BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG THÀNH
LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HẠ
LƯU SÔNG ĐÁY GIAI ĐOẠN 2017 – 2018

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

ĐẶNG NGUYỆT ANH

HÀ NỘI, NĂM 2018


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG THÀNH
LẬP BẢN ĐỒ HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC HẠ
LƯU SÔNG ĐÁY GIAI ĐOẠN 2017 – 2018

ĐẶNG NGUYỆT ANH
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ: 8440301
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. TRỊNH LÊ HÙNG
2. PGS.TS. LÊ THỊ TRINH

HÀ NỘI, NĂM 2018



iii

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp
đỡ của nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị. Nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin
bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới:
PGS.TS. Trịnh Lê Hùng, người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều
kiện thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tôi hoàn thành
luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn trân trọng tới PGS.TS. Lê Thị Trinh đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn sự hỗ trợ của đề tài cấp Bộ Tài nguyên và Môi
trường “Nghiên cứu đặc điểm phân bố, lịch sử tích lũy môt số kim loại nặng,
hợp chất hữu cơ khó phân hủy trong trầm tích và đánh giá rủi ro môi trường
khu vực hạ lưu sông Đáy”, mã số TNMT 2017.04.09 cho các nội dung nghiên
cứu thực nghiêm của luận văn.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Môi trường,
Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội… đã nhiệt tình giúp đỡ tôi
trong quá trình hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn TS. Trịnh Thị Thắm
giảng viên khoa Môi trường, nhóm các bạn sinh viên Phạm Thị Linh Chi,
Nguyễn Thị Như Quỳnh, Nguyễn Thu Thảo, lớp ĐH4QM về sự hỗ trợ trong
quá trình thực nghiệm.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, cán bộ, đồng
nghiệp và bạn bè đã tạo điều kiện tốt nhất về mọi mặt cho tôi trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện luận văn một cách hoàn chỉnh
nhất, song do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi
những thiếu sót, vì vậy rất mong nhận được sự góp ý của các Thầy, Cô để

1.2.1. Công nghệ viễn thám ...................................................................... 18
1.2.2. Khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu chất
lượng nước ................................................................................................ 20
1.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước .......................... 26
1.4. Đặc điểm tư liệu ảnh vệ tinh Sentinel – 2 ............................................. 41
1.5. Tổng kết chương 1 ................................................................................ 43
CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU ..................................................................................... 45
2.1. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ............................................................ 45
2.2. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 45
2.2.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu ..................................... 46
2.2.2. Phương pháp điều tra và khảo sát thực địa ..................................... 48
2.2.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích chất lượng nước ..................... 48
2.2.4. Phương pháp xác định hàm lượng thông số chất lượng nước từ dữ
liệu viễn thám ............................................................................................ 54


vi

2.3. Phương pháp xử lý ảnh vệ tinh Sentinel-2 phục vụ xác định hàm lượng
TSS ............................................................................................................... 58
2.3.1. Tiền xử lý ảnh ................................................................................. 58
2.3.2. Xác định phổ phản xạ bề mặt ......................................................... 59
2.3.3. Xác định hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt
nước và hàm lượng TSS ........................................................................... 62
2.4. Tổng kết chương 2 ................................................................................ 62
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................ 63
3.1. Đặc điểm tư liệu sử dụng trong nghiên cứu .......................................... 63
3.1.1. Tư liệu viễn thám ............................................................................ 63
3.1.2. Số liệu quan trắc ............................................................................. 67


WQI

: Chỉ số chất lượng nước mặt

GPS

: Hệ thống định vị toàn cầu

NSMI

: Chỉ số chất rắn lơ lửng

COD

: Nhu cầu oxy hóa học

BOD

: Nhu cầu oxy sinh hóa

DO

: Oxy hòa tan

TSS

: Tổng chất rắn lơ lửng

BVTV : Bảo vệ thực vật

Bảng 3.2: Giá trị phản xạ phổ tại kênh ảnh tại các vị trí tương ứng ............... 70
Bảng 3.3: Kết quả xác định hàm hồi quy giữa phản xạ phổ kênh 2, 3, 4, 8 ảnh
vệ tinh Sentinel-2A và hàm lượng các thông số chất lượng nước .................. 73
Bảng 3.4: So sánh kết quả xác định hàm lượng TSS từ ảnh vệ tinh Sentinel-2
ngày 09/4/2018 ................................................................................................ 75


