1. Giới thiệu chung
Vịnh Hạ Long là vùng được thiên nhiên ưu đãi với nhiều lợi thế lớn trong phát triển nhiều ngành kinh tế, đặc biệt vịnh là nơi nổi tiếng về cảnh đẹp thiên nhiên và các giá trị di sản quý hiếm cần được bảo tồn. Từ sau năm 1994, khi vịnh Hạ Long được UNESCO công nhận là di sản thiên nhiên thế giới, khu vực ven bờ vịnh như thành phố Hạ Long, thị xã Cẩm Phả trở thành một trong những vùng kinh tế trọng điểm của các tỉnh phía Bắc, đã tạo điều kiện cho kinh tế - xã hội vùng vịnh phát triển mạnh mẽ, điển hình là sự phát triển các ngành du lịch - dịch vụ, cảng biển, nuôi trồng thủy sản, giao thông thủy… góp phần thay đổi nhanh chóng cảnh quan, môi trường, sinh thái của vùng ven bờ vịnh. Tuy nhiên, song song với việc phát triển kinh tế - xã hội, sức ép từ các hoạt động phát triển lên môi trường vịnh ngày càng gia tăng, nổi bật là sự suy giảm chất lượng môi trường nước biển trong vịnh. Trong nhiều năm qua, các hoạt động nghiên cứu liên quan đến đánh giá, quản lý và giám sát chất lượng nước biển trong vịnh được triển khai mạnh mẽ, đặc biệt là kể từ năm 19955, khi Ban Quản lý vịnh Hạ Long được thành lập, môi trường nước của vịnh đã được đánh giá, đo đạc theo quý giúp cho bức tranh về hiện trạng môi trường vịnh thêm rõ ràng. Tuy nhiên, các kết quả đo đạc, giám sát của Ban Quản lý vịnh hiện nay đang được tiến hành ở một số điểm rải rác trên vịnh, chưa hiển thị rõ được sự thay đổi về mặt không gian của các thông số chất lượng nước, gây tốn kém thời gian và kinh phí cho công tác đi lại, đo đạc và phân tích mẫu khi tiến hành trên một diện tích lớn như không gian hiện nay của vùng vịnh được khảo sát. Chính vì vậy, xây dựng một phương pháp giám sát chất lượng nước của vịnh sử dụng các nguồn ảnh vệ tinh miễn phí là một trong những hướng nghiên cứu cấp thiết, giúp cho việc quản lý môi trường vịnh được nhanh chóng và giảm chi phí đo đạc thực tế.
Trong nghiên cứu này, độ trong của nước được định nghĩa là khả năng cho ánh sáng xuyên qua nước và thường được xác định bằng đĩa Secchi, hiển thị bằng kết quả độ sâu nhìn thấy của đĩa Secchi trong nước có đơn vị là cm (EPA, 2017) [4]. Độ trong là một đặc tính quang học của nước liên quan mật thiết đến các hợp phần khác có trong thể nước như tổng số lượng chất rắn lơ lửng (TSS) hoặc độ đục của nước. Độ sâu thấu quang là phương pháp phổ biến để đo độ trong nước được dựa trên các nguyên tắc tập trung ánh sáng [7] với công cụ đo là đĩa Secchi, được tạo ra bởi Pietro Angelo Secchi SJ năm 1865.
Đối với vịnh Hạ Long, độ trong của nước là một thông số môi trường quan trọng để đánh giá quy hoạch các bãi tắm, phục hồi các rạn san hô, và quy hoạch cá lồng bè trong vịnh. Độ trong nước biển thấp làm giảm ánh sáng mặt trời xâm nhập vào trong nước biển qua đó ức chế sự tăng trưởng của thực vật phù du do hạn chế quang hợp, giảm sản xuất ôxy, dẫn đến nguy cơ suy giảm đa dạng sinh học trong vịnh, đặc biệt là các hệ sinh thái quan trọng nhưng nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường như san hô, cỏ biển. Do vậy, để có thể kịp bảo vệ và phát triển đa dạng sinh học ở vịnh, việc đánh giá nhanh và dự báo diễn biến độ trong là vô cùng cần thiết. Độ trong của nước là thông số quan trọng để đánh giá độ phú dưỡng cũng như chất lượng nước [2].
