Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, hiện tượng Đảo Nhiệt Đô Thị (Urban Heat Island - UHI) ngày càng trở nên nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và chất lượng cuộc sống của cư dân thành thị. Theo báo cáo của Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA), các thành phố có dân số trên một triệu người thường có nhiệt độ trung bình hàng năm cao hơn từ 1 đến 3°C so với các vùng nông thôn xung quanh. Makati City, Philippines, là trung tâm kinh tế và tài chính của quốc gia, với dân số khoảng 529.039 người (theo điều tra dân số năm 2010) và diện tích đất 27,36 km², đang trải qua quá trình đô thị hóa mạnh mẽ trong thập kỷ qua. Nghiên cứu này tập trung đánh giá tác động của đô thị hóa đến cường độ Đảo Nhiệt Đô Thị (Urban Heat Island Intensity - UHII) tại Makati City trong giai đoạn 2006-2016, dựa trên dữ liệu vệ tinh Landsat và các kỹ thuật viễn thám, GIS.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định tốc độ đô thị hóa thông qua phân tích biến đổi lớp phủ đất (Land Cover Change - LCC), tính toán UHII dựa trên nhiệt độ bề mặt đất (Land Surface Temperature - LST) và đề xuất các giải pháp giảm thiểu hiệu ứng UHI. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào Makati City, sử dụng dữ liệu vệ tinh từ các năm 2006, 2010 và 2016, với thời gian thu thập và phân tích dữ liệu từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2017. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ hoạch định chính sách phát triển đô thị bền vững, giảm thiểu tác động tiêu cực của đô thị hóa đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Hiện tượng Đảo Nhiệt Đô Thị (Urban Heat Island - UHI): Là sự gia tăng nhiệt độ bề mặt và khí quyển tại các khu vực đô thị so với vùng nông thôn xung quanh, do sự thay đổi lớp phủ đất và các hoạt động nhân sinh (Voogt & Oke, 2003).
  2. Biến đổi lớp phủ đất (Land Cover Change - LCC): Là sự thay đổi về đặc tính vật lý của bề mặt đất như rừng, đất trống, mặt nước và khu vực xây dựng, được xác định qua ảnh vệ tinh và công nghệ GIS.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Land Surface Temperature (LST): Nhiệt độ bề mặt đất được tính toán từ dữ liệu nhiệt hồng ngoại của vệ tinh.
  • Urban Heat Island Intensity (UHII): Chênh lệch nhiệt độ giữa khu vực đô thị và khu vực nông thôn, thể hiện mức độ nghiêm trọng của UHI.
  • Normalized Difference Vegetation Index (NDVI): Chỉ số thực vật chuẩn hóa, dùng để đánh giá mật độ và sức khỏe thực vật.
  • Emissivity: Đặc tính phát xạ nhiệt của bề mặt, ảnh hưởng đến tính toán LST.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu vệ tinh Landsat 5 TM và Landsat 8 OLI/TIRS cho các năm 2006, 2010 và 2016, được tải về từ trang web của U.S. Geological Survey. Các ảnh vệ tinh được lựa chọn có độ che phủ mây dưới 30% trong mùa hè Philippines (tháng 4 và tháng 5). Tổng số mẫu phân tích gồm 3 ảnh vệ tinh, với các bước xử lý bao gồm:

  • Tiền xử lý ảnh: Gồm ghép lớp (layer stacking), hiệu chỉnh hình học (geometric correction) và cắt ảnh theo ranh giới Makati City.
  • Phân loại lớp phủ đất: Sử dụng phương pháp phân loại có giám sát (supervised classification) với 4 loại lớp phủ chính: khu vực xây dựng, đất trống, thảm thực vật và mặt nước. Mỗi loại được chọn 50 mẫu ngẫu nhiên, tổng cộng 200 mẫu cho mỗi năm, đánh giá độ chính xác qua ma trận nhầm lẫn (confusion matrix) và hệ số Kappa.
  • Tính toán nhiệt độ bề mặt đất (LST): Chuyển đổi số DN sang bức xạ phổ, sau đó sang nhiệt độ sáng (brightness temperature), tính emissivity dựa trên NDVI và tính LST theo công thức chuẩn.
  • Tính toán cường độ Đảo Nhiệt Đô Thị (UHII): Lấy hiệu số giữa nhiệt độ bề mặt trung bình khu vực đô thị và khu vực nông thôn.
  • Phân tích biến đổi lớp phủ đất (LCC): So sánh diện tích các lớp phủ qua các năm để đánh giá tốc độ đô thị hóa.
  • Thời gian nghiên cứu: Từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2017, tại Đại học Trung ương Quốc gia Đài Loan (National Central University).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng diện tích khu vực xây dựng: Diện tích khu vực xây dựng tại Makati City tăng đáng kể trong giai đoạn 2006-2016, chiếm khoảng 14,82% tổng diện tích thành phố, với sự giảm tương ứng của đất trống, thảm thực vật và mặt nước.
  2. Gia tăng nhiệt độ bề mặt đất: Nhiệt độ bề mặt trung bình tại khu vực đô thị tăng từ khoảng 33,5°C năm 2006 lên 33,68°C năm 2016, tương ứng với mức tăng UHII khoảng 0,18°C trong 10 năm. Năm 2016 ghi nhận nhiệt độ bề mặt cao nhất với giá trị tối đa 41,15°C (314,3 K).
  3. Mối quan hệ nghịch giữa thảm thực vật và UHII: Diện tích thảm thực vật giảm làm tăng UHII, thể hiện qua hệ số tương quan âm rõ rệt giữa NDVI và nhiệt độ bề mặt.
  4. Ảnh hưởng gián tiếp của tăng dân số: Tỷ lệ tăng dân số tại Makati City theo Cơ quan Thống kê Philippines cũng góp phần làm gia tăng diện tích xây dựng và UHII, cho thấy mối liên hệ chặt chẽ giữa phát triển dân cư và hiệu ứng đảo nhiệt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng UHII là do sự mở rộng diện tích xây dựng và giảm diện tích thảm thực vật, phù hợp với các nghiên cứu trước đây tại các đô thị lớn trên thế giới như Bắc Kinh, Wuhan (Trung Quốc) và Metro Manila (Philippines). Việc sử dụng dữ liệu Landsat và kỹ thuật viễn thám cho phép đánh giá chính xác biến đổi lớp phủ đất và nhiệt độ bề mặt theo thời gian. Kết quả cũng cho thấy sự cần thiết của việc bảo tồn và tăng cường không gian xanh để giảm thiểu hiệu ứng UHI. Biểu đồ phân bố nhiệt độ bề mặt và bản đồ biến đổi lớp phủ đất có thể minh họa rõ ràng sự gia tăng nhiệt độ và sự thay đổi không gian đô thị qua các năm. So với các nghiên cứu tương tự, mức tăng UHII tại Makati City là tương đối khiêm tốn nhưng vẫn đáng chú ý do mật độ dân số và tốc độ đô thị hóa cao.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường phát triển không gian xanh: Hành động trồng thêm cây xanh, phát triển công viên và khu vực thảm thực vật nhằm giảm nhiệt độ bề mặt, mục tiêu giảm UHII ít nhất 0,1°C trong vòng 3 năm, do chính quyền thành phố và các tổ chức môi trường thực hiện.
  2. Áp dụng vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường: Khuyến khích sử dụng vật liệu có độ phản xạ cao (cool roofs, vật liệu thấm nước) để giảm hấp thụ nhiệt, giảm nhiệt độ bề mặt xây dựng, triển khai trong các dự án xây dựng mới trong 5 năm tới.
  3. Quản lý quy hoạch đô thị hợp lý: Hạn chế mở rộng diện tích xây dựng không kiểm soát, ưu tiên phát triển theo chiều cao thay vì chiều rộng, giảm áp lực lên diện tích đất tự nhiên, do cơ quan quy hoạch đô thị chủ trì.
  4. Giám sát và đánh giá liên tục: Thiết lập hệ thống giám sát nhiệt độ bề mặt và lớp phủ đất định kỳ hàng năm bằng công nghệ viễn thám và đo đạc thực địa để cập nhật dữ liệu và điều chỉnh chính sách kịp thời.
  5. Nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình giáo dục, tuyên truyền về tác hại của UHI và vai trò của không gian xanh, khuyến khích người dân tham gia bảo vệ môi trường đô thị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà hoạch định chính sách đô thị: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng các chính sách phát triển bền vững, giảm thiểu tác động của đô thị hóa đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.
  2. Các nhà quy hoạch và kiến trúc sư: Áp dụng các giải pháp thiết kế thân thiện với môi trường, tích hợp không gian xanh và vật liệu giảm nhiệt trong quy hoạch đô thị.
  3. Nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực môi trường và quản lý đô thị: Tham khảo phương pháp luận và kết quả để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về UHI và biến đổi lớp phủ đất.
  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Nâng cao nhận thức về tác động của đô thị hóa và tham gia vào các hoạt động bảo vệ môi trường, giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt.

Câu hỏi thường gặp

  1. Đảo Nhiệt Đô Thị (UHI) là gì?
    UHI là hiện tượng nhiệt độ tại các khu vực đô thị cao hơn so với vùng nông thôn xung quanh do sự thay đổi lớp phủ đất và hoạt động nhân sinh, gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe.

  2. Làm thế nào để đo cường độ UHI (UHII)?
    UHII được tính bằng hiệu số nhiệt độ bề mặt trung bình giữa khu vực đô thị và khu vực nông thôn, thường dựa trên dữ liệu nhiệt độ bề mặt thu thập từ vệ tinh hoặc đo đạc thực địa.

  3. Tại sao diện tích thảm thực vật lại ảnh hưởng đến UHI?
    Thảm thực vật giúp làm mát bề mặt thông qua quá trình bay hơi nước và giảm hấp thụ nhiệt, do đó diện tích thảm thực vật giảm sẽ làm tăng nhiệt độ bề mặt và cường độ UHI.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để phân tích biến đổi lớp phủ đất?
    Phân loại có giám sát (supervised classification) trên ảnh vệ tinh Landsat được sử dụng để phân tích biến đổi lớp phủ đất qua các năm, với độ chính xác trên 85%.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để giảm thiểu UHI tại Makati City?
    Phát triển không gian xanh và sử dụng vật liệu xây dựng thân thiện với môi trường được xem là các giải pháp hiệu quả, giúp giảm nhiệt độ bề mặt và cải thiện chất lượng môi trường đô thị.

Kết luận

  • Đô thị hóa tại Makati City trong giai đoạn 2006-2016 đã làm tăng diện tích xây dựng và giảm diện tích thảm thực vật, góp phần làm gia tăng cường độ Đảo Nhiệt Đô Thị (UHII) khoảng 0,18°C.
  • Nhiệt độ bề mặt đất tăng cao nhất được ghi nhận vào năm 2016 với giá trị tối đa 41,15°C, phản ánh rõ tác động của đô thị hóa đến môi trường nhiệt.
  • Mối quan hệ nghịch giữa diện tích thảm thực vật và UHII nhấn mạnh vai trò quan trọng của không gian xanh trong việc giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc hoạch định chính sách phát triển đô thị bền vững và các giải pháp giảm thiểu UHI tại Makati City.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với dữ liệu đo đạc thực địa, đánh giá tác động của UHI đến sức khỏe cộng đồng và phát triển các mô hình dự báo nhiệt độ đô thị.

Hành động ngay hôm nay để bảo vệ môi trường đô thị và nâng cao chất lượng cuộc sống cho cộng đồng Makati City!