Ứng dụng GIS trong việc xây dựng mạng lưới quan trắc mặt nước

Chương I: TỔNG QUAN 1. Khái niệm GIS: Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Ifomation System) là hệ thống quản lý thông tin không gian được phát triển dựa trên cơ sở công nghệ máy tính với mục đích lưu trữ hợp nhất, mô hình hóa, phân tích và miêu tả được nhiều loại dữ liệu, đã kịp ra đời để đáp ứng được những yêu cầu trên GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch mô hình hóa và quan trắc. Thông tin địa lý là những thông tin quan trọng để đưa ra những quyết định một cách nhanh chóng. Các phân tích GIS phụ thuộc vào chất lượng, giá trị và tính tương thích của các dữ liệu địa lý dạng số. việc chia sẽ dữ liệu sẽ kích thích sự phát triển các nhu cầu về sản phẩm và dịch vụ GIS. Các nguồn dữ liệu tăng thêm nhờ sự kết hợp của GIS với GPS (hệ thống định cị toàn cầu) và công nghệ viễn thám, dã cung cấp các công cụ thu nhập dữ liệu hiệu quả hơn. GIS đã được công nhận là một hệ thống với nhiều lợi ích không chỉ trong các công tác thu thập đo đạc địa lý mà còn trong công nghệ điều tra tài nguyên thiên nhiên, phân tích hiện trạng và dự báo xu hướng diễn biến tài nguyên môi trường. Lập bản đồ và phân tích địa lý không phải là kỹ thuật mới, nhưng GIS thực thi các công việc này tốt hơn và nhanh hơn các phương pháp thủ công cũ. Trước công nghệ GIS, chỉ có một số ít người có những kỹ năng cần thiết để sử dụng thông tin địa lý giúp ích cho việc giải quyết vấn đề và đưa ra các quyết định.  Ngày nay, GIS là một ngành công nghiệp hàng tỷ đô la với sự tham gia của hàng trăm nghìn người trên toàn thế giới. GIS được dạy trong các trường phổ thông, trường đại học trên toàn thế giới. Các chuyên gia của mọi lĩnh vực đều nhận thức được những ưu điểm của sự kết hợp công việc của họ và GIS. 2. Tài nguyên nước mặt và giới thiệu GIS trong quản lý nước mặt. 2.1 Tài nguyên nước mặt Nước là nguồn tài nguyên quan trọng bậc nhất không chỉ đối với các sinh vật sống trên trái đất, mà nó còn là yếu tố sống còn đối với vấn đề phát triển kinh tế xã hội và sự tồn vong của mỗi quốc gia. Nước được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực, trong công nghiệp, nông nghiệp (trồng trọt, tưới tiêu, chăn nuôi), năng lượng (thuỷ điện, làm mát các thiết bị,…), cấp nước cho sinh hoạt và công cộng. Lượng nước sử dụng trong các lĩnh vực chính là thước đo nhu cầu dùng nước và mức độ phát triển của các ngành nghề, các lĩnh vực trong sự phát triển chung của nền kinh tế xã hội.
            Tài nguyên nước mặt (dòng chảy sông ngòi) của một vùng lãnh thổ hay một quốc gia là tổng của lượng dòng chảy sông ngòi từ ngoài vùng chảy vào và lượng dòng chảy được sinh ra trong vùng (dòng chảy nội địa).            Tổng lượng dòng chảy sông ngòi trung bình hàng năm của nước ta bằng khoảng 847 km3, trong đó tổng lượng ngoài vùng chảy vào là 507 km3 chiếm 60% và dòng chảy nội địa là 340 km3, chiếm 40%.            Nếu xét chung cho cả nước, thì tài nguyên nước mặt của nước ta tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng dòng chảy của các sông trên thế giới, trong khi đó diện tích đất liền nước ta chỉ chiếm khoảng 1,35% của thế giới. Tuy nhiên, một đặc điểm quan trọng của tài nguyên nước mặt là những biến đổi mạnh mẽ theo thời gian (dao động giữa các năm và phân phối không đều trong năm) và còn phân bố rất không đều giữa các hệ thống sông và các vùng.            Tổng lượng dòng chảy năm của sông Mê Kông bằng khoảng 500 km3, chiếm tới 59% tổng lượng dòng chảy năm của các sông trong cả nước, sau đó đến hệ thống sông Hồng 126,5 km3 (14,9%), hệ thống sông Đồng Nai 36,3 km3 (4,3%), sông Mã, Cả, Thu Bồn có tổng lượng dòng chảy xấp xỉ nhau, khoảng trên dưới 20 km3 (2,3 - 2,6%), các hệ thống sông Kỳ Cùng, Thái Bình và sông Ba cũng xấp xỉ nhau, khoảng 9 km3 (1%), các sông còn lại là 94,5 km3 (11,1%).           