Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam sở hữu địa hình đồi núi chiếm tới 75% diện tích tự nhiên cùng lượng mưa trung bình nhiều năm đạt khoảng 1.940 mm/năm. Tuy nhiên, do tính chất phân bố không đồng đều theo không gian và thời gian, nguy cơ suy giảm nguồn nước ngọt và suy thoái các lưu vực sông đang gia tăng nghiêm trọng. Tại tỉnh Quảng Ninh, một trong bảy địa phương thuộc Vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ với tốc độ tăng trưởng kinh tế trung bình đạt khoảng 12%/năm, áp lực từ quá trình công nghiệp hóa, đô thị hóa và khai thác than đã tạo ra những tác động rõ rệt lên môi trường nước. Sự thu hẹp diện tích mặt nước tự nhiên và nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mặt đang đe dọa trực tiếp đến mục tiêu phát triển bền vững của tỉnh, đặc biệt là khu vực bảo tồn di sản vịnh Hạ Long.

Đề tài tập trung nghiên cứu sự thay đổi diện tích mặt nước quy mô lớn trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh thông qua việc ứng dụng công nghệ địa không gian hiện đại. Mục tiêu cụ thể là xây dựng bộ bản đồ hiện trạng diện tích mặt nước qua 6 mốc thời gian gồm các năm 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 và 2015, từ đó đánh giá quy luật biến động trong suốt 25 năm. Trên cơ sở đó, nghiên cứu tiến hành dự báo xu thế biến động diện tích mặt nước giai đoạn 2015 - 2025 và đề xuất các giải pháp kỹ thuật, quản lý và xã hội nhằm nâng cao hiệu quả bảo vệ tài nguyên nước.

Phạm vi nghiên cứu bao quát toàn bộ tỉnh Quảng Ninh, tập trung vào các thủy vực có diện tích bề mặt lớn trên 50 km2 và hệ thống sông ngòi có mật độ dòng chảy từ 1,0 đến 1,9 km/km2. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi cung cấp hệ số định lượng chính xác về sự dịch chuyển lớp phủ mặt nước, hỗ trợ các nhà quản lý nâng cao hiệu quả giám sát không gian lên trên 35% so với phương pháp thủ công và giảm thiểu rủi ro suy thoái sinh thái lưu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết bức xạ điện từ và nguyên lý cảm biến quang học viễn thám. Theo các định luật bức xạ vật lý kinh điển của Planck, Wien, Stefan-Boltzmann và hệ phương trình Maxwell, mỗi đối tượng trên bề mặt Trái Đất đều có đặc trưng phản xạ và phát xạ năng lượng sóng điện từ riêng biệt theo từng bước sóng. Nước có đặc tính hấp thụ mạnh bức xạ ở dải sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại trung nhưng phản xạ tốt hơn ở dải ánh sáng nhìn thấy, tạo nên cơ sở khoa học vững chắc để nhận dạng và tách chiết mặt nước khỏi các lớp phủ khác.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng lý thuyết phân tích không gian trong Hệ thống thông tin địa lý (GIS) theo định nghĩa hệ thống của Burrough và Aronoff. Khung lý thuyết này tích hợp đồng bộ 5 hợp phần: phần cứng, phần mềm, dữ liệu không gian, con người và quy trình xử lý. Các khái niệm học thuật cốt lõi được triển khai xuyên suốt bao gồm: Viễn thám đa phổ (Multispectral Remote Sensing), Khóa giải đoán ảnh (Interpretation Keys), Phân loại có kiểm định (Supervised Classification) và Chồng xếp lớp dữ liệu không gian (Spatial Overlay Analysis).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thứ cấp được thu thập từ Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh, Niên giám thống kê và các báo cáo hiện trạng môi trường địa phương. Dữ liệu viễn thám sơ cấp bao gồm chuỗi ảnh vệ tinh Landsat 5 (bộ cảm TM) và Landsat 8 (bộ cảm OLI/TIRS) đa thời gian với độ phân giải không gian 30 m, được thu nhận vào các năm 1990, 1995, 2000, 2005, 2010 và 2015.

Quy mô mẫu nghiên cứu bao gồm 6 cảnh ảnh Landsat đại diện bao phủ toàn bộ diện tích tự nhiên hơn 6.100 km2 của tỉnh Quảng Ninh. Phương pháp chọn mẫu điểm kiểm định được thực hiện bằng cách rải đều các điểm khống chế mặt đất (GCP) trên toàn vùng nghiên cứu và thiết lập các vùng mẫu huấn luyện (Training Areas) đại diện cho 5 trạng thái mặt phủ chính: mặt nước, đất trống, bãi bùn cát ngập triều, đường đê và khu dân cư.

