Thứ hai 27/01/2020 10:01

Tích hợp các công cụ địa tin học và quản lý môi trường

02/01/2020 17:46
Tóm tắt: Trong nhiều năm qua, TKV đã thực hiện quan trắc và đánh giá xử lý môi trường ngày càng kịp thời, đầy đủ. Tuy nhiên với khối lượng dữ liệu lớn, qua thời gian dài thì việc nâng cấp, hoàn thiện công tác nêu trên một cách khoa học, có hệ thống là rất cần thiết. Hoàn thiện và làm chủ ứng dụng công nghệ bằng việc tích hợp nhóm công cụ Địa tin học (Hệ thông tin địa lý; Ảnh viễn thám) và Quản lý môi trường để quản lý và đánh giá chất lượng môi trường theo thời gian và không gian có nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn, xây dựng CSDL lớn 1 lần, dùng chung cho các phần mềm nhiều lần và cho nhiều mục đích khác nhau, từ đó thể hiện được chất lượng môi trường nước mặt vùng mỏ Cẩm Phả nhiều năm qua một cách khoa học, hiệu quả với kết quả ngày càng hoàn thiện.
Quy hoạch tổng thể hệ thống quan trắc môi trường quốc gia giai đoạn 2021-2030, tầm nhìn đến năm 2050

1. Tình hình quản lý dữ liệu quan trắc môi trường

Trong nhiều năm qua, công tác kiểm soát chất lượng môi trường ngày càng được thực hiện nghiêm túc. Tại vùng mỏ Quảng Ninh có nhiều đơn vị quan trắc, quản lý và xử lý dữ liệu môi trường. Riêng Tập đoàn Công nghiệp Than - Khoáng sản Việt Nam (TKV) quan trắc hàng quý, hàng tháng định kỳ và đột xuất tại các địa điểm nhạy cảm, thu thập được khối lượng dữ liệu rất lớn, gồm nhiều thông số môi trường theo tính chất, nhiều trạm đo theo không gian, nhiều đợt đo theo thời gian [1]. Kết quả thông số quan trắc môi trường thường được quản lý bằng phần mềm MsExcel, trên các bảng tính điện tử riêng rẽ, còn bản đồ trình bầy riêng trên phần mềm AutoCAD. Một số đơn vị sử dụng các phần mềm Hệ thông tin địa lý (GIS) quốc tế (ArcGIS, ArcInfo, MapInfo, Microstation,…) kết hợp với các phần mềm mở WEB-GIS, ELIS, ENVIM… để xây dựng dữ liệu bản đồ nền.

Một số hạn chế: Các bảng tính Excel xử lý dữ liệu tuy cũng tự động với máy tính nhưng còn nhiều khó khăn trong liên hệ với nhau, mỗi lần truy cập cũng chỉ được một nhóm dữ liệu nhất định (từng quý/năm, từng nhóm dữ liệu). AutoCAD không xây dựng quản lý được Cơ sở dữ liệu (CSDL) mà chỉ hỗ trợ đồ họa (Aided Drawing). GIS chuyên về bản đồ với dữ liệu không gian và thuộc tính, nhưng hạn chế về thể hiện thông số môi trường và thời gian theo dõi. Còn phần mềm môi trường chỉ chuyên về thông số môi trường, xử lý tốt thời gian quan trắc, nhưng tính không gian bản đồ đang cần hoàn thiện.

Địa tin học (Geomatics) là bộ môn khoa học về thu thập, lưu trữ, xử lý và hiển thị thông tin địa lý, kết hợp các khoa học Trắc địa và Tin học. Nó bao gồm các công cụ và kỹ thuật được sử dụng trong đo đạc bản đồ, GIS, viễn thám (Remote Sensing RS), hệ thống định vị vệ tinh toàn cầu (GPS, GLONASS)… CSDL thường chỉ khái niệm dữ liệu gốc, mà từ đó thông qua các phương pháp xử lý khác nhau sẽ tạo ra các thông tin khác nhau. Dữ liệu môi trường vùng mỏ Cẩm Phả bao gồm giá trị thông số quan trắc và thông tin địa lý. Do đó việc xây dựng một CSDL thông số môi trường thống nhất với việc tích hợp các công cụ xử lý liên kết không gian, thời gian, đồ họa, thuộc tính là việc làm cần thiết.

