣơng:
-Chương 1: Cơ sở lý thuyết

13


- Chương 2: Khu vực nghiên cứu và dữ liệu
- Chương 3: Quy trình xử lý dữ liệu
-Chương 4: Kết quả.

14


PHẦN NỘI DUNG
CHƢƠNG 1 – CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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

Hình 1. 1. Chỉ số sử dụng nƣớc sạch của một sản phẩm

15


Trƣớc sự gia tăng của dân số thế giới, cùng với đó là nhu cầu cuộc sống của
con ngƣời 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 lƣợng các loại động vật nuôi. Điều này sẽ gây thêm
áp lực đối với nguồn nƣớc ngọt cần thiết phải cung cấp trong chăn nuôi trên thế
giới. Đặc điểm và kích thƣớc 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 ni bị 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 lƣợng 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. Mơ hình Water footprint
Trong hoạt động thƣờng ngày của con ngƣời, chúng ta sử dụng nƣớc để uống,
nấu nƣớng, giặt giũ,... nhƣng một lƣợng nƣớc lớn hơn đƣợc con ngƣời sử dụng vào
các việc khác nhƣ trồng cây, chế biến sản xuất hàng hóa,... Trong tất cả các hoạt
động trên, nguồn nƣớc có vai trị rất quan trọng, có thể quyết định tới việc bố trí các
khu dân cƣ, trồng các loại cây, đặt các nhà máy,... Nhƣ vậy việc xác định đƣợc
nguồn gốc và cách sử dụng nguồn nƣớc sẽ giúp chúng ta xác định đƣợc cụ thể
lƣợng nƣớc cần thiết đƣợc tiêu thụ để tạo ra sản phẩm đó.
Theo tài liệu [9], Water footprint đƣợc xác định dựa theo lƣợng nƣớc tiêu thụ,
lƣợng nƣớc bốc hơi và lƣợng nƣớc bị ô nhiễm. Lƣợng nƣớc tiêu thụ đó chính là
lƣợng nƣớc đƣợc sử dụng vào các mục đích nhƣ uống, tƣới cây, chăn ni,... Lƣợng
nƣớc bốc hơi là lƣợng nƣớc thoát ra khỏi các bề mặt trái đất do ảnh hƣởng của các
yếu tố tự nhiên nhƣ độ ẩm, nắng, gió,... Lƣợng nƣớc bị ơ nhiễm là lƣợng nƣớc có
chứa các chất vƣợt quá tiêu chuẩn quy định cho nguồn nƣớc sử dụng vào các mục
đích. Nhƣ vậy, Water footprint có ba thành phần bao gồm: chỉ số sử dụng nƣớc mặt

16


và nƣớc ngầm - WFBlue, chỉ số sử dụng nƣớc mƣa - WFGreen, chỉ số sử dụng nƣớc
sạch đồng hóa chất thải - WFGrey đƣợc thể hiện nhƣ hình 1.2.

WFGreen

WF
WFBlue
WFGrey
Hình 1.2. Các thành phần của Water footprint
a. Blue Water footprint
WFBlue là chỉ số sử dụng nƣớc sạch từ nƣớc bề mặt và nƣớc ngầm trong suốt
quá trình sản xuất cho một sản phẩm hay một dịch vụ. Sự tiêu thụ ở đây là lƣợng
nƣớc bề mặt và nƣớc ngầm bị bốc thoát hơi nhƣ: bốc hơi bề mặt, thoát hơi từ thực
vật, cùng với lƣợng nƣớc kết hợp vào trong thu hoạch nhƣ: nƣớc rửa sản phẩm,
nƣớc chế biến,… cho một sản phẩm. Sự bốc thoát hơi nƣớc nhiều hay ít ngoài sự
phụ thuộc vào các yếu tố khí hậu nhƣ lƣợng gió, số giờ nắng, nhiệt độ,... thì cịn phụ
thuộc vào chủng loại, mật độ,... của thực vật.
Trong sản xuất nông nghiệp, thành phần Blue Water footprint đề cập tới lƣợng
nƣớc bốc hơi thông qua sự phát triển của cây trồng sử dụng nƣớc có nguồn gốc từ
lƣợng nƣớc trên bề mặt hoặc lƣợng nƣớc ngầm. Điều này có thể hiểu là lƣợng nƣớc
đã đƣợc sử dụng để tƣới mà không phải chảy lại vào nƣớc bề mặt hoặc nƣớc ngầm.
Để có thể xác định đƣợc lƣợng nƣớc này, rõ ràng cần phải biết rõ quá trình sinh
trƣởng, thời gian phát triển của từng loại cây trồng.
b. Green Water footprint
WFGreen là chỉ số sử dụng nƣớc sạch từ nƣớc mƣa trong suốt quá trình sản xuất
ra một sản phẩm hay một dịch vụ. Sự tiêu thụ ở đây là lƣợng nƣớc mƣa bị bốc thoát

