Nghiên cứu đề xuất ứng dụng chương trình Archydro để phân tích tích hợp độ cao và hướng dòng chảy, từ đó đề xuất các địa điểm quan trắc chất lượng nước mặt đạt hiệu quả cao nhất - Nguyễn Thị Minh Thu

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 299 NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH ARCHYDRO ĐỂ PHÂN TÍCH TÍCH HỢP ĐỘ CAO VÀ HƯỚNG DÒNG CHẢY, TỪ ĐÓ ĐỀ XUẤT CÁC ĐỊA ĐIỂM QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT ĐẠT HIỆU QUẢ CAO NHẤT Nguyễn Thị Minh Thu1, Nguyễn Thị Ngọc Phượng2* Tóm tắt: Các địa điểm quan trắc hiện nay vẫn chưa tính toán cụ thể đến cao độ để xác định hướng dòng chảy, đồng thời còn tập trung vào khu vực trung tâm thành phố, nên hiệu quả thu được từ các điểm quan trắc này vẫn chưa đạt đến mức tối ưu. Theo tính toán, tổng lưu vực của 41điểm quan trắc hiện nay chỉ chiếm 1,5 km2, đạt 71% tổng diện tích của toàn thành phố. Do đó, bài viết này đề xuất ứng dụng ArcHydro, một trong những chương trình bổ sung của ArcGis chuyên phân tích dòng chảy dựa trên cao độ để tiến hành đánh giá, phân chia lưu vực dòng chảy, từ đó đề xuất các điểm quan trắc phù hợp. Theo tính toán, ArcHydro đã đề xuất 115 điểm (pour points) như là các điểm tiềm năng, từ đó các cơ quan quản lý nhà nước có thể căn cứ để chọn lựa các điểm quan trắc phù hợp. Từ khóa: ArcGIS, ArcHydro, Tính toán lưu vực nước mặt, DEM, Thành phố Hồ Chí Minh, Quan trắc chất lượng nước mặt. 1. MỞ ĐẦU Giới thiệu về địa điểm nghiên cứu Địa hình khu vực thành phố Hồ Chí Minh phần lớn bằng phẳng, các khu vực đất cao tập trung vào phía Bắc, Đông Bắc. Hơn 70% diện tích của khu vực có độ cao thấp hơn 2 mét so với mặt nước biển [1]. Cùng với vị trí địa hình thấp, thành phố Hồ Chí Minh còn nằm trên vùng hạ du của nhiều hệ thống sông ngòi lớn ở phía Nam. Các hệ thống sông ngòi lớn chảy qua khu vực thành phố gồm mạng lưới sông Đồng Nai, Sài Gòn và Vàm Cỏ. Vì thế, một trong những đặc trưng của thành phố là có hệ thống kênh rạch chằng chịt, các hệ thống kênh rạch chính của khu vực gồm: Nhiêu Lộc – Thị Nghè, Tân Hóa – Lò Gốm, Tàu Hủ - Kênh Đôi – Kênh Tẻ, Bến Nghé, và Tham Lương – Bến Cát – Vàm Thuật. Đặc điểm chung của mạng lưới kênhrạch là có độ sâu thấp, lưu tốc dòng chảy chậm, do đó rất dễ tích tụ chất thải dưới lòng kênh. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Dữ liệu nghiên cứu Toàn thành phố có 608.797 điểm cao độ được thu thập và đo đạc bởi Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh. Độ cao trung bình của toàn khu vực vào khoảng 3 m so với mặt nước biển. Bản đồ số hóa về hệ thống sông ngòi và kênh rạch của thành phố được Sở Khoa học và Công nghệ thành phố cung cấp, biểu hiện hiện trạng thực tế của hệ thống dòng chảy nước mặt năm 2015. Các vị trí quan trắc chất lượng nước mặt, gồm quan trắc nước sông và nước kênh rạch cũng được thu thập tại Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố. Tính đến năm 2015, toàn thành phố có 41 điểm quan trắc, bao gồm 26 điểm quan trắc nước sông và 15 điểm quan trắc nước kênh rạch. Các điểm quan trắc nước sông được phân bố rải rác khắp địa bàn thành phố. Các địa điểm quan trắc nước kênh Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. T. M. Thu, N. T. N. Phượng, “Nghiên cứu đề xuất ứng dụng đạt hiệu quả cao nhất.” 300 rạch được tập trung chủ yếu ở khu vực trung tâm, được chia đều 2 điểm quan trắc tại mỗi hệ thống kênh rạch chính [2]. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Arc Hydro giúp xây dựng bản đồ các lưu vực nước mặt dựa trên bản đồ địa hình số hóa, được gọi là Digital Elevation Model (DEM), sau đó được hiệu chỉnh dựa trên bản đồ dòng chảy nước mặt thực tế. Mô hình cao độ này đã được ứng dụng và đem lại nhiều kết quả tốt trong các nghiên cứu về mô hình lưu vực nước, đánh giá ngập lụt và dòng chảy ở một số khu vực [3, 4]. Các phân tích của Arc Hydro cũng đã được chứng minh mang lại các kết quả tốt, gần với thực tế tại một số nghiên cứu trong những năm gần đây [5, 6]. Các công cụ phân tích trong ArcHydro vẫn còn đang được tiếp tục nghiên cứu và hoàn thiện trong tương lai gần. Sau khi Mô hình cao độ số hóa (DEM) đã được xây dựng và hiệu chỉnh, vị trí các điểm quan trắc chất lượng nước mặt được bổ sung vào mô hình với vai trò là các điểm đầu vào/đầu ra của lưu vực phụ. Do nghiên cứu này tập trung vào đánh giá các điểm quan trắc chất lượng nước mặt có phù hợp hay không đối với lưu vực hiện tại, vì vậy các điểm quan trắc được giả định là các điểm đầu (batch point) của các lưu vực phụ do ArcHydro xây dựng. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Mô hình cao độ số hóa của thành phố Hồ Chí Minh Dựa trên các điểm quan trắc độ cao, mô hình DEM của thành phố Hồ Chí Minh đã được thành lập (hình 1), trong đó có thể thấy phần lớn diện tích thành phố có độ cao từ 1 đến 3 mét, và khu vực có địa hình cao nhất có cao độ từ 10 – 34 mét, tập trung ở rìa phía Bắc và một nhánh phía Tây Bắc thành phố. 3.2. Kết quả mô hình lưu vực của thành phố Hồ Chí Minh Hình 1. Bản đồ Mô hình cao độ số hóa (DEM) của TPHCM. Hình 2. Mô hình lưu vực nước của thành phố Hồ Chí Minh do ArcHydro xây dựng Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 301 Hình 2 mô tả toàn bộ lưu vực nước (phần diện tích màu xanh nhạt, catchment area) do Arc Hydro xây dựng dựa trên bản đồ DEM đã được hiệu chỉnh bằng mạng lưới sông ngòi thực tế (actual water network). Phần diện tích màu vàng nhạt (subwatershed area) là phần lưu vực phụ do ArcHydro xây dựng khi bổ sung các điểm quan trắc như là các điểm rót (pour point, hay batch point). Khoảng 41 điểm quan trắc đã được đưa vào mô hình, trong đó chỉ có 31 điểm được ArcHydro sử dụng. Các điểm không được sử dụng hoặc là bị trùng lặp, hoặc ở tại vị trí không có dòng chảy (không có sự chênh lệch về cao độ). Có thể thấy mặc dù lưu vực do ArcHydro xây dựng (catchment area, màu xanh nhạt) bao phủ gần như toàn bộ lưu vực thực tế của thành phố, tuy nhiên phần lưu vực được chỉ định tạo ra (subwatershed area, màu vàng nhạt) do các điểm quan trắc trên địa bàn thành phố (batch point) lại không bao phủ hết toàn bộ diện tích thành phố. Tổng lưu vực của 41 điểm quan trắc hiện nay chỉ chiếm 1,5 km2, đạt 71% tổng diện tích của toàn thành phố. 4. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 4.1. Kết luận Bước đầu ứng dụng chương trình xây dựng và đánh giá lưu vực nước của thành phố Hồ Chí Minh dựa trên Arc Hydro cho thấy đây là một chương trình phù hợp với điều kiện địa hình của thành phố. Dựa trên các kết quả nhận được từ chương trình mô phỏng, có thể thấy số lượng và phân bố các điểm quan trắc chất lượng nước mặt hiện nay không phù hợp. Tổng diện tích bao phủ của các phụ lưu vực do các điểm quan trắc tạo thành chỉ chiếm hơn 70% diện tích toàn lưu vực. Đồng thời, vị trí các điểm quan trắc tập trung nhiều ở khu vực trung tâm, dẫn đến mô hình phân chia các lưu vực phụ không đồng đều, nhỏ và manh mún ở trung tâm và lớn dần ở khu vực ngoại vi. 4.2. Đề xuất 4.2.1. Đối với các điểm quan trắc chất lượng môi trường thành phố Hình 3. Các điểm quan trắc đề xuất. Hóa học & Kỹ thuật môi trường N. T. M. Thu, N. T. N. Phượng, “Nghiên cứu đề xuất ứng dụng đạt hiệu quả cao nhất.” 302 Để nâng cao diện tích bao phủ của các điểm quan trắc, việc bổ sung thêm các điểm quan trắc trong tương lai là điều rất cần thiết. Một trong những cách thức có thể xem xét đến là sử dụng các điểm thoát nước (drainage point) do chương trình tạo ra. Các điểm thoát (drainage point) là những điểm được tạo ra tự động sau khi Arc Hydro đã tính toán đến toàn bộ lưu vực nước (catchment area) và bản đồ địa hình DEM. Có tổng cộng 115 điểm thoát nước đã được Arc Hydro tạo ra (điểm màu xanh trên hình 3). Do đặc điểm khu vực có mật độ kênh rạch dày đặc cùng với rất nhiều các con kênh tập trung tại một khu vực nhỏ, nên tại những vị trí đó các điểm thoát nước gần nhau và có lúc trùng nhau. Tuy nhiên, có một số khu vực không có hoặc có rất ít điểm thoát nước, ví dụ như khu vực phía Nam tại rừng ngập mặn Cần Giờ, điều này có thể giải thích rằng do cao độ tại những vị trí này không có sự chênh lệch lớn nên dòng chảy của nước thấp. Vì các đặc điểm này, các điểm thoát nước do Arc Hydro tạo ra có thể được lựa chọn như là các điểm quan trắc chất lượng nước mặt tiềm năng. Tuy nhiên, khi chọn lọc, các điểm trùng lặp hoặc quá gần nhau cần phải được loại bỏ. 4.2.2. Đối với mô hình lưu vực nước do ArcHydro xây dựng: Các nghiên cứu chuyên sâu về xây dựng mô hình lưu vực nước sử dụng ArcHydro tại thành phố Hồ Chí Minh cần được tiến hành, trong đó có thể sử dụng kết hợp với các phương pháp khác như mô hình đánh giá đất nước (SWAT), hoặc bổ sung các thông tin như thủy triều để tăng hiệu quả của mô hình. Arc Hydro đã được ứng dụng và mang lại kết quả tốt ở nhiều nơi, đặc biệt trong việc đánh giá ngập và dòng chảy, do đó việc xây dựng mô hình lưu vực cho thành phố sẽ đặc biệt hữu ích trong công tác quản lý ngập đô thị và quan trắc chất lượng môi trường. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nigel K.Downes, H.S., Current constraints and future directions for risk adapted land-use planning practices in the high-density Asian setting of Ho Chi Minh City. Planning, Practice and Research, 2014. 29. [2]. Agency, E.P., Report of environmental quality monitoring results in 2011. 2012, Department of Natural resources and Environment: Ho Chi Minh City, Vietnam. [3]. Konadu, D. and C. Fosu, Digital Elevation Models and GIS for Watershed Modelling and Flood Prediction -A Case Study of Accra Ghana, in Appropriate Technologies for Environmental Protection in the Developing World. 2009. [4]. Moharana, P. and A. Kar, Watershed simulation in a sandy terrain of the Thar desert using GIS. J Arid Environ, 2002. 51. [5]. Li, Z., Watershed modeling using arc hydro based on DEMs: a case study in Jackpine watershed. Environmental Systems Research, 2014. 3(1): p. 11. [6]. Zhang, H., G.H. Huang, and D. Wang, Establishment of channel networks in a digital elevation model of the prairie region through hydrological correction and geomorphological assessment. Can Water Resour J, 2013. 38. Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san NĐMT, 09 - 2017 303 ABSTRACT ARC HYDRO APPLICATION ON THE INTEGRATED ASSESSMENT OF THE ELEVATION AND FLOW DIRECTION AND PROPOSING THE MOST EFFECTIVELY MONITORING SITES FOR SURFACE WATER QUALITY Although water is a moving environmental element which is highly related to the elevation, setting up location for monitoring sites was not considered the height for flow direction. Furthermore, the number of sites was high in the centre of the area. By applying the calculated watershed assessment tool, total subwatershed area generated by the monitoring sites was 1,5 km2, and covered 71% of the whole catchment area. Therefore, this research proposed ArcHydro, a substitute tool of ArcGIS specialized in water flow assessment based on elevation, to evaluate and distribute the subwatershed areas, then build a network of appropriate monitoring sites. The program has suggested 115 drainage points which could be the potential points for the decision - makers to set up the additionally monitoring points in the near future. Keywords: ArcGIS, ArcHydro, Surface water area calculation, DEM, Ho Chi Minh City, Surface water quality monitoring. Nhận bài ngày 16 tháng 7 năm 2017 Hoàn thiện ngày 05 tháng 9 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 15 tháng 9 năm 2017 Địa chỉ: 1 Sở Tài nguyên và Môi trường TPHCM; 2 Viện Nhiệt đới môi trường. * Email: ngocphuongenvi@gmail.com.