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 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 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) từ 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, sử dụng dữ liệu từ năm 2015 đến tháng 9/2019. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc giám sát môi trường không khí một cách toàn diện, liên tục và hiệu quả, góp phần hỗ trợ công tác quản lý và bảo vệ môi trường tại 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, giúp đánh giá nhanh chất lượng không khí tại các khu vực khác nhau.

  • 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.

  • Mô hình ước tính nhiệt độ bề mặt đất (LST - Land Surface Temperature): Sử dụng dữ liệu kênh hồng ngoại nhiệt của ảnh Landsat kết hợp với chỉ số thực vật để tính toán nhiệt độ bề mặt, phục vụ đánh giá tác động của nhiệt độ đến chất lượng không khí.

Các khái niệm chuyên ngành như viễn thám (Remote Sensing), hệ thống thông tin địa lý (GIS), nội suy không gian cũng được áp dụng để xử lý và phân tích dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu 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 thêm 60 mẫu quan trắc thực hiện 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 xây dựng bản đồ chất lượng không khí 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 khí quyển, nắn chỉnh tọa độ và tổ hợp màu nhằm tăng độ chính xác.
    • Tính toán các chỉ số NDVI, VI, TVI để hỗ trợ xây dựng bản đồ API.
    • Xây dựng bản đồ chất lượng không khí theo chỉ số API dựa trên công thức tính toán từ các chỉ số thực vật và dữ liệu phản xạ phổ.
    • Ước tính nhiệt độ bề mặt đất từ dữ liệu kênh hồng ngoại nhiệt kết hợp với chỉ số thực vật, tính toán phát xạ bề mặt và nhiệt độ sáng.
    • 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 dữ liệu bằng phần mềm GIS và thống kê, sử dụng phương pháp nội suy không gian để mô phỏng phân bố ô nhiễm trên toàn thành phố.

  • Timeline nghiên cứu: Từ năm 2015 đến tháng 9/2019, với các giai đoạn thu thập dữ liệu, xử lý ảnh, phân tích số liệu và xây dựng bản đồ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thực trạng ô nhiễm bụi TSP: Tại 20 điểm quan trắc trên địa bàn thành phố Sơn La, nồng độ bụi lơ lửng tổng số (TSP) trong giai đoạn 2017-2019 có nhiều điểm vượt ngưỡng cho phép (300 µg/m³) từ 1,1 đến 4,8 lần. Điểm có mức ô nhiễm cao nhất là khu vực ngã tư xe khách với giá trị TSP lên đến 1.180 µg/m³ năm 2017, trong khi khu vực đồi Khau Cả có mức thấp nhất, chỉ khoảng 76-237 µg/m³.

  2. Bản đồ phân cấp chất lượng không khí theo API: Sử dụng ảnh Landsat 8, bản đồ API cho thấy các khu vực trung tâm thành phố và các điểm giao thông trọng yếu có mức độ ô nhiễm từ mức ô nhiễm nhẹ đến ô nhiễm vừa phải, trong khi các vùng ngoại ô và khu vực có thảm thực vật dày đặc có chất lượng không khí tốt hơn. Độ tin cậy của bản đồ API từ ảnh viễn thám so với số liệu quan trắc mặt đất đạt mức tương đối cao với sai số trung bình trong khoảng cho phép.

  3. Nhiệt độ bề mặt đất: Giá trị nhiệt độ bề mặt đất ước tính từ ảnh Landsat dao động từ khoảng 20°C đến trên 39°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 thấy thảm thực vật có vai trò làm giảm nhiệt độ bề mặt.

  4. Nguồn gây ô nhiễm: Các nguồn chính gồm giao thông, xây dựng, khai thác khoáng sản và hoạt động công nghiệp tại khu công nghiệp Chiềng Sinh. Mức độ ô nhiễm bụi cao tập trung tại các điểm giao thông và khu vực xây dựng, trong khi các khu công nghiệp hiện còn trong giai đoạn đầu tư nên mức độ ô nhiễm chưa nghiêm trọng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của ô nhiễm bụi tại thành phố Sơn La là do sự gia tăng phương tiện giao thông và các hoạt động xây dựng, khai thác khoáng sản không kiểm soát chặt chẽ. So với các nghiên cứu tại các đô thị lớn như Hà Nội hay TP. Hồ Chí Minh, mức độ ô nhiễm tại Sơn La tuy thấp hơn nhưng vẫn vượt ngưỡng cho phép, gây ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Việc sử dụng công nghệ viễn thám và GIS đã giúp khắc phục hạn chế về số lượng trạm quan trắc mặt đất, cung cấp bản đồ phân bố ô nhiễm không khí có độ phân giải không gian cao và theo thời gian liên tục. Dữ liệu nhiệt độ bề mặt cũng hỗ trợ đánh giá tác động của nhiệt độ đến chất lượng không khí, đồng thời làm cơ sở cho các giải pháp giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Các biểu đồ phân bố TSP và API theo từng năm cho thấy xu hướng biến động và các điểm nóng ô nhiễm, giúp định hướng công tác quản lý môi trường hiệu quả hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát và mở rộng mạng lưới quan trắc: Thiết lập thêm các trạm quan trắc tự động tại các điểm nóng ô nhiễm giao thông và xây dựng, nhằm nâng cao độ chính xác và tần suất thu thập dữ liệu chất lượng không khí. Thời gian thực hiện: trong vòng 1-2 năm; chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Sơn La.

  2. Áp dụng công nghệ viễn thám và GIS thường xuyên: Xây dựng hệ thống giám sát môi trường không khí dựa trên dữ liệu viễn thám kết hợp GIS để theo dõi biến động ô nhiễm theo không gian và thời gian, hỗ trợ cảnh báo sớm và ra quyết định quản lý. Thời gian: triển khai trong 1 năm; chủ thể: Trung tâm Quan trắc tài nguyên và môi trường tỉnh.

  3. Kiểm soát nguồn thải bụi từ giao thông và xây dựng: Ban hành các quy định nghiêm ngặt về quản lý bụi tại các công trình xây dựng, tăng cường kiểm tra, xử phạt các vi phạm; khuyến khích sử dụng phương tiện giao thông thân thiện môi trường. Thời gian: liên tục, ưu tiên trong 3 năm; chủ thể: UBND thành phố Sơn La, các cơ quan quản lý giao thông và xây dựng.

  4. Phát triển và bảo vệ thảm thực vật: Tăng cường trồng cây xanh, phát triển các khu vực rừng đô thị và vùng đệm xanh nhằm giảm nhiệt độ bề mặt và hấp thụ bụi, cải thiện chất lượng không khí. Thời gian: kế hoạch 5 năm; chủ thể: Ban quản lý đô thị, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn.

  5. Nâng cao nhận thức cộng đồng: Tổ chức các chương trình tuyên truyền về tác hại của ô nhiễm không khí và cách phòng tránh, khuyến khích người dân tham gia bảo vệ môi trường. Thời gian: liên tục; chủ thể: các tổ chức xã hội, trường học, chính quyền địa phương.

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 quản lý chất lượng không khí hiệu quả, đặc biệt tại các đô thị vừa và nhỏ như Sơn La.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên chuyên ngành khoa học 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 vào các khu vực khác.

  3. 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 tuân thủ quy định pháp luật.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức xã hội: Nắm bắt thông tin về tình trạng ô nhiễm không khí tại địa phương, từ đó nâng cao ý thức bảo vệ môi trường và tham gia các hoạt động giảm thiểu ô nhiễm.

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 thực. Kết hợp cả hai phương pháp sẽ cho kết quả chính xác và toàn diện hơn.

  2. Chỉ số API được tính toán dựa trên những thông số nào?
    API được tính dựa trên nồng độ các chất ô nhiễm chính như tổng bụi lơ lửng (TSP), CO, SO2, NO2. Trong nghiên cứu này, TSP là thông số chủ đạo do ảnh hưởng lớn đến chất lượng không khí tại Sơn La.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt đến chất lượng không khí như thế nào?
    Nhiệt độ bề mặt cao làm tăng sự phát tán bụi và các chất ô nhiễm, đồng thời góp phần tạo hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, làm giảm khả năng khuếch tán ô nhiễm, gây ô nhiễm không khí nghiêm trọng hơn.

  4. Tại sao cần hiệu chỉnh sai số bản đồ chất lượng không khí từ ảnh viễn thám?
    Sai số có thể phát sinh do ảnh hưởng của mặt nước, hơi nước và thảm thực vật làm thay đổi giá trị phản xạ trên ảnh. Hiệu chỉnh giúp loại bỏ các giá trị không hợp lý, nâng cao độ chính xác của bản đồ.

  5. Giải pháp nào ưu tiên để giảm ô nhiễm bụi tại Sơn La?
    Ưu tiên kiểm soát nguồn thải từ giao thông và xây dựng, đồng thời phát triển cây xanh và mở rộng mạng lưới quan trắc để giám sát hiệu quả. Các biện pháp này có thể giảm đáng kể mức độ ô nhiễm bụi trong thời gian ngắn và dài hạn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã đánh giá thực trạng ô nhiễm không khí tại thành phố Sơn La giai đoạn 2017-2019, xác định nhiều điểm có nồng độ bụi TSP vượt ngưỡng cho phép từ 1,1 đến 4,8 lần.
  • Bản đồ phân cấp chất lượng không khí và nhiệt độ bề mặt đất được xây dựng từ dữ liệu ảnh viễn thám Landsat có độ tin cậy cao, hỗ trợ giám sát môi trường không khí toàn diện.
  • Các nguồn ô nhiễm chính gồm giao thông, xây dựng, khai thác khoáng sản và hoạt động công nghiệp, trong đó giao thông và xây dựng đóng vai trò chủ đạo.
  • Đề xuất các giải pháp cụ thể về giám sát, quản lý nguồn thải, phát triển cây xanh và nâng cao nhận thức cộng đồng nhằm cải thiện chất lượng không khí.
  • Nghiên cứu là cơ sở khoa học quan trọng để phát triển mô hình công nghệ địa không gian giám sát môi trường không khí tại Sơn La trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan chức năng triển khai hệ thống giám sát viễn thám kết hợp GIS, đồng thời thực hiện các giải pháp quản lý ô nhiễm đã đề xuất để bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững thành phố Sơn La.