17


hơi qua thực vật nhƣ: các cánh đồng, nông trại,... cùng với lƣợng nƣớc kết hợp vào
trong thu hoạch nhƣ: nƣớc rửa sản phẩm, nƣớc chế biến,… cho một sản phẩm. Thời
gian mƣa và lƣợng mƣa sẽ có vai trị quyết định tới WFGreen. Trong thời gian mƣa
nhiều, lƣợng mƣa lớn, độ ẩm khơng khí cao rõ ràng lƣợng bốc thoát hơi nƣớc của
thực vật cũng giảm đi đáng kể.

c. Grey Water footprint
WFGrey là chỉ số sử dụng lƣợng nƣớc sạch cần thiết để đồng hóa nƣớc ơ nhiễm
do nƣớc thải từ các hoạt động sản xuất, sinh hoạt,... trở thành nƣớc không gây hại
cho tự nhiên theo tiêu chuẩn chất lƣợng nƣớc hiện tại. Nó đƣợc coi nhƣ thể tích
nƣớc cần thiết để pha lỗng các chất ơ nhiễm đến mức chất lƣợng nƣớc đạt hoặc cao
hơn các tiêu chuẩn quy định. Thành phần Grey Water footprint đề cập tới khối
lƣợng nƣớc bị ô nhiễm liên quan đến sản xuất hàng hóa và dịch vụ đƣợc định lƣợng
bằng khối lƣợng nƣớc cần thiết để pha lỗng các chất ơ nhiễm đến mức bằng so với
tiêu chuẩn quy định về nƣớc sạch. Đối với sản xuất cây trồng, khối lƣợng pha lỗng
sẽ theo các tiêu chuẩn nitrat, phân bón và nồng độ thuốc trừ sâu còn tồn đọng trong
đất.
Grey Water footprint đƣợc xác định là lƣợng tiêu thụ gián tiếp trong khi đó
Green Water footprint và Blue Water footprint đƣợc coi là lƣợng tiêu hao trực tiếp
nguồn nƣớc. Sự khác biệt giữa Green Water footprint và Blue Water footprint có ý
nghĩa rất quan trọng trong sản xuất nông nghiệp bởi sự khác biệt đáng kể trong công
tác quản lý nguồn nƣớc mƣa và nƣớc tƣới trong nơng nghiệp. Ngồi ra, nó cũng làm
nổi bật các chi phí cơ hội khác nhau của việc sử dụng nguồn nƣớc, cụ thể: Green
Water footprint thƣờng có chi phí cơ hội thấp hơn so với Blue Water footprint và có
nhiều tiện ích khác trong xã hội.
1.1.3. Ƣớc tính thể tích nƣớc
Đối tƣợng nghiên cứu là cây lúa nên chỉ số 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 q trình phát triển nhƣ sau: Giai đoạn ngâm-ủ hạt giống, giai

18


đoạn gieo sạ, giai đoạn cây lúa đẻ nhánh, giai đoạn cây lúa làm đỏng, giai đoạn trổ
bông, giai đoạn lúa chín. Trong mỗi giai đoạn, nhu cầu nƣớc cũng nhƣ thành phần
nƣớc cũng khác nhau, trong đó phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khí tƣợng thủy văn

của khu vực.
Hình 1.3 mơ tả các bƣớc tính tốn chỉ số WF của quy trình tƣới tiêu của cây
lúa bằng cách tính lƣợng bốc thốt hơi nƣớc, xác định lƣợng tải gây ô nhiễm, hiện
trạng cây lúa và số liệu năng suất để tính các chỉ số WF thành phần: WFBlue,
WFGreen, WFGrey cuối cùng thu đƣợc chỉ số tổng hợp cuối cùng. Nhƣ vậy, trong q
trình tính tốn cần phải hiểu rõ đƣợc nguồn gốc của từng loại cây trồng cũng nhƣ
nhu cầu của từng giai đoạn để phù hợp với quá trình phát triển và đảm bảo năng
suất cao nhất. Tổng lƣợng nƣớc tiêu thụ trong một chu kì vụ mùa diễn ra ở cây
trồng, bắt đầu từ ngày trồng (ngày thứ nhất) cho đến khi thu hoạch (ngày thu
hoạch).
Năng suất lúa
(Y)

