6.1. Ứng dụng tư liệu viễn thám độ phân giải cao và độ phân giải trung bình, đa thời gian kết hợp với mô hình số trị đánh giá và dự báo các dạng tai biến và sự cố môi trường vùng bờ biển Bắc Trung Bộ
Sự kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình số trị đánh giá tai biến môi trường vùng bờ biển Bắc Trung Bộ được thể hiện: công nghệ viễn thám được sử dụng để giám sát và đánh giá hiện trạng các dạng tai biến môi trường vùng bờ biển Bắc Trung Bộ như ô nhiễm môi trường nước, thủy triều đỏ, xói lở, sa bồi bờ biển và nguy cơ suy thoái môi trường nước. Mô hình số trị được sử dụng để mô phỏng quá trình và dự báo các dạng tai biến môi trường vùng bờ biển Bắc Trung Bộ. Dữ liệu viễn thám vừa là số liệu đầu vào vừa là số liệu để kiểm định kết quả của mô hình số trị. Ngược lại kết quả tính toán của mô hình số trị là số liệu để hiệu chỉnh kết quả xử lý dữ liệu viễn thám.
1.1. Bồi tụ, xói lở bờ biển Bắc Trung Bộ
+ Đánh giá hiện trạng bồi tụ, xói lở bờ biển Bắc Trung Bộ sử dụng dữ liệu viễn thám
Biến động đường bờ biển là kết quả của xói lở - bồi tụ cả về chiều ngang lẫn chiều thẳng đứng của bờ biển nên để đánh giá xói lở, bồi tụ bờ biển chính là đánh giá biến động đường bờ biển. Dữ liệu viễn thán được sử dụng để xác định vị trí đường bờ biển (hình 1), công nghệ GIS được dùng để tính toán biến động đường bờ biển, kết cho thấy: Giai đoạn 2007 đến 2017 có chiều dài và diện tích bồi tụ bờ biển lớn nhất so với các giai đoạn khác. Ngược lại, giai đoạn 1975 – 1987 có chiều dài và diện tích bồi tụ bờ biển nhỏ nhất. Trong khi đó, giai đoạn 1997 – 2007 có chiều dài và diện tích xói lở bờ biển nhỏ nhất, nhưng giai đoạn 1975 – 1987 có chiều dài và diện tích xói lở bờ biển lớn nhất. Số lượng đoạn bờ biển biến động tăng dần từ 46 đến 110 đoạn bờ. Quy mô số đoạn bờ bồi tụ ở mức trung bình và nhỏ chiếm đa số trong các giai đoạn, quy mô bồi tụ bờ biển ở mức rất lớn chỉ có 1 đoạn bờ trong giai đoạn 1997 – 2007, riêng quy mô ở mức lớn giai đoạn 1975 – 1987 không có đoạn bờ nào nhưng các giai đoạn khác mỗi giai đoạn có 02 đoạn bờ. Còn quy mô về xói lở, mức trung bình và nhỏ vẫn chiếm đa số trong mỗi một giai đoạn. Mức rất lớn giai đoạn 1997 – 2007 không có, các giai đoạn khác đều có, mức mạnh các giai đoạn đều có. Cường độ số đoạn bờ bồi tụ ở mức trung bình và yếu chiếm đa số trong các giai đoạn. Cường độ bồi tụ ở mức rất mạnh giai đoạn nào cũng có nhưng giai đoạn 1965 – 1975 có số đoạn bờ bồi tụ ở cượng độ rất mạnh là lớn nhất và giai đoạn 1975 – 1987 ít nhất. Cường độ bồi tụ ở mức mạnh thì giai đoạn 1975 – 1987 có số đoạn bờ là ít nhất. Cường độ số đoạn bờ xói lở ở mức mạnh và trung bình chiếm đa số. Cường độ số đoạn bờ ở mức rất mạnh ở giai đoạn nào cũng có, riêng giai đoạn 1975 – 1987 là nhiều nhất.

Hình 1. Bản đồ vị trí đường bờ biển từ xử lý dữ liệu biễn thám tại khu vực cửa Thuận An tỉnh Thừa Thiên – Huế

Từ năm 1965 đến năm 2017, xét chu kỳ 10 năm thì xói lở và bồi tụ bờ biển Lạch Bạng tỉnh Thanh Hóa luân phiên chiếm ưu thế hoặc cân bằng. Giai đoạn 1965 – 1975 xói lở và bồi tụ cân bằng, 10 năm sau xói lở chiến ưu thế, 10 năm tiếp theo bồi tụ chiếm ưu thế, 10 năm tiếp theo trở về cân bằng và 10 năm tiếp theo bồi tụ chiếm ưu thế. Riêng giai đoạn 2007 – 2017, bồi tụ bờ biển chiếm ưu thế tuyệt đối là do hoạt động nhân sinh. Tuy nhiên, nếu loại bỏ những bờ biển bồi tụ do san lấp thì ưu thế vẫn nghiên về bồi tụ. Tại khu vực cửa Thuận An, về tổng thể biến động bồi/xói cửa Thuận An từ năm 1965 đến 2017 thì cân bằng bồi/xói nghiêng về xói lở bờ biển. Xói lở bờ biển cửa Thuận An trong các giai đoạn 1965 – 1975, 1975 – 1987, 1987 – 1997 và 1997 – 2007 chiếm ưu thế cả về diện tích và chiều dài đoạn bờ. Xu hướng cửa Thuận An dịch chuyển lên phía bắc (phía xã Hải Dương huyện Hương Trà). Ngược lại, giai đoạn 2007 – 2017, bồi tụ lại chiếm ưu thế cả về diện tích lẫn chiều dài đoạn bờ. Xu thế bồi tụ giai đoạn này phân chia đều về hai phía của cửa Thuận An (xã Hải Dương và thị trấn Thuận An).

Hình 2. Kết quả dự báo bồi tụ - xói lở bờ biển Bắc Trung Bộ theo các kịch bản khác nhau

+ Dự báo biến động bồi tụ, xói lở bờ biển Bắc Trung Bộ bằng mô hình số trị
Các kết quả tính toán mô phỏng cho thấy đặc điểm phân bố, vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy khu vực ven bờ Bắc Trung