Luận văn Ứng dụng GIS trong quản lý chất lượng nguồn nước mặt thành phố Cần Thơ

Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận văn, chúng tôi đã nhận được sự hỗ trợ và động viên rất nhiều từ gia đình, thầy cô và các bạn. Nay những khó khăn đã qua, luận văn đã được hoàn thành. Với lòng biết ơn sâu sắc chúng tôi xin chân thành gửi lời cám ơn đến: Cha mẹ - những người đã không quản khó khăn, gian khổ nuôi dưỡng chúng con trong suốt thời gian dài học tập. Là chỗ dựa tinh thần cũng như vật chất cho chúng con trong những lúc khó khăn nhất. Thầy Nguyễn Hiếu Trung đã tận tình hướng dẫn, định hướng giúp chúng em giải quyết khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Quý thầy cô Khoa Môi Trường & Tài Nguyên Thiên Nhiên, trường Đại học Cần Thơ đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những dạy dỗ và truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báo trong suốt thời gian dài học. Anh Đoàn Thanh Tâm, Sở Khoa học và Công nghệ TP.Cần Thơ. Ban lãnh đạo cùng với anh em công ty Cấp Thoát nước TP. Cần Thơ đã nhiệt tình giúp đỡ, cung cấp số liệu giúp chúng em có thêm nhiều thông tin bổ ích cho luận văn. Tập thể lớp Kỹ Thuật Môi Trường K32 – những người bạn đã đồng hành và chia sẻ những khó khăn với chúng tôi trong suốt bốn năm dài trên giảng đường đại học. Dù đã có rất nhiều cố gắng, song trong quá trình thực hiện luận văn không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp quý báo của quý Thầy cô và các bạn để luận văn được hoàn thiện hơn. Cần Thơ, tháng 04 năm 2010 Sinh viên thực hiện Cao Ngọc Tuyết Trinh Nguyễn Thị Kim Xuyến SVTH: Cao Ngọc Tuyết Trinh – Nguyễn Thị Kim Xuyến Trang i Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung TÓM TẮT ĐỀ TÀI Trong những năm gần đây, môi trường nước phải đối mặt với nhiều tác nhân gây ô nhiễm nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khách quan (thiên tai, lũ lụt...), lẫn chủ quan (hoạt động của con người: nông nghiệp, công nghiệp, giao thông vận tải...). Thiếu nước sạch gây ra nhiều bệnh tật đe dọa tính mạng hàng tỷ người trên Trái Đất. Do đó, việc kiểm soát, quản lý và xử lý chất lượng môi trường nước là điều cần thiết. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) đã được công nhận là một hệ thống với nhiều lợi ích không chỉ trong các công tác thu thập đo đạc địa lý mà còn trong các công tác điều tra tài nguyên thiên nhiên, phân tích hiện trạng và dự báo xu hướng diễn biến môi trường. Chính nhờ những khả năng này mà công nghệ GIS đã được đón nhận và áp dụng trong các cơ quan nghiên cứu cũng như quản lý ở nước ta. Để hỗ trợ phần nào công việc quản lý chất lượng nguồn nước mặt ở thành phố Cần Thơ chúng tôi đã chọn thực hiện đề tài: “Ứng dụng GIS trong quản lý chất lượng nguồn nước mặt thành phố Cần Thơ”. Nội dung thực hiện bao gồm: 9 Thu thập thông tin, dữ liệu liên quan đến chất lượng nguồn nước mặt thành phố Cần Thơ. 9 Xây dựng các lớp cơ sở dữ liệu. 9 Số hóa bản đồ nền thành phố Cần Thơ. 9 Tạo tập tin Mapfile, liên kết đưa những dữ liệu về chất lượng nguồn nước mặt thành phố Cần Thơ lên WebGIS. Kết quả đạt được: 9 Tạo cơ sở dữ liệu về chất lượng nguồn nước mặt. 9 Xây dựng các công cụ hỗ trợ người dùng như: tìm kiếm, tạo bản đồ chuyên đề, thống kê dữ liệu, vẽ đồ thị. 9 Xây dựng trang WebGIS “ Thông tin chất lượng nguồn nước mặt thành phố Cần Thơ” với những công cụ hỗ trợ việc tìm kiếm thông tin. Đề tài được thực hiện tại khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên, thành phố Cần Thơ. SVTH: Cao Ngọc Tuyết Trinh – Nguyễn Thị Kim Xuyến Trang ii Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung MỤC LỤC Lời cảm ơn ...................................................................................................................... i Tóm tắt đề tài ................................................................................................................. ii Mục lục..........................................................................................................................iii Danh sách bảng ............................................................................................................vii Danh sách hình............................................................................................................viii Danh sách phụ lục ........................................................................................................xii Danh mục từ viết tắt ....................................................................................................xiv CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU................................................................................................ 1 1.1. Tính cấp thiết của đề tài..................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu của đề tài............................................................................................. 1 1.2.1. Mục tiêu trước mắt.................................................................................... 1 1.2.2. Mục tiêu lâu dài......................................................................................... 2 1.3. Địa điểm và thời gian thực hiện......................................................................... 2 1.3. Nội dung chính của đề tài .................................................................................. 2 CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU .................................................................... 4 2.1. Tổng quan về GIS.............................................................................................. 4 2.1.1. Khái niệm về GIS...................................................................................... 4 2.1.2. Các thành phần của GIS............................................................................ 5 2.1.3. GIS làm việc như thế nào?........................................................................ 6 2.1.4. Các nhiệm vụ của GIS .............................................................................. 6 2.1.5. Ứng dụng GIS trong các lĩnh vực quản lý tài nguyên môi trường ........... 9 2.1.5.1. Quản lý tài nguyên thiên nhiên....................................................... 10 2.1.5.2. Quản lý và quy hoạch môi trường.................................................. 11 2.1.5.3. Ứng dụng của GIS trong đánh giá tác động môi trường ................ 12 2.1.5.4. Giám sát và dự báo các sự cố môi trường ...................................... 13 2.2. Sơ lược về WebGIS......................................................................................... 15 2.2.1. Khái niệm WebGIS................................................................................. 15 2.2.2. Mô hình hoạt động WebGIS ................................................................... 15 SVTH: Cao Ngọc Tuyết Trinh – Nguyễn Thị Kim Xuyến Trang iii Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung 2.2.3. Kiến trúc WebGIS................................................................................... 15 2.2.4. Chức năng WebGIS ................................................................................ 16 2.2.4.1. Chức năng hiển thị.......................................................................... 16 2.2.4.2. Chức năng phân tích và thiết kế ..................................................... 16 2.2.5. Một số WebGIS minh họa................................................................. 16 2.2.6. Tiềm năng của WebGIS .................................................................... 17 CHƯƠNG 3: HIỆN TRẠNG CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC THÀNH PHỐ CẦN THƠ.......................................................................................................... 19 3.1. Tổng quan thành phố Cần Thơ ........................................................................ 19 3.1.1. Điều kiện tự nhiên................................................................................... 19 3.1.1.1. Vị trí địa lý...................................................................................... 19 3.1.1.2. Địa hình, sông rạch......................................................................... 19 3.1.1.3. Khí tượng........................................................................................ 20 3.1.2. Điều kiện kinh tế - xã hội........................................................................ 23 3.2. Hiện trạng chất lượng nguồn nước mặt tại thành phố Cần Thơ ...................... 24 3.2.1 Các nguyên nhân ô nhiễm nước mặt ở thành phố Cần Thơ..................... 24 3.2.2. Diễn biến chất lượng nguồn nước theo các chỉ tiêu ô nhiễm.................. 24 3.2.2.1. pH ................................................................................................... 24 3.2.2.2. Chất hữu cơ (COD) ........................................................................ 25 3.2.2.3. Chất rắn lơ lửng (SS)...................................................................... 26 3.2.3.4. Sắt (Fetc) ......................................................................................... 26 3.2.2.5. Nitrit (NO2-N) ................................................................................ 27 3.2.2.6. Amoni (NH4+-N) ............................................................................ 27 3.2.2.7. Vi sinh (Coliform) .......................................................................... 28 CHƯƠNG 4: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN.................... 29 4.1. Phương tiện thực hiện...................................................................................... 29 4.2. Phương pháp thực hiện.................................................................................... 29 4.2.1. Thiết kế sơ bộ hệ thống quản lý chất lượng nguồn nước mặt................. 29 4.2.1.1. Thiết kế sơ đồ tổng quan ................................................................ 30 4.2.1.2. Thiết kế sơ đồ chi tiết ..................................................................... 32 SVTH: Cao Ngọc Tuyết Trinh – Nguyễn Thị Kim Xuyến Trang iv Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung 4.2.2. Thiết lập mối quan hệ giữa các phần tử dữ liệu...................................... 48 4.2.3. Thiết kế cấu trúc dữ liệu các lớp............................................................. 50 4.2.4. Số hóa bản đồ .......................................................................................... 54 4.2.4.1. Đăng ký bản đồ............................................................................... 54 4.2.4.2. Số hóa bản đồ từ ảnh quét .............................................................. 57 4.2.5. Nhập dữ liệu vào bản đồ ......................................................................... 59 4.2.5.1. Nạp qua cửa sổ Browser................................................................. 59 4.2.5.2. Nạp dữ liệu bằng Info Tool: ........................................................... 60 4.2.5.3. Nạp dữ liệu bằng lệnh Update Column:......................................... 60 4.2.6. Truy xuất dữ liệu, thông tin liên quan đến chất lượng nước mặt............ 61 4.2.6.1. Truy vấn dữ liệu đơn giản ............................................................. 61 4.2.6.2. Truy xuất dữ liệu dạng phức tạp (SQL) ......................................... 61 4.2.6.3. Tìm kiếm dữ liệu thuộc tính ........................................................... 62 4.2.7. Tạo bản đồ chuyên đề ............................................................................. 62 4.2.8. Vẽ biểu đồ, đồ thị .................................................................................... 65 4.2.9. Liên kết dữ liệu lên Web......................................................................... 66 4.2.9.1. Chuyển đổi dữ liệu ......................................................................... 68 4.2.9.2. Tạo tập tin Map .............................................................................. 69 4.2.9.3. Tạo biểu đồ trên Web ..................................................................... 72 4.2.9.4. Thiết kế giao diện Web .................................................................. 73 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................ 75 5.1. Xem thông tin trên bản đồ ............................................................................... 75 5.2. Tìm kiếm vị trí ô nhiễm................................................................................... 76 5.2.1. Theo chỉ tiêu ô nhiễm ............................................................................. 76 5.2.2. Theo chỉ tiêu ô nhiễm thuộc vùng........................................................... 78 5.3. Tìm kiếm vị trí lấy mẫu ................................................................................... 78 5.4. Vẽ biểu đồ........................................................................................................ 79 5.5. Thống kê dữ liệu.............................................................................................. 81 5.6. Tìm kiếm vị trí cống ........................................................................................ 82 5.6.1. Theo đường kính ..................................................................................... 82 SVTH: Cao Ngọc Tuyết Trinh – Nguyễn Thị Kim Xuyến Trang v Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung 5.6.2. Theo khu vực .......................................................................................... 82 5.6.3. Theo tuyến đường giao thông ................................................................. 83 5.7. Tạo bản đồ chuyên đề...................................................................................... 83 5.8. WebGIS “Thông tin chất lượng nguồn nước mặt thành phố Cần Thơ”.......... 95 5.8.1. Xem bản đồ ............................................................................................. 97 5.8.2. Xem thông tin trên bản đồ ...................................................................... 99 5.8.3. Tìm kiếm vị trí trên bản đồ ................................................................... 100 5.8.4. Phóng to, thu nhỏ bản đồ ...................................................................... 101 5.8.5. Bản đồ chuyên đề theo các chỉ tiêu....................................................... 102 5.8.6. Xem chú giải ......................................................................................... 104 5.8.7. Thêm lớp bản đồ ................................................................................... 104 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................... 106 6.1. Kết luận.......................................................................................................... 106 6.1.1. Kết quả đạt được ................................................................................... 106 6.1.2. Những tồn tại ........................................................................................ 107 6.2. Kiến nghị ....................................................................................................... 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................. 108 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 110 SVTH: Cao Ngọc Tuyết Trinh – Nguyễn Thị Kim Xuyến Trang vi Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1: Diễn biến nhiệt độ không khí 10 năm...................................................... 20 Bảng 3.2: Diễn biến độ ẩm không khí 10 năm......................................................... 21 Bảng 3.3: Diễn biến số giờ nắng trong 10 năm........................................................ 21 Bảng 3.3: Diễn biến lượng mưa 10 năm .................................................................. 22 Bảng 3.5: Tổng sản phẩm trên địa bàn theo giá trị hiện hành.................................. 23 Bảng 4.1: Các thành trong sơ đồ hệ thống ................................................................ 30 Bảng 4.2: Cấu trúc dữ liệu lớp phường .................................................................... 50 Bảng 4.3: Cấu trúc dữ liệu lớp quận, huyện............................................................. 50 Bảng 4.4: Cấu trúc dữ liệu lớp sông, rạch................................................................ 51 Bảng 4.5: Cấu trúc dữ liệu lớp đường giao thông.................................................... 51 Bảng 4.6: Cấu trúc dữ liệu lớp cống thoát nước ...................................................... 51 Bảng 4.7: Cấu trúc dữ liệu lớp nguồn thải ............................................................... 52 Bảng 4.8: Cấu trúc dữ liệu lớp miệng xả ................................................................. 52 Bảng 4.9: Cấu trúc dữ liệu lớp trạm bơm................................................................. 53 Bảng 4.10: Cấu trúc dữ liệu lớp trạm xử lý.............................................................. 53 Bảng 4.11: Cấu trúc dữ liệu lớp trạm thu gom nước thải.......................................... 53 Bảng 4.12: Cấu trúc dữ liệu lớp cao trình ................................................................. 54 Bảng 4.13: Cấu trúc dữ liệu lớp vị trí đo đạc ............................................................ 54 SVTH: Cao Ngọc Tuyết Trinh – Nguyễn Thị Kim Xuyến Trang vii Luận văn tốt nghiệp CBHD: Ts. Nguyễn Hiếu Trung DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1. Mô hình lưu trữ dữ liệu không gian ............................................................ 5 Hình 2.2: Vùng đệm kiểu điểm ................................................................................... 7 Hình 2.3: Vùng đệm kiểu đường................................................................................. 7 Hình 2.4: Phân tích chồng xếp .................................................................................... 8 Hình 2.5: Quan hệ giữa những nhiệm vụ của GIS ...................................................... 8 Hình 2.6: Mô hình hoạt động WebGIS ..................................................................... 15 Hình 2.7: Cấu trúc hệ thống Webmapping................................................................ 16 Hình 2.8: WebGIS Bất động sản trực tuyến.............................................................. 16 Hình 2.9: WebGIS NSW Natural Resource ATLAS ............................................... 17 Hình 2.10: Website Thành phố Hồ Chí Minh ........................................................... 17 Hình 3.1: Biểu đồ diễn biến nhiệt độ không khí 10 năm .......................................... 20 Hình 3.4: Diễn biến độ ẩm không khí 10 năm .......................................................... 21 Hình 3.3: Biểu đồ diễn biến số giờ nắng trong năm ................................................. 22 Hình 3.4: Biểu đồ diễn biến lượng mưa 10 năm ...................................................... 22 Hình 3.5: Biểu đồ diễn biến pH của nước mặt 1999-2008........................................ 25 Hình 3.6: Biểu đồ diễn biến COD trong nước mặt 1999-2008 ................................ 25 Hình 3.7: Biểu đồ diễn biến chất rắn lơ lửng trong nước mặt 1999-2008 ................ 26 Hình 3.8: Biểu đồ diễn biến hàm lượng sắt tổng trong nước mặt 1999-2008........... 26 Hình 3.9: Biểu đồ diễn biến nitrit trong nước mặt 1999-2008.................................. 27 Hình 3.10: Biểu đồ diễn biến Amoni trong nước mặt 1999-2008 ............................ 27 Hình 3.11: Biểu đồ diễn biến Coliform trong nước mặt 1999-2008......................... 28 Hình 4.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống quản lý chất lượng nước mặt TP Cần Thơ...... 31 Hình 4.2: Sơ đồ cấp 1 hệ thống quản lý chất lượng nước mặt TP Cần Thơ