Một đặc điểm quan trọng nữa của tài nguyên nước sông của nước ta là phần lớn nước sông (khoảng 60%) lại được hình thành trên phần lưu vực nằm ở nước ngoài, trong đó hệ thống sông Mê Kông chiếm nhiều nhất (447 km3, 88%). Nếu chỉ xét thành phần lượng nước sông được hình thành trong lãnh thổ nước ta, thì hệ thống sông Hồng có tổng lượng dòng chảy lớn nhất (81,3 km3) chiếm 23,9%, sau đó đến hệ thống sông Mê Kông (53 km3, 15,6%), hệ thống sông Đồng Nai (32,8 km3, 9,6%). Khan hiếm và thiếu nước là mối đe doạ rất nghiêm trọng đối với sự tồn tại của con người trong tương lai. Vì lẽ đó, cần có các giải pháp quản lý, khai thác và bảo vệ tốt tài nguyên nước. Trước hết, cần phải củng cố, bổ sung mạng lưới điều tra quan trắc tài nguyên nước, bao gồm cả nước mặt và nước dưới đất, cả lượng và chất, hình thành mạng lưới quan trắc điều tra tài nguyên nước thống nhất trong phạm vi cả nước, tiến hành kiểm kê đánh giá tài nguyên nước trong các lưu vực sông, các vùng và toàn lãnh thổ. Trên cơ sở kiểm kê đánh giá tài nguyên nước và cân bằng kinh tế nước mà xây dựng chiến lược, chính sách phát triển bền vững tài nguyên nước quốc gia nói chung và cho các lưu vực nói riêng. Cần thực hiện nghiêm chỉnh Luật Tài nguyên Nước và đẩy mạnh hoạt động của Hội đồng Tài nguyên Nước Quốc gia và Ban quản lý lưu vực các sông. Biểu đồ 6.1: Tổng hợp nhu cầu sử dụng nước trong các lĩnh vực theo xu hướng thời gian (triệu m3/năm)
Nguồn: Tổng hợp từ Đề tài KC 12.07 2.2 Giới thiệu GIS trong quản lý nước mặt. Nước là tài nguyên có thể tái tạo được
 Nước tự nhiên được coi là nguồn tài nguyên vô giá đối với con người. Với các quốc gia phát triển, tài nguyên nước đóng vai trò vô cùng quan trọng và được đặt lên hàng đầu trong việc khai thác, sử dụng và quản lý với quy mô lớn. Ngược lại, đối với những quốc gia chậm phát triển hoặc các nước đang phát triển, vai trò của nước vẫn chưa được nhận thức rõ ràng, song hành với điều đó là việc sử dụng lãng phí và ít có động thái để bảo tồn và sử dụng hiệu quả nguồn khoáng sản quý báu này. Do đó, một số dự án hợp tác quốc tế đã kết hợp với các quốc gia này để thực hiện và triển khai nhận thức về vai trò của nước, hỗ trợ khai thác, sử dụng và quản lý tổng hợp nguồn tài nguyên nước một cách hợp lý, bền vững và hiệu quả. Công tác nghiên cứu, quản lý và quy hoạch sử dụng tài nguyên nước phải sử dụng một khối lượng dữ liệu rất lớn, đa lãnh mực, với nhiều cấp độ chi tiết khác nhau, ngoài ra rất nhiều phân tích mang tính không gian được sử dụng. Ở nhiều nơi trên thế giới, GIS được sử dụng rất hiệu quả cho công tác qui hoạch và quản lý tài nguyên nước vì GIS hỗ trợ rất nhiều công cụ mạnh để thu thập, xử lý, lưu trữ và phân tích dữ liệu không gian. Do đó, việc xây dựng một hệ thốngthông tin địa lý nhằm phục vụ cho công tác quản lý tài nguyên nước cho vùng là hệt sức cần thiết. Theo những chuyên gia GIS kinh nghiệm nhất thì có rất nhiều ứng dụng đã phát triển trong những tổ chức quan tâm đến môi trường. Với mức đơn giản nhất thì người dùng sử dụng GIS để đánh giá môi trường, ví dụ như vị trí và thuộc tính của cây rừng. Ứng dụng GIS với mức phức tạp hơn là dùng khả năng phân tích của GIS để mô hình hóa các tiến trình xói mòn đất sư lan truyền ô nhiễm trong môi trường khí hay nước, hoặc sự phản ứng của một lưu vực sông dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn. Nếu những dữ liệu thu thập gắn liền với đối tượng vùng và ứng dụng sử dụng các chức năng phân tích phức tạp thì mô hình dữ liệu dạng ảnh (raster) có khuynh hướng chiếm ưu thế. Chương II: CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN GIS TRONG QUẢN LÝ NƯỚC MẶT 1. Quan trắc lưu vực sông. Việc xây dựng chương trình quan trắc cho từng LVS đòi hỏi phải tuân theo các bước trong hướng dẫn đảm bảo chất lượng và kiểm soát chất lượng (QA/QC) trong quan trắc môi trường, bao gồm các nội dung sau: a) Lựa chọn phương án quan trắc phù hợp với từng LVS - Xác định các nguồn gây tác động, dạng chất gây ô nhiễm chủ yếu đối với các khúc sông và trong cả lưu vực. Điều này sẽ giúp bố trí các điểm quan trắc cho phù hợp; - Xác