Chỉ số WF của lúa

Chỉ số Green Water
Footprint (WFGreen)

Chỉ số Blue Water
Footprint (WFBlue)

Lƣợng nƣớc mƣa tiêu thụ
(CWUGreen)

Lƣợng nƣớc mặt và
lƣợng nƣớc ngầm tiêu
thụ (CWUBlue)

Lƣợng bốc thoát hơi
nƣớc mƣa (ETGreen)

Chỉ số Grey Water
Footprint (WFGrey)
Lƣợng nƣớc sạch
dùng để đồng hóa
nƣớc ơ nhiễm (L)

Lƣợng bốc thốt hơi nƣớc
mặt và ngầm (ETBlue)

Hình 1. 3. Sơ đồ tính tốn chỉ số WF
Theo tài liệu [9], chỉ số WF đƣợc tính theo cơng thức:
WF=WFGreen + WFBlue + WFGrey

19

(1.1)


WFBlue =

CW Blue
Y

WFGreen =
WFGrey =

(1.2)

CW Green

Y

(1.3)

( .AR)/(Cmax -Cnat)
Y
lgp

CWUBlue =10 ∑d=1 ETBlue
lgp

(1.4)
(1.5)

CWUGreen =10 ∑d=1 ETGreen

(1.6)

ETBlue= max(0, ETc - P)

(1.7)

ETGreen= min(P, ETc)

(1.8)

Trong đó:
WF: chỉ số sử dụng nƣớc sạch, m3/tấn;
WFBlue: chỉ số sử dụng nƣớc mặt và nƣớc ngầm, m3/tấn;
WFGreen: chỉ số sử dụng nƣớc mƣa, m3/tấn;

WFGrey: chỉ số sử dụng nƣớc sạch để đồng hóa chất, m3/tấn;
CWUBlue: tổng lƣợng nƣớc mặt và nƣớc ngầm tiêu thụ, m3/ha;
CWUGreen: tổng lƣợng nƣớc mƣa tiêu thụ, m3/ha;
Y: năng suất sản phẩm, tấn/ha;
: phần lọc đi do dịng nƣớc;
AR: khối lƣợng chất hóa học đƣợc sử dụng vào sản xuất, kg/ha;
cmax: nồng độ tối đa chấp nhận đƣợc của chất thải, kg/m3;
cnat: nồng độ chất thải trong tự nhiên, kg/m3;
lgd: chu kì sinh trƣờng của một cây trồng nhất định, ngày;
P – là lƣợng mƣa trên khu vực nghiên cứu mm/ngày.

20


ETc là lƣợng bốc thoát hơi mùa vụ, mm/ngày.
1.1.4. Bốc thốt hơi nƣớc
a. Bốc hơi
Bốc hơi là q trình chuyển hóa các phân tử nƣớc từ bề mặt đất và bề mặt
thoáng của một vùng chứa nƣớc từ thể lỏng sang thể hơi và đi vào khơng khí do tác
động chính của bức xạ mặt trời, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, gió và các yếu tố mơi
trƣờng khác [11]. Nƣớc bốc hơi từ nhiều bề mặt khác nhau, nhƣ ao hồ, sông, vỉa hè,
đất và thảm thực vật ƣớt. Các yếu tố gây ảnh hƣởng tới sự bốc hơi nƣớc bao gồm:
bức xạ mặt trời, tốc độ gió, nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng 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
lƣợng của các phân tử nƣớc gia tăng làm cho chúng cho nhiều điều kiện để khuếch
tán vào khơng khí. Do vậy, khi xác xác định lƣợng bốc hơi cần phải nghiên cứu các
yếu tố trên để đánh giá lƣợng bốc hơi nƣớc.
Trong trƣờng hợp bề mặt bốc hơi là bề mặt đất, độ rộng của tán cây và lƣợng
nƣớc tƣới sẵn có trên bề mặt đất cũng là yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình bốc hơi.
Khi trời mƣa thƣờng xuyên, lƣợng nƣớc tƣới đầy đủ làm cho bề mặt đất luôn ẩm

ƣớt. Trƣờng hợp này lƣợng bốc hơi đƣợc xác định bởi các điều kiện khí tƣợng. Tuy
nhiên khi khoảng thời gian giữa lƣợng mƣa và nƣớc tƣới càng xa nhau, khả năng
duy trì độ ẩm bề mặt của đất nhỏ, hàm lƣợng nƣớc trong lớp đất mặt giảm xuống,
bề mặt đất khô. Trong trƣờng hợp này, lƣợng nƣớc cịn lại có ảnh hƣởng tới việc
bốc hơi nƣớc. Nếu khơng có nguồn cung cấp nƣớc cho bề mặt đất, sự bốc hơi nƣớc
sẽ giảm nhanh chóng và có thể gần nhƣ hoàn toàn chấm dứt (bề mặt đất khơ hồn
tồn).
b. Thốt hơi
Thốt hơi là hiện tƣợng nƣớc thốt ra khơng khí từ mặt lá, thân cây nhƣ là một
phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khơ hạn xung quanh nó [11]. Thốt
hơi là một phần của chu trình nƣớc của thực vật và là sự mất nƣớc từ các bộ phận
của cây, quá trình này xảy ra nhiều nhất ở lá và thân (ngoài ra cịn có ở hoa và rễ).

21


Trên bề mặt lá có các lỗ khí, và có ở hầu hết các lồi, nó có nhiều tại mặt dƣới của
lá. Quá trình này làm mát cây, làm áp suất thẩm thấu thay đổi, và cho phép lƣu
thông các chất dinh dƣỡng, chất khoáng và nƣớc từ rễ đến chồi.
Cây trồng sẽ điều chỉnh tốc độ thoát hơi nƣớc thơng qua mức độ mở lỗ khí.
Tốc độ thốt hơi nƣớc cũng bị ảnh hƣởng bởi nhu cầu bay hơi của khơng khí xung
quanh nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng mặt trời, tốc độ gió. Do vậy, khi đánh giá sự
thoát hơi nƣớc của cây trồng cần nghiên cứu ảnh hƣởng của các yếu tố: bức xạ,
nhiệt độ không khí, độ ẩm khơng khí, gió đến sự thốt hơi nƣớc của cây trồng.
c. Bốc thoát hơi nước
Bốc thoát hơi nước là tổng lƣợng nƣớc bốc hơi từ mặt đất nơi trồng mùa vụ và
lƣợng thoát hơi nƣớc từ bề mặt của lá cây trồng. Trong thực tiễn, bốc hơi và thốt
hơi nƣớc là hai q trình xảy ra đồng thời và khơng dễ dàng để có thể phân biệt hai
q trình đó. Ngồi sự bốc hơi nƣớc sẵn có trên bề mặt đất, sự bốc hơi nƣớc 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 trong các giai đoạn phát triển của cây khi tán lá che phủ diện tích đất
nhiều hơn.

Hình 1. 4. Bốc thoát hơi nƣớc

22


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 liệu ảnh LANDSAT 8 để nghiên cứu sự
bốc thoát hơi nƣớc của cây trồng tại khu vực sông Nile ở Ai Cập trong năm 2013.
Dựa vào mối quan hệ giữa chỉ số thực vật NDVI và chỉ số mùa vụ Kc (hình 1.5a)
kết hợp với các số liệu khí tƣợng, nhóm tác giả đã xác định đƣợc lƣợng bốc thốt
hơi nƣớc của cây trồng ETc (hình 1.5b) lớn nhất tập trung ở khu vực phía Nam với
lƣợng bốc thốt hơi nƣớc là 12mm/ngày.

a)

b)

Hình 1. 5. Kết quả xác định chỉ số mùa vụ (a) và lƣợng bốc thoát hơi nƣớc của cây
trồng (b) khu vực sông Nile ở Ai Cập
- Nghiên cứu của nhóm tác giả Mohammad Abuzar [2]. Trong nghiên cứu của
mình, nhóm tác giả đã sử dụng dữ liệu ảnh ASTER và LANDSAT 7 để ƣớc tính
nhu cầu nƣớc của cây trồng tại khu vực Macalister – Australia trong thời gian từ

23