Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm không khí đang là vấn đề cấp bách tại nhiều đô thị Việt Nam, trong đó có thành phố Sơn La, tỉnh Sơn La. Từ năm 2017 đến 2019, các chỉ số bụi lơ lửng tổng số (TSP) tại nhiều điểm quan trắc trên địa bàn thành phố đã vượt giới hạn cho phép theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 05:2013/BTNMT từ 1,1 đến 4,8 lần, đặc biệt tại các khu vực có mật độ giao thông cao và các điểm xây dựng công trình. Nghiên cứu nhằm mục tiêu đánh giá thực trạng chất lượng không khí tại thành phố Sơn La trong giai đoạn này, xây dựng bản đồ phân cấp chất lượng không khí dựa trên chỉ số ô nhiễm không khí (API) sử dụng dữ liệu ảnh viễn thám Landsat, đồng thời ước tính giá trị nhiệt độ bề mặt đất và đề xuất các giải pháp nâng cao chất lượng môi trường không khí. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên địa bàn thành phố Sơn La, với dữ liệu thu thập từ năm 2015 đến tháng 9/2019. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu này không chỉ giúp khắc phục hạn chế về số lượng trạm quan trắc mặt đất mà còn cung cấp cái nhìn toàn diện về phân bố ô nhiễm không khí trên diện rộng, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

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, giúp đánh giá nhanh chất lượng không khí tại từng khu vực.

  • Chỉ số thực vật (NDVI - Normalised Difference Vegetation Index, VI - Vegetation Index, TVI - Transformed Vegetation Index): Các chỉ số này được tính toán từ ảnh viễn thám Landsat 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 do ảnh hưởng của thảm thực vật và mặt nước.

  • Phương pháp viễn thám và GIS: Viễn thám thu thập dữ liệu phản xạ phổ từ bề mặt trái đất mà không cần tiếp xúc trực tiếp, kết hợp với GIS để xử lý, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian, giúp xây dựng bản đồ phân bố ô nhiễm không khí và nhiệt độ bề mặt đất.

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 giai đoạn 2015-2019 với 84 mẫu, bổ sung 60 mẫu quan trắc trong các tháng 7, 8, 9 năm 2019. Dữ liệu ảnh viễn thám Landsat 8 đa thời gian từ năm 2015 đến 2019 được sử dụng để tính toán chỉ số API và nhiệt độ bề mặt.

  • Phương pháp phân tích: Tiền xử lý ảnh Landsat bao gồm chuyển đổi giá trị số sang bức xạ vật lý, hiệu chỉnh địa hình và tổ hợp màu. Tính toán các chỉ số NDVI, VI, TVI để xây dựng bản đồ chất lượng không khí theo API. Đánh giá độ tin cậy của bản đồ API từ ảnh viễn thám so với số liệu quan trắc mặt đất bằng phương pháp so sánh sai khác. Xây dựng bản đồ nhiệt độ bề mặt đất dựa trên dữ liệu kênh hồng ngoại nhiệt của Landsat, kết hợp chỉ số thực vật để ước tính phát xạ bề mặt và nhiệt độ thực tế.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tổng cộng 144 mẫu quan trắc không khí được thu thập tại 20 điểm quan trắc phân bố trên toàn thành phố, bao gồm các khu vực dân cư, giao thông, công nghiệp và các điểm nóng ô nhiễm. Phương pháp chọn mẫu nhằm đảm bảo đại diện không gian và thời gian cho toàn bộ khu vực nghiên cứu.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu từ năm 2015 đến tháng 9/2019, phân tích và xây dựng bản đồ chất lượng không khí và nhiệt độ bề mặt đất cho từng năm trong giai đoạn này.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ô nhiễm bụi vượt ngưỡng cho phép: Tại các điểm quan trắc như ngã tư xe khách, ngã ba Quyết Thắng, bến xe Sơn La, nồng độ TSP vượt giới hạn QCVN 05:2013/BTNMT từ 1,1 đến 4,8 lần, với giá trị cao nhất lên đến 1.180 µg/m³ (ngã tư cầu trắng năm 2017). Các điểm này tập trung chủ yếu ở các nút giao thông và khu vực xây dựng.

  2. Phân bố chất lượng không khí qua ảnh viễn thám: Bản đồ API xây dựng từ ảnh Landsat cho thấy mức độ ô nhiễm không khí có xu hướng tăng nhẹ qua các năm 2017-2019, với các vùng ô nhiễm nặng tập trung tại trung tâm thành phố và các khu vực có hoạt động giao thông, xây dựng sôi động. Độ tin cậy của bản đồ API từ ảnh viễn thám so với số liệu quan trắc mặt đất đạt mức tương đối cao, sai số trung bình dưới 15%.

  3. Nhiệt độ bề mặt đất biến động theo không gian và thời gian: Giá trị nhiệt độ bề mặt đất ước tính từ ảnh Landsat dao động từ khoảng 15°C đến trên 40°C, với các khu vực đô thị và đất trống có nhiệt độ cao hơn đáng kể so với vùng rừng và mặt nước. Mối tương quan tuyến tính giữa nhiệt độ bề mặt và chỉ số thực vật NDVI được xác định rõ ràng, cho phép ước tính chính xác nhiệt độ bề mặt theo lớp phủ đất.

  4. Nguồn gây ô nhiễm chính: Giao thông vận tải, hoạt động xây dựng và khai thác khoáng sản là các nguồn chính gây ô nhiễm bụi và khí độc hại như CO, SO2, NO2 tại thành phố Sơn La. Các khu công nghiệp hiện còn trong giai đoạn đầu tư nên mức độ ô nhiễm chưa đến mức báo động.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng dữ liệu viễn thám Landsat kết hợp GIS là phương pháp hiệu quả để giám sát và đánh giá chất lượng không khí trên diện rộng, đặc biệt trong điều kiện thiếu hụt trạm quan trắc mặt đất. Sai số giữa chỉ số API từ ảnh viễn thám và số liệu quan trắc mặt đất nằm trong giới hạn cho phép, phù hợp để ứng dụng trong quản lý môi trường. Sự gia tăng ô nhiễm bụi tại các điểm giao thông và xây dựng phản ánh tác động trực tiếp của phát triển kinh tế - xã hội đến môi trường không khí. Nhiệt độ bề mặt đất cao tại các khu vực đô thị cũng góp phần làm tăng mức độ ô nhiễm và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. So sánh với các nghiên cứu tại các đô thị lớn khác ở Việt Nam, kết quả tại Sơn La tương đồng về xu hướng và mức độ ô nhiễm, tuy nhiên mức độ ô nhiễm tổng thể thấp hơn do quy mô phát triển kinh tế và công nghiệp còn hạn chế. Việc xây dựng bản đồ phân cấp chất lượng không khí và nhiệt độ bề mặt đất cung cấp công cụ trực quan, hỗ trợ các nhà quản lý trong việc phát hiện sớm các điểm nóng ô nhiễm và lập kế hoạch cải thiện môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và mở rộng mạng lưới quan trắc: Thiết lập thêm các trạm quan trắc không khí tại các điểm nóng ô nhiễm và khu vực phát triển mới nhằm nâng cao độ chính xác và tính kịp thời của dữ liệu môi trường. Thời gian thực hiện: trong vòng 1-2 năm; Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sơn La phối hợp với Trung tâm Quan trắc.

  2. Áp dụng công nghệ viễn thám và GIS thường xuyên: Xây dựng hệ thống giám sát chất lượng không khí dựa trên dữ liệu viễn thám kết hợp GIS để theo dõi biến động ô nhiễm không khí theo thời gian thực và không gian rộng. Thời gian thực hiện: 1 năm để triển khai hệ thống; Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Lâm nghiệp và các cơ quan quản lý môi trường.

  3. Kiểm soát nguồn thải giao thông và xây dựng: Áp dụng các biện pháp giảm phát thải bụi và khí độc từ phương tiện giao thông và công trình xây dựng như rửa đường, che phủ vật liệu xây dựng, kiểm soát khí thải xe cơ giới. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể thực hiện: UBND thành phố Sơn La phối hợp với các đơn vị quản lý giao thông và xây dựng.

  4. Phát triển và bảo vệ thảm thực vật: Tăng cường trồng cây xanh, bảo vệ rừng và phát triển các khu vực xanh trong đô thị nhằm giảm bụi và điều hòa nhiệt độ bề mặt đất. Thời gian thực hiện: dài hạn; Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, UBND các xã, phường.

  5. Tuyên truyền nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình giáo dục, truyền thông về tác hại của ô nhiễm không khí và cách phòng tránh, đồng thời khuyến khích người dân tham gia bảo vệ môi trường. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể thực hiện: Sở Y tế, các tổ chức xã hội và trường học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà 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 tại thành phố Sơn La và các khu vực tương tự.

  2. Các nhà khoa học và nghiên cứu môi trường: Tham khảo phương pháp ứng dụng viễn thám và GIS trong đánh giá ô nhiễm không khí, từ đó phát triển các nghiên cứu tiếp theo hoặc áp dụng cho các vùng nghiên cứu khác.

  3. Các doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực công nghiệp và xây dựng: Hiểu rõ tác động môi trường của hoạt động sản xuất, xây dựng để áp dụng các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm, đảm bảo phát triển bền vững.

  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 áp dụng các biện pháp phòng tránh tác hại sức khỏe.

Câu hỏi thường gặp

  1. Viễn thám có thể thay thế hoàn toàn trạm quan trắc mặt đất không?
    Viễn thám cung cấp dữ liệu không gian rộng và liên tục, nhưng không thể thay thế hoàn toàn trạm quan trắc mặt đất do cần số liệu thực tế để hiệu chỉnh và xác nhận. Kết hợp cả hai phương pháp sẽ cho kết quả chính xác và toàn diện hơn.

  2. Chỉ số API được tính toán như thế nào từ ảnh viễn thám?
    API được tính dựa trên các chỉ số thực vật NDVI, VI, TVI và các kênh phổ của ảnh Landsat, phản ánh mức độ ô nhiễm bụi và khí độc hại. Công thức tính dựa trên mô hình hồi quy giữa giá trị phản xạ ảnh và nồng độ ô nhiễm thực tế.

  3. Nhiệt độ bề mặt đất ảnh hưởng thế nào đến chất lượng không khí?
    Nhiệt độ bề mặt cao làm tăng sự phát tán các chất ô nhiễm và ảnh hưởng đến quá trình quang hóa trong khí quyển, từ đó làm tăng mức độ ô nhiễm không khí, đặc biệt tại các khu vực đô thị.

  4. Các nguồn ô nhiễm chính tại thành phố Sơn La là gì?
    Giao thông vận tải, hoạt động xây dựng và khai thác khoáng sản là các nguồn chính gây ô nhiễm bụi và khí độc hại tại thành phố Sơn La, trong khi các khu công nghiệp hiện còn trong giai đoạn đầu tư nên mức độ ô nhiễm chưa cao.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ô nhiễm không khí hiệu quả tại Sơn La?
    Cần kết hợp các giải pháp như tăng cường giám sát, kiểm soát nguồn thải giao thông và xây dựng, phát triển cây xanh, áp dụng công nghệ viễn thám trong quản lý môi trường và nâng cao nhận thức cộng đồng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá thực trạng ô nhiễm không khí tại thành phố Sơn La giai đoạn 2017-2019, xác định các điểm nóng ô nhiễm bụi vượt ngưỡng từ 1,1 đến 4,8 lần so với quy chuẩn quốc gia.
  • Bản đồ phân cấp chất lượng không khí và nhiệt độ bề mặt đất được xây dựng thành công dựa trên dữ liệu ảnh viễn thám Landsat, có độ tin cậy cao so với số liệu quan trắc mặt đất.
  • Giao thông, xây dựng và khai thác khoáng sản là các nguồn ô nhiễm chính, ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể nhằm nâng cao hiệu quả quản lý và cải thiện chất lượng không khí, bao gồm mở rộng mạng lưới quan trắc, ứng dụng công nghệ viễn thám, kiểm soát nguồn thải và phát triển cây xanh.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ hỗ trợ cho các nhà quản lý, nhà khoa học và cộng đồng trong việc giám sát và bảo vệ môi trường không khí tại Sơn La và các khu vực tương tự.

Hành động tiếp theo: Triển khai hệ thống giám sát không khí tích hợp viễn thám và mặt đất, đồng thời thực hiện các giải pháp kiểm soát ô nhiễm đã đề xuất để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững thành phố Sơn La.