Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng đảo nhiệt đô thị (Urban Heat Island - UHI) là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng tại các khu vực đô thị phát triển nhanh, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu. Tỉnh Bình Dương, nằm trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam Việt Nam, đang trải qua quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa mạnh mẽ, dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ bề mặt và hình thành hiện tượng đảo nhiệt đô thị rõ nét. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2021-2022, sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp kỹ thuật phân tích không gian nhằm phân tích tác động của thảm phủ thực vật đến sự hình thành hiện tượng đảo nhiệt tại tỉnh Bình Dương.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát đặc điểm nhiệt độ bề mặt (Land Surface Temperature - LST) theo các kiểu sử dụng đất, đánh giá ảnh hưởng của hoạt động sản xuất và giao thông đến LST, đồng thời xác định mối quan hệ giữa LST và tỷ lệ thảm phủ thực vật (Vegetation Cover). Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ tỉnh Bình Dương với 3 thành phố, 2 thị xã và 4 huyện, sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh thu thập vào các thời điểm tháng 8/2021 (giai đoạn giãn cách xã hội do dịch Covid-19) và tháng 7/2022 (giai đoạn bình thường).

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho các chiến lược quy hoạch đô thị bền vững, giảm thiểu hiện tượng đảo nhiệt, cải thiện môi trường sống và thích ứng với biến đổi khí hậu tại Bình Dương. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên và môi trường, đặc biệt trong bối cảnh phát triển kinh tế nhanh và gia tăng áp lực lên các mảng xanh đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về hiện tượng đảo nhiệt đô thị, trong đó phân biệt hai dạng chính: đảo nhiệt bề mặt (surface UHI) và đảo nhiệt không khí (atmospheric UHI). Đảo nhiệt bề mặt được đo bằng nhiệt độ bức xạ bề mặt (LST) thông qua dữ liệu viễn thám, phản ánh sự tích tụ nhiệt trên các bề mặt không thấm nước như bê tông, nhựa đường. Đảo nhiệt không khí đo nhiệt độ không khí tại các tầng thấp của khí quyển, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Chỉ số thực vật chuẩn hóa (NDVI): đo lường mật độ và sức khỏe thảm thực vật.
  • Tỷ lệ lớp phủ thực vật (Pv): tỷ lệ diện tích được phủ bởi thực vật trên tổng diện tích pixel ảnh vệ tinh.
  • Nhiệt độ bề mặt đất (LST): nhiệt độ bề mặt được ước lượng từ ảnh Landsat 8 bằng thuật toán Split-Window (SW), cho phép tính toán chính xác nhiệt độ bề mặt dựa trên kênh hồng ngoại nhiệt.

Mối quan hệ nghịch biến giữa tỷ lệ thảm phủ thực vật và LST là cơ sở lý thuyết quan trọng để đánh giá vai trò của thảm thực vật trong việc giảm thiểu hiện tượng đảo nhiệt đô thị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm ảnh vệ tinh Landsat 8 thu thập từ website NASA EarthExplorer, với các kênh đa phổ (OLI) và kênh hồng ngoại nhiệt (TIRS) được sử dụng để tính toán NDVI, Pv, LSE (độ phát xạ bề mặt) và ước lượng LST. Dữ liệu được thu thập vào hai thời điểm: tháng 8/2021 (giai đoạn giãn cách xã hội) và tháng 7/2022 (giai đoạn hoạt động bình thường).

Phương pháp phân tích gồm:

  • Chuyển đổi giá trị số ảnh sang bức xạ tại đỉnh khí quyển (TOA Radiance).
  • Tính toán NDVI theo công thức chuẩn.
  • Ước lượng tỷ lệ lớp phủ thực vật Pv từ NDVI.
  • Tính độ phát xạ bề mặt LSE dựa trên Pv và các hệ số phát xạ chuẩn cho thực vật và đất trống.
  • Ước lượng nhiệt độ bề mặt LST bằng thuật toán Split-Window sử dụng kênh 10 và 11 của Landsat 8.
  • Phân loại sử dụng đất theo 4 nhóm chính: thực vật, đất xây dựng, đất trống và mặt nước, bằng thuật toán K-means kết hợp phân tích thành phần chính (PCA).
  • Kiểm định độ chính xác phân loại bằng ma trận sai lẫn và chỉ số Kappa (đạt độ chính xác trên 90%).
  • Lập bản đồ nhiệt độ bề mặt và phân bố thảm phủ thực vật theo ranh giới hành chính cấp huyện.
  • Phân tích mối quan hệ giữa LST và tỷ lệ thảm phủ thực vật, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của hoạt động sản xuất và giao thông thông qua so sánh nhiệt độ giữa hai thời điểm khảo sát.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ diện tích tỉnh Bình Dương với 91 đơn vị hành chính cấp xã, đảm bảo tính đại diện và toàn diện cho phân tích không gian. Phương pháp phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm ArcGIS 10, ENVI 4 và Stagraphic Centurion 15.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố thảm phủ thực vật và chỉ số NDVI:

    • Giá trị NDVI trung bình năm 2022 cao hơn năm 2021, dao động từ -0,4 đến 0,7, phản ánh sự tăng mật độ thực vật sau mùa mưa.
    • Khu vực phía Bắc tỉnh (các huyện Phú Giáo, Dầu Tiếng, Bàu Bàng, Bắc Tân Uyên) có giá trị NDVI và tỷ lệ lớp phủ thực vật Pv cao nhất, đạt khoảng 0,42-0,46, trong khi các thành phố phía Nam như Dĩ An, Thuận An có giá trị thấp nhất, chỉ khoảng 0,13-0,15.

  2. Nhiệt độ bề mặt (LST) theo kiểu sử dụng đất:

    • LST tăng dần từ Bắc xuống Nam tỉnh, với các khu vực đô thị và công nghiệp có nhiệt độ bề mặt cao hơn đáng kể.
    • Nhiệt độ bề mặt trung bình tại các khu vực đất xây dựng và đất trống dao động từ 23,8°C đến 28,1°C năm 2022, trong khi khu vực có thảm phủ thực vật có nhiệt độ thấp hơn, khoảng 22,7°C đến 24,6°C.
    • So sánh giữa hai thời điểm cho thấy nhiệt độ bề mặt năm 2022 cao hơn năm 2021 trung bình khoảng 5°C, phản ánh sự phục hồi hoạt động sản xuất và giao thông sau giãn cách xã hội.

  3. Ảnh hưởng của hoạt động sản xuất và giao thông:

    • Các thành phố Thủ Dầu Một, Thuận An và Dĩ An cùng hai thị xã Tân Uyên và Bến Cát có nhiệt độ bề mặt tăng rõ rệt do mật độ xây dựng cao và hoạt động công nghiệp sôi động.
    • So sánh nhiệt độ bề mặt giữa giai đoạn giãn cách xã hội và bình thường cho thấy hoạt động sản xuất và giao thông làm tăng nhiệt độ bề mặt trung bình khoảng 3-5°C, góp phần hình thành hiện tượng đảo nhiệt đô thị.

  4. Mối quan hệ giữa thảm phủ thực vật và nhiệt độ bề mặt:

    • Mô hình hồi quy đơn giản cho thấy mối tương quan nghịch biến chặt chẽ giữa tỷ lệ thảm phủ thực vật và LST, với hệ số tương quan cao, khẳng định vai trò quan trọng của thảm thực vật trong việc giảm nhiệt độ bề mặt.
    • Khu vực có tỷ lệ thảm phủ thực vật cao có nhiệt độ bề mặt thấp hơn từ 2-5°C so với khu vực ít cây xanh hoặc đất xây dựng.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại các thành phố lớn trong và ngoài nước, đồng thời làm rõ hơn vai trò của thảm phủ thực vật trong việc điều hòa nhiệt độ bề mặt. Việc sử dụng ảnh Landsat 8 và thuật toán Split-Window đã cung cấp dữ liệu nhiệt độ bề mặt với độ chính xác cao, cho phép phân tích chi tiết theo không gian và thời gian.

Sự gia tăng nhiệt độ bề mặt tại các khu vực đô thị và công nghiệp phản ánh tác động tiêu cực của quá trình bê tông hóa và giảm diện tích mảng xanh. So sánh giữa hai thời điểm khảo sát cho thấy hoạt động sản xuất và giao thông là những yếu tố thúc đẩy mạnh mẽ hiện tượng đảo nhiệt, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh.

Việc phân bố thảm phủ thực vật không đồng đều giữa các khu vực cũng cho thấy sự cần thiết trong việc quy hoạch và bảo vệ các mảng xanh, đặc biệt tại các thành phố phía Nam tỉnh Bình Dương. Các bản đồ nhiệt độ và thảm phủ thực vật có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố NDVI, bản đồ LST theo ranh giới hành chính, giúp trực quan hóa mối quan hệ giữa sử dụng đất và nhiệt độ bề mặt.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường phát triển và bảo vệ thảm phủ thực vật đô thị

    • Động từ hành động: Mở rộng, trồng mới, bảo vệ.
    • Mục tiêu: Tăng tỷ lệ thảm phủ thực vật tại các khu vực đô thị lên ít nhất 20% trong vòng 5 năm.
    • Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh, các sở ngành liên quan, chính quyền địa phương.

  2. Quy hoạch sử dụng đất hợp lý, hạn chế bê tông hóa diện rộng

    • Động từ hành động: Rà soát, điều chỉnh, kiểm soát.
    • Mục tiêu: Giảm diện tích đất xây dựng không kiểm soát, ưu tiên phát triển các khu vực xanh và mặt nước.
    • Chủ thể thực hiện: Ban quản lý quy hoạch tỉnh, các cơ quan quản lý đất đai.

  3. Kiểm soát và giảm thiểu tác động của hoạt động sản xuất và giao thông

    • Động từ hành động: Giám sát, điều tiết, áp dụng công nghệ sạch.
    • Mục tiêu: Giảm nhiệt độ bề mặt tăng do hoạt động công nghiệp và giao thông ít nhất 10% trong 3 năm tới.
    • Chủ thể thực hiện: Sở Công Thương, Sở Giao thông Vận tải, các doanh nghiệp.

  4. Ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong giám sát hiện tượng đảo nhiệt

    • Động từ hành động: Triển khai, cập nhật, phân tích.
    • Mục tiêu: Thiết lập hệ thống giám sát nhiệt độ bề mặt và thảm phủ thực vật định kỳ hàng năm.
    • Chủ thể thực hiện: Sở Tài nguyên và Môi trường, các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường

    • Lợi ích: Cung cấp dữ liệu khoa học để xây dựng chính sách quy hoạch và quản lý đô thị bền vững.
    • Use case: Lập kế hoạch phát triển mảng xanh, kiểm soát ô nhiễm nhiệt.

  2. Các nhà quy hoạch đô thị và kiến trúc sư

    • Lợi ích: Hiểu rõ tác động của thảm phủ thực vật đến nhiệt độ bề mặt, từ đó thiết kế không gian đô thị thân thiện môi trường.
    • Use case: Thiết kế công viên, khu dân cư xanh, giảm thiểu hiệu ứng đảo nhiệt.

  3. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực công nghiệp và bất động sản

    • Lợi ích: Đánh giá tác động môi trường của dự án, áp dụng các giải pháp giảm nhiệt độ bề mặt.
    • Use case: Lựa chọn vị trí xây dựng, áp dụng công nghệ xanh.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành quản lý tài nguyên và môi trường

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp nghiên cứu viễn thám, phân tích không gian và ứng dụng thực tiễn trong quản lý môi trường.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn, dự án khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiện tượng đảo nhiệt đô thị là gì?
    Hiện tượng đảo nhiệt đô thị là sự chênh lệch nhiệt độ giữa khu vực đô thị phát triển với vùng nông thôn xung quanh, do sự tích tụ nhiệt trên các bề mặt nhân tạo như bê tông, nhựa đường. Ví dụ, nhiệt độ bề mặt tại các khu công nghiệp có thể cao hơn 3-5°C so với khu vực có nhiều cây xanh.

  2. Tại sao thảm phủ thực vật lại quan trọng trong việc giảm hiện tượng đảo nhiệt?
    Thảm phủ thực vật giúp làm mát bề mặt thông qua quá trình bốc hơi nước và che bóng, giảm hấp thụ nhiệt. Nghiên cứu cho thấy khu vực có tỷ lệ thảm phủ thực vật cao có nhiệt độ bề mặt thấp hơn từ 2-5°C so với khu vực ít cây xanh.

  3. Phương pháp Split-Window trong ước lượng nhiệt độ bề mặt là gì?
    Đây là thuật toán sử dụng dữ liệu từ hai kênh hồng ngoại nhiệt của ảnh Landsat 8 để tính toán nhiệt độ bề mặt với độ chính xác cao hơn so với phương pháp kênh đơn. Phương pháp này giúp giảm sai số do ảnh hưởng của độ phát xạ bề mặt và hơi nước trong khí quyển.

  4. Ảnh vệ tinh Landsat 8 có ưu điểm gì trong nghiên cứu hiện tượng đảo nhiệt?
    Landsat 8 cung cấp ảnh đa phổ với độ phân giải không gian cao (16 bit), có kênh hồng ngoại nhiệt giúp ước lượng chính xác nhiệt độ bề mặt. Dữ liệu miễn phí và có chu kỳ thu thập định kỳ giúp theo dõi biến động nhiệt độ theo thời gian.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại Bình Dương?
    Giải pháp bao gồm tăng cường phát triển mảng xanh, quy hoạch sử dụng đất hợp lý, kiểm soát hoạt động công nghiệp và giao thông, đồng thời ứng dụng công nghệ viễn thám để giám sát và quản lý nhiệt độ bề mặt hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ mối quan hệ nghịch biến giữa tỷ lệ thảm phủ thực vật và nhiệt độ bề mặt tại tỉnh Bình Dương, với giá trị NDVI và Pv cao giúp giảm nhiệt độ bề mặt đáng kể.
  • Hoạt động sản xuất và giao thông là những yếu tố chính làm gia tăng nhiệt độ bề mặt, góp phần hình thành hiện tượng đảo nhiệt đô thị.
  • Phương pháp sử dụng ảnh Landsat 8 kết hợp thuật toán Split-Window cho kết quả ước lượng nhiệt độ bề mặt chính xác và phù hợp với điều kiện nghiên cứu.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng các chiến lược quy hoạch đô thị bền vững, giảm thiểu hiện tượng đảo nhiệt và cải thiện môi trường sống tại Bình Dương.
  • Đề xuất triển khai các giải pháp phát triển thảm phủ thực vật, kiểm soát hoạt động công nghiệp và giao thông, đồng thời ứng dụng công nghệ viễn thám trong giám sát nhiệt độ bề mặt.

Tiếp theo, cần triển khai các chương trình thực tiễn dựa trên kết quả nghiên cứu, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các tỉnh thành khác trong vùng kinh tế trọng điểm phía Nam để có cái nhìn toàn diện hơn về hiện tượng đảo nhiệt đô thị tại Việt Nam. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả này trong công tác quy hoạch và bảo vệ môi trường.