Nghiên cứu tính toán hàm lượng phù sa lơ lửng của nước sông Hồng đoạn qua Thành phố Lào Cai sử dụng ảnh vệ tinh Sentinel-2A

Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000132 270 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HÀM LƢỢNG PHÙ SA LƠ LỬNG CỦA NƢỚC SÔNG HỒNG ĐOẠN QUA THÀNH PHỐ LÀO CAI SỬ DỤNG ẢNH VỆ TINH SENTINEL-2A Nguyễn Thiên Phƣơng Thảo1,2, Nguyễn Thị Thu Hà2, Phạm Quang Vinh3 1 Trung tâm Nghiên cứu Biển và Đảo, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, Email: thaontpgeo@vnu.edu.vn 2Trường Đại học Khoa học tự nhiên, ĐHQGHN, Email: hantt_kdc@vnu.edu.vn 3 Viện Địa lý, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Email: pqvinh@ig.vast.vn TÓM TẮT Giám sát sự biến động của hàm lượng phù sa lơ lửng (SSC) trong nước sông giúp đánh giá một cách định lượng chất lượng nước sông và hiểu rõ hơn quá trình vận chuyển các chất ô nhiễm của sông. Nghiên cứu này sử dụng kết quả đo phổ phản xạ ( w) và SSC tại sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai để xây dựng phương trình tính toán thông số này (SSC) từ ảnh vệ tinh Sentinel- 2A (S2A). Kết quả cho thấy SSC có tương quan cao với tỷ số kênh 4 (666 nm) trên kênh 3 (560 nm) của ảnh S2A bằng phương trình tuyến tính hàm mũ (R2 = 0,86; RMSE = 0,15). Phân bố SSC trong nước sông Hồng tính toán được từ 6 cảnh ảnh S2A thu được trong năm 2018 thể hiện rõ 2 xu hướng: a) SSC thấp trong mùa khô và cao trong mùa mưa; b) SSC giảm dần xuôi theo chiều dòng chảy. Phương pháp và kết quả trình bày trong nghiên cứu này cần được bổ sung và áp dụng cho toàn hệ thống sông nhằm góp phần cung cấp các thông tin định lượng hữu hiệu cho việc giám sát chất lượng nước xuyên biên giới. Từ khóa: Hàm lượng phù sa lơ lửng, sông Hồng, ảnh vệ tinh, vận chuyển trầm tích, quản lý nước xuyên biên giới. 1. GIỚI THIỆU Những thay đổi về sự phân bố không gian trong nước sông của hàm lượng phù sa lơ lửng (SSC) phản ánh một loạt các vấn đề về chế độ thủy văn như suy giảm hay tăng tổng lượng trầm tích, biến động luồng lạch, các hoạt động nhân sinh trên dòng sông hay chất lượng nước sông. Chính vì vậy, việc giám sát SSC là vô cùng cần thiết đối với bất kỳ một chương trình giám sát chất lượng môi trường sông nào. Sông Hồng là một trong 10 dòng sông có tải lượng nước và phù sa lớn nhất thế giới [1]. Sông Hồng đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội không chỉ của Việt Nam mà của cả khu vực ASEAN. Tuy nhiên, với trên 50% nguồn nước của sông xuất phát từ ngoài biên giới nên sông Hồng đoạn qua nước ta cực kỳ nhạy cảm với mọi hoạt động khai thác và sử dụng nguồn nước từ phía thượng lưu [2]. Do đó việc phát triển và ứng dụng các kỹ thuật định lượng vào giám sát chất lượng nước của sông Hồng, đặc biệt là khu vực biên giới là vô cùng cần thiết để quản lý chất lượng nước sông cũng như các vấn đề khai thác nước. Trên thế giới, viễn thám đã và đang được sử dụng như một công cụ hiện đại để giám sát các thông số chất lượng môi nước các thủy vực trong đó có giám sát SSC ở các con sông lớn [3]. Tuy nhiên, do đặc tính là dòng chảy thường xuyên, có sự pha trộn các chất hòa tan lơ lửng ở các tỷ lệ khác nhau nên việc tính toán SSC của nước sông còn nhiều hạn chế, đặc biệt là sự đáp ứng về độ phân giải không gian của dữ liệu ảnh vệ tinh so với kích thước mặt cắt ngang của sông. Vệ tinh Sentinel-2A (S2A) chỉ mới được phóng lên quỹ đạo vào tháng 6 năm 2015 bởi Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) nên ít được đề cập trong các nghiên cứu giám sát môi trường nước trên thế giới. Tuy nhiên, với độ phân giải không gian cao (lên tới 10 m) và thiết kế kênh phổ chuyên biệt cho vùng cận hồng ngoại (có đến 5 kênh phổ), S2A được đánh giá là một dữ liệu phù hợp để nghiên cứu, giám sát môi trường nước các thủy vực nội địa, đặc biệt là các dòng sông. Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 271 Xuất phát từ thực tiễn nêu trên, nghiên cứu này được tiến hành nhằm xây dựng phương trình tính toán SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai từ dữ liệu ảnh vệ tinh S2A dựa vào mối quan hệ thực nghiệm giữa SSC và phổ phản xạ mặt nước ( w) đo được cùng thời kỳ tại hiện trường. Phương trình sau đó được áp dụng để tính toán SSC từ các cảnh ảnh S2A thu được trong năm 2018 để làm rõ sự thay đổi của thông số này trong không gian và thời gian. Kết quả nghiên cứu bước đầu góp phần khẳng định tiềm năng khai thác của dữ liệu ảnh S2A trong việc giám sát chất lượng nước sông. 2. PHƢƠNG PHÁP 2.1. Phƣơng pháp khảo sát thực địa SSC và w của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai được đo đồng thời vào hai đợt khảo sát thực địa: đợt 1: ngày 23/03/2018 và ngày 01/04/2018; đợt 2: ngày 29/07/2018 và ngày 10/08/2018. Tổng số 64 số liệu đo từ các điểm khảo sát của 04 ngày đo nêu trên được thu thập trong vòng 1 giờ trước và sau thời gian vệ tinh S2A chụp ảnh (khoảng 10:20 AM) vùng nghiên cứu. w được đo ở góc chiếu 40-45o theo hướng 130-135o so với hướng chiếu của mặt trời theo phương pháp của Mobley [4] sử dụng máy đo bức xạ hiện trường GER 1500. Tại mỗi điểm đo, mẫu nước mặt (độ sâu 0-50cm) cũng được lấy đồng thời vào các chai nhựa đóng kín, giữ lạnh và sau đó phân tích xác định hàm lượng SSC. Trong phòng thí nghiệm, hàm lượng SSC được phân tích theo phương pháp chuẩn của APHA [5]. 2.2. Phƣơng pháp xử lý ảnh vệ tinh Trong nghiên cứu này, 6 cảnh ảnh S2A thu được vào các thời điểm khác nhau, có độ che phủ mây dưới 10% được tải miễn phí từ trang web của ESA (https://scihub.copernicus.eu/dhus/) được sử dụng. Tất cả các cảnh ảnh được tải về đã được hiệu chỉnh hình học và bức xạ và cung cấp đến tay người sử dụng dưới dạng phổ phản xạ ở đỉnh khí quyển. Chính vì vậy, trong nghiên cứu này, phương pháp xử lý ảnh chủ yếu là hiệu chỉnh khí quyển. Ở đây, phương pháp loại trừ điểm đen (Dark object subtraction) được đề xuất bởi Chavez [6] được lựa chọn sử dụng vì là phương pháp đơn giản nhưng mang lại cao nghiên cứu các vùng nước đục [7]. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Phƣơng trình tính toán SSC từ ảnh S2A Hình 1. Đặc trưng phổ phản xạ mặt nước ( w) đo tại sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai so với vị trí của các kênh phổ ảnh Sentinel 2A (S2A): a) w đo vào tháng 3-4/2018; b) w đo vào tháng 7- 8/2018. B1 đến B8a ứng với vị trí các kênh phổ của ảnh S2A từ 1 đến 8a. Kết quả phân tích SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai vào 2 đợt khảo sát cho thấy nước sông khu vực này có độ đục cao với hàm lược SSC dao động trong khoảng từ 77 mg/L đến 265,8 mg/L và có sự thay đổi theo mùa. Cụ thể, SSC đo vào tháng 3-4/2018 dao động từ Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 272 77,7 mg/L–116,2 mg/L, trung bình đạt 92,9 mg/L trong khi đo vào tháng 8/2018 là từ 145,5 mg/L tới 265,8 mg/L, trung bình 186,9 mg/L. Phổ phản xạ mặt nước- w của 64 điểm đo trên sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai cũng phản ánh đặc trưng của vùng nước đục với sự mở rộng của vùng cực đại từ dải sóng xanh lục sang đỏ và cận hồng ngoại (Hình 1). Kết quả phân tích dữ liệu SSC và w ứng với các kênh phổ của