x

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sơ đồ khu vực nghiên cứu ................................................................ 4
Hình 1.2: Biểu đồ diễn biến hàm lượng COD trên sông Đáy năm 2014 [6] .. 16
Hình 1.3: Biểu đồ diễn biến hàm lượng BOD5 trên sông Đáy năm 2014 [6] . 17
Hình 1.4: Biểu đồ diễn biến hàm lượng NH4+-N trên sông Đáy năm 2014 [6] 17
Hình 1.5: Quan hệ giữa thông số độ đục và phổ phản xạ chiết suất từ tư liệu
viễn thám [8] ................................................................................................... 27
Hình 1.6: Vị trí các điểm lấy mẫu chất lượng nước trong nghiên cứu của
Weipi He [16] .................................................................................................. 28
Hình 1.7: Kết quả xác định phân bố hàm lượng NO3-N và NH3-N từ tư liệu
viễn thám [12] ................................................................................................. 28
Hình 1.8: Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SPM) vùng Gironde
(Pháp) trên ảnh SPOT HRV và Landsat ETM+ [14] ...................................... 29
Hình 1.9: Phân bố hàm lượng SPM khu vực German Bight từ ảnh SPOT .... 30
Hình 1.10: Bản đồ phân bố độ đục của nước khu vực sông Gomti Lucknow từ
ảnh vệ tinh QuickBird [22] ............................................................................. 32
Hình 1.11: Kết quả xác định hàm lượng chất lơ lửng (SS) trong nước mặt hồ
Buyukcekmece (Thổ Nhĩ Kỳ) từ tư liệu ảnh vệ tinh IKONOS [23] ............... 33
Hình 1.12: Bản đồ phân bố hàm lượng Chl-a trung bình vùng biển Việt Nam
vào tháng 5 năm 2008 và 2011 [24]................................................................ 35
Hình 1.13 Bản đồ hiện trạng phân bố hàm lượng SPM khu vực ven bờ sông

ảnh 2) ............................................................................................................... 66
Hình 3.1f: Ảnh vệ tinh Sentinel 2 khu vực sông Đáy ngày 09/4/2018 (sau khi
khớp ảnh) ......................................................................................................... 66
Hình 3.1: Giao diện phần mềm Erdas Imagine 2014 ...................................... 67
Hình 3.2: Giá trị phản xạ phổ (dạng số nguyên, chưa chia cho 10000) tại 4
kênh ảnh vệ tinh Sentinel-2A (kênh 2, 3, 4 và 8) tại từng vị trí lấy mẫu........ 70
Hình 3.3: Công cụ hồi quy (regression) trong tool Data Analysis của phần
mềm Microsoft Excel 2013 ............................................................................. 72
Hình 3.4: Kết quả hồi quy bội tuyến tính nhằm xác định hàm lượng TSS ..... 73
Hình 3.5: Công cụ mô hình hóa (Modeler) trong phần mềm ERDAS Imagine
2014 ................................................................................................................. 76
Hình 3.6: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh
Sentinel-2 ngày 20/12/2017 ............................................................................ 77
Hình 3.7: Kết quả đánh giá phân bố hàm lượng TSS xác định từ ảnh vệ tinh
Sentinel-2 ngày 09/4/2018 .............................................................................. 78
Hình 3.8: So sánh giá trị TSS hạ lưu sông Đáy từ hai phương pháp .............. 84


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn
Lưu vực sông Nhuệ - Đáy là một trong những lưu vực sông lớn của
Việt Nam, có vị trí địa lý đặc biệt, giữ vai trò quan trọng trong phát triển kinh
tế xã hội vùng đồng bằng sông Hồng. Sông Đáy là sông chính của lưu vực
sông Nhuệ - Đáy ở phía tây nam vùng châu thổ sông Hồng và là một trong
những con sông dài nhất ở miền Bắc nước ta. Với chiều dài khoảng 237 km,
sông Đáy chảy qua các tỉnh và thành phố Hà Nội, Hà Nam, Nam Định và
Ninh Bình. Đây là vùng lãnh thổ có điều kiện tự nhiên, môi trường phong phú
đa dạng, có vị trí địa lý đặc biệt quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế

mặt truyền thống dựa trên kết quả phân tích mẫu nước chỉ thể hiện chất lượng
nước cục bộ xung quanh điểm đo và trên thực tế không thể tiến hành lấy mẫu
dày đặc ở một khu vực rộng lớn do tốn kém về thời gian và chi phí. Phương
pháp sử dụng công nghệ viễn thám với các ưu điểm nổi bật như diện tích phủ
trùm rộng, thời gian cập nhật ngắn đang trở thành một công cụ hiệu quả trong
nghiên cứu chất lượng nước mặt, đặc biệt đối với các khu vực rộng lớn như
lưu vực sông.
Trên cơ sở đó, đề tài “Ứng dụng công nghệ viễn thám trong thành lập
bản đồ hiện trạng chất lượng nước hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017 –
2018” được thực hiện là xuất phát từ yêu cầu thực tiễn, nhằm góp thêm một
hướng ứng dụng công nghệ mới phuc vụ quản lý chất lượng môi trường nước.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Thành lập được bản đồ hiện trạng chất lượng nước và đánh giá được
chất lượng nước khu vực hạ lưu sông Đáy giai đoạn 2017-2018 bằng công
nghệ viễn thám.
3. Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, trong luận văn tiến hành nghiên cứu các nội
dung sau:


3

(1) Xây dựng hàm quan hệ giữa chất lượng nước và phổ phản xạ ảnh vệ tinh
- Thu thập số liệu nguồn thải chính phát sinh vào hạ lưu Sông Đáy giai
đoạn 2017 – 2018
- Lấy mẫu và phân tích chất lượng nước hạ lưu sông Đáy tại 37 điểm
- Thu thập dữ liệu ảnh viễn thám quang học Sentinel 2 khu vực hạ lưu
sông Đáy giai đoạn 2017 – 2018;
- Xác định phản xạ phổ mặt nước từ ảnh vệ tinh Sentinel 2 và xây dựng
hàm hồi quy thể hiện mối quan hệ giữa phổ phản xạ với hàm lượng các thông


- Đặc điểm khí hậu
Do nằm trong khu vực Bắc Bộ nên có nền khí hậu mang đầy đủ những
thuộc tính cơ bản của khí hậu miền Bắc Việt Nam đó là nhiệt đới gió mùa
nóng ẩm, mùa đông khá lạnh và ít mưa, mùa hè nắng nóng nhiều mưa tạo nên
bởi tác động qua lại của các yếu tố: bức xạ mặt trời, địa hình, các khối không
khí luân phiên khống chế.
+ Chế độ nắng: Khu vực nghiên cứu nằm trong miền khí hậu nhiệt đới
gió mùa, với lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng 105 - 120
kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600 - 1750
giờ/năm, trong đó tháng 7 có số giờ nắng nhiều nhất đạt 200 - 230 giờ/tháng
và tháng 2, 3 có số giờ nắng ít nhất khoảng 25 - 45 giờ/tháng. Chế độ nắng
cũng giống như chế độ nhiệt, nó ảnh hưởng đến tốc độ và dạng phân hủy các
hợp chất hữu cơ và nồng độ oxy hòa tan trong nước.
+ Chế độ nhiệt: Chế độ nhiệt phân hóa rõ rệt theo đai cao trong khu
vực nghiên cứu. Nhiệt độ trung bình năm ở vùng thấp đạt từ 27 - 300C, ở
vùng đồi núi phía Tây và Tây Bắc nhiệt độ trung bình năm xấp xỉ 24 0C. Mùa
đông nhiệt độ trung bình ở vùng cao giảm xuống còn 16 - 190C, mùa hè trung
bình khoảng 220C; còn ở vùng thấp mùa đông nhiệt độ trung bình 18 - 200C,
mùa hè từ 27 - 300C. Trong trường hợp cực đoan, nhiệt độ tối cao có thể lên
tới 400C, và nhiệt độ tối thấp có thể xuống tới dưới 00C.Chế độ nhiệt của
nước phụ thuộc vào chế độ nhiệt của không khí đã ảnh hưởng đến các quá
trình hóa lý xảy ra trong nước, nó ảnh hưởng đến đời sống các vi sinh vật và
vi khuẩn sống trong nước.
+ Chế độ mưa ẩm: Do địa hình khu vực nghiên cứu đa dạng và phức
tạp nên lượng mưa cũng biến đổi không đều theo không gian. Phần hữu ngạn
của lưu vực có mưa khá lớn (P > 1800 mm), nhất là vùng đồi núi phía Tây (P
> 2000 mm). Phần tả ngạn lưu vực, lượng mưa tương đối nhỏ (P = 1500 -