Trong những năm qua, công nghệ viễn thám, đặc biệt là dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat đã được sử dụng và chứng minh là công cụ hiệu quả cả về kinh phí và kỹ thuật để giám sát độ trong của các thủy vực [5;9] do những ưu điểm về độ phân giải phổ và thời gian của dữ liệu, sự dễ dàng thu nhận và xử lý của nguồn thông tin. Theo đó, độ sâu thấu quang của nước thường được tính toán bằng các tỷ số.
Vệ tinh Landsat 8 là vệ tinh mới nhất của NASA và Cục địa chất Hoa Kỳ (USGS) được phóng lên quỹ đạo vào ngày 11/2/2013, được đánh giá là có hiệu quả cao trong nghiên cứu, giám sát chất lượng nước [10] đã tạo điều kiện cho việc giám sát độ trong của nước vịnh Hạ Long sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh được tiếp tục và hiện thực hóa. Tuy nhiên, phương pháp giám sát độ trong nước biển sử dụng ảnh Landsat 8, đặc biệt nước biển ven bờ như nước biển trong vịnh Hạ Long còn ít được đề cập do sự phân bố phức tạp của các hợp phần tạo màu như TSS, nồng độ chlorophyll-a (Chl-a), nồng độ chất hữu cơ hòa tan trong nước (CDOM) trong nước và sự thay đổi trong thiết kế dải kênh phổ ảnh so với các ảnh Landsat trước đó (Landsat 5 và 7). Nghiên cứu này được tiến hành nhằm xây dựng được phương trình tính toán độ trong của nước vịnh Hạ Long sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 dựa vào mối quan hệ giữa đo độ sâu thấu quang và phổ phản xạ mặt nước đo đạc được vào tháng 5 năm 2016. Phương trình này được áp dụng cho các ảnh Landsat thu được gần thời kỳ đo đạc của Ban Quản lý vịnh Hạ Long để đánh giá độ sai số của của phương pháp. Từ đó, các sơ đồ phân bố độ sâu thấu quang của nước biển được thành lập tương ứng với thời điểm trong 4 quý của năm 2015 giúp hiểu rõ hơn hiện trạng và sự thay đổi của thông số độ trong nước vịnh theo mùa.
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Đo đạc ngoài hiện trường
Độ trong của nước và phổ phản xạ bề mặt nước biển được đo đạc vào ngày 20/5/2017 tại 7 điểm phân bố rải rác trên vịnh như trong hình 1. Trong đó, độ trong của nước được đo trực tiếp tại vịnh bằng đĩa Secchi chuẩn (Model 58-B10) đường kính 20 cm của hãng Wildco (Hoa Kỳ) theo phương pháp của Lind (1979) [6]. Phổ phản xạ mặt nước vịnh được đo đồng thời tại các điểm đo độ sâu thấu quang theo phương pháp của Mueller (2003) [8] sử dụng máy đo bức xạ hiện trường GER 1500 của hãng SVC (Spectra Vista Corporation), Hoa Kỳ có dải sóng phân bố từ 350nm đến 1050nm, bước nhảy 1,5nm. Phổ phản xạ mặt nước đo được tại hiện trường sẽ được sử dụng để xác định mối quan hệ giữa phổ phản xạ mặt nước và độ trong của nước vịnh Hạ Long và làm cơ sở cho việc hiệu chỉnh khí quyển của ảnh vệ tinh Landsat và đánh giá độ chính xác của phương pháp viễn thám trong nghiên cứu độ trong nước biển.
2.2. Phân tích ảnh vệ tinh
Dữ liệu ảnh vệ tinh được sử dụng trong nghiên cứu là ảnh Landsat 8/OLI được thu thập miễn phí tại địa chỉ của Cục địa chất Hoa Kỳ (https://earthexplorer.usgs.gov/). Ảnh vệ tinh thu tại path 126 và row 45 và chụp vùng vịnh Hạ Long được sử dụng trong nghiên cứu. Các ảnh sử dụng đều có độ che phủ mây dưới 10% và được hiệu chỉnh hình học và bức xạ theo phương pháp chuẩn của NASA [8]. Ảnh vệ tinh thu nhận trong 4 quý của năm 2014 và gần ngày khảo sát đo đạc (26/4/2017) được sử dụng trong nghiên cứu (bảng 1) sau khi đã được hiệu chỉnh hình học và bức xạ tiếp tục được hiệu chỉnh khí quyển sử dụng modul FLAASH trong phần mềm ENVI 5.3 cho vùng nước (over-water function). Đây là phương pháp đã được chứng minh có độ chính xác cao khi dùng ảnh Landsat 8 nghiên cứu chất lượng nước [10].