ảnh S2A thu được từ 32 điểm đo ngày 1/4/2018 và 10/8/2018 cho thấy SSC có tương quan cao với tỷ số kênh 4 (666 nm) trên kênh 3 (560 nm) của ảnh bằng phương trình hàm mũ (R2 = 0,86; RMSE = 0,15) (Hình 2a). Phương trình này được kiểm chứng bởi giá trị SSC và w đo được thực tế vào ngày 23/3/2018 và ngày 29/7/2018 với sai số thu được nhỏ hơn 5% giá trị SSC trung bình (hình 2b). Như vậy, phương trình hồi quy tuyến tính hàm mũ trong hình 2a phù hợp để tính toàn hàm lượng SSC từ ảnh S2A và được thể hiện như sau: ( ⁄ ) (1) Trong đó: SSC là hàm lượng phù sa lơ lửng (mg/L); B4, B3 là giá trị phổ phản xạ mặt nước ứng với kênh 4 và kênh 3 của ảnh S2A. Hình 2. Biểu đồ biểu diễn: a) phương trình hàm mũ thể hiện mối quan hệ tuyến tính của SSC với ỷ ố ủ w ứng với kênh 4/kênh 3 của ảnh S2A - w(666)/ ( w(560) đo ngày 1/4/2018 và 10/8/2018; b) sai số giữa SSC tính toán từ phương trình hàm mũ hình 2a và giá trị đo thực tế vào ngày 23/3/2018 và ngày 29/7/2018; và c) sai số giữa phổ phản xạ đo thực tế w(666)/ w(560) và phổ thu hồi từ ảnh S2A kênh 4/kênh 3 của 12 điểm đo ngày 10/8/2018. Để thu được phổ phản xạ mặt nước từ ảnh S2A, phương pháp hiệu chỉnh khí quyển DOS được áp dụng. Để đánh giá sai số trong của phép hiệu chỉnh khí quyển, tỷ số phổ phản xạ kênh 4 / kênh 3 của ảnh S2A thu được tại 12 điểm ảnh chụp vào ngày 10/8/2018 đoạn sông nghiên cứu được so sánh với giá trị tỷ số phổ mặt nước đo đạc thực tế (ρw(666)/ρw(560)). Kết quả cho thấy phương pháp loại trừ điểm đen cho kết quả tương đối chính xác khi hiệu chỉnh khí quyển ảnh S2A cho vùng nước có độ đục cao như nước sông Hồng đoạn qua Lào Cai với giá trị sai số, RMSE = 0,02 ứng với 1% trung bình giá trị đo đạc thực tế (Hình 2c). Theo đó, SSC trong nước sông Hồng đoạn qua Lào Cai có thể được tính toán khá chính xác từ ảnh S2A sau khi hiệu chỉnh khí quyển bằng phương pháp DOS và áp dụng phương trình (1). 3.2. Phân bố của SSC theo không gian và thời gian Hình 3 thể hiện sự phân bố của SSC trong nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai được tính toán từ 6 cảnh ảnh S2A thu được từ tháng 2 đến tháng 11 năm 2018. Theo đó, SSC trong nước sông trong các tháng mùa mưa (tháng 8, 9, 10, 11) cao hơn giá trị tính được trong mùa khô (tháng 2 và 4). Trong không gian, SSC có xu hướng giảm dần theo hướng dòng chảy, cao ở đoạn sông phía Bắc thành phố Lào Cai (khu vực cửa Hà Khẩu) và thấp dần xuống các đoạn sông phía Nam. Xu hướng SSC giảm dần xuôi theo dòng chảy cũng cho thấy hầu hết các trầm tích lơ lửng trong nước sông Hồng được cung cấp bởi các quá trình hoạt động của dòng chảy từ thượng nguồn phía bên kia biên giới. Phương pháp nghiên cứu này nếu được áp dụng vào nhiều loại ảnh, nhiều thời điểm có thể giúp giám sát liên tục sự biến động và quá trình vận chuyển SSC trong nước sông, giúp luận giải Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu cơ bản trong “Khoa học Trái đất và Môi trường” 273 nhiều vấn đề liên quan đến quản lý và sử dụng nguồn nước và lượng trầm tích được vận chuyển qua khu vực biên giới Hình 3. Sơ đồ phân bố SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai trong năm 2018. 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu cho thấy hàm lượng SSC của nước sông Hồng đoạn qua thành phố Lào Cai có thể tính toán từ tỷ số kênh 4 trên kênh 3 của ảnh S2A theo phương trình hồi quy tuyến tính hàm mũ. Kết quả tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh S2A thu được trong năm 2018 cho thấy: SSC của nước sông Hồng đoạn qua Lào Cai phân bố tương đối đồng đều vào mùa khô (70 đến 140 mg/L) và có xu hướng tăng nhanh vào mùa mưa (200 đến 300 mg/L); SSC có xu hướng giảm dần từ phía biên giới xuống phía Nam thành phố, xuôi theo chiều dòng chảy. Nghiên cứu này cho thấy ảnh S2A có tiềm năng cao để giám sát chất lượng nước sông, đặc biệt nước của những dòng sông chảy xuyên biên giới như sông Hồng. Trong thời gian tới, cần mở rộng nghiên cứu ở quy mô lớn hơn để xây dựng được cơ sở khoa học nhằm đề xuất giải pháp quản lý và sử dụng hiệu quả tài nguyên nước sông Hồng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Milliman, J. D., Meade, R. H., 1983. World-wide delivery of river sediment to the oceans. The Journal of Geology, 91(1), 1-21. [2]. Le, T. P. Q., Garnier, J., Gilles, B., Sylvain, T., Van Minh, C., 2007. The changing flow regime and sediment load of the Red River, Viet Nam. Journal of Hydrology, 334(1-2), 199-214. [3]. Gholizadeh, M., Melesse, A., Reddi, L., 2016. A comprehensive review on water quality parameters estimation using remote sensing techniques. Sensors, 16(8), 1298. [4]. Mobley, C. D., 1999. Estimation of the remote-sensing reflectance from above surface measurements. Appl. Opt, 38, 7442–7455. [5]. Clesceri, L. S., Greenberg, A. E., Eaton, A. D., 1998. Standard methods for the examination of water and wastewater, American Public Health Association. Washington, DC, 4-415. [6]. Chavez Jr, P. S., 1988. An improved dark-object subtraction technique for atmospheric scattering correction of multispectral data. Remote sensing of environment, 24(3), 459-479. Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 274 [7]. Ha, N. T. T., Koike, K., 2011. Integrating satellite imagery and geostatistics of point samples for monitoring spatio-temporal changes of total suspended solids in bay waters: application to Tien Yen Bay (Northern Vietnam). Frontiers of Earth Science, 5(3), 305. ESTIMATING SUSPENDED SEDIMENT CONCENTRATION OF THE RED RIVER WATER AT THE SECTION IN LAO CAI CITY USING SENTINEL-2A IMAGERY Nguyen Thien Phuong Thao 1,2 , Nguyen Thi Thu Ha 2 , Pham Quang Vinh 3 1 Sea and Island Research Center, VNU University of Science, Email: thaontpgeo@vnu.edu.vn 2 Faculty of Geology, VNU University of Science, Email: hantt_kdc@vnu.edu.vn 3 Institute of Geography, Vietnam Academy of Science and Technology, Email: pqvinh@ig.vast.vn ABSTRACT Trends in the spatial distribution of suspended sediment concentration (SSC) in riverine surface water provides information for better understanding the river processes and natural features of its basin. This study aims at quantifying and mapping the distribution of SSC in very high turbid river water using Sentinel 2A (S2A) satellite image. Data from 32 points of water spectral measurement and concurrent in-situ SSC over the Red river section in Lao Cai city demonstrated the high accuracy of reflectance ratio of S2A red band (band 4) versus green band (band 3) to quantify SSC in the river water (the standard error of the estimate is < 5 %). Resultant maps of SSC estimated from S2A images accquired in 2018 show clearly two trends: a) SSC of the river water in the dry season is lower than that in wet season, b) SSC decreases towarding the downstream. Results and methods presented in this study need be advanced by adding auxiliary data from the whole river system to provide critical information for the river management, particularly transboundary pollution control task. Key words: Suspended sediment concentration, Red River, satellite image, sediment transport, transboundary water management.