7

nghiệp của các tỉnh Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình và Hà Nội, đặc biệt là
úng, lụt ở vùng trũng Nam Định, Ninh Bình gây ô nhiễm môi trường nói
chung và môi trường nước nói riêng.
- Chế độ thủy văn
Cũng như mưa, dòng chảy phân bố trên lưu vực cũng không đều, dòng
chảy lớn nhất là ở núi Ba Vì, phần hữu ngạn lưu vực có dòng chảy lớn hơn.
Dòng chảy mùa lũ từ tháng 6 – tháng 10 cũng chiếm 70 - 80% lượng dòng
chảy năm, tháng 9 là tháng có dòng chảy trung bình tháng lớn nhất chiếm
khoảng 20 - 30% lượng dòng chảy năm và lũ lớn nhất năm của sông Đáy
cũng thường xảy ra vào tháng 9.
Do độ dốc lòng sông và cường độ mưa lớn ở vùng thượng lưu vực nên
lũ ở các sông suối vừa và nhỏ lên xuống rất nhanh với cường suất lũ lên lớn
nhất có thể tới 2 m/h (tại trạm Hưng Thi 2,28 m/h). Thời gian kéo dài một
trận lũ chỉ từ 1 - 3 ngày.
Sông Đáy có vị trí rất quan trọng, trước đây nó vừa là đường thoát nước
chính của sông Hồng, vừa là đường tiêu lũ của bản thân LVS Đáy. Trên dòng
chính sông Đáy ở trung và hạ lưu có các chi lưu là sông Nhuệ, sông Châu,
sông Đào. Chế độ dòng chảy sông Đáy không những chịu ảnh hưởng của các
yếu tố mặt đệm trong lưu vực, các yếu tố khí hậu (trước hết là mưa) chế độ
nhiệt, chế độ thủy triều vịnh Bắc Bộ, mà còn phụ thuộc vào chế độ nước và hệ
thống kênh tưới – tiêu và đặc biệt là chế độ thủy văn của sông Hồng (chủ yếu
thông qua sông Đào nhận nước sông Hồng tại Nam Định và sông Nhuệ nhận
nước sông Hồng qua cống Liên Mạc, Hà Nội). Vì thế mà chế độ dòng chảy
sông Đáy rất phức tạp và có sự khác nhau nhất định giữa các đoạn sông. Do
địa hình lòng dẫn ở một số đoạn bị thu hẹp (như eo Tân Lang), và sự lấn
chiếm lòng sông, bãi sông làm cản trở thoát lũ, thêm vào đó là nước từ sông
Đào do sông Hồng chảy sang và nhất là khi lũ gặp triều cường thì lũ rút rất

môi trường trong lưu vực.


9

- Phát triển sản xuất công nghiệp – tiểu thủ công nghiệp trong lưu vực
Trên lưu vực sông Đáy có khoảng 4113 cơ sở sản xuất lớn, được phân
bố không đều trên 6 tỉnh trong lưu vực. Các làng nghề với những sản phẩm
truyền thống mang tính chất hàng hóa cao và ngày càng tinh xảo đang được
hồi phục và phát triển. Tuy nhiên, phần lớn công nghệ và kỹ thuật áp dụng
cho sản xuất nghề còn lạc hậu, trình độ cơ khí hóa còn thấp, thiết bị phần lớn
đã có, không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, an toàn và vệ sinh môi trường. Các
làng nghề chủ yếu tập trung sản xuất hàng hóa mà thiếu đầu tư công nghệ,
giải pháp thích hợp để xử lý chất thải.
- Hiện trạng sử dụng đất và phát triển nông nghiệp trong lưu vực
Trong lưu vực sông Đáy – Nhuệ, theo thống kê, diện tích đất nông
nghiệp chiếm phần lớn (49,5%). Đất rừng và đất trồng cây công nghiệp chiếm
19,1% và 13,8%. Đất đô thị chỉ chiếm phần nhỏ khoảng 4,9%
Trong những năm gần đây, do quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ,
diện tích đất nông nghiệp trong lưu vực đã dần bị thay thế bởi diện tích đô thị
hoặc các khu công nghiệp mới. Tuy nhiên, nông nghiệp vẫn là ngành sản xuất
chính có đóng góp lớn vào kinh tế lưu vực sông Đáy. Trong nội bộ ngành
nông nghiệp tỷ trọng ngành trồng trọt giảm dần trong khi ngành chăn nuôi
tăng dần. Trong toàn bộ lưu vực, số dân tham gia hoạt động sản xuất nông
nghiệp chiếm khoảng 60-70% tổng dân số thuộc lưu vực. Hệ thống kênh tưới,
tiêu dày đặc trong lưu vực đã và đang phục vụ đắc lực cho các hoạt động sản
xuất nông nghiệp trong vùng. Song song với việc phát triển kinh tế, các hoạt
động canh tác phát triển mạnh cũng gây ra những ảnh hưởng đáng kể cho môi
trường nước sông Đáy.
1.1.2. Các nguồn thải chính phát sinh vào hạ lưu sông Đáy