2.3. Phương pháp đánh giá độ chính xác
Để đánh giá mức độ chính xác, các kết quả tính toán được từ việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh sẽ được so sánh, đối chiếu với các số liệu theo các phương pháp khác đã được công bố trước đó. Cụ thể là độ trong của nước vịnh Hạ Long xác định được từ ảnh vệ tinh Landsat 8 thu được ở 4 quý năm 2015 sẽ được so sánh với kết quả quan trắc độ trong vịnh Hạ Long được công bố trong “Báo cáo hiện trạng môi trường vịnh Hạ Long năm 2015” được thực hiện bởi Ban Quản lý vịnh Hạ Long [1].
3. Kết quả và thảo luận
3.1. Đặc tính quang học của nước vịnh Hạ Long đo vào tháng 5/2017
Kết quả đo độ trong bằng đĩa Secchi trong nước vịnh Hạ Long ngày 20/5/2017 tại 7 điểm đo (bảng 2) cho thấy độ trong dao động từ 0,2m đến 2,4m, trung bình là 1,3m, độ lệch chuẩn giữa các điểm đo là 0,67m. Từ các điểm đo thực tế trên vịnh (hình 11), cho thấy độ trong của vịnh Hạ Long biến động khá rõ theo không gian khu vực. Khu vực ven bờ như khu vực ven bờ vịnh Cửa Lục, ven bờ Hạ Long, ven bờ Bái Tử Long có độ trong thấp, độ trong dưới 0,5m, do các khu vực này là nơi tiếp nhận nguồn nước thải sinh hoạt, có các hoạt động chế biến, kinh doanh than nguyên nhân gây suy giảm độ trong của nước, điều này thể hiện rõ qua các kết quả đo tại vị trí TĐ1 và TĐ2. Trong khi đó, tại các đảo gần bờ thì có trong trung bình, độ trong khoảng 1m, như các điểm TĐ3, TĐ4, TĐ7. Các khu vực xa bờ, đặc biệt là vùng lõi của Di sản vịnh Hạ Long, do ít chịu tác động của các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội nên thường có độ trong lớn hơn, độ trong trung bình khoảng trên 2m, thể hiện qua kết quả đo của các điểm TĐ5, TĐ6 và lân cận.
So sánh kết quả đo độ trong ngày 20/5/2017 với kết quả đo đạc độ trong bằng đĩa Secchi của Ban Quản lý vịnh Hạ Long cùng thời kỳ (quý 2) cho kết quả tương đối tương đồng. Cụ thể, cả hai kết quả đều cho thấy độ trong nước biển có giá trị tăng dần từ bờ ra các vùng biển xa bờ ở vịnh Hạ Long. Các kết quả đo độ trong của nước ở gần bờ khu vực vịnh Hạ Long và vịnh Bái Tử Long của cả các đợt đo đều cho thấy khu vực biển sát bờ nước có độ trong thấp, trong khi đó khu vực xa bờ thuộc vùng lõi khu Di sản vịnh Hạ Long thì nước luôn có độ trong cao.
Hình 2 thể hiện phổ phản xạ của nước vịnh Hạ Long và giá trị độ trong đo bằng đĩa Secchi tương ứng tại mỗi điểm đo. Theo đó phổ phản xạ bề mặt của nước vịnh Hạ Long có: hai vùng giá trị cực đại (peaks) ở dải sóng từ 590mm đến 690mm và xung quanh bước sóng 820nm; hai điểm cực tiểu ở bước sóng 425mm và gần 750mm. Dựa trên phân bố kênh phổ Landsat 8 (hình 2), các kênh phổ tương ứng với vị trí của phổ phản xạ cực đại là kênh 3 (xanh lá) và kênh 4 (đỏ), trong khi các kênh 2 và kênh 1 gần với vị trí cực tiểu đầu tiên của phổ phản xạ mặt nước.
Độ trong của nước đo bằng đĩa Secchi tương quan nghịch với phổ phản xạ thu được của các kênh 3 và kênh 4 của ảnh Landsat 8. So sánhvới một số các kênh phổ và tỷ số phản xạ thường được sử dụng để tính toán độ trong của nước như: phổ phản xạ thu được ở dải sóng xanh lam đậm (deep blue: kênh 1, B1); xanh lam (blue: kênh 2, B2); xanh lục (green, kênh 3, B3); đỏ (red, kênh 3, B3); tỷ số kênh phổ đỏ trên xanh lục (kênh 4/kênh 3, B4/B3) và tỷ số kênh phổ xanh lục trên xanh lam (kênh 3/kênh 2, B3/B2) được thể hiện trong Hình 3. Kết quả so sánh cho thấy độ trong của nước vịnh Hạ Long tương quan cao nhất với phổ phản xạ thu được ở kênh phổ đỏ (kênh 4, B4) ảnh Landsat 8 với hệ số xác định r2= 0,83 (Hình 3d). Do đó, độ trong nước vịnh Hạ Long có thể tính toán được từ ảnh Landsat 8 sử dụng phổ phản xạ bề mặt thu được ở kênh phổ đỏ (kênh 4).