Lý do lựa chọn phương pháp phân loại có kiểm định theo thuật toán Maximum Likelihood trên phần mềm ENVI kết hợp công cụ Image Analysis trên ArcGIS 10 là vì khả năng tính toán xác suất thống kê tối ưu của hàm mật độ xác suất Gauss, giúp hạn chế tối đa hiện tượng nhầm lẫn giữa bóng địa hình vùng núi cánh cung Đông Triều với mặt nước sâu. Quy trình xử lý trải qua các bước nghiêm ngặt: hiệu chỉnh bức xạ và khí quyển, nắn chỉnh hình học chuyển đổi tọa độ theo thuật toán láng giềng gần nhất (Nearest Neighbor) với sai số dưới 1 pixel, tăng cường độ tương phản và thực hiện phương pháp PanSharpened nâng cao độ chi tiết. Timeline thực nghiệm được tiến hành liên tục từ tháng 12/2016 đến tháng 5/2017 kết hợp khảo sát thực địa để hiệu chỉnh độ chính xác đạt trên 85%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, qua phân tích chuỗi bản đồ giải đoán từ năm 1990 đến năm 2015, tổng diện tích mặt nước tại tỉnh Quảng Ninh có sự biến động phức tạp qua từng chu kỳ 5 năm. Giai đoạn 1990 - 2000 ghi nhận sự suy giảm cục bộ khoảng 8,5% diện tích mặt nước tự nhiên tại các vùng cửa sông và thung lũng hẹp do hoạt động bồi lắng đất đá thải từ các mỏ khai thác than lộ thiên và san lấp mặt bằng.

Thứ hai, trong giai đoạn 2000 - 2010, diện tích mặt nước nhân tạo có xu hướng gia tăng khoảng 14,2% nhờ việc mở rộng quy mô các hồ chứa thủy lợi trữ nước ngọt và sự phát triển mạnh mẽ của diện tích đầm nuôi trồng thủy sản nước lợ tại các huyện Tiên Yên, Đầm Hà, Hải Hà và thị xã Quảng Yên.

Thứ ba, giai đoạn 2010 - 2015 chứng kiến áp lực đô thị hóa mạnh mẽ làm chuyển đổi khoảng 6,3% diện tích ao hồ nội thành và các vùng trũng ngập triều sang đất xây dựng hạ tầng kỹ thuật và khu dân cư tập trung, đặc biệt tại thành phố Hạ Long và Cẩm Phả.

Thứ tư, kết quả dự báo xu thế giai đoạn 2015 - 2025 chỉ ra rằng diện tích mặt nước tự nhiên có nguy cơ tiếp tục suy giảm khoảng 3,8% nếu không có chế tài kiểm soát chặt chẽ các dự án lấn biển và san đồi tại khu vực trung du ven biển.

Thảo luận kết quả

Sự biến động diện tích mặt nước tại Quảng Ninh bắt nguồn từ hai nhóm nguyên nhân chính: yếu tố tự nhiên và tác động nhân sinh. Về mặt tự nhiên, địa hình bị chia cắt mạnh với 60,5% diện tích là đồi núi dốc trên 900 - 1.100 m khiến nước lũ trên các sông đổ dốc ra biển rất nhanh và cạn kiệt nhanh vào mùa khô (chiếm chưa đầy 25% lượng mưa cả năm). Về mặt nhân sinh, tốc độ tăng trưởng kinh tế 12%/năm đã thúc đẩy mạnh mẽ hoạt động chuyển đổi mục đích sử dụng đất.

Khi đối chiếu với các nghiên cứu của các chuyên gia địa lý tại đồng bằng sông Hồng và vùng ven biển Đông Bắc, kết quả nghiên cứu này hoàn toàn tương thích về xu hướng suy giảm diện tích mặt nước ngọt tự nhiên dưới sức ép công nghiệp hóa. Các phát hiện đã cung cấp bằng chứng định lượng thuyết phục về mức độ phân mảnh của hệ thống thủy văn. Toàn bộ dữ liệu biến động đã được trực quan hóa qua hệ thống bảng tính giá trị diện tích chi tiết từ Bảng 4.4 đến Bảng 4.15 cùng chuỗi bản đồ chuyên đề đa thời gian từ Hình 4.11 đến Hình 4.20, tạo nên cơ sở khoa học vững chắc phục vụ công tác quy hoạch tài nguyên nước.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, thiết lập hệ thống giám sát tài nguyên nước tự động bằng công nghệ viễn thám và WebGIS. Mục tiêu đến năm 2020 đạt tỷ lệ 100% các hồ chứa nước có dung tích trên 50 km2 được cập nhật biến động đường bờ và diện tích định kỳ 6 tháng một lần. Đơn vị chủ trì thực hiện là Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh phối hợp cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành.

Thứ hai, triển khai chương trình phục hồi và khoanh nuôi tái sinh rừng phòng hộ đầu nguồn trên diện tích khoảng 2.500 ha tại cánh cung Đông Triều và dãy núi Nam Mẫu. Biện pháp này nhằm gia tăng khả năng giữ nước sinh thủy, hạn chế xói mòn và giảm 40% lượng bùn cát bồi lắng xuống các lòng hồ trong giai đoạn 2018 - 2023, do Chi cục Kiểm lâm tỉnh Quảng Ninh phối hợp với chính quyền các địa phương triển khai.

Thứ ba, thành lập Ban quản lý tích hợp lưu vực nước chuyên trách tại các vùng trọng điểm công nghiệp và du lịch. Ban quản lý có nhiệm vụ kiểm soát 100% nguồn nước thải từ hoạt động khai thác than và các nhà máy nhiệt điện, xi măng trước khi đổ vào các dòng sông chính, áp dụng lộ trình thanh kiểm tra nghiêm ngặt từ năm 2018 đến năm 2022 dưới sự giám sát trực tiếp của Ủy ban nhân dân tỉnh Quảng Ninh.

Thứ tư, đẩy mạnh truyền thông và nâng cao năng lực cộng đồng trong việc sử dụng nước tiết kiệm. Mục tiêu tiếp cận trên 80% hộ dân sinh sống tại các dải đồng bằng ven biển và hải đảo, tuyên truyền không san lấp trái phép ao hồ tự nhiên và ứng dụng kỹ thuật tuần hoàn nước trong nuôi trồng thủy sản, thực hiện liên tục trong suốt giai đoạn 2018 - 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường bao gồm Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Ninh cùng phòng tài nguyên cấp huyện. Nhóm này có thể khai thác bộ cơ sở dữ liệu số và bản đồ phân tích không gian 25 năm để phục vụ công tác lập quy hoạch sử dụng đất, cấp phép khai thác nguồn nước và kiểm soát ranh giới mặt nước bảo vệ.

Nhóm các chuyên gia quy hoạch đô thị, giao thông và công nghiệp. Những dữ liệu về vùng trũng, dòng chảy cổ và biến động đường bờ ven biển là thông tin đầu vào thiết yếu giúp các nhà quy hoạch thiết kế hệ thống tiêu thoát nước đô thị, bố trí hồ điều hòa hợp lý và phòng ngừa ngập úng cục bộ tại các đô thị ven biển như Hạ Long hay Cẩm Phả.

Nhóm các nhà khoa học, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Quản lý tài nguyên, Môi trường, Địa lý học và Lâm nghiệp. Luận văn cung cấp một quy trình thực nghiệm chuẩn hóa về việc xử lý ảnh vệ tinh Landsat 5 và Landsat 8 (từ bước hiệu chỉnh khí quyển, nắn ảnh đến phân loại có kiểm định Maximum Likelihood trên ENVI), làm tài liệu tham khảo có giá trị học thuật cao.

Nhóm các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực khai thác khoáng sản, du lịch sinh thái và nuôi trồng thủy sản ven biển. Nghiên cứu giúp doanh nghiệp nhận diện rõ rủi ro cạn kiệt nguồn nước ngọt phục vụ sản xuất, từ đó xây dựng kế hoạch khai thác nước tuần hoàn và cam kết bảo vệ môi trường sinh thái bền vững.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp viễn thám mang lại ưu thế gì vượt trội so với các phương pháp trắc địa truyền thống trong quan trắc mặt nước? Công nghệ viễn thám cho phép thu nhận dữ liệu khách quan, diện rộng và tức thời trên phạm vi toàn tỉnh Quảng Ninh với chu kỳ lặp lại đều đặn. Phương pháp này giúp tái hiện chính xác chuỗi dữ liệu lịch sử trong suốt 25 năm (1990 - 2015), điều mà việc đo đạc thủ công tại hiện trường không thể thực hiện được do chi phí quá lớn và thiếu hụt dữ liệu quá khứ.

Thuật toán Maximum Likelihood trên phần mềm ENVI hoạt động như thế nào trong phân loại mặt nước? Thuật toán phân loại có kiểm định Maximum Likelihood dựa trên lý thuyết xác suất thống kê để gán từng pixel ảnh vào lớp đối tượng có độ tương đồng cao nhất. Bằng việc xây dựng các vùng mẫu huấn luyện chuẩn hóa cho 5 trạng thái mặt phủ, thuật toán tính toán ma trận phương sai - đồng phương sai để nhận biết chính xác ranh giới nước với độ tin cậy đạt trên 85%.

Tác động lớn nhất của ngành công nghiệp than đến tài nguyên nước mặt Quảng Ninh là gì? Hoạt động khai thác than lộ thiên tạo ra các bãi thải đất đá khổng lồ, khi gặp mưa lớn từ 1.600 đến 2.700 mm/năm sẽ gây xói mòn và bồi lấp các lòng sông, khe suối. Đồng thời, nước thải mỏ có hàm lượng chất rắn lơ lửng và tính axit cao làm suy giảm diện tích mặt nước trong lành tại nhiều thung lũng tự nhiên.

Dự báo biến động diện tích mặt nước giai đoạn 2015 - 2025 đưa ra những cảnh báo gì? Nghiên cứu dự báo diện tích mặt nước tự nhiên có nguy cơ suy giảm thêm khoảng 3,8% do sự gia tăng nhu cầu chuyển đổi đất phục vụ công nghiệp và đô thị ven biển. Điều này đòi hỏi tỉnh phải có giải pháp công trình và phi công trình để giữ vững dung tích trữ của các hồ chứa nước ngọt lớn trên địa bàn.

Tại sao việc kết hợp cả hai phần mềm ENVI và ArcGIS lại đem lại hiệu quả cao nhất? ENVI sở hữu các thuật toán xử lý ảnh số chuyên sâu, trích xuất phổ và phân loại đa phổ với độ chính xác cao từ dữ liệu ảnh thô. Trong khi đó, ArcGIS cung cấp các công cụ phân tích không gian mạnh mẽ như Intersect, Extract by Mask để chồng xếp các lớp dữ liệu và biên tập bản đồ hiện trạng đạt chuẩn trực quan.

Kết luận

Nghiên cứu đã ứng dụng thành công công nghệ địa không gian hiện đại để xây dựng bộ dữ liệu biến động diện tích mặt nước tại tỉnh Quảng Ninh qua 25 năm (1990 - 2015), phản ánh trung thực mối tương quan giữa phát triển kinh tế và biến đổi cảnh quan thủy văn.

Năm kết luận trọng tâm rút ra từ luận văn bao gồm:

  • Thiết lập thành công quy trình công nghệ tích hợp viễn thám Landsat 5, Landsat 8 và GIS để giải đoán 5 trạng thái mặt phủ với độ chính xác trên 85%.
  • Số hóa và thành lập hệ thống bản đồ hiện trạng diện tích mặt nước qua 6 mốc thời gian (1990, 1995, 2000, 2005, 2010, 2015), làm sáng tỏ quy luật dịch chuyển không gian của nguồn nước.
  • Xác định rõ sự suy giảm cục bộ của diện tích mặt nước ngọt tự nhiên dưới tác động của đô thị hóa và hoạt động khai thác than, trong khi diện tích mặt nước nuôi trồng thủy sản có xu hướng mở rộng.
  • Đưa ra mô hình dự báo định lượng về xu thế biến động diện tích mặt nước giai đoạn 2015 - 2025 với mức suy giảm tiềm ẩn khoảng 3,8%.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp đồng bộ kết hợp kỹ thuật viễn thám, bảo vệ rừng sinh thủy và cơ chế quản trị lưu vực liên ngành.

Kế hoạch tiếp theo giai đoạn 2018 - 2025 tập trung vào việc chuyển giao quy trình công nghệ cho các cơ quan quản lý nhà nước tại địa phương và mở rộng ứng dụng ảnh viễn thám độ phân giải siêu cao. Các nhà quản lý và nhà nghiên cứu quan tâm có thể tiếp cận toàn văn luận văn tại Thư viện Đại học Lâm nghiệp Việt Nam để khai thác trọn vẹn bộ cơ sở dữ liệu và phương pháp luận chuyên sâu.