Tổng quan nghiên cứu

Trong giai đoạn 2017-2019, thành phố Sơn La, tỉnh Sơn La, chứng kiến sự gia tăng đáng kể các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội như xây dựng cơ sở hạ tầng, phát triển công nghiệp và giao thông. Theo số liệu quan trắc môi trường, nồng độ bụi lơ lửng tổng số (TSP) tại nhiều điểm trong thành phố vượt giới hạn cho phép của Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2013/BTNMT từ 1,1 đến 4,8 lần, đặc biệt tại các khu vực giao thông trọng điểm và bến xe. Vấn đề ô nhiễm không khí, đặc biệt do bụi và các khí độc hại như CO, SO2, NO2, đã trở thành thách thức lớn đối với sức khỏe cộng đồng và môi trường sinh thái.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá thực trạng chất lượng không khí tại thành phố Sơn La trong giai đoạn 2017-2019, xây dựng bản đồ phân cấp chất lượng không khí dựa trên chỉ số ô nhiễm không khí (API) và nhiệt độ bề mặt đất sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám Landsat, đồng thời đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý môi trường không khí. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ địa bàn thành phố Sơn La với dữ liệu thu thập từ 84 mẫu quan trắc trong các năm 2015-2019 và bổ sung 60 mẫu quan trắc trong năm 2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho công tác giám sát, quản lý chất lượng không khí tại các đô thị vừa và nhỏ, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững kinh tế - xã hội địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Chỉ số ô nhiễm không khí (API - Air Pollution Index): Là chỉ số tổng hợp phản ánh mức độ ô nhiễm không khí dựa trên nồng độ các chất ô nhiễm như TSP, CO, SO2, NO2. API được phân cấp thành 5 mức độ từ "Không khí trong lành" đến "Ô nhiễm nghiêm trọng" theo tiêu chuẩn quốc tế và Malaysia.

  • Chỉ số thực vật (NDVI, VI, TVI): Các chỉ số này được tính toán từ dữ liệu ảnh viễn thám để phản ánh mật độ và sức khỏe thảm thực vật, từ đó hỗ trợ hiệu chỉnh sai số trong bản đồ chất lượng không khí.

  • Công nghệ viễn thám và GIS: Viễn thám cung cấp dữ liệu ảnh vệ tinh đa phổ, cho phép thu thập thông tin không gian rộng lớn và liên tục. GIS hỗ trợ quản lý, phân tích và hiển thị dữ liệu địa lý, giúp xây dựng bản đồ phân bố chất lượng không khí và nhiệt độ bề mặt đất.

  • Mô hình ước tính nhiệt độ bề mặt đất (LST): Sử dụng dữ liệu kênh hồng ngoại nhiệt của Landsat 8 kết hợp với chỉ số thực vật để tính toán nhiệt độ bề mặt, phản ánh ảnh hưởng của các hoạt động đô thị và tự nhiên đến môi trường không khí.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng số liệu quan trắc môi trường không khí từ Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường tỉnh Sơn La (84 mẫu từ 2015-2019 và 60 mẫu bổ sung năm 2019), cùng với ảnh viễn thám Landsat 8 đa thời gian (2015-2019).

  • Phương pháp phân tích:

    • Tiền xử lý ảnh viễn thám bao gồm chuyển đổi giá trị số sang bức xạ vật lý, phản xạ tầng khí quyển, nắn chỉnh tọa độ và tổ hợp màu.
    • Tính toán các chỉ số thực vật NDVI, VI, TVI để hỗ trợ xây dựng bản đồ API.
    • Xây dựng bản đồ chất lượng không khí theo API dựa trên công thức tính chỉ số ô nhiễm từ dữ liệu phản xạ ảnh vệ tinh, hiệu chỉnh sai số do ảnh hưởng của nước và thảm thực vật.
    • Ước tính nhiệt độ bề mặt đất (LST) từ dữ liệu kênh hồng ngoại nhiệt, kết hợp với chỉ số thực vật để tính phát xạ bề mặt và nhiệt độ thực tế.
    • So sánh và đánh giá độ tin cậy giữa giá trị API và nhiệt độ bề mặt từ ảnh viễn thám với số liệu quan trắc mặt đất.
    • Phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt và các lớp phủ đất (rừng, nước, đất trống, khu dân cư) bằng mô hình tuyến tính.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu từ năm 2015 đến tháng 9 năm 2019, với các đợt quan trắc bổ sung trong năm 2019 nhằm tăng độ chính xác và tính đại diện không gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ô nhiễm bụi vượt ngưỡng cho phép:
    Tại 6 điểm quan trắc chính trong thành phố Sơn La, nồng độ tổng bụi lơ lửng (TSP) vượt giới hạn QCVN 05:2013/BTNMT (300 µg/m³) từ 1,1 đến 4,8 lần. Điểm có mức vượt cao nhất là ngã tư cầu trắng với giá trị lên đến 1.180 µg/m³ năm 2017. Các điểm như ngã tư xe khách, bến xe Sơn La cũng ghi nhận mức TSP cao, phản ánh tác động lớn từ giao thông và hoạt động xây dựng.