2. Tích hợp các công cụ Địa tin học

2.1. Xây dựng CSDL

Phần mềm quản lý và đánh giá môi trường (Environmental Data Qualification & Management Systems – EQWin) đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có khả năng lưu giữ, quản lý, phân tích và lập báo cáo dữ liệu kiểm soát môi trường của các khu vực rộng lớn, với số lượng trạm đo và thông số môi trường phong phú.

CSDL (Database) của EQWin lưu giữ dữ liệu gồm 4 bảng chính là Trạm đo, Thông số môi trường, Tiêu chuẩn môi trường và Giá trị mẫu đo được (Station, Parameters, Standards và Samples). Các dữ liệu trên liên kết với vị trí địa lý thông qua tọa độ không gian và tích hợp được với phần mềm GIS MapInfo.

Như đã giới thiệu trước đây, sau khi đã xây dựng CSDL (Hình 1) với các dữ liệu về trạm quan trắc như Mã hiệu, tên, mô tả, tọa độ địa lý, thuộc tính, phương pháp lấy mẫu… (Station code, name, discription, coordinates, station type, collection method…); các thông số môi trường như nồng độ kim loại (sắt Fe, măng gan Mn, asen As), độ pH, oxi hòa tan DO, nhu cầu oxi sinh học và hóa học BOD, COD, độ dẫn điện COND, ô nhiễm dầu mỡ SOLEX, đơn vị đo, Tiêu chuẩn môi trường (Standards)… ta có được CSDL môi trường của thời gian vừa qua.

tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Hình 1. Khai báo xây dựng CSDL môi trường vùng than Cẩm Phả.
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong

Đối với những đợt quan trắc tiếp theo, công việc đơn giản hơn nhiều với việc copy các dữ liệu mới vào CSDL, sau khi đã định dạng format lại các bảng thông số. Ví dụ từ dữ liệu như Bảng 1, cần định dạng lại để dữ liệu có dạng hàng và cột như hình dạng trong Bảng 2, sau đó copy/past vào CSDL của EQWin (Bảng 2). Trong khi copy, cần chỉ rõ các Trường (Field) về Thông số, Trạm đo, Thời gian (Parameter, Station, Date). Đồng thời có thể chuyển đổi sang CSDL của phần mềm GIS MapInfo như Bảng 3.

tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Bảng 1. Bảng dữ liệu kết quả quan trắc môi trường thông thường trên MSExcel.
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Bảng 2. Bảng dữ liệu trong CSDL trên EQWin.
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Bảng 3. CSDL trên phần mềm GIS MapInfo.

2.2. Đánh giá chất lượng môi trường

a. Sử dụng phần mềm GIS MapInfo và EQWin

Với CSDL đã xây dựng được (lưu giữ dữ liệu lớn về trạm đo, thời gian đo, thông số đo…)  có thể nhanh chóng đánh giá chất lượng môi trường, đưa ra báo cáo, đồ thị và so sánh với Quy chuẩn của các thời gian khác nhau. Ví dụ chỉ với nút lệnh thành lập bản đồ chuyên đề (Thematic map) và khai báo thông số, ta có ngay bức tranh như Hình 2 về độ pH của 4 quý năm 2016. Theo đó độ cao mỗi cột thể hiện giá trị đo được tại điểm đo (trạm đo) và so sánh với QCVN ở góc trái dưới bản đồ, từ đó dễ dàng trực quan cảm nhận mức độ ô nhiễm là trong giới hạn, không quá lớn hay bé để có tính axit hay kiềm.

tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Hình 2. Bản đồ chuyên đề độ pH của 4 quý năm 2016.
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Hình 3. Bản đồ chuyên đề thông số TSS năm 2016.

Tiếp theo ta có bản đồ chuyên đề ô nhiễm thông số TSS (năm 2016) như Hình 3. Theo đó độ lớn biểu tượng mỗi chấm tại điểm đo thể hiện giá trị thực tế và so sánh với QCVN ở góc trái dưới bản đồ.