định ranh giới khu vực quan trắc; - Xác định các vấn đề, đối tượng rủi ro tiềm năng trong khu vực quan trắc: các LVS rất rộng, cần đánh giá trước các khó khăn cũng như đối tượng rủi ro nhằm xây dựng các kế hoạch phù hợp. b) Thiết kế phương án lấy mẫu đại diện: xác định tuyến, điểm lấy mẫu trên sơ đồ, mô tả vị trí địa lý, tọa độ điểm lấy mẫu trong bảng, quy định ký hiệu tuyến, điểm mẫu trên sơ đồ và trong bảng (có thể xác định điểm lấy mẫu chính và phụ). c) Xác định và lập bảng các thành phần môi trường cần quan trắc. d) Xác định và lập danh mục các thông số quan trắc theo các thành phần môi trường: các thông số đo đạc tại hiện trường, các thông số phân tích trong phòng thí nghiệm. e) Xác định tần suất, thời gian, phương pháp lấy mẫu vŕ phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm: cần khảo sát, nghiên cứu kỹ các điều kiện tự nhiên của lưu vực, điều kiện địa hình, quy luật dòng chảy, các yếu tố thủy văn,... để xác định tần suất, thời gian và phương pháp lấy mẫu phù hợp nhằm phản ánh đúng hiện trạng chất lượng nước mặt của lưu vực. f) Lập danh mục và kế hoạch bảo dưỡng, kiểm chuẩn thiết bị lấy mẫu hiện trường và trong phòng thí nghiệm, bao gồm cả phương tiện bảo đảm an toàn lao động. g) Kế hoạch bố trí nhân lực thực hiện quan trắc. h) Dự toán kinh phí hàng năm cho việc thực hiện chương trình quan trắc môi trường. i) Phân tích, báo cáo số liệu. Các thông số thông tin cần quan trắc, thu thập sẽ được lựa chọn cho từng LVS, bao gồm: - Quan trắc thủy hóa: pH, Nhiệt độ, Độ đục, Độ dẫn điện, TDS (Tổng chất rắn hňa tan), BOD5, COD, DO, SS, Amôniac, Nitrat, Nitrit, PO4---, Clorua, Sắt, Chì, Cadimi, Tổng Coliform, Dầu mỡ, Tổng hóa chất bảo vệ thực vật; - Quan trắc thủy sinh: trong thời gian trước mắt, quan trắc 3 thông số chỉ thị sinh học là động vật nổi, thực vật nổi, động vật đáy; - Xác định tồn lưu tác nhân ô nhiễm đặc biệt trong trầm tích (kim loại nặng, dầu mỡ, thuốc bảo vệ thực vật); - Đo đạc tính toán khí tượng, thủy văn; - Danh mục và số liệu quan trắc các nguồn ô nhiễm chính trong lưu vực như các cơ sở sản xuất, khu dân cư, khu công nghiệp, cảng... 2. Cơ sở dữ liệu nguồn tài nguyên nước Ngoại trừ ở các quốc gia phát triển, sự phát triển của cơ sử dữ liệu nguồn tài nguyên nước và sử dụng số liệu này vẫn còn chậm so với đất và địa hình. Cơ sở dữ liệu này đòi hỏi phân tích các số liệu liên quan của các trạm khí tượng, sự đo lường lập lại nhiều lần về dòng chảy, đánh giá tiềm năng tồn trử nước ngầm thông qua việc phân tích các lổ giếng khoan, và số lượng cũng như loại sử dụng thật sự của các nguồn tài nguyên nước. WMO, UNESCO, FAO, và UNDP đang tích cực hoạt động trong việc hỗ trợ cho thu thập các số liệu về tài nguyên nước ở cấp quốc gia, cấp vùng và cấp thế giới. Các số liệu thu thập được hiện nay FAO đang dùng phần mềm AQUASTAT chạy trong chương trình xây dựng tài liệu thủy sản nội địa. Các số liệu thu thập được từ hoạt động quan trắc một lưu vực sông nào đó rất cần thiết để đánh giá mức độ ô nhiễm nhằm đưa ra những quyết định kịp thời. Sẽ rất lăng phí nếu những số liệu này không được sử dụng và phân tích. Một số điểm cần chú ý đối với số liệu quan trắc là : Phải được thu thập thường xuyên và được phân tích kịp thời đồng thời được cung cấp cho các cơ quan quản lý Trung ương, địa phương và cộng đồng. Cơ sở dữ liệu này là công cụ để thu thập, chia sẻ và phân tích tự động, đưa ra được những luận cứ vững chắc cho các quyết định, chính sách bảo vệ chất lượng nước. Việc sử dụng các mô hình toán học mô phỏng chất lượng nước LVS kết hợp GIS sẽ đưa ra những phương án, những kịch bản cụ thể khác nhau cho các nhà ra quyết định cân nhắc cũng là việc cần thiết. 3. Một số phần mềm GIS ứng dụng trong quản lý nước mặt. MapInfo, , ArcView ArcInfo, ArcEditor và các extensions như ArcGIS Spatial Analyst, ArcGIS 3D Analyst, ArcGIS Maplex, ArcGIS Publisher, ArcHydro. 4. Truy vấn và phân tích dữ liệu: Truy vấn dữ liệu: Gis cung cấp những tận ích để tìm kiếm hoăc thống kê những đối tượng riêng biệt dựa trên vị trí và các giá trị thuộc tính của chúng. Phân tích dữ liệu: là khả năng trả lời những câu hỏi về sự tác động lẫn nhau của những mối quan hệ không gian và thuộc tính giữa nhiều tập dữ liệu.Tùy vào nguồn mục tiêu và nguồn dữ liệu cụ thể mà ta có thể chọn các phương pháp khác nhau như: Phân tích trên một lớp dữ liệu (Single layer operation) là thủ tục được thực hiện trên một lớp dữ liệu để truy vấn thuộc tính,truy vấn không gian và tạo những tập dữ liệu mới. Phân tích trên nhiều lớp dữ liệu (Multiple layer operation) là những thao tác trên nhiều lớp dữ liệu không gian để thưc hiện các bài toán phân tích: chồng lớp,phân tích sự gần kề,phân tích sự tương quan không gian… Mô hình hóa không gian (Spatial modeling) bao gồm xây dựng những mô hình để giải thích và dự đoán không gian hay mô phỏng không gian… Phân tich mẫu điểm (point patterns analysis) là thao tác phân tích mối quan hệ giữa các đối tượng trong mẫu điểm. Phân tích mạng (Network analysis) ứng dụng vào các dạng đường hoặc tổ chức trong mang liên kết. Phân tích bề mặt (Surface analysis) liên quan đến sự phân bố không gian của đối tượng trên bề mặt trong những điều kiện có cấu trúc không gian 3 chiều. a.Chồng lớp bản đồ trong GIS Việc chồng lắp các bản đồ trong kỹ thuật GIS là một khả năng ưu việt của GIS trong việc phân tích các số liệu thuộc về không gian, để có thể xây dựng thành một bản đồ mới mang các đặc tính hoàn toàn khác với bản đồ trước đây. Nguyên lý khi chồng lắp các bản đồ - Việc chồng lắp các bản đồ theo phương pháp cộng
b. Sự lan truyền các chất ô nhiễm: Sự lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường cũng được GIS xử lý,xây dựng các bản đồ lan truyền theo thời gian và không gian bằng cách sử dụng chức năng mô hình hóa không gian.Với bản đồ kết quả,nhà quản lý phải cho ra các quyết định nhanh chóng và chính xác về công tác cải tạo vùng ô nhiễm,di dời các sinh vật sống và con người ra khỏi vùng chịu ảnh hưởng,và có biện pháp ngăn chặn sự lan truyền rộng thêm của các chất ô nhiễm…Đây là chức năng quan trọng của gis trong lĩnh vực quản lý môi trường. Lan truyền chất lỏng một khúc sông Hương. Xét bài toán không dừng lan truyền chất lỏng trong mặt phẳng Oxy ( mặt phẳng nằm ngang). Miền khảo sát được giới hạn trong hình chữ nhật có kích thước chiều dài là 4500 m, chiều rộng là 3500 m. Trong đó ta khảo sát một khúc sông dài 4700 m, rộng 400 m. Hình 1. Dữ liệu GIS thể hiện khúc sông Hương được chọn xem xét
Hình 2. Dữ liệu GIS được mã hoá để đưa vào phần mềm ANSYS Tọa độ của tám cống xả là S1(1968,13 ; 601,325), S2(2273,62 ; 731,694), S3(2553,66 ; 910,605), S4(2819,93 ; 1109,59), S5(2489,38 ; 408,736), S6(2757,74; 630,984), S7(3006,05 ; 876,833), S8(3272,17 ; 1103,22). Lượng chất thải đổ vào các cống xã được cho bởi Bảng 1. Bảng 1. Các thông số liên quan tới các cống xả thải được chọn tính toán mô phỏng STT  Tên  Lưu lượng (m3/s)  Nồng độ chất thải (mg/l)   1  S1  0.3  2215.7   2  S2  0.2  3226.1   3  S3  0.2  11051.1   4  S4  0.2  12033.38   5  S5  0.3  2454.92   6  S6  0.1  3463.4   7  S7  0.2  3185.8   8  S8  0.3  1266.3   Các tham số tham gia vào mô hình bao gồm: - Điều kiện kết dính tại hai bên bờ sông là vận tốc bằng không (Vx = 0 và Vy = 0). Khối lượng riêng của nước là 1000 Kg/m3. Độ nhớt của nước là 0,001 Ns/m2 - Vận tốc dòng chảy của nước trong khoảng 0,1 m/s đến 0,5 m/s . Chảy theo hướng từ trái sang phải và hướng lên trên - Thời gian xả chất thải từ 10 phút đến 30 phút - Thời gian khảo sát từ 2 giờ đến 6 giờ. Toàn bộ khúc sông được ANSYS tự động chia làm 3216 phần tử. Để tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn, ở đây sử dụng phép chia lưới theo các phần tử tứ giác và sử dụng phần tử FLUID141 trong ANSYS. Kịch bản được xem xét trong bài báo này là tám nguồn thải cùng xả chất thải trong thời gian 10 phút, sau đó cùng ngưng đồng thời. Tổng thời gian khảo sát là 120 phút, vận tốc dòng chảy của nước trên sông là 0,1 m/s. Sau đây là kết quả khảo sát ứng với các thời điểm khác nhau. Các kết quả mà chương trình chạy, được cho qua các hình sau:
Hình 3. Sự phân bố chất thải tại thời điểm 2 phút sau khi xả chất thải , vận tốc dòng nước chảy bằng 0,1 m/s
Hình 4. Sự phân bố chất thải tại thời điểm 4 phút sau khi xả chất thải , vận tốc dòng nước chảy bằng 0,1 m/s
Hình 5. Sự phân bố chất thải tại thời điểm 8 phút sau khi xả chất thải , vận tốc dòng nước chảy bằng 0,1 m/s Mô hình lan truyền chất được giải kết hợp với mô hình thuỷ động bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Để giải số đã ứng dụng bộ chương trình ANSYS đã được áp dụng thành công tại nhiều nước trên thế giới. Ví dụ được xem xét trong đề tài này là sông Hương với 8 nguồn xả thải nằm ở các vị trí khác nhau. Kết quả của bài báo này mở ra hướng ứng dụng giải quyết các bài toán giám sát chất lượng nước tương ứng. c. Nội suy không gian + Khái niệm: Nội suy là quá trình dự đoán các giá trị thuộc tính cho các vị trí không được đo đạc,căn cứ các giá trị đo được ở các vị trí khác trong cùng một khu vực.Nội suy được dùng để chuyển đổi dữ liệu điểm sang dữ liệu cho các bề mặt liên tục,qua đó có thể xác định giá trị bất kì trong vùng. + Một số phương pháp nội suy: - Nội suy (Spatial Interpolation) Trong tình huống thông tin cho ít điểm, đường hay vùng lựa chọn thì nội suy hay ngoại suy phải thực hiện để có nhiều thông tin hơn. Nghĩa là phải giải đoán giá trị hay tập giá trị mới, phần này mô tả nội suy hướng điểm, có nghĩa 1 hay nhiều điểm trong không gian được sử dụng để phát sinh giá trị mới cho vị trí khác nơi không đo dữ liệu được trực tiếp. Trong thực tế nội suy được áp dụng cho mô hình hoá bề mặt khi cần phải giải đoán các giá trị mới cho bề mặt 2 chiều trên cơ sở điểm ô nhiễm láng giềng.
Nội suy Spline. Là phương pháp nội suy tổng quát, phương pháp này hiệu chỉnh bề mặt đường cong đến mức tối thiểu tại những điểm đầu vào.Phương pháp này thực hiện phép tính toán nhằm định ra số lượng các điểm đầu vào gần nhất còn đi qua những điểm mẫu.Phương pháp này là tối ưu đối với những bề mặt ít thay đổi chẳng hạn: độ cao, chiều cao cột nước, hoặc mức độ ô nhiễm. Chương III: ỨNG DỤNG GIS TRONG QUẢN LÝ NƯỚC MẶT Ở MỘT SỐ VÙNG. 1. Giới thiệu chung về ứng dụng GIS trong môi trường Các ứng dụng GIS được liên tục phát triển trong lĩnh vực quản lý và bảo vệ môi trường. Từ chương trình kiểm kê nguồn tài nguyên thiên nhiên của Canada trong những năm 1960, đến các chương trình GIS cấp bang của Mỹ bắt đầu vào cuối những năm 1970, đến mô hình hoá quản lý các sự cố môi trường hiện đang được phát triển, công nghệ GIS đ• cung cấp các phương tiện để quản lý và phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường ngày càng hữu hiệu hơn. Xu hướng hiện nay trong quản lý môi trường là sử dụng tối đa khả năng cho phép của GIS. Sự phát triển của phần cứng làm cho máy tính có nhiều khả năng hơn, mạnh hơn và các ứng dụng GIS cũng trở nên thân thiện hơn với người sử dụng bởi các khả năng hiển thị dữ liệu ba chiều, các công cụ phân tích không gian và giao diện tuỳ biến. Nhờ khả năng xử lý các tập hợp dữ liệu lớn từ các cơ sở dữ liệu phức tạp, nên GIS thích hợp với các nhiệm vụ quản lý môi trường. Các mô hình phức tạp cũng có thể dễ dàng cập nhật thông tin nhờ sử dụng GIS. GIS được sử dụng để cung cấp thông tin nhanh hơn và hiệu quả hơn cho các nhà hoạch định chính sách. Các cơ quan chính phủ dùng GIS trong quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, trong các hoạt động quy hoạch, mô hình hoá và quan trắc. GIS cũng được sử dụng để đánh giá các sự cố môi trường. Các cơ quan chính phủ và địa phương phải đối phó nhanh chóng với thiên tai, các rủi ro trong công nghiệp và các sự cố môi trường. Thông tin địa lý là những thông tin quan trọng để đơa ra những quyết định một cách nhanh chóng. Các phân tích GIS phụ thuộc vào chất lượng, giá trị và tính tương thích của các dữ liệu địa lý dạng số. Ứng dụng GIS trong quản lý nước mặt tại Việt Nam Công nghệ GIS ra đời trong những năm 60 của thế kỷ XX, bắt đầu được sử dụng ở Việt Nam khoảng 10 năm gần đây. Tại TP Cần Thơ, việc ứng dụng công nghệ GIS phục vụ cho công tác quản lý ở một số đơn vị đã được thực hiện và đem lại hiệu quả cao khi sử dụng. Quản lý tài nguyên nước sông Nhuệ - sông Đáy. + Kết quả quan trắc - Thông số phục vụ tính toán mưa - dòng chảy bao gồm: Ranh giới lưu vực (đường phân nước), diện tích lưu vực, các thông số phục vụ tính toán thấm, thông số tính toán mô tả dòng chảy mặt (chiều dài, rộng lưu vực, chiều dài sông nhánh), thông số tính toán mô tả dòng chảy ngầm… - Các thông số phục vụ tính toán thuỷ lực: Sơ đồ các sông chính để tính toán thuỷ lực, quan hệ cao độ - diện tích, dung tích vùng ngập, mặt cắt ngang, dọc của sông. Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với diện tích tự nhiên 7665 km2, dân số đến năm 2000 là 8.209,2 nghìn người. Lưu vực bao gồm một phần Thủ đô Hà Nội, 1 thành phố, 47 thị xã, thị trấn, 44 quận huyện và hơn 990 xã, phường. Lưu vực có toạ độ địa lý từ 200 - 21020' vĩ độ Bắc và 1050 - 106030' kinh độ Đông, bao gồm các tỉnh sau: Hoà Bình, Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình. Hiện nay sông Nhuệ - sông Đáy đang chịu áp lực mạnh mẽ của sự gia tăng dân số, quá trình đô thị hoá quá nhanh, các hoạt động KT - XH, đặc biệt là của các khu công nghiệp, khu khai thác và chế biến... Sự ra đời và hoạt động của hàng loạt các khu công nghiệp thuộc các tỉnh, thành phố, các hoạt động tiểu thủ công nghiệp trong gần 400 làng nghề, các xí nghiệp kinh tế quốc phòng cùng với các hoạt động khai thác, chế biến khoáng sản, canh tác trên hành lang thoát lũ... làm cho môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng ngày càng xấu đi, nhiều đoạn sông đã bị ô nhiễm tới mức báo động. Hiện tại, nước của trục sông chính thuộc lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy đã bị ô nhiễm, đặc biệt là nước sông Nhuệ. Chất lượng nước sông Nhuệ từng lúc (phụ thuộc vào thời gian mở cống Liên Mạc), từng nơi vượt trên giới hạn cho phép đối với nước loại B. Các sông khác có chất lượng nước ở mức giới hạn cho phép đối với nước loại B. Nếu không có biện pháp ngăn ngừa khắc phục, xử lý ô nhiễm kịp thời thì tương lai không xa nguồn nước sông Nhuệ, sông Đáy không thể sử dụng cho sản xuất được. +Tổng lượng nước khai thác ở vùng nghiên cứu ít nhất là 999.630 m3/ngày hay xấp xỉ 1 triệu m3/ngày, trong đó tại các đô thị tập trung khoảng 800 000 m3/ngày. + Tổng lượng nước thải khoảng 700 000 m3/ngày, trong đó tại các khu vực đô thị và công nghiệp khoảng 550 000 m3/ngày (Hà Nội : 458 000 m3/ngày, TX Hà Đông : 16 000 m3/ngày, TX Phủ Lý: 8 000 m3/ngày; TP Nam Định 35 000 m3/ngày, TX Ninh Bình: 15 000m3/ngày; Các làng nghề Hà Tây 3000 m3/ngày. Ngoài ra còn nước thải từ các thị trấn Hòa Mạc, Đồng Văn, Vĩnh Trụ,...Nguồn thải gây ô nhiễm sông Nhuệ-sông Đáy còn từ nông nghiệp, giao thông vận tải. Lượng dầu mỡ từ GTVT thủy rơi vãi xuống nước khoảng 2,5 tấn. +Tải lượng ô nhiễm toàn vùng theo SS: 300 T/ngày, theo BOD : 200T/ngày. + Lượng nước thải 2 xã nghiên cứu khoảng 4600m3/ngày. + Tổng lượng chất thải rắn 4341,9 T/ngày, trong đó lượng CTR đô thị là 2984,7 T/ngày (thu gom được 1699,5T/ngày). + Lượng CTR ở 2 xã khoảng 17T/ngày (Tả Thanh Oai: 11,704T/ngày; Hữu Hòa : 5,341T/ngày; Phân gia súc-gia cầm : Tả Thanh Oai 58,2T/ngày, Hữu Hòa 24,9 T/ngày. Hình 1 là bản đồ giới thiệu giới hạn lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy và các điểm quan trắc môi trường của Cục BVMT. Hình 2, 3, 4, 5 biểu thị biến đổi dân số và lượng thải ô nhiễm tại các tỉnh thuộc lưu vực sông Nhuệ-sông Đáy qua các năm 1990, 2000 và 2005.
Hình 1: Bản đồ lưu vực sông Nhuệ-sông Đáy và các điểm quan trắc môi trường (nguồn: Cục BVMT)
Hình 2.Tổng lưu lượng nước thải của các tỉnh trong lưu vực sông Nhuệ -Đáy
Hình 3. Tải lượng ô nhiễm tính theo chất lơ lửng ở các đô thị & khu công nghiệp trong lưu vực sông Nhuệ -Đáy.
Hình 4. Tải lượng ô nhiễm tính theo BOD5 ở các đô thị và khu công nghiệp trong lưu vực sông Nhuệ - Đáy. + Cơ sở dữ liệu: - Số liệu quan trắc ở trên - Số liệu mặt cắt ngang sông Nhuệ-Đáy được đo đạc năm 1999-2000; - Thông số nhám thể hiện độ cản trở dòng chảy cho từng sông; - Bản đồ DEM: Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model - DEM) với độ phân giải 90m được thu thập từ nguồn dữ liệu SRTM - Shuttle Radar Topography Mission qua trang web Sơ đồ chung thể hiện mạng sông phục vụ tính toán + Một số kết quả thực nghiệm tại lưu vực sông Nhuệ Đáy So sánh 5 thông số đầu vào cho mô hình thủy văn, thủy lực: ( Xem bảng và hình trang 30-31) Tóm lại: - Bộ thông số đầu vào từ ảnh vệ tinh cũng cho kết quả giống với Bộ thông số khí tượng thủy văn vẫn sử dụng, nhưng làm nhanh hơn phương pháp thủ công. MIKE 11 cho phép mô hình hoá khả năng ngập lụt trên lưu vực sông Nhuệ-Đáy để đề ra các giải pháp phòng tránh Bảng 1: So sánh 5 thông số đầu vào cho mô hình thủy văn, thủy lực
Trích cảnh màn hình thể hiện bản đồ lan truyền nhu cầu oxy sinh học (Biological Oxygen Demand-BOD) trên sông Nhuệ
Trích cảnh màn hình thể hiện bản đồ lan truyền lượng ôxy hoà tan (Dissolved Oxygen - DO) trên sông Nhu Chương IV:KẾT LUẬN: Như vậy việc ứng dụng GIS trong quản lý nước mặt giúp các nhà quản lý môi trường kiểm soát nguồn tài nguyên nước mặt, dự đoán khả năng ô nhiễm nước mặt hiện nay trước tốc độ phát triển của nước ta, để bảo vệ nguồn tài nguyên nước đang đứng trước nguy cơ khan hiếm và ô nhiễm nặng.Để quản lý nước mặt bằng GIS cần có sự hỗ trợ đăc biệt của các trạm quan trắc tự động, phần mềm GIS và thêm vào đó là các nhà quản lý môi trường, đội ngũ kĩ thuật viên GIS. Việc xây dựng và đưa vào áp dụng một cấu trúc cơ sở dữ liệu HTTĐL Quốc gia về môi trường có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với việc áp dụng rộng rãi công nghệ HTTĐL nói riêng và hiện đại hoá các công cụ quản lý trong công tác bảo vệ môi trường nói chung.Ý nghĩa quan trọng đó được thể hiện bằng các mục tiêu trước mắt và mục tiêu lâu dài dưới đây: 1. Mục tiêu trước mắt: - Xây dựng cấu trúc cơ sở dữ liệu HTTĐL Quốc gia về môi trường nhằm thống nhất cấu trúc dữ liệu HTTĐL của các cơ quan hoạt động môi trường, các sở KHCN&MT trong cả nước. - Tạo khả năng cho các cơ quan trao đổi và sử dụng thông tin của nhau, tránh việc trùng lặp trong thu thập dữ liệu. - Giúp các cơ quan môi trường, sở KHCN&MT định hướng trong việc xây dựng các HTTĐL về môi trường. - Áp dụng rộng rãi và có hiệu quả công nghệ HTTĐL trong công tác bảo vệ môi trường. - Nâng cao trình độ xử lý, phân tích thông tin phục vụ ra quyết định của các cán bộ làm công tác bảo vệ môi trường. 2. Mục tiêu lâu dài: - Góp phần hiện đại hoá các công cụ quản lý, nâng cao hiệu quả công tác bảo vệ môi trường. - Cung cấp nhanh, chính xác các thông tin hỗ trợ cho quá trình ra quyết định. - Củng cố, tăng cường mối quan hệ hợp tác giữa các cơ quan trong nước và các nước, tổ chức quốc tế có ứng dụng công nghệ HTTĐL.
2- Tài liệu và phương pháp nghiên cứu : Việc xây dựng một CSDL – GIS ( bao gồm hệ bản đồ và các thông tin nguồn ) vùng ven bờ Bình Định được xử lý tổng hợp trên cơ sở các kết quả của các đề tài nghiên cứu đã nghiệm thu, các điều tra khảo sát mới nhất vùng đất và nước ven bờ ở Tỉnh , các luật định, chính sách , các chiến lược phát triển kinh tế, khai thác và bảo vệ môi trường của Tỉnh.          Nhóm dữ liệu để xây dựng bản đồ bao gồm : + Các tài liệu liên quan đến vùng đất liền như : -         Các bản đồ về ranh giới hành chính các cấp ( TL 1/50.000 ) , các thông tin kinh tế  xã hội, điều kiện cơ sở hạ tầng, các cơ sở kinh tế trong tỉnh,… -         Các bản đồ địa hình , độ dốc, hướng dốc, mạng lưới thủy văn, phân vùng lưu vực ( TL 1/50.000 ) và các thuộc tính đi kèm,… -         Các bản đồ , bản đồ, sơ đồ về điều kiện khí hậu, khí tượng ( mưa, gió, nền nhiệt-ẩm, … ) -         Các bản đồ hiện trạng sử dụng đất, lớp phủ thực vật,nông hóa thổ nhưỡng ( TL 1/50.000 )      -         Các bản đồ, sơ đồ về phân vùng chức năng, quy hoạch phát triển kinh tế  ngành ( nông nghiệp, thủy sản, công nghiệp, giao thông, du lịch,… ) ( TL 1/50.000 )         Nhóm số liệu trong môi trường nước được thu thập từ  kết quả đo đạc bao gồm : -         Tài liệu, bản đồ về địa hình đáy, địa hình bờ, bản đồ trầm tích đáy ,… -         Số liệu, bản đồ, sơ đồ về điều kiện sinh thái, các tham số môi trường Ngoài ra dựa vào công nghệ GIS, một số phương án phân vùng , quy hoạch chi tiết cũng được thành lập vào đưa vào CSDL – GIS     Cơ sở dữ liệu – bản đồ GIS khu vực đất và vùng nước ven bờ được xây dựng theo sơ đồ chỉ ra ở hình 1 và các vấn đề chính cần lưu ý sau  : -         Giai đoạn đo đạc , thu thập dữ liệu là cần thiết khi không có số liệu trong khu vực và chúng phải thường được đo đạc và cập nhật dữ liệu thường xuyên . Hệ thống định vị vệ tinh ( GPS ) trước khi đo đạc cần phải được cài đặt trước cho phù hợp với hệ lưới chiếu quy định chung của cơ sở dữ liệu bản đồ . -         Giai đoạn đo đạc , thu thập dữ liệu là cần thiết khi không có số liệu trong khu vực và chúng phải thường được đo đạc và cập nhật dữ liệu thường xuyên . Hệ thống định vị vệ tinh ( GPS ) trước khi đo đạc cần phải được cài đặt trước cho phù hợp với hệ lưới chiếu quy định chung của cơ sở dữ liệu bản đồ . -         Giai đoạn thu thập các bản đồ giấy và số hoá chúng trong phòng thí nghiệm thường được tiến hành đồng thời với giai đoạn I . Do điều kiện lịch sữ các nguồn bản đồ được thu thập từ các nguồn khác nhau thường khác biệt nhau về hệ lưới chiếu ( Projection )  và các thông số đi kèm như độ lệch Đông (False Easting) , độ lệch Bắc (False Northing), kinh tuyến gốc ( Prime meridian ), kinh tuyến chuẩn ( Central meridian ), vĩ độ chuẩn ( Central parallel ), hệ số co giản của quả đất ( Earth’s scale factor ), mốc trắc địa ( Geodetic datum ) , hệ tọa độ trắc cầu ( Geodetic  Ellipsoid ). Sử dụng các công cụ chuyển đổi hệ lưới chiếu trong một số phần mềm GIS thông dụng như ArcInfo, Arview, MGE- Microstation ,… ) cho phép chúng ta chuyển đổi các thông số này  về cùng thông số  chuẩn của hệ lưới chiếu quy định chung trong CSDL . -         Giai đoạn nắn chỉnh hình học : dựa vào hệ lưới chiếu và các thông số đi kèm ( đọc từ các thông tin gốc có trên bản đồ ). -         Giai đoạn số hoá bản đồ : trong điều kiện hiện nay, có nhiều công cụ khác nhau để số hoá như  :  + Số hóa trực tiếp bằng bàn số ( Calcomp , HP digitizer,… ), + Số hoá từ  file được quét ảnh (scan) và dùng các phần mềm số hoá bán tự động ( như  Geovect-Microstation, CAD-Overlay Map, GTX, DolVect ,… ) + Số hóa bằng các phép nội suy số liệu đo đạc ( bằng thuật toán Kridging ) và biến đổi thành file số. Các công cụ này đều được sử dụng trong quá trình số hoá, trong đó việc số hoá bán tự  động bằng hệ phần mềm Microstation được chúng tôi sử dụng rộng rãi hơn cả .     Chuyển đổi file số về cùng một hệ lưới chiếu , trong điều kiện thực tế để xây dựng CSDL-GIS ở Bình Định chúng tôi tạm quy định thống nhất chung chuyển mọi loại bản đồ số về hệ lưới chiếu UTM ( Universal Tranvert Mercator), đới 49, datum WGS-84, Elipsoid D-WGS84 với tỉ lệ bản đồ chung là 1/50.000 nhằm tiện việc hiển thị, chồng lớp và phân tích thông tin về sau. Nhóm số liệu về thông tin nguồn ( Metadata ) bao gồm các tư liệu liên quan đến các luật định, chính sách phát triển kinh tế xã hội, khai thác và bảo vệ môi trường, các tư liệu về hiện trạng ( niên giám thống kê, bản đồ hiện trạng,… ) và các tài liệu quy hoạch phát triển kinh tế ngành và kế hoạch phát triển kinh tế tổng hợp ( các bản đồ quy hoạch ) của tỉnh. Các tư liệu này được tổ chức, quản lý bằng phần mềm Microsoft Access , có thể liên kết được với CSDL – GIS