Tổng quan luận án

Hoạt động khai thác khoáng sản đóng vai trò là nguồn lực quan trọng phục vụ quá trình công nghiệp hóa và phát triển kinh tế tại Việt Nam. Tuy nhiên, hoạt động khai thác và chế biến khoáng sản cũng phát sinh nhiều tác động tiêu cực, phá vỡ thế cân bằng sinh thái tự nhiên, đe dọa trực tiếp đến tính mạng, tài sản của con người và làm gia tăng mức độ ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí. Khu vực Nghệ An - Hà Tĩnh là địa bàn tập trung mật độ cao các hoạt động khai thác khoáng sản với chủng loại đa dạng (đá xây dựng, đá ốp lát, thiếc, sa khoáng titan ven biển). Sự gia tăng về công suất khai thác đi kèm với các dạng tai biến từ khai trường, bãi thải mỏ, khí thải độc hại, bụi, nước thải mỏ, nguy cơ sạt lở sườn tầng, sập đổ đường lò, bục nước ngầm, sụt lún bề mặt và nguy cơ phá vỡ hồ chứa quặng đuôi.

Khoảng trống nghiên cứu được chỉ ra: Tại Việt Nam, công tác nghiên cứu tai biến môi trường mỏ mới được chú trọng trong khoảng 10 năm trở lại đây. Hầu hết các công trình đã thực hiện chỉ dừng lại ở quy mô vùng lãnh thổ tỷ lệ nhỏ, khảo sát hiện trạng định tính hoặc sử dụng phương pháp chuyên gia tổng quát; chưa đi sâu lượng hóa mối quan hệ giữa các dạng tai biến môi trường và các yếu tố phát sinh; thiếu các mô hình dự báo định lượng mức độ tổn thương và thiệt hại rủi ro ở quy mô chi tiết (cấp mỏ, cấp xã/huyện). Các giải pháp phòng ngừa trước đây chủ yếu mang tính định hướng chung, gặp khó khăn khi triển khai thực tế. Do đó, luận án thực hiện nghiên cứu nhận dạng, khoanh vùng nguy cơ và dự báo tai biến môi trường dựa trên sự tích hợp giữa phương pháp thống kê, mô hình số, công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS).

Mục tiêu nghiên cứu

  • Mục tiêu chung: Xác định được các yếu tố nguy cơ và phân tích khả năng xảy ra tai biến, từ đó khoanh vùng nguy cơ xảy ra tai biến môi trường do hoạt động khai thác khoáng sản khu vực Nghệ An - Hà Tĩnh và xây dựng các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu.
  • Mục tiêu cụ thể:
    1. Xác định được các yếu tố nguy cơ gây tai biến môi trường liên quan đến hoạt động khai thác khoáng sản tại khu vực nghiên cứu.
    2. Phân tích các dạng tai biến môi trường có khả năng xảy ra do hoạt động khai thác khoáng sản tại khu vực nghiên cứu.
    3. Khoanh vùng nguy cơ xảy ra tai biến môi trường liên quan đến hoạt động khai thác khoáng sản tại khu vực Nghệ An - Hà Tĩnh.
    4. Nghiên cứu xây dựng các giải pháp phòng ngừa, giảm thiểu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các dạng tai biến môi trường liên quan đến hoạt động khoáng sản:
    • Tai biến địa chất tại khu vực khai thác, chế biến: Sạt lở sườn tầng khai thác, sạt lở bãi thải, sập đường lò, bục nước trong khai thác hầm lò, sự phá vỡ hồ chứa quặng đuôi, hiện tượng sập, lún, sụt bề mặt đất.
    • Chất thải rắn và chất thải nguy hại: Sự tích tụ và phát tán chất thải rắn từ quá trình khai đào, chế biến.
    • Ô nhiễm môi trường và dòng thải mỏ: Sự ô nhiễm môi trường không khí, đất, nước mặt và nước ngầm do bụi, kim loại nặng, phóng xạ, sự hình thành dòng thải axit mỏ và quá trình axit hóa đất, thủy vực.
    • Các sự cố môi trường khác tác động xấu đến hệ sinh thái và sức khỏe con người.
  • Phạm vi không gian: Vùng lãnh thổ hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh, có tọa độ địa lý từ 7°53'50'' đến 20°00' vĩ độ Bắc và từ 103°52' đến 106°30'20'' kinh độ Đông. Trọng tâm nghiên cứu chi tiết đặt tại các vùng mỏ tiêu biểu:
    • Vùng khai thác đá làm vật liệu xây dựng và đá ốp lát.
    • Vùng khai thác khoáng sản kim loại (mỏ thiếc tại huyện Quỳ Hợp, tỉnh Nghệ An).
    • Vùng khai thác sa khoáng ven biển (khu vực Thạch Hà - Cẩm Xuyên, tỉnh Hà Tĩnh).
  • Phạm vi thời gian và dữ liệu: Dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian qua các giai đoạn 1990-1995 (Landsat 5 TM), 2000-2005 (Landsat 7 ETM+), 2015-2017 (Landsat 8 OLI); số liệu thống kê kinh tế - xã hội, địa chất và quan trắc môi trường cập nhật đến giai đoạn 2015-2017.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Nghiên cứu về tai biến và rủi ro môi trường do khai thác khoáng sản trên thế giới được đẩy mạnh sau Thập kỷ Quốc tế về Giảm thiểu Thiên tai (1990). Nhiều chương trình toàn cầu đã được triển khai như: Dự án hợp tác giữa UNESCO và Liên đoàn Địa chất Quốc tế (IUGS) về đánh giá tác động môi trường và sức khỏe tại Châu Phi; Chương trình Giảm thiểu thiệt hại sau khai thác mỏ tại Mỹ và Nhật Bản; Dự án giảm thiểu nguy cơ tai biến (2004-2012) của Ngân hàng Thế giới (WB); Chương trình của Quỹ Môi trường Toàn cầu (GEF).

Về mặt chiến lược quản lý quốc gia:

  • Tại Mỹ: Năm 2000, chính phủ ban hành "Chiến lược quốc gia 10 năm giảm nhẹ tai biến địa chất". Cục Địa chất Mỹ (USGS) xây dựng 4 dạng bản đồ tiêu chuẩn: bản đồ thống kê trượt lở, bản đồ nhạy cảm trượt lở, bản đồ nguy cơ tai biến và bản đồ đánh giá rủi ro.
  • Tại Trung Quốc: Xây dựng Atlas phòng ngừa tai biến địa chất (1989-1990); Viện Điều tra cơ bản về Địa chất thủy văn - Địa chất công trình thành lập bản đồ phân loại, phân bố và phân vùng tai biến toàn quốc (1992). Hiện nay chuyển sang tích hợp GIS, viễn thám và hệ thống quan trắc tự động.
  • Tại Nga: Tập trung phân tích mối quan hệ giữa tai biến địa chất với chuyển động hiện đại vỏ Trái đất và các đứt gãy hoạt động, phục vụ quy hoạch vùng thủ đô Moscow, khu liên hợp Olympic Sochi và vùng băng vĩnh cửu.
  • Tại Hàn Quốc: Đề án nghiên cứu trượt lở liên quốc gia (2003-2005) thuộc CCOP do Viện Địa chất và Tài nguyên Hàn Quốc (KIGAM) tài trợ, áp dụng GIS và viễn thám.

Về phương pháp luận và mô hình tính toán:

  • Giai đoạn trước 1990: Chủ yếu kiểm kê, phân loại và đo vẽ địa mạo trực tiếp (Nemcok và nnk, 1972 lập bản đồ kiểm kê trượt đất 1:1.000 tại Tiệp Khắc; Hatano và nnk, 1974 lập bản đồ địa mạo 1:200.000 vùng Sendai, Nhật Bản; Conway, 1980 lập bản đồ phân bố trượt lở 1:50.000 vùng mỏ than phía nam Xứ Wales; Sorriso-Valvo, 1984 lập bản đồ tai biến vùng Calabria, Italy tỷ lệ 1:400; Kienholz, 1978; Rupke, 1988; Seijmonsbergen, 1992).
  • Giai đoạn sau 1990 đến nay: Ứng dụng công nghệ địa không gian, thống kê không gian và học máy:
    • Phân tích ảnh viễn thám đa thời gian: Barredo (2000), Van Westen (2000).
    • Phân tích địa mạo lịch sử và tiến hóa địa hình: Pair và Kappel (2002) tại thung lũng Tully; Cardinali và nnk (2002) tại vùng Umbria (Italy) giai đoạn 1941-1999.
    • Phân tích đa tiêu chí không gian (SMCA/AHP): Ayalew (2005), Castellanos và Van Westen (2007).
    • Phương pháp toán logic mờ và toán thống kê: Ercanoglu và Gokceoglu (2001); Chung và Fabbri (2001); Lan và nnk (2004) tại lưu vực sông Xiaojiang; Christos Chalkias và nnk (2014) tính chỉ số nhạy cảm trượt lở (LSI) tại bán đảo Peloponnese (Hy Lạp); Schuster (1996) đề xuất tối thiểu 20 nhân tố môi trường.
    • Các mô hình mô phỏng số và địa kỹ thuật: SINMAP, CHASM, SLOPE/W, CTRAN/W (GEO-Slope, 2018), GALENA (Kumar và Sanoujam, 2006), CLARA-W (Gilson, 2008), Lý thuyết khối (Block Theory).

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Các đề tài cấp quốc gia và vùng lãnh thổ: Đề tài "Nghiên cứu đánh giá tổng hợp các loại hình tai biến địa chất trên lãnh thổ Việt Nam" của Trần Trọng Huệ (2004) ở tỷ lệ 1:1.000.000; Đề án Chính phủ "Điều tra, đánh giá và phân vùng cảnh báo nguy cơ trượt lở đất đá các vùng miền núi Việt Nam" (2012-2022) ứng dụng phương pháp AHP và chồng chập chỉ số (Index Overlay).
  • Các nghiên cứu địa hóa và ô nhiễm môi trường khoáng sản: Đánh giá ô nhiễm bụi, kim loại nặng, phóng xạ và axit hóa nguồn nước mặt, nước ngầm quanh các khu mỏ.
  • Các nghiên cứu mô hình hóa định lượng và trí tuệ nhân tạo: Ứng dụng thống kê Bayes (WoE) của QuocPhi Nguyen và HoangBac Bui (2008) tại Quỳ Hợp và Tương Dương; các nghiên cứu sử dụng thuật toán học máy (Machine Learning), khai phá dữ liệu (Decision Tree, ANN, SVM, Apriori) và các thuật toán tối ưu bầy đàn phỏng sinh học (PSO, ABC, Firefly, Differential Evolution).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trong nước trước đây chủ yếu thực hiện ở tỷ lệ bản đồ nhỏ (1:1.000.000 đến 1:100.000), chủ yếu phục vụ quy hoạch vĩ mô, chưa đáp ứng được yêu cầu quản lý an toàn môi trường chi tiết tại các khu vực mỏ cấp xã, huyện. Phương pháp đánh giá phần lớn dựa trên ý kiến chuyên gia định tính, thiếu sự kết hợp đồng bộ giữa các mô hình toán thống kê (WoE, CF, LR), mô hình trí tuệ nhân tạo (ANN), mô hình đa tiêu chí (AHP) và mô hình số phần tử hữu hạn (CTRAN/W) trên cơ sở dữ liệu ảnh viễn thám đa thời gian. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách thiết lập quy trình định lượng hóa nguy cơ tai biến, mô phỏng quá trình lan truyền ô nhiễm và đề xuất hệ thống giải pháp giảm thiểu mang tính khả thi cao cho khu vực Nghệ An - Hà Tĩnh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và tiêu chuẩn áp dụng

Luận án dựa trên hệ thống khái niệm chuẩn mực về hoạt động khoáng sản và môi trường:

  • Tai biến môi trường: Biểu hiện về điều kiện, hiện tượng hoặc quá trình xuất hiện trong tự nhiên hoặc xã hội, có tiềm năng gây hại cho sức khỏe, tính mạng con người, tài sản, hoặc phá vỡ tính ổn định của hệ thống môi trường tự nhiên và nhân sinh.
  • Tai biến môi trường trong hoạt động khoáng sản: Các dạng tai biến xuất hiện và diễn biến liên quan trực tiếp đến công tác thăm dò, khai thác và chế biến khoáng sản.
  • Phân loại tai biến mỏ: Chia thành 3 nhóm chính: Tai biến vật lý (sạt lở, sụt lún, vỡ hồ thải, lũ bùn đá); Tai biến hóa học (phát tán bụi, khí độc, hòa tan rửa lũa kim loại nặng như Hg, As, Sb, quặng sunfua, dòng thải axit); Tai biến sinh thái (phá hủy thảm thực vật, suy giảm quang hợp cây trồng, suy thoái sinh sản động vật, chiếm dụng đất nông - lâm nghiệp).

Hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật quốc gia áp dụng:

  • Luật Bảo vệ Môi trường 2014 và Luật Khoáng sản.
  • Tiêu chuẩn phân cấp ô nhiễm:
    • Môi trường không ô nhiễm: Thông số nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn chất lượng môi trường (TCCLMT).
    • Môi trường ô nhiễm: Có từ 1 thông số vượt TCCLMT.
    • Môi trường ô nhiễm nghiêm trọng: Hàm lượng của 1 hoặc nhiều hóa chất, kim loại nặng vượt TCCLMT từ 3 lần trở lên, hoặc các chất ô nhiễm khác vượt từ 5 lần trở lên.
    • Môi trường ô nhiễm đặc biệt nghiêm trọng: Hàm lượng hóa chất, kim loại nặng vượt TCCLMT từ 5 lần trở lên, hoặc chất khác vượt từ 10 lần trở lên.
  • Quy chuẩn so sánh: QCVN 08-MT:2015/BTNMT (nước mặt), QCVN 09-MT:2015/BTNMT (nước ngầm), QCVN 40-2011/BTNMT (nước thải công nghiệp), QCVN 03-MT:2015/BTNMT (đất và chất thải rắn), QCVN 05:2013/BTNMT và QCVN 26:2010/BTNMT (chất lượng không khí xung quanh và tiếng ồn).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng tổ hợp các phương pháp nghiên cứu liên ngành:

Tổ hợp phương pháp nghiên cứu của luận án:
  1. Phương pháp thu thập, xử lý và tổng hợp tài liệu: Thu thập bản đồ địa chất, khoáng sản, điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn, địa mạo, vỏ phong hóa, số liệu thăm dò trữ lượng, khí tượng thủy văn và hiện trạng kinh tế - xã hội.
  2. Phương pháp khảo sát địa chất môi trường: Khảo sát lộ trình tổng quan trên toàn diện tích và lộ trình chi tiết tại các mỏ đại diện; quan trắc định kỳ môi trường không khí, đất, nước; lấy mẫu thực vật, bùn thải. Trang thiết bị sử dụng: máy định vị cầm tay GPS 12; thiết bị DSTOX-ST-PPC, GrayWolf (USA); máy lấy mẫu không khí BD Portable air sampling pump 5959P (USA); máy tích phân Extech 407780 (Đài Loan); thiết bị NL-04; máy đo Extech 45160; thiết bị đo TESTO 615.
  3. Phương pháp phân tích ảnh viễn thám kết hợp GIS: Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian gồm Landsat 5 TM (1990-1995), Landsat 7 ETM+ (2000-2005) và Landsat 8 OLI (2015-2017) với cảnh ảnh 126/47 và 127/47 (độ phủ mây <10%). Nắn chỉnh hình học sai số <1 pixel. Phân loại lớp phủ bằng phương pháp Phân loại xác suất cực đại (Maximum Likelihood Classification - MLC) kết hợp phương pháp Ánh xạ góc phổ (Spectral Angle Mapper - SAM), kiểm soát sai lệch so sánh dưới 10%.
  4. Phương pháp nghiên cứu địa động lực: Đánh giá tương tác giữa điều kiện thủy văn, đứt gãy kiến tạo và tính chất cơ lý đất đá, quặng nhằm xác định nguy cơ biến dạng khối.
  5. Phương pháp mô hình hóa môi trường và phân vùng nguy cơ:
    • Mô hình thống kê Bayes (WoE): Xác định xác suất tiên nghiệm $P{D} = \frac{N{D}}{N{T}}$. Tính toán tỷ trọng thông tin dương $W^+$, tỷ trọng thông tin âm $W^-$ và độ tương phản $C = W^+ - W^-$: $$W^+ = \ln \frac{P{B/D}}{P{B/\bar{D}}}, \quad W^- = \ln \frac{P{\bar{B}/D}}{P{\bar{B}/\bar{D}}}$$ Kiểm tra tính độc lập có điều kiện giữa các cặp lớp thông tin bằng đại lượng thống kê $\chi^2$. Bản đồ dự báo được tích hợp qua tổng trọng số: $C_T = \sum C_i$.
    • Mô hình Hồi quy logic (LR): Thiết lập hàm xác suất: $$P = \frac{1}{1 + e^{-Z}}, \quad \text{với } Z = \beta_0 + \beta_1 X_1 + \beta_2 X_2 + \dots + \beta_n X_n$$ Đánh giá mức độ ảnh hưởng thông qua tỷ số khả năng xảy ra biến cố (Odds Ratio): $\text{Odds} = \frac{P}{1 - P}$.
    • Mô hình Mạng Nơ-ron nhân tạo (ANN): Cấu trúc mạng đa lớp (lớp nhập, lớp ẩn, lớp xuất) có bổ sung nút phân vị (bias). Huấn luyện bằng thuật toán lan truyền ngược (Backpropagation) với các hàm kích hoạt (Threshold, Piecewise linear, Sigmoid $f(u) = \frac{1}{1 + e^{-au}}$, Hyperbolic tangent $f(u) = \tanh(u)$).
    • Phương pháp Hệ số tin cậy (CF): Hàm xác suất ước lượng sự tin cậy dựa trên dữ liệu thống kê tai biến.
    • Phương pháp Đánh giá đa chỉ tiêu (AHP/MCDA của Thomas Saaty): Đánh giá nguy cơ lũ bùn đá do vỡ hồ chứa quặng đuôi. Thiết lập ma trận so sánh cặp với thang điểm từ 1 đến 9:
Điểm đánh giá Đặc điểm so sánh cặp đôi các yếu tố theo Saaty
1 Hai yếu tố có tầm quan trọng như nhau
3 Yếu tố này quan trọng ít hơn so với yếu tố kia
5 Yếu tố này quan trọng nhiều hơn
7 Yếu tố này quan trọng hơn rất nhiều
9 Yếu tố này đặc biệt quan trọng hơn
2, 4, 6, 8 Mức độ đánh giá trung gian

Kiểm tra tính nhất quán thông qua tỷ số nhất quán $CR = \frac{CI}{RI}$ (yêu cầu $CR < 0,1$), trong đó $CI = \frac{\lambda_{\max} - n}{n - 1}$ và $RI$ là chỉ số ngẫu nhiên chuẩn hóa theo bậc ma trận $n$:

Bậc ma trận ($n$) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Giá trị $RI$ 0 0 0,58 0,90 1,12 1,24 1,32 1,41 1,45 1,49
  • Mô hình phần tử hữu hạn CTRAN/W (GEO-Slope): Mô phỏng động học quá trình di chuyển và phát tán các chất gây ô nhiễm từ bãi thải mỏ vào môi trường nước ngầm và nước mặt.
  1. Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo chuyên đề, lấy ý kiến chuyên gia trong các lĩnh vực địa chất, địa hóa, khai thác mỏ và kỹ thuật môi trường.

Nội dung chính theo từng chương

Luận án có dung lượng 143 trang, bao gồm 36 bảng số liệu, 66 hình vẽ đồ thị và bản đồ, 85 tài liệu tham khảo cùng hệ thống phụ lục.

Mở đầu (06 trang)

Trình bày tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu về tai biến môi trường mỏ tại Nghệ An - Hà Tĩnh. Xác định mục tiêu tổng quát và 4 mục tiêu cụ thể; làm rõ đối tượng nghiên cứu (tai biến vật lý, hóa học, ô nhiễm mỏ) và phạm vi nghiên cứu (không gian Nghệ An - Hà Tĩnh, tập trung vào Quỳ Hợp và Thạch Hà - Cẩm Xuyên; dữ liệu Landsat đa thời kỳ). Nêu rõ ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn và 4 điểm mới của luận án.

Chương 1. Tổng quan về tai biến môi trường trong hoạt động khai thác khoáng sản và hiện trạng môi trường khu vực nghiên cứu (30 trang)

Chương này tập hợp cơ sở lý luận, tiêu chuẩn quy chuẩn và các điều kiện tự nhiên - kinh tế - xã hội của vùng nghiên cứu:

  • Cơ sở lý luận: Hệ thống hóa các khái niệm tai biến môi trường mỏ, quặng đuôi, đứt gãy và các quy chuẩn môi trường hiện hành (QCVN 08-MT, 09-MT, 40, 03-MT, 05, 26).
  • Tổng quan nghiên cứu: Phân tích thành tựu nghiên cứu quốc tế và Việt Nam. Đánh giá tính phù hợp của các hệ phương pháp phân tích tai biến theo tỷ lệ bản đồ:
Hệ phương pháp Tỷ lệ nhỏ (< 1:100.000) Tỷ lệ trung bình (1:25.000 - 1:100.000) Tỷ lệ lớn (> 1:10.000)
Đo vẽ trực tiếp Không tốt Tốt Tốt
Phương pháp kinh nghiệm (AHP) Tốt Tốt Trung bình
Phương pháp phân tích chỉ số Trung bình Tốt Tốt
Phương pháp thống kê (WoE, LR, ANN) Không tốt Tốt Tốt
Phương pháp địa kỹ thuật số (CTRAN/W) Không tốt Trung bình Tốt
  • Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu:
    • Địa hình đồi núi chiếm trên 80% diện tích, phân cắt mạnh từ Tây sang Đông với 4 dạng địa hình chính: Núi trung bình uốn nếp khối nâng lên mạnh; Núi thấp uốn nếp nâng lên yếu; Thung lũng kiến tạo - xâm thực; Đồng bằng ven biển (độ cao trung bình ~3m).
    • Khí hậu nhiệt đới gió mùa: chịu tác động của gió mùa Tây Nam khô nóng (tháng 4 đến tháng 8) và gió mùa Đông Bắc lạnh ẩm (tháng 11 đến tháng 3 năm sau). Lượng mưa trung bình năm lớn, phần lớn trên 2000 mm, một số khu vực trên 3000 mm.
    • Thủy văn: Mạng lưới sông suối dày đặc. Tỉnh Nghệ An có tổng chiều dài sông suối là 10.005 km, mật độ trung bình đạt 10,05 km/km². Sông lớn nhất là sông Cả (sông Lam) dài 532 km (đoạn chảy qua Nghệ An dài 361 km), diện tích lưu vực 27.200 km² (phần thuộc Nghệ An là 17.730 km²), tổng lượng nước mặt hàng năm đạt khoảng $28 \times 10^9\text{ m}^3$.
  • Bối cảnh kinh tế - xã hội (năm 2015):
    • Tỉnh Nghệ An: Tốc độ tăng trưởng tổng sản phẩm (GRDP) ước tăng 7,43%; sản lượng lương thực đạt trên 1,2 triệu tấn; sản lượng thịt hơi xuất chuồng đạt 212.000 tấn; sản lượng thủy sản đạt 154,99 ngàn tấn; giá trị sản xuất công nghiệp - xây dựng tăng 12,2% (riêng công nghiệp tăng 14,05%); có 933 trường học đạt chuẩn quốc gia (tỷ lệ 61,38%).
  • Các yếu tố phát sinh tai biến: Tổng hợp 5 nhóm yếu tố phát sinh tai biến gồm: yếu tố địa chất - kiến tạo (đá gốc nứt nẻ, phong hóa mạnh); yếu tố địa hình - địa mạo (độ dốc lớn, năng lượng địa hình cao); yếu tố khí tượng - thủy văn (mưa lớn tập trung); yếu tố thảm thực vật (bị suy giảm do bóc phủ); yếu tố nhân sinh (cắt tầng tạo bờ dốc moong, nổ mìn chấn động, bãi thải lớn, hạ thấp mực nước ngầm).

Chương 2. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu (20 trang)

Trình bày chi tiết cơ sở toán học và quy trình thực hiện của các phương pháp:

  • Quy trình phân loại ảnh viễn thám Landsat 5, 7, 8 bằng giải thuật xác suất cực đại MLC và SAM, nắn chỉnh sai số < 1 pixel để trích xuất biến động diện tích khai thác.
  • Xây dựng thuật toán tính toán trọng số theo mô hình thống kê Bayes (WoE), kiểm định tính độc lập có điều kiện $\chi^2$.
  • Thiết lập phương trình hồi quy logic đa biến, tính toán Odds Ratio cho các yếu tố môi trường.
  • Xây dựng kiến trúc mạng nơ-ron nhân tạo ANN 3 lớp, thuật toán lan truyền ngược Backpropagation để dự báo trượt lở tại Quỳ Hợp.
  • Ứng dụng quy trình phân tích thứ bậc AHP của Saaty, thiết lập ma trận so sánh cặp và kiểm tra hệ số $CR$ đánh giá nguy cơ lũ bùn đá do vỡ hồ quặng đuôi.
  • Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn CTRAN/W để mô phỏng sự dịch chuyển chất ô nhiễm qua các lớp địa chất.

Chương 3. Kết quả và thảo luận (84 trang)

Trình bày toàn bộ kết quả phân tích định lượng, mô phỏng và khoanh vùng:

  • Xây dựng cơ sở dữ liệu môi trường: Tích hợp dữ liệu địa chất, khoáng sản, thủy văn, hiện trạng mỏ và kết quả phân tích mẫu môi trường tại Nghệ An và Hà Tĩnh.
  • Phát hiện biến động diện tích khai thác: Kết quả phân loại ảnh Landsat đa thời kỳ (1990-2017) xác định chính xác các diện tích biến động lớp phủ và bóc tách các điểm khai thác khoáng sản trái phép chưa có trong thống kê quản lý nhà nước.
  • Đánh giá 4 dạng nguy cơ tai biến môi trường chính:
    1. Khả năng phát tán khói bụi trong không khí: Xác định phạm vi ảnh hưởng từ các khu vực nổ mìn, nghiền sàng đá và bốc xúc vận chuyển.
    2. Khả năng phát tán chất ô nhiễm theo mạng lưới sông suối: Lượng hóa mức độ lan truyền kim loại nặng, bùn thải và axit hóa nguồn nước mặt.
    3. Nguy cơ xảy ra trượt lở tại sườn tầng khai thác và bãi thải: Kết quả tích hợp từ các mô hình WoE, CF, LR và ANN chỉ ra các diện tích có độ nhạy cảm trượt lở cao tại Quỳ Hợp và vùng khai thác đá.
    4. Nguy cơ lũ bùn đá khi xảy ra sự cố vỡ hồ chứa quặng đuôi và bãi thải: Đánh giá bằng phương pháp AHP/MCDA kết hợp mô phỏng CTRAN/W, xác định vùng hạ du bị đe dọa trực tiếp.
  • Đề xuất 03 nhóm giải pháp giảm thiểu:
    • Nhóm giải pháp công trình: Gia cố bờ tầng khai thác, xây dựng hệ thống đê bao, đập lắng hồ chứa quặng đuôi kiên cố, kênh thoát nước giảm áp lực thủy tĩnh cho bãi thải, hệ thống xử lý nước thải mỏ và dòng thải axit.
    • Nhóm giải pháp phi công trình: Phân vùng cảnh báo nguy cơ, thiết lập mạng lưới quan trắc và cảnh báo sớm, quy hoạch không gian khai thác, hoàn thổ và phục hồi thảm thực vật sau khai thác.
    • Nhóm giải pháp về cơ chế chính sách: Hoàn thiện công tác thẩm định báo cáo ĐTM, thiết kế mỏ; siết chặt cấp phép và kiểm tra hiện trường; bắt buộc ký quỹ cải tạo phục hồi môi trường; nghiêm cấm cấp phép tại các khu vực nhạy cảm tai biến.

Kết luận và kiến nghị (03 trang)

Tóm tắt toàn bộ các kết quả lý luận và thực tiễn đạt được; khẳng định hiệu quả của việc kết hợp viễn thám, GIS và mô hình tính toán định lượng; kiến nghị các cơ quan quản lý và doanh nghiệp khai khoáng áp dụng các bản đồ phân vùng và giải pháp kỹ thuật vào thực tiễn quản lý tại Nghệ An - Hà Tĩnh.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và phương pháp

  • Xây dựng và hoàn thiện hệ phương pháp tích hợp định lượng kết hợp toán thống kê (WoE, CF, LR), trí tuệ nhân tạo (mạng nơ-ron ANN), phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu (MCDA/AHP) và mô hình số phần tử hữu hạn (CTRAN/W) trên nền tảng công nghệ địa không gian (GIS và viễn thám) để dự báo và phân vùng nguy cơ tai biến môi trường mỏ.
  • Ứng dụng thành công mô hình phần tử hữu hạn CTRAN/W vào việc mô phỏng quá trình di chuyển của chất ô nhiễm từ bãi thải mỏ ra môi trường xung quanh, làm sáng tỏ cơ chế tương tác giữa tai biến môi trường với cấu trúc địa chất, địa mạo và công nghệ khai thác.
  • Cung cấp cơ sở khoa học nâng cao độ tin cậy của các mô hình dự báo tai biến trượt lở sườn tầng moong, sạt lở bãi thải và lũ bùn đá do vỡ đập quặng đuôi.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu tích hợp về hiện trạng và các yếu tố tác động của hoạt động khai thác khoáng sản đến môi trường tự nhiên tại hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh.
  • Ứng dụng nguồn tư liệu ảnh viễn thám Landsat đa thời kỳ (1990-2017) nhận diện sự biến động diện tích khai thác, phát hiện các khu vực khai thác khoáng sản trái phép nằm ngoài báo cáo thống kê của cơ quan quản lý.
  • Xác định và khoanh vùng 4 dạng nguy cơ tai biến môi trường trọng yếu:
    1. Phát tán khói bụi trong không khí.
    2. Phát tán chất ô nhiễm theo mạng lưới sông suối.
    3. Nguy cơ trượt lở tại sườn tầng khai thác và bãi thải.
    4. Nguy cơ lũ bùn đá khi có sự cố sạt lở bãi thải và vỡ hồ chứa quặng đuôi.
  • Đề xuất hệ thống 03 nhóm giải pháp giảm thiểu mang tính thực tiễn cao: nhóm giải pháp công trình, nhóm giải pháp phi công trình và nhóm giải pháp về cơ chế chính sách.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Độ chính xác của các mô hình thống kê (WoE, LR, CF) phụ thuộc lớn vào mức độ đầy đủ và chi tiết của chuỗi số liệu thống kê lịch sử các vị trí xảy ra tai biến; đối với các diện tích nhỏ có ít dữ liệu sự cố thì việc áp dụng mô hình thống kê bị hạn chế.
    • Phương pháp phân tích thứ bậc AHP vẫn chịu ảnh hưởng nhất định từ tính chủ quan của chuyên gia khi cho điểm so sánh cặp.
    • Các mô hình phần tử hữu hạn và mô phỏng địa kỹ thuật chi tiết đòi hỏi các thông số đầu vào phức tạp về địa chất thủy văn, tính chất cơ lý đất đá, cường độ mưa thời gian thực – những thông số khó thu thập đồng bộ trên diện rộng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng ứng dụng công nghệ dữ liệu lớn (Big Data) và các thuật toán tối ưu hóa bầy đàn phỏng sinh học (PSO, ABC, thuật toán bầy đom đóm - Firefly, tiến hóa vi phân) để đẩy nhanh tốc độ hội tụ và tối ưu hóa trọng số mô hình.
    • Xây dựng hệ thống trạm quan trắc tự động theo thời gian thực kết hợp thiết bị đo đạc viễn thám độ phân giải cao phục vụ cảnh báo sớm tai biến môi trường tại các khu mỏ trọng điểm.

Giá trị tham khảo

  • Đối với cơ quan quản lý nhà nước (Bộ TN&MT, Sở TN&MT Nghệ An, Hà Tĩnh, UBND các cấp): Là tài liệu cơ sở phục vụ công tác quy hoạch thăm dò, khai thác, chế biến khoáng sản; thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường (ĐTM), thẩm định dự án đầu tư, thiết kế kỹ thuật mỏ; lập đề án cải tạo phục hồi môi trường và xác định các khu vực cấm hoặc tạm thời cấm hoạt động khoáng sản do nguy cơ tai biến cao.
  • Đối với doanh nghiệp khai thác khoáng sản: Hướng dẫn kỹ thuật giúp nhận diện các điểm mất ổn định bờ mỏ, bãi thải, hồ quặng đuôi; từ đó áp dụng các giải pháp công trình gia cố và quy trình vận hành an toàn, giảm thiểu rủi ro sự cố môi trường.
  • Đối với giới nghiên cứu, giảng viên và nghiên cứu sinh: Cung cấp khung phương pháp luận kết hợp GIS, viễn thám và các mô hình toán học (WoE, LR, ANN, AHP, CTRAN/W) trong đánh giá tai biến địa chất môi trường, có thể mở rộng áp dụng cho các khu vực khai khoáng khác trên phạm vi toàn quốc.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những mô hình định lượng nào để dự báo trượt lở và tai biến môi trường mỏ?

Luận án sử dụng kết hợp 4 mô hình định lượng gồm: Mô hình thống kê Bayes (Weight of Evidence - WoE), Mô hình Hệ số tin cậy (Certainty Factor - CF), Mô hình Hồi quy logic (Logistic Regression - LR) và Mạng Nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN) để tính toán xác suất và phân vùng nguy cơ trượt lở bờ moong, bãi thải.

2. Sự cố vỡ hồ chứa quặng đuôi và nguy cơ lũ bùn đá được đánh giá bằng công cụ gì?

Nguy cơ xảy ra lũ bùn đá khi có sự cố sạt lở bãi thải và vỡ hồ chứa quặng đuôi được đánh giá bằng phương pháp phân tích đa chỉ tiêu (MCDA) thông qua quy trình phân tích thứ bậc AHP của Saaty, kết hợp với mô hình phần tử hữu hạn CTRAN/W để mô phỏng đường di chuyển của chất ô nhiễm và dòng bùn thải.

3. Nguồn tư liệu viễn thám được sử dụng trong luận án gồm những loại nào và xử lý ra sao?

Luận án sử dụng ảnh vệ tinh Landsat đa thời gian qua 3 giai đoạn: Landsat 5 TM (1990-1995), Landsat 7 ETM+ (2000-2005) và Landsat 8 OLI (2015-2017) thuộc các cảnh 126/47 và 127/47. Ảnh được nắn chỉnh hình học với sai số nhỏ hơn 1 pixel và phân loại lớp phủ bằng phương pháp Phân loại xác suất cực đại (MLC) kết hợp Ánh xạ góc phổ (SAM).

4. Kết quả nghiên cứu đã tổng hợp được mấy dạng nguy cơ tai biến môi trường chính tại Nghệ An - Hà Tĩnh?

Luận án đã xác định được 4 dạng nguy cơ tai biến chính: (1) Khả năng phát tán khói bụi trong không khí; (2) Khả năng phát tán các chất ô nhiễm theo mạng lưới sông suối; (3) Nguy cơ xảy ra trượt lở tại các sườn tầng khai thác và bãi đổ thải; (4) Nguy cơ xảy ra lũ bùn đá khi có sự cố sạt lở bãi thải và vỡ các hồ chứa quặng đuôi.

5. Luận án đề xuất những nhóm giải pháp nào để giảm thiểu tai biến môi trường mỏ?

Luận án đề xuất 03 nhóm giải pháp đồng bộ: (1) Nhóm giải pháp công trình (xây dựng đập chắn, kè gia cố, hệ thống thoát nước, xử lý nước thải mỏ); (2) Nhóm giải pháp phi công trình (quan trắc cảnh báo, phân vùng nguy cơ, hoàn thổ, phục hồi thảm phủ thực vật); (3) Nhóm giải pháp về cơ chế chính sách (hoàn thiện quy trình thẩm định ĐTM, cấp phép mỏ, ký quỹ cải tạo môi trường).

Kết luận

Luận án đã giải quyết vấn đề cấp thiết về đánh giá và dự báo tai biến môi trường liên quan đến hoạt động khai thác khoáng sản tại khu vực Nghệ An - Hà Tĩnh. Bằng việc kết hợp công nghệ viễn thám đa thời gian, GIS cùng các mô hình toán thống kê (WoE, CF, LR), học máy (ANN), phân tích đa chỉ tiêu (AHP) và mô hình phần tử hữu hạn CTRAN/W, nghiên cứu đã lượng hóa được các yếu tố rủi ro và khoanh vùng chính xác 4 dạng nguy cơ tai biến môi trường trọng điểm. Kết quả nghiên cứu và hệ thống 03 nhóm giải pháp đề xuất cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực tiễn quan trọng, phục vụ công tác quy hoạch, thẩm định và quản lý khai thác khoáng sản hướng tới mục tiêu phát triển kinh tế bền vững.