  2. Bản đồ chất lượng không khí từ ảnh viễn thám:
    Sử dụng ảnh Landsat 8, bản đồ API được xây dựng cho các năm 2017, 2018 và 2019 cho thấy các khu vực trung tâm thành phố và các tuyến giao thông chính có mức độ ô nhiễm từ "Ô nhiễm nhẹ" đến "Ô nhiễm vừa phải". Khu vực ngoại vi với nhiều thảm thực vật có chất lượng không khí tốt hơn, thuộc nhóm "Không khí trong lành".

  3. Nhiệt độ bề mặt đất tăng theo thời gian:
    Dữ liệu nhiệt độ bề mặt từ ảnh Landsat 8 cho thấy nhiệt độ trung bình tại các khu vực đô thị tăng từ khoảng 25°C năm 2015 lên đến gần 30°C năm 2019, trong khi các khu vực rừng và đất trống duy trì nhiệt độ thấp hơn 22-24°C. Mối tương quan tuyến tính giữa nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật NDVI cho thấy thảm thực vật có vai trò làm giảm nhiệt độ bề mặt.

  4. Độ tin cậy của dữ liệu viễn thám:
    So sánh giá trị API và nhiệt độ bề mặt từ ảnh vệ tinh với số liệu quan trắc mặt đất cho thấy sai số trung bình dưới 15%, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy cao của phương pháp sử dụng viễn thám trong giám sát chất lượng không khí tại các khu vực có ít trạm quan trắc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến ô nhiễm bụi tại thành phố Sơn La là sự gia tăng phương tiện giao thông, hoạt động xây dựng và khai thác khoáng sản, đặc biệt tại các điểm nút giao thông và khu công nghiệp mới hình thành. Kết quả bản đồ API từ ảnh viễn thám phản ánh chính xác sự phân bố không gian của ô nhiễm, giúp nhận diện các điểm nóng ô nhiễm.

Nhiệt độ bề mặt tăng cao tại các khu đô thị cho thấy hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng không khí và sức khỏe người dân. Mối tương quan giữa nhiệt độ bề mặt và thảm thực vật nhấn mạnh vai trò quan trọng của việc bảo vệ và phát triển cây xanh trong đô thị.

So với các nghiên cứu tại các đô thị lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh, nghiên cứu tại Sơn La bổ sung dữ liệu cho khu vực Tây Bắc, nơi có điều kiện tự nhiên và phát triển kinh tế khác biệt. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS đã khắc phục hạn chế về số lượng trạm quan trắc, cung cấp giải pháp giám sát hiệu quả, liên tục và chi phí thấp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh nồng độ TSP theo thời gian tại các điểm quan trắc, bản đồ phân bố API và nhiệt độ bề mặt đất theo từng năm, giúp trực quan hóa diễn biến ô nhiễm và tác động của các yếu tố môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và mở rộng mạng lưới quan trắc:
    Chủ động lắp đặt thêm các trạm quan trắc không khí tại các điểm nóng ô nhiễm, đặc biệt dọc các tuyến giao thông chính và khu công nghiệp. Mục tiêu giảm sai số đánh giá chất lượng không khí xuống dưới 10% trong vòng 2 năm tới. Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sơn La.

  2. Phát triển và bảo vệ thảm thực vật đô thị:
    Triển khai các chương trình trồng cây xanh, xây dựng công viên và khu vực xanh tại các phường có mật độ dân cư cao nhằm giảm nhiệt độ bề mặt và cải thiện chất lượng không khí. Mục tiêu tăng diện tích cây xanh lên 15% trong 3 năm. Chủ thể thực hiện: UBND thành phố Sơn La phối hợp với các đơn vị quản lý đô thị.