Đồng thời, ta có ngay được diễn biến độ pH và thông số TSS thời gian các năm 2011-2018 trên Hình 4 cùng với Quy chuẩn quốc gia QCVN08/BTNMT, qua đó nhận thấy các giá trị đo được những năm gần đây đều tuân thủ trong phạm vi cho phép, cụ thể trong năm 2012-2013 vượt ô nhiễm nhưng đã được xử lý và TSS tại một vài trạm đo như Cầu 6, Cầu 3 có giá trị xấp xỉ hơn ngưỡng quy định.

 
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Hình 4. Diễn biến độ pH, TSS các năm 2011-2018 và QCVN.

Tương tự như vậy, ta có thông tin ô nhiễm Dầu mỡ và Kim loại nặng Sắt tổng, Mangan thời gian 2011-2018 như các Hình 5, 6. Qua đó nhận thấy theo QCVN2008 (0,1 mg/l) thì nhiều điểm bị ô nhiễm dầu mỡ nặng. Nhưng theo QCVN2015 (1,0 mg/l) thì tại một số điểm đo đã có ô nhiễm trong những năm 2015, nhưng đến nay đã được khắc phục và chỉ còn vài điểm (Suối Vũ Môn, Khe Rè, H10) xấp xỉ vượt quy định. Tương tự như vậy, giá trị Kim loại nặng trước đây thường vượt ngưỡng, nhưng đến nay đã ổn định ở mức cho phép. 

tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong

 

 

 

 

 

 

 

Hình 5. Diễn biến  ô nhiễm dầu mỡ các năm 2011-2018.
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong
Hình 6. Diễn biến  ô nhiễm kim loại nặng (Fe, Mn) các năm 2011-2018.

b. Sử dụng công nghệ Viễn thám

Viễn thám là công nghệ hiện đại, xây dựng bản đồ từ thông tin gián tiếp với phạm vi rộng lớn, hiệu quả cao. Từ năm 2001, đã có những nghiên cứu ban đầu xây dựng bản đồ ô nhiễm không khí từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat ETM+ khu vực Cẩm Phả. Trong nghiên cứu này lựa chọn xác định hàm lượng chất lơ lửng TSS và NH4+ nước biển ven bờ từ dữ liệu ảnh vệ tinh Sentinel-2A. Đối với thông số TSS, sử dụng chỉ số vật chất lơ lửng NSMI (Normalized Suspended Material Index) xác định hàm hồi quy với các giá trị TSS tại các trạm quan trắc nước biển ven bờ. Còn với NH4+, sử dụng phổ phản xạ tại các kênh nhìn thấy và cận hồng ngoại để xây dựng hàm hồi quy [2].

- Xác định hàm lượng TSS

Chỉ số chất lơ lửng chuẩn hóa NSMI được tính theo công thức [5]:

tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong

Đối với ảnh Sentinel-2A, để tính các chỉ số này sử dụng phản xạ phổ tại các kênh 2 (blue), kênh 3 (green), kênh 4 (red) và kênh 8 (NIR). Hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng TSS và giá trị chỉ số NSMI xác định từ ảnh vệ tinh quang học Sentinel-2A khu vực Cẩm Phả như sau (x là giá trị chỉ số NSMI):

tich hop cac cong cu dia tin hoc va quan ly moi truong

Để đánh giá độ chính xác trong xác định hàm lượng TSS, sử dụng số liệu đo thực tế tại 5 trạm quan trắc và nhận thấy, chênh lệch giữa các giá trị đều đạt nhỏ hơn 10% (Hình 7, Bảng 4.), đạt yêu cầu.

Bảng 4. So sánh kết quả xác định TSS từ ảnh vệ tinh Sentienl-2A (2/12/2016).

STT

Điểm quan trắc

Giá trị TSS (mg/l)

Chênh lệch (mg/l)

Xác định từ ảnh

Đo thực địa [1]

1

ĐQ 11

123,749

127

-3,251

2

ĐQ 12

115,529

108

7,529

3

ĐQ 13

89,515

92

-2,485

4

ĐQ 14

120,288

125

-4,712

5

ĐQ 15

142,463

139

3,463

- Xác định hàm lượng NH4+

Giá trị hàm lượng NH4+ tại 15 điểm quan trắc và lấy mẫu ngẫu nhiên được chọn để tính toán hồi quy, giá trị NH4+ tại 5 trạm cố định còn lại dùng để đánh giá độ chính xác. Hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa hàm lượng NH4+ và phổ phản xạ tại các kênh nhìn thấy và cận hồng ngoại ảnh vệ tinh Sentinel 2 được thể hiện qua các công thức sau:

Ở đây B2, B3, B4 và B8 là giá trị phản xạ phổ tại các kênh xanh lam (kênh 2), xanh lục (kênh 3), đỏ (kênh 4) và cận hồng ngoại (kênh 8) ảnh vệ tinh Sentinel 2. Hệ số R2 trong các hàm hồi quy này đạt 0,750 và 0,732 lần lượt cho các đợt quan trắc quý 1 và quý 4 năm 2016.

Kết quả xác định phân bố hàm lượng NH4+ trong nước biển khu vực Cẩm Phả quý I/2016 và quý IV/2016 được thể hiện trên Hình 8.

Bảng 5. Hàm lượng NH4+ trong nước biển ven bờ Cẩm Phả tại các trạm quan trắc Quý 1 và 4 năm 2016.

STT

Điểm quan trắc (Bến rót than)

Tọa độ

Hàm lượng NH4+ (mg/l)

X

Y

Quý 1/2016

Quý 4/2016

1

Cảng Km6 Cty Dương Huy

733658

2323232

5,03

3,75

2

Cảng Km6 TCty Đông Bắc

732606

2322890

4,57

3,62

3

Cảng Cửa Ông

746088

2326289

4,66

4,08

4

Cty kho vận và cảng CP

745361

2324919

5,09

3,89

5

Cảng Khe Dây

746174

2330048

5,14

5,12

So sánh kết quả xác định hàm lượng NH4+ từ ảnh vệ tinh Sentinel-2A và kết quả quan trắc tại 5 trạm đo cho thấy, độ lệch giữa các giá trị này không lớn, trong đó lớn nhất gần 15%, đạt yêu cầu.

3. Kết luận

Bài báo không có mục đích thay các cơ quan hữu trách thực hiện chức năng đánh giá kiểm soát môi trường, mà chỉ giới thiệu giải pháp ứng dụng công nghệ thông qua tích hợp các công cụ Địa tin học (GIS, RS) và Quản lý môi trường (EQ) xây dựng CSDL và quản lý, đánh giá chất lượng môi trường theo thời gian và không gian một cách khoa học, hiệu quả.

Dữ liệu lớn, đa dạng thông số quan trắc môi trường, nhiều trạm đo theo không gian, nhiều đợt đo theo thời gian được định dạng theo hàng và cột (trường và bản ghi) phù hợp chuẩn dữ liệu của phần mềm GIS và EQW, để có thể tích hợp dùng chung và nhập (import) vào phần mềm, trên cơ sở dữ liệu đồ họa các bản đồ nền. Lợi ích đặc biệt của CSDL này là chỉ cần xây dựng 1 lần, dễ dàng cập nhật cho các đợt tiếp theo, dùng chung cho các phần mềm nhiều lần và cho nhiều mục đích khác nhau. Đồng thời có thể sử dụng ảnh viễn thám xác định hàm lượng một số thông số môi trường nước biển ven bờ.

Việc phân tích thông tin từ CSDL môi trường quan trắc được trong nhiều năm qua cho thấy nước mặt vùng than Cẩm Phả trước đây bị ô nhiễm về một số chỉ tiêu như COD, Nitơ, Dầu mỡ…, tập trung ở khu vực cảng Hà Ráng, suối H10, suối Cầu1, suối Cầu 2, suối Cầu 5. Nhưng hiện nay đã được xử lý khắc phục, đặc biệt là các chỉ tiêu có kết quả tốt như độ pH, Coliform, kim loại nặng (Asen, Sắt, Chì, Cađimi…), chỉ còn một vài giá trị xấp xỉ vượt ngưỡng quy định (Dầu mỡ, Mănggan).

Kiều Kim Trúc, Hội KHCN Mỏ Việt Nam

Nguyễn Thị Lệ Hằng, Đại học Tài nguyên – Môi trường

(Tài liệu hội thảo “Bảo vệ môi trường trong khai thác, chế biến, sử dụng than, khoáng sản và dầu khí”)

Xem phiên bản mobile