3.2. Phương trình tính toán độ trong nước biển từ ảnh Landsat 8
So sánh kết quả độ trong nước biển quan trắc được quý 1năm 2016 của Ban Quản vịnh Hạ Long và ảnh Landsat 8 chụp vào 02/01/2016 (ứng với quý 1 năm 2016) ở vịnh Hạ Long cho thấy kênh phổ đỏ của ảnh có giá trị tương quan cao nhất với độ trong nước biển (r2 = 0.72, Hình 4.a). Kết quả này một lần nữa khẳng định sự phù hợp của kênh phổ đỏ (kênh 4) của ảnh Landsat 8 cho tính toán độ trong nước biển.
Theo đó, độ trong của nước vịnh Hạ Long có thể được tính toán bằng kênh phổ 4 ảnh Landsat 8 và theo phương trình sau:
trong đó: y là độ sâu thấu quang đo bằng đĩa Secchi (m); x là giá trị phổ phản xạ của ảnh thu được ở kênh 4.
Để kiểm tra độ chính xác của phương trình (1), độ trong của nước vịnh Hạ Long tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 trong 4 quý năm 2015 sử dụng phương trình 1 được so sánh với kết quả quan trắc của Ban Quản lý vịnh Hạ Long [1] có kết quả như sau:
Theo hình 5 có thể thấy độ trong nước biển trung bình được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 có giá trị khá tương đồng với kết quả quan trắc của Ban Quản lý vịnh Hạ Long trong quý 1, 2 và 3 năm 2015. Cụ thể kết quả trung bình độ trong phân tích từ ảnh vệ tinh ở giữa cầu Bãi Cháy (vị trí HL1 ở hình 6) là 1,25m so với kết quả quan trắc của Ban Quản lý là 1,3m chỉ sai khác 3,84%. Hay các vị trí có độ trong cao như ở cảng Hòn Nét (vị trí HL10 hình 6) kết quả độ trong trung bình bằng phương pháp xử lý ảnh vệ tinh là 3,35m trong khi kết quả quan trắc là 3m, sai khác chỉ là 7,69% (đối với quý 1, hình 5a). Tương tự, hình 5b cũng cho thấy độ trong trung bình được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 có độ chính xác cao với kết quả quan trắc của Ban Quản lý vịnh Hạ Long trong quý 2 năm 2015 (sai số là 4,84% ở điểm HL5; 4,79% ở điểm HL10). Các kết quả so sánh này cho thấy việc sử dụng ảnh Landsat 8 hoàn toàn phù hợp và cho kết quả đáng tin cậy trong việc giám sát độ trong của nước vịnh Hạ Long.
3.3. Sự thay đổi độ trong của nước vịnh Hạ Long theo không gian và thời gian
Hình 6 biểu diễn sự phân bố độ trong của nước vịnh Hạ Long được tính toán từ ảnh Landsat 8 và phương trình 1 tại bốn thời điểm chụp ảnh của bốn quý năm 2015. Mức dao động độ trong trong nước biển là từ 0,4m đến 3,5m. Theo không gian, độ trong nước vịnh phân bố không đều và có sự biến đổi rõ rệt theo mùa mưa và mùa khô. Mùa mưa (quý 2 và 3) các khu vực nước biển có độ trong thấp phân bố trải rộng từ các cửa sông, vùng ven bờ ra đến khu vực bảo vệ tuyệt đối của vịnh Hạ Long. Trái lại, vào mùa khô (quý 1 và 4) nước vịnh Hạ Long có độ trong cao trên toàn vịnh, chỉ các khu vực ven bờ và cửa sông như vịnh Cửa Lục, đới ven bờ biển Hạ Long và Bái Tử Long thường xuyên có độ trong thấp, trung bình khoảng từ 0,2 đến 1m. Các khu vực xa bờ ít chịu ảnh hưởng của các hoạt động phát triển như vùng bảo vệ tuyệt đối khu Di sản thế giới vịnh Hạ Long và vùng xa bờ vịnh Bái Tử Long thì có độ trong nước biển thường xuyên cao, trung bình đạt từ 2,5m đến 3,5m.
4. Kết luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy độ trong của nước biển vịnh Hạ Long hoàn toàn có thể tính toán từ độ phản xạ thu được ở kênh phổ đỏ (kênh 4) của ảnh vệ tinh Landsat 8 theo phương trình hồi quy tuyến tính hàm mũ. Bản đồ độ trong nước biển thu được tính toán từ ảnh Landsat 8 cho thấy nước vịnh Hạ Long có thể chia ra thành 3 khu vực theo độ trong: 1) Khu vực vịnh Cửa Lục và vùng ven bờ biển thường xuyên có độ trong thấp dao động từ 0,22m đến 1m; 2) Vùng chuyển tiếp giữa đới ven bờ đến hết phần trung tâm khu Di sản thế giới vịnh Hạ Long có độ trong trung bình dao động từ 1 m đến 2m; 3) Khu vực phía nam khu Di sản thế giới vịnh Hạ Long vẫn duy trì được độ trong nước biển cao dao động từ 3m đến 3,5m, đặc biệt là phần biển phía Đông đảo Cát Bà. Phân bố độ trong nước biển của vịnh Hạ Long biến đổi mạnh theo mùa: thấp trong mùa mưa (quý 2 và 3) và cao trong mùa khô (quý 1 và 4). Khu vực biển ngoài khơi và phía đông đảo Cát Bà độ trong của nước ít có sự thay đổi, phù hợp cho việc nuôi cấy, bảo tồn các loài san hô, cỏ biển.
Đặng Trung Tú(Viện Chiến lược, Chính sách tài nguyên và môi trường)
Nguyễn Thị Thu Hà
(Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQG Hà Nội)Bài viết đã được đăng tại Tạp chí Kinh tế môi trường số 11/2017
Tài liệu tham khảo
1. Ban Quản lý vịnh Hạ Long (2015), Báo cáo hiện trạng môi trường vịnh Hạ Long năm 2015.
2. Carlson, R.E. and J. Simpson, A coordinator’s Guide to Volunteer Lake Monitoring Methods, North American Lake Management Society, No. 1, (1996), 96.
3. Department of the Interior U.S. Geological Survey, Landsat 8 User Guide, 2014.
4. Environmental Protection Agency, https://www.epa.gov/national-aquatic-resource-surveys/indicators-water-clarity, 2010.
5. Le, C.; Hu, C.; Cannizzaro, J.; English, D.; Muller-Karger, F.; Lee, Z. Evaluation of chlorophyll-a remote sensing algorithms for an optically complex estuary. Remote Sens. Environ. 2013, 129, 75–89.
6. Lind, Owen, T, Handbook of Common Methods in Limnology St. Louis:C.V. Mosby Co,1979.
7. Mobley, C.D. Light and Water: Radiative Transfer in Natural Waters; Academic Press: New York, NY, USA, 1994.
8. Mueller, J. L.; Morel, A.; Frouin, R.; Davis, C.; Arnone, R.; Carder, K.; Lee, Z.P.; Steward, R.G.; Hooker, 461 S.; Mobley, C. D.; McLean S.; Holben, B.; Miller, M.; Pietras, C.; Knobelspiesse, K. D.; Fargion, G. S.; 462 Porter, J.; Voss, Ken. Volume III: Radiometric Measurements and Data Analysis Protocols. In Ocean 463 Optics Protocols For Satellite Ocean Color Sensor Validation, Revision 4; Mueller, J. L.; Giulietta, S. F.; 464 McClain C. R.; Eds, Publisher: Goddard Space Flight Space Center, Greenbelt, Maryland, 2003; 465 Volume 3.
9. Turner, D. Remote Sensing of Chlorophyll a Concentrations to Support the Deschutes Basin Lake and Reservoirs TMDLs; Department of Environmental Quality: Portland, OR, USA, 2010.
10. N.T.T. Ha, K. Koike, M.T. Nhuan, B.D. Canh, N.T.P. Thao and M. Parsons, Landsat 8/OLI Two Bands Ratio Algorithm for Chlorophyll-A Concentration Mapping in Hypertrophic Waters: An Application to West Lake in Hanoi (Vietnam),IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, vol. 10, no. 11, pp. 4919-4929, 2017. doi: 10.1109/JSTARS.2017.2739184.