biệt trong việc tuân thủ các quy định về đánh giá tác động môi trường, một
phần nguyên nhân là do tiềm lực tài chính của các cơ sở còn hạn chế, không
đủ khả năng đầu tư hệ thống xử lý nước thải đồng bộ.


11

- Nguồn thải từ hoạt động nông nghiệp và chăn nuôi
Đặc trưng nhất của vùng đất thuộc lưu vực sông Đáy là sản xuất nông
nghiệp. Hoạt động canh tác trên lưu vực ven sông chủ yếu là trồng ngô, đỗ, lạc,
các loại cây hoa màu,… Các hóa chất dùng trong hoạt động nông nghiệp như
các loại thuốc trừ sâu DDT, các loại thuốc diệt cỏ,… là các chất bền vững, tốc
độ phân hủy trong nước chậm. Ngoài ra, hàm lượng các chất dùng trong nông
nghiệp còn tồn tại trong bùn đất một lượng đáng kể và từ đất bị rửa trôi, một
phần thẩm thấu vào tầng nước ngầm nông, một phần chuyển tới hệ thống sông
ngòi, ao hồ.
Hoạt động chăn nuôi thải ra môi trường một lượng lớn chất thải như
phân, nước tiểu, thức ăn dư thừa,… các chất thải này có đặc thù khá giống
chất thải sinh hoạt, chúng chứa nhiều chất hữu cơ, hàm lượng tổng chất rắn lơ
lửng TSS rất cao gây ô nhiễm nguồn nước sông. Hiện nay, nguồn thải này
ngày càng gia tăng nhưng vẫn chưa có biện pháp thu gom và xử lý hợp lý nên
đã và đang gây ô nhiễm môi trường rất lớn, tiềm ẩn nguy cư gây ra dịch bệnh
cho người và vật nuôi, đa phần lượng nước thải này được thải thông qua các
hệ thống cống rãnh rồi thải trực tiếp vào lưu vực sông, làm ảnh hưởng không
nhỏ đến chất lượng nước sông.
- Nguồn thải từ các đô thị và khu dân cư tập trung
Hiện nay trên LVS Nhuệ - sông Đáy có khoảng trên 11 triệu dân. Ước
tính dân số nông thôn trong lưu vực khoảng 5,7 triệu người với lượng nước sử
dụng trung bình 30 l/ngày thì tổng lượng nước sử dụng cho sinh hoạt nông
thôn khoảng 64,2 triệu m3/năm. Lượng nước thải sinh hoạt ở các đô thị trong

+

Hà Nam: có 10 làng nghề - chiếm 7 % tổng số làng nghề;

+

Nam Định: có 6 làng nghề - chiếm 4,2% tổng số làng nghề;

+

Ninh Bình: có 28 làng nghề - chiếm 19,6% tổng số làng nghề;

Các làng nghề trong lưu vực đều hình thành tự phát có quy mô nhỏ,
phương thức thủ công lạc hậu, lại nằm xen kẽ giữa các khu dân cư nên
chưa được quy hoạch tổng thể và xây dựng hệ thống thoát nước và xử lý
chất thải hoàn chỉnh. Nguồn thải làng nghề chủ yếu do nước thải và chất
thải rắn từ làng nghề nhuộm, dệt vải, nghề mạ kim loại, tái chế phế thải,