  3. Kiểm soát và giảm thiểu bụi từ hoạt động xây dựng và giao thông:
    Áp dụng các biện pháp kỹ thuật như tưới nước giảm bụi, che phủ bãi vật liệu xây dựng, kiểm soát tốc độ phương tiện và phát triển giao thông công cộng. Mục tiêu giảm nồng độ TSP tại các điểm nóng ít nhất 20% trong 2 năm. Chủ thể thực hiện: Sở Giao thông Vận tải, các chủ đầu tư xây dựng.

  4. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong quản lý môi trường:
    Xây dựng hệ thống giám sát môi trường không khí dựa trên dữ liệu viễn thám kết hợp GIS để cập nhật liên tục bản đồ chất lượng không khí, hỗ trợ ra quyết định kịp thời. Mục tiêu hoàn thiện hệ thống trong vòng 1 năm. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường tỉnh Sơn La.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý môi trường và chính quyền địa phương:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, kế hoạch giám sát và cải thiện chất lượng không khí, đặc biệt tại các đô thị vừa và nhỏ.

  2. Các nhà nghiên cứu và học giả trong lĩnh vực khoa học môi trường:
    Tham khảo phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá ô nhiễm không khí, mở rộng nghiên cứu tại các khu vực tương tự.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực xây dựng, công nghiệp:
    Hiểu rõ tác động môi trường của hoạt động sản xuất, từ đó áp dụng các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm phù hợp.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội:
    Nâng cao nhận thức về ô nhiễm không khí, tham gia giám sát và bảo vệ môi trường sống, đồng thời thúc đẩy các hoạt động xanh, sạch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Viễn thám có thể thay thế hoàn toàn quan trắc mặt đất không?
    Viễn thám cung cấp dữ liệu không gian rộng và liên tục, nhưng không thể thay thế hoàn toàn quan trắc mặt đất do cần số liệu thực tế để hiệu chỉnh và xác nhận. Ví dụ, sai số API từ ảnh vệ tinh so với quan trắc mặt đất là khoảng 15%.

  2. Chỉ số API được tính toán dựa trên những thông số nào?
    Trong nghiên cứu này, API chủ yếu dựa trên nồng độ tổng bụi lơ lửng (TSP), kết hợp với các chỉ số thực vật từ ảnh viễn thám để phản ánh mức độ ô nhiễm không khí.

  3. Nhiệt độ bề mặt đất ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng không khí?
    Nhiệt độ bề mặt cao làm tăng hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, góp phần làm tăng nồng độ các chất ô nhiễm và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe. Nghiên cứu cho thấy nhiệt độ bề mặt tại khu đô thị Sơn La tăng gần 5°C trong 5 năm.

  4. Các biện pháp giảm ô nhiễm bụi hiệu quả nhất hiện nay là gì?
    Tưới nước giảm bụi, che phủ vật liệu xây dựng, kiểm soát tốc độ phương tiện và phát triển giao thông công cộng là các biện pháp được khuyến nghị nhằm giảm nồng độ bụi tại các điểm nóng.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý thực tiễn?
    Kết quả bản đồ API và nhiệt độ bề mặt có thể được tích hợp vào hệ thống GIS của địa phương để giám sát liên tục, hỗ trợ ra quyết định và lập kế hoạch cải thiện môi trường không khí.

Kết luận

  • Nồng độ bụi lơ lửng (TSP) tại nhiều điểm trong thành phố Sơn La vượt giới hạn cho phép từ 1,1 đến 4,8 lần, đặc biệt tại các khu vực giao thông và xây dựng.
  • Bản đồ chất lượng không khí và nhiệt độ bề mặt đất được xây dựng từ dữ liệu viễn thám Landsat có độ tin cậy cao, sai số dưới 15% so với số liệu quan trắc mặt đất.
  • Nhiệt độ bề mặt tăng tại các khu đô thị phản ánh hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.
  • Việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS là giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí cho giám sát và quản lý chất lượng không khí tại các đô thị vừa và nhỏ.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể về giám sát, phát triển cây xanh, kiểm soát bụi và ứng dụng công nghệ nhằm cải thiện chất lượng không khí tại thành phố Sơn La trong vòng 1-3 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan chức năng cần triển khai mở rộng mạng lưới quan trắc, áp dụng hệ thống giám sát viễn thám và GIS, đồng thời thực hiện các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm theo khuyến nghị để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững.