Ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu và bản đồ phông phóng xạ môi trường TP.HCM

Nghiên cứu luận văn tập trung vào ứng dụng Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) để xây dựng cơ sở dữ liệu và bản đồ phông phóng xạ môi trường tại Thành phố Hồ Chí

• Tác giả: Ngô Xuân Trường
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Quốc Dũng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu và bản đồ phông phóng xạ môi trường TP.HCM
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan luận văn ứng dụng GIS xây dựng bản đồ phông phóng xạ

Luận văn ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu và bản đồ phông phóng xạ môi trường TP.HCM là công trình thạc sĩ ngành Kỹ thuật môi trường. Tác giả Ngô Xuân Trường thực hiện năm 2017 tại Đại học Công nghệ TP.HCM. Đề tài giải quyết một vấn đề thực tế. TP.HCM là đô thị lớn, mật độ dân cư cao. Việc giám sát phóng xạ môi trường trở nên cấp thiết. Nghiên cứu kết hợp công nghệ GIS với dữ liệu đo phóng xạ. Mục tiêu là lập bản đồ phông phóng xạ trực quan. Bản đồ này phục vụ công tác cảnh báo và xử lý ô nhiễm. Dữ liệu thu thập gồm suất liều gamma môi trường. Mẫu đất được phân tích hoạt độ các nhân phóng xạ. Các nhân chính gồm 40K, 232Th, 238U và 137Cs. Cơ sở dữ liệu được chuẩn hóa và hệ thống hóa. GIS giúp lưu trữ, truy vấn và hiển thị không gian. Kết quả góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Đồng thời hỗ trợ phát triển kinh tế xã hội bền vững.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Đề tài đặt ra ba nhiệm vụ chính rõ ràng. Thứ nhất là xây dựng cơ sở lý thuyết và tổng quan tư liệu lĩnh vực. Thứ hai là thiết lập cơ sở dữ liệu phóng xạ môi trường cho TP.HCM. Cơ sở dữ liệu phải phù hợp điều kiện cụ thể của thành phố. Thứ ba là thành lập các bản đồ chuyên đề phông phóng xạ. Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong địa bàn TP.HCM. Đối tượng là phông phóng xạ tự nhiên và nhân tạo. Dữ liệu nền lấy từ đo đạc thực địa và mẫu đất. Công nghệ chủ đạo là hệ thống thông tin địa lý GIS.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Công trình có giá trị khoa học và ứng dụng cao. Về khoa học, đề tài chuẩn hóa quy trình lập bản đồ phông phóng xạ. Quy trình kết hợp đo đạc, phân tích mẫu và xử lý không gian. Về thực tiễn, bản đồ là công cụ quản lý môi trường hiệu quả. Cơ quan chức năng dùng bản đồ để cảnh báo sớm. Khi phát hiện điểm bất thường, có thể can thiệp kịp thời. Dữ liệu hỗ trợ quy hoạch sử dụng đất an toàn. Người dân được bảo vệ trước nguy cơ phơi nhiễm. Đây là nền tảng cho giám sát phóng xạ lâu dài tại đô thị lớn.

II. Thực trạng dữ liệu phóng xạ môi trường tại TP

Phóng xạ môi trường tồn tại tự nhiên ở khắp nơi. Nguồn gồm bức xạ vũ trụ và các nhân phóng xạ trong đất đá. Ngoài ra còn có nguồn nhân tạo từ hoạt động con người. Tại Việt Nam, nhiều tỉnh đã xây dựng dữ liệu phóng xạ riêng. Hà Nội, TP.HCM, Phú Thọ và Đồng Nai là ví dụ. Nội dung chủ yếu là đo suất liều gamma môi trường. Máy đo liều xách tay được sử dụng phổ biến. Mẫu đất được thu góp để phân tích hoạt độ phóng xạ. Tuy nhiên dữ liệu sơ bộ này còn nhiều hạn chế lớn. Thông số chưa đầy đủ và thiếu tính hệ thống. Số điểm đo chưa được chuẩn hóa thống nhất. Nhiều nghiên cứu chỉ mang tính thăm dò phương pháp luận. Dữ liệu nằm rải rác, khó truy vấn và so sánh. Việc quản lý theo cách truyền thống tỏ ra kém hiệu quả. Đô thị TP.HCM lại có tốc độ phát triển nhanh. Nhu cầu giám sát phóng xạ chính xác ngày càng cấp bách.

2.1. Hạn chế của dữ liệu phóng xạ truyền thống

Dữ liệu phóng xạ trước đây bị phân mảnh nghiêm trọng. Mỗi đề tài được thiết kế với mục đích riêng phần. Vì vậy các bộ số liệu khó kết nối với nhau. Số điểm đo không được chuẩn hóa về tọa độ và phương pháp. Thông số thường thiếu, không đồng nhất giữa các nghiên cứu. Nhiều khảo sát chỉ tìm hiểu phương pháp luận ban đầu. Kết quả là dữ liệu thiếu tính hệ thống tổng thể. Việc lưu trữ trên giấy hoặc bảng tính gây khó khăn. Người dùng khó truy vấn theo vị trí địa lý cụ thể. Đây là rào cản lớn cho quản lý phóng xạ đô thị.

2.2. Yêu cầu giám sát phóng xạ tại đô thị lớn

TP.HCM là trung tâm kinh tế lớn nhất cả nước. Dân số đông và hoạt động công nghiệp dày đặc. Điều này làm tăng nguy cơ phơi nhiễm phóng xạ. Cần một hệ thống giám sát đồng bộ và liên tục. Dữ liệu phải gắn với tọa độ không gian chính xác. Cơ quan quản lý cần truy cập nhanh khi có sự cố. Bản đồ phông phóng xạ đáp ứng yêu cầu trực quan. Nó giúp xác định vùng có giá trị bất thường. Từ đó việc cảnh báo và xử lý diễn ra kịp thời. GIS chính là công cụ phù hợp cho nhu cầu này.

III. Phương pháp ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu phóng xạ

Phương pháp nghiên cứu kết hợp đo đạc và công nghệ GIS. Bước đầu là thu thập dữ liệu phóng xạ thực địa. Suất liều gamma môi trường được đo bằng máy chuyên dụng. Mẫu đất bề mặt được lấy tại các điểm khảo sát. Phòng thí nghiệm phân tích hoạt độ nhân phóng xạ. Các nhân quan tâm gồm 40K, 232Th, 238U và 137Cs. Đơn vị đo hoạt độ là Becquerel, viết tắt Bq. Mỗi điểm đo gắn với tọa độ địa lý chính xác. Dữ liệu được nhập vào cơ sở dữ liệu không gian. GIS tổ chức dữ liệu theo các lớp thông tin riêng. Phương pháp nội suy không gian tạo bề mặt liên tục. Kết quả là bản đồ phông phóng xạ toàn thành phố. Bản đồ thể hiện phân bố giá trị theo vùng màu. Người dùng dễ dàng truy vấn và phân tích trực quan. Quy trình này đảm bảo dữ liệu chuẩn hóa và hệ thống. Đây là điểm khác biệt so với cách làm cũ.

3.1. Thu thập và chuẩn hóa dữ liệu đo đạc

Dữ liệu đầu vào quyết định chất lượng bản đồ. Các điểm đo được bố trí theo lưới khảo sát hợp lý. Mỗi điểm ghi nhận suất liều gamma và tọa độ. Mẫu đất được thu góp đúng quy trình kỹ thuật. Phân tích trong phòng thí nghiệm cho hoạt độ phóng xạ. Toàn bộ số liệu được kiểm tra và làm sạch. Đơn vị đo được thống nhất theo hệ SI. Tọa độ chuyển về cùng hệ quy chiếu chuẩn. Sau khi chuẩn hóa, dữ liệu nhập vào hệ thống GIS. Đây là nền tảng cho các bước xử lý tiếp theo.

3.2. Xử lý không gian và nội suy bản đồ

GIS cung cấp công cụ phân tích không gian mạnh mẽ. Dữ liệu điểm được dùng để nội suy bề mặt phóng xạ. Các phương pháp nội suy ước tính giá trị giữa các điểm. Kết quả là bề mặt liên tục phủ toàn thành phố. Bản đồ chuyên đề thể hiện phân vùng phông phóng xạ. Mỗi vùng được gán màu theo mức độ giá trị. Vùng có giá trị cao được làm nổi bật rõ ràng. Cơ quan chức năng dựa vào đó để cảnh báo. Bản đồ cũng cho phép chồng lớp với dữ liệu khác. Nhờ vậy việc ra quyết định trở nên chính xác hơn.

IV. Kết quả và ứng dụng bản đồ phông phóng xạ TP

Nghiên cứu đạt được các kết quả thiết thực. Cơ sở dữ liệu phóng xạ môi trường TP.HCM được hoàn thiện. Dữ liệu chuẩn hóa, có hệ thống và gắn tọa độ. Các bản đồ chuyên đề phông phóng xạ được thành lập. Bản đồ thể hiện rõ phân bố phóng xạ theo không gian. Đây là sản phẩm trực quan và dễ sử dụng. Cơ quan quản lý môi trường khai thác dữ liệu hiệu quả. Bản đồ phục vụ công tác cảnh báo phóng xạ kịp thời. Khi phát hiện vùng bất thường, có thể xử lý nhanh. Dữ liệu hỗ trợ quy hoạch và sử dụng đất an toàn. Người dân được bảo vệ trước nguy cơ phơi nhiễm. Mô hình GIS có thể nhân rộng cho địa phương khác. Hệ thống cho phép cập nhật dữ liệu liên tục. Nhờ vậy việc giám sát mang tính lâu dài. Công trình góp phần phát triển kinh tế xã hội bền vững. Đồng thời nâng cao năng lực quản lý môi trường đô thị.

4.1. Giá trị ứng dụng trong quản lý môi trường

Bản đồ phông phóng xạ là công cụ quản lý hữu ích. Cơ quan chức năng dùng nó để giám sát thường xuyên. Khi giá trị vượt ngưỡng, hệ thống cảnh báo sớm. Việc xử lý ô nhiễm diễn ra nhanh và đúng vị trí. Dữ liệu không gian hỗ trợ quy hoạch đô thị an toàn. Các khu dân cư được bố trí tránh vùng nguy cơ. Bản đồ cũng phục vụ nghiên cứu khoa học tiếp theo. Nó là tài liệu tham khảo cho các đề tài liên quan. Giá trị thực tiễn của công trình vì thế rất lớn.

4.2. Hướng phát triển và mở rộng nghiên cứu

Mô hình GIS có khả năng mở rộng linh hoạt. Cơ sở dữ liệu cho phép cập nhật điểm đo mới. Nhờ vậy bản đồ luôn phản ánh hiện trạng cập nhật. Phương pháp có thể áp dụng cho các tỉnh thành khác. Nghiên cứu tương lai nên tăng mật độ điểm đo. Việc tích hợp cảm biến tự động sẽ nâng hiệu quả. Dữ liệu thời gian thực giúp cảnh báo nhanh hơn. Kết hợp dữ liệu khí tượng làm tăng độ chính xác. Đây là hướng đi bền vững cho giám sát phóng xạ. Công nghệ GIS sẽ tiếp tục đóng vai trò trung tâm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề Trong môi trường hiện nay luôn hiện diện các đồng vị phóng xạ tự nhiên và nhân tạo. Các đồng vị phóng xạ tự nhiên có nguồn gốc từ vũ trụ và từ vỏ trái đất, mà chủ yếu là 3H, 7Be, 40K, các đồng vị thuộc chuỗi 232Th, 235U và 238U. Các đồng vị phóng xạ nhân tạo xuất hiện do các vụ thử vũ khí hạt nhân, đặc biệt là các vụ thử trong khí quyển và thủy quyển, chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương, các sự cố hạt nhân và phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở hạt nhân, đặc biệt là của các nhà máy điện hạt nhân (ĐHN) và các cơ sở xử lý lại nhiên liệu và sử dụng các chất phóng xạ trong y học và nghiên cứu. Phông các đồng vị phóng xạ cũng có thể bị tăng cao do các công nghệ phi hạt nhân như thăm dò, khai thác dầu khí, sản xuất công nghiệp và sử dụng phân bón phốt phát, sản xuất nhiệt điện dùng than, vận chuyển các đồng vị phóng xạ tự nhiên bởi các dòng sông chảy qua các vùng mỏ khai thác…Do đó, xây dựng CSDL và bản đồ phông PXMT nhằm phục vụ yêu cầu tăng cường đảm bảo an toàn, an ninh bức xạ và hỗ trợ phát triển bền vững môi trường phục vụ phát triển KT – XH của đất nước là xu thế tất yếu đối với mỗi quốc gia.

Trong đó, Việt Nam cũng đã có đã có những chiến lược, quy hoạch phát triển, ứng dụng năng lượng nguyên tử (NLNT) phục vụ phát triển đất nước. Khi con người bị tác động bởi các bức xạ ion ở mức thấp thì việc gây tác hại không thể nhận biết ngay được, nên phải sau một thời gian chứng bệnh mới biểu hiện. Tuy nhiên nếu chiếu lên cơ thể một liều lượng quá lớn so với giới hạn tối đa cho phép thì chỉ sau 7 đến 10 ngày, bệnh trạng đã xuất hiện rõ. Nguy hiểm nhất đối với những người thường xuyên tiếp xúc với các bức xạ ion là dẫn đến ung thư.

Cụ thể, các bệnh thường gặp nhất gồm có: rụng tóc, ung thư da; đục thủy tinh thể; cường giáp, ung thư tuyến giáp; ung thư phổi; máu dễ bị nhiễm trùng; buồn nôn, ói mửa, tiêu chảy; bức xạ giết chết các tế bào thần kinh và mạch máu nhỏ, có thể gây co giật và chết ngay lập tức; làm hủy hoại trực tiếp đến các mạch máu nhỏ, có thể gây suy tim và tử vong; suy thoái tiền liệt tuyến, tinh hoàn, buồng trứng, ung thư 2 vú; ảnh hưởng trực tiếp tới tủy xương nơi sản xuất ra các tế bào máu dẫn tới nguy cơ mắc các bệnh như máu trắng, ung thư máu Các nghiên cứu xây dựng CSDL và bản đồ phông PXMT cũng được đã bắt đầu thực hiện trên một số địa phương trong cả nước. Tuy nhiên, còn tồn tại những hạn chế so với CSDL chuẩn. HCM – trung tâm kinh tế – văn văn hóa – chính trị và khoa học của cả nước cũng nằm trong tình cảnh này. Cụ thể, CSDL của TP.

HCM còn thiếu những đối tượng môi trường cần được nghiên cứu xác định nền phông phóng xạ như bản đồ nền phông γ chiếu ngoài; số liệu về phóng xạ trong môi trường biển của TP. HCM; môi trường nước mặt bao gồm nước mưa, nước ở các nguồn cấp nước sinh hoạt cho TP.HCM; những thành phần ĐVPX quan trọng trong nhiều đối tượng môi trường cần được xác định sớm mức nền để tạo cơ sở đánh giá tác động môi trường (ĐTM) của việc đưa ĐHN vào Việt Nam. Với những bất cập, khiếm khuyết về CSDL và bản đồ phông PXMT, tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng GIS xây dựng CSDL và bản đồ phông phóng xạ môi trường TP.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài nhằm thiết lập CSDL về PXMT và xây dựng bản đồ phông PXMT để phục vụ công tác cảnh báo PXMT, xử lý, khắc phục ô nhiễm môi trường, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và hỗ trợ phát triển mạnh và bền vững KT - XH của TP. Trong đó, mục tiêu cụ thể như sau: + Xây dựng được CSDL về PXMT của TP.

HCM phù hợp với và các điều kiện cụ thể của TP. + Thành lập các bản đồ chuyên đề phông PXM 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. + Đối tượng nghiên cứu: suất liều gamma môi trường, hoạt độ các ĐVPX tự nhiên và nhân tạo chính trong không khí, rơi lắng, đất bề mặt, nước mặt, nước ngầm và thực vật + Phạm vi nghiên cứu: 19 quận và 5 huyện của TP. HCM với tổng diện tích 2.4 Nội dung nghiên cứu.

- Cơ sở lý thuyết và tổng quan tư liệu lĩnh vực nghiên cứu - Xây dựng được CSDL về PXMT của TP. HCM phù hợp với và các điều kiện cụ thể của TP. - Thành lập các bản đồ chuyên đề phông PXMT 1.5 Phương pháp nghiên cứu. Phương pháp khảo sát thực địa.

Thu thập, phân tích và tổng hợp các nghiên cứu có liên quan đến xây dựng CSDL PXMT nhằm phân tích những nội dung cần thiết của một CSDL PXMT. Phương pháp kế thừa số liệu. Phối hợp với Viện NCHN thu thập dữ liệu và xử lý liệu thứ cấp về các kết quả điều tra, khảo sát, quan trắc PXMT hiện có trên địa bàn TP.HCM phục vụ cho việc xây dựng CSDL theo mô hình CSDL My SQL. Trong đó, tác giả đã sử dụng GPS thu thập vị trí (tọa độ) của các điểm lấy mẫu.

Phương pháp bản đồ. Phương pháp bản đồ - GIS được sử dụng để xây dựng bản đồ phông PXMT, cụ thể là sử dụng phương pháp nội suy bản đồ và phương pháp trực quan hóa bản đồ, sử dụng phần mềm Arcgis 10.6 Ý nghĩa khoa học và phạm vi áp dụng thực tiễn của đề tài. - Ý nghĩa khoa học: Bổ sung và hoàn thiện phương pháp luận xây dựng CSDL trên địa bàn cụ thể. - Ý nghĩa và khả năng áp dụng thực tiễn: Cung cấp CSDL và bản đồ phông PXMT, giúp cho các nhà chuyên môn có cái nhìn tổng quát về PXMT của TP.HCM, hỗ trợ ra quyết định.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TỔNG QUAN TƯ LIỆU 2.1 Phóng xạ  Sự phóng xạ Hiện tượng phóng xạ là hiện tượng một hạt nhân không bền tự động phân rã phóng ra những bức xạ gọi là tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác. Đây là một quá trình biến đổi hạt nhân mang tính tự phát, ngẫu nhiên và không điều khiển được. Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương (hạt alpha, hạt proton), mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta), không mang điện (hạt nơtron, tia gamma. Các tia phóng xạ không nhìn thấy được nhưng có những tác dụng lý hóa như là ion hóa không khí, làm phát quang một số chất, gây ra ra phản ứng quang hóa… Dưới tác dụng của điện trường, tia phóng xạ được chia làm 3 loại tia chính là tia alpha (ký hiệu là α), tia beta (kí hiệu là β), tia gamma (kí hiệu là γ): + Tia α thực chất hạt nhân của nguyên tử Heli.

Trong không khí, tia α chuyển động với vận tốc khoảng 107 m/s. Tia này có thể đi được vài cm trong không khí, vài μm trong vật rắn, và không xuyên qua được tấm bìa dày 1 mm. + Tia β (gồm β+ và β–) là các hạt phóng xạ với tốc độ lớn (xấp xỉ tốc độ ánh sáng), cũng làm ion hóa không khí nhưng yếu hơn tia α. Tia β có thể đi được vài mét trong không khí và vài mm trong kim loại.

+ Tia γ là sóng điện từ có bước sóng rất ngắn, cũng là hạt photôn có năng lượng cao, thường đi kèm trong cách phóng xạ β+ và β–. Tia γ có khả năng xuyên thấu lớn hơn nhiều so với tia α và β. Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ (ĐVPX). Các nguyên tử không có tính phóng xạ gọi là các đồng vị bền.

ĐVPX là đồng vị mà các hạt nhân của nó có thể phóng ra các hạt của tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân nguyên tử của nguyên tố khác. Các ĐVPX của một nguyên tố hóa học có cùng tính chất hóa học như đồng vị bền của nguyên tố đó. Có 2 loại ĐVPX: + ĐVPX tự nhiên: thường có sẳn trong tự nhiên 5 + ĐVPX nhân tạo: thường thuộc phân rã β và γ.2 Phông phóng xạ Nguồn phóng xạ hay còn gọi là phông phóng xạ, bao gồm phông phóng xạ tự nhiên và phong phóng xạ nhân tạo. Trong môi trường luôn hiện diện các ĐVPX tự nhiên và nhân tạo.

Phông phóng xạ tự nhiên là những bức xạ có nguồn gốc tự nhiên như bức xạ từ vũ trụ, từ các hạt nhân phóng xạ tự nhiên có trong đất đá, không khí, nước, cơ thể con người và sinh vật, vật liệu … Các ĐVPX tự nhiên có nguồn gốc từ vũ trụ và từ vỏ Trái đất, mà chủ yếu là 3H, 7Be, 40K, các đồng vị thuộc chuỗi 232Th, 235U và 238U. Ngoài ra, phông các ĐVPX tự nhiên cũng có thể bị tăng cao do các công nghệ phi hạt nhân như thăm dò, khai thác dầu khí, sản xuất và sử dụng phân bón phốt phát, sản xuất nhiệt điện dùng than, vận chuyển các ĐVPX tự nhiên bởi các dòng sông chảy qua các vùng mỏ khai thác… Nguồn phóng xạ nhân tạo do con người chế tạo ra bằng cách chiếu các chất trong lò phản ứng hạt nhân hay các máy gia tốc. Các ĐVPX nhân tạo xuất hiện do các vụ thử vũ khí hạt nhân, đặc biệt là các vụ thử trong khí quyển và thủy quyển; chôn cất thải phóng xạ dưới đáy đại dương; các sự cố hạt nhân và phóng thích thông lệ mức thấp có kiểm soát của các cơ sở hạt nhân, đặc biệt là của các nhà máy ĐHN và các cơ sở xử lý lại nhiên liệu.3 Các đơn vị phóng xạ tự nhiên. Các ĐVPX có nguồn gốc tự nhiên là những bức xạ đến từ vũ trụ và từ vỏ trái đất.

Các ĐVPX có nguồn gốc từ vũ trụ chủ yếu là từ ngoài hệ mặt trời. Đó có thể là chùm hạt photon năng lượng cao, hạt muon, hay chùm hạt nặng mang điện. Các bức xạ này tương tác với các hạt nhân nitơ và oxy trong tầng cao của khí quyển và tạo ra các hạt nhân phóng xạ như 3H, 7Be, 14C, 22Na… Các hạt nhân này được vận chuyển đến bề mặt trái đất, xâm nhập vào hệ sinh thái và địa chất.