- NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HÀM LƢỢNG PHÙ SA LƠ LỬNG CỦA NƢỚC SÔNG HỒNG ĐOẠN QUA THÀNH PHỐ LÀO CAI SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH.
- 1 Trung tâm Nghiên cứu Biển và Đảo, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Email:
[email protected].
- Giám sát sự biến động của hàm lượng phù sa lơ lửng (SSC) trong nước sông giúp đánh giá một cách định lượng chất lượng nước sông và hiểu rõ hơn quá trình vận chuyển các chất ô nhiễm của sông.
- Nghiên cứu này sử dụng kết quả đo phổ phản xạ ( w ) và SSC tại sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai để xây dựng phương trình tính toán thông số này (SSC) từ ảnh vệ tinh Sentinel- 2A (S2A).
- Kết quả cho thấy SSC có tương quan cao với tỷ số kênh 4 (666 nm) trên kênh 3 (560 nm) của ảnh S2A bằng phương trình tuyến tính hàm mũ (R 2 = 0,86.
- Phân bố SSC trong nước sông Hồng tính toán được từ 6 cảnh ảnh S2A thu được trong năm 2018 thể hiện rõ 2 xu hướng: a) SSC thấp trong mùa khô và cao trong mùa mưa.
- Phương pháp và kết quả trình bày trong nghiên cứu này cần được bổ sung và áp dụng cho toàn hệ thống sông nhằm góp phần cung cấp các thông tin định lượng hữu hiệu cho việc giám sát chất lượng nước xuyên biên giới..
- Từ khóa: Hàm lượng phù sa lơ lửng, sông Hồng, ảnh vệ tinh, vận chuyển trầm tích, quản lý nước xuyên biên giới..
- Những thay đổi về sự phân bố không gian trong nước sông của hàm lượng phù sa lơ lửng (SSC) phản ánh một loạt các vấn đề về chế độ thủy văn như suy giảm hay tăng tổng lượng trầm tích, biến động luồng lạch, các hoạt động nhân sinh trên dòng sông… hay chất lượng nước sông..
- Chính vì vậy, việc giám sát SSC là vô cùng cần thiết đối với bất kỳ một chương trình giám sát chất lượng môi trường sông nào.
- Sông Hồng là một trong 10 dòng sông có tải lượng nước và phù sa lớn nhất thế giới [1].
- Sông Hồng đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội không chỉ của Việt Nam mà của cả khu vực ASEAN.
- Tuy nhiên, với trên 50% nguồn nước của sông xuất phát từ ngoài biên giới nên sông Hồng đoạn qua nước ta cực kỳ nhạy cảm với mọi hoạt động khai thác và sử dụng nguồn nước từ phía thượng lưu [2].
- Do đó việc phát triển và ứng dụng các kỹ thuật định lượng vào giám sát chất lượng nước của sông Hồng, đặc biệt là khu vực biên giới là vô cùng cần thiết để quản lý chất lượng nước sông cũng như các vấn đề khai thác nước..
- Trên thế giới, viễn thám đã và đang được sử dụng như một công cụ hiện đại để giám sát các thông số chất lượng môi nước các thủy vực trong đó có giám sát SSC ở các con sông lớn [3].
- Tuy nhiên, do đặc tính là dòng chảy thường xuyên, có sự pha trộn các chất hòa tan lơ lửng ở các tỷ lệ khác nhau nên việc tính toán SSC của nước sông còn nhiều hạn chế, đặc biệt là sự đáp ứng về độ phân giải không gian của dữ liệu ảnh vệ tinh so với kích thước mặt cắt ngang của sông.
- Vệ tinh Sentinel-2A (S2A) chỉ mới được phóng lên quỹ đạo vào tháng 6 năm 2015 bởi Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) nên ít được đề cập trong các nghiên cứu giám sát môi trường nước trên thế giới..
- Tuy nhiên, với độ phân giải không gian cao (lên tới 10 m) và thiết kế kênh phổ chuyên biệt cho vùng cận hồng ngoại (có đến 5 kênh phổ), S2A được đánh giá là một dữ liệu phù hợp để nghiên cứu, giám sát môi trường nước các thủy vực nội địa, đặc biệt là các dòng sông..
- Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, nghiên cứu này được tiến hành nhằm xây dựng phương trình tính toán SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai từ dữ liệu ảnh vệ tinh S2A dựa vào mối quan hệ thực nghiệm giữa SSC và phổ phản xạ mặt nước ( w ) đo được cùng thời kỳ tại hiện trường.
- Phương trình sau đó được áp dụng để tính toán SSC từ các cảnh ảnh S2A thu được trong năm 2018 để làm rõ sự thay đổi của thông số này trong không gian và thời gian.
- Kết quả nghiên cứu bước đầu góp phần khẳng định tiềm năng khai thác của dữ liệu ảnh S2A trong việc giám sát chất lượng nước sông..
- SSC và w của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai được đo đồng thời vào hai đợt khảo sát thực địa: đợt 1: ngày và ngày 01/04/2018.
- Tổng số 64 số liệu đo từ các điểm khảo sát của 04 ngày đo nêu trên được thu thập trong vòng 1 giờ trước và sau thời gian vệ tinh S2A chụp ảnh (khoảng 10:20 AM) vùng nghiên cứu.
- được đo ở góc chiếu 40-45 o theo hướng 130-135 o so với hướng chiếu của mặt trời theo phương pháp của Mobley [4] sử dụng máy đo bức xạ hiện trường GER 1500.
- Trong phòng thí nghiệm, hàm lượng SSC được phân tích theo phương pháp chuẩn của APHA [5]..
- Phƣơng pháp xử lý ảnh vệ tinh.
- Trong nghiên cứu này, 6 cảnh ảnh S2A thu được vào các thời điểm khác nhau, có độ che phủ mây dưới 10% được tải miễn phí từ trang web của ESA (https://scihub.copernicus.eu/dhus/) được sử dụng.
- Tất cả các cảnh ảnh được tải về đã được hiệu chỉnh hình học và bức xạ và cung cấp đến tay người sử dụng dưới dạng phổ phản xạ ở đỉnh khí quyển.
- Chính vì vậy, trong nghiên cứu này, phương pháp xử lý ảnh chủ yếu là hiệu chỉnh khí quyển.
- Ở đây, phương pháp loại trừ điểm đen (Dark object subtraction) được đề xuất bởi Chavez [6] được lựa chọn sử dụng vì là phương pháp đơn giản nhưng mang lại cao nghiên cứu các vùng nước đục [7]..
- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
- Phƣơng trình tính toán SSC từ ảnh S2A.
- Đặc trưng phổ phản xạ mặt nước ( w ) đo tại sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai so với vị trí của các kênh phổ ảnh Sentinel 2A (S2A): a) w đo vào tháng 3-4/2018.
- B1 đến B8a ứng với vị trí các kênh phổ của ảnh S2A từ 1 đến 8a..
- Kết quả phân tích SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai vào 2 đợt khảo sát cho thấy nước sông khu vực này có độ đục cao với hàm lược SSC dao động trong khoảng từ 77 mg/L đến 265,8 mg/L và có sự thay đổi theo mùa.
- Phổ phản xạ mặt nước- w của 64 điểm đo trên sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai cũng phản ánh đặc trưng của vùng nước đục với sự mở rộng của vùng cực đại từ dải sóng xanh lục sang đỏ và cận hồng ngoại (Hình 1)..
- Kết quả phân tích dữ liệu SSC và w ứng với các kênh phổ của ảnh S2A thu được từ 32 điểm đo ngày 1/4/2018 và 10/8/2018 cho thấy SSC có tương quan cao với tỷ số kênh 4 (666 nm) trên kênh 3 (560 nm) của ảnh bằng phương trình hàm mũ (R 2 = 0,86.
- Phương trình này được kiểm chứng bởi giá trị SSC và w đo được thực tế vào ngày 23/3/2018 và ngày 29/7/2018 với sai số thu được nhỏ hơn 5% giá trị SSC trung bình (hình 2b).
- Như vậy, phương trình hồi quy tuyến tính hàm mũ trong hình 2a phù hợp để tính toàn hàm lượng SSC từ ảnh S2A và được thể hiện như sau:.
- Trong đó: SSC là hàm lượng phù sa lơ lửng (mg/L).
- B4, B3 là giá trị phổ phản xạ mặt nước ứng với kênh 4 và kênh 3 của ảnh S2A..
- Biểu đồ biểu diễn: a) phương trình hàm mũ thể hiện mối quan hệ tuyến tính của SSC với ỷ ố ủ w ứng với kênh 4/kênh 3 của ảnh S2A - w (666.
- b) sai số giữa SSC tính toán từ phương trình hàm mũ hình 2a và giá trị đo thực tế vào ngày 23/3/2018 và ngày 29/7/2018.
- và c) sai số giữa phổ phản xạ đo thực tế w (666)/ w (560) và phổ thu hồi từ ảnh.
- Để thu được phổ phản xạ mặt nước từ ảnh S2A, phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS được áp dụng.
- Để đánh giá sai số trong của phép hiệu chỉnh khí quyển, tỷ số phổ phản xạ kênh 4 / kênh 3 của ảnh S2A thu được tại 12 điểm ảnh chụp vào ngày 10/8/2018 đoạn sông nghiên cứu được so sánh với giá trị tỷ số phổ mặt nước đo đạc thực tế (ρ w (666)/ρ w (560.
- Kết quả cho thấy phương pháp loại trừ điểm đen cho kết quả tương đối chính xác khi hiệu chỉnh khí quyển ảnh S2A cho vùng nước có độ đục cao như nước sông Hồng đoạn qua Lào Cai với giá trị sai số, RMSE = 0,02 ứng với 1% trung bình giá trị đo đạc thực tế (Hình 2c).
- Theo đó, SSC trong nước sông Hồng đoạn qua Lào Cai có thể được tính toán khá chính xác từ ảnh S2A sau khi hiệu chỉnh khí quyển bằng phương pháp DOS và áp dụng phương trình (1)..
- Hình 3 thể hiện sự phân bố của SSC trong nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai được tính toán từ 6 cảnh ảnh S2A thu được từ tháng 2 đến tháng 11 năm 2018.
- Theo đó, SSC trong nước sông trong các tháng mùa mưa (tháng cao hơn giá trị tính được trong mùa khô (tháng 2 và 4).
- Trong không gian, SSC có xu hướng giảm dần theo hướng dòng chảy, cao ở đoạn sông phía Bắc thành phố Lào Cai (khu vực cửa Hà Khẩu) và thấp dần xuống các đoạn sông phía Nam.
- Xu hướng SSC giảm dần xuôi theo dòng chảy cũng cho thấy hầu hết các trầm tích lơ lửng trong nước sông Hồng được cung cấp bởi các quá trình hoạt động của dòng chảy từ thượng nguồn phía bên kia biên giới.
- Phương pháp nghiên cứu này nếu được áp dụng vào nhiều loại ảnh, nhiều thời điểm có thể giúp giám sát liên tục sự biến động và quá trình vận chuyển SSC trong nước sông, giúp luận giải.
- nhiều vấn đề liên quan đến quản lý và sử dụng nguồn nước và lượng trầm tích được vận chuyển qua khu vực biên giới.
- Sơ đồ phân bố SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai trong năm 2018..
- Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai có thể tính toán từ tỷ số kênh 4 trên kênh 3 của ảnh S2A theo phương trình hồi quy tuyến tính hàm mũ.
- Kết quả tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh S2A thu được trong năm 2018 cho thấy: SSC của nước sông Hồng đoạn qua Lào Cai phân bố tương đối đồng đều vào mùa khô (70 đến 140 mg/L) và có xu hướng tăng nhanh vào mùa mưa (200 đến 300 mg/L).
- Nghiên cứu này cho thấy ảnh S2A có tiềm năng cao để giám sát chất lượng nước sông, đặc biệt nước của những dòng sông chảy xuyên biên giới như sông Hồng.
- Trong thời gian tới, cần mở rộng nghiên cứu ở quy mô lớn hơn để xây dựng được cơ sở khoa học nhằm đề xuất giải pháp quản lý và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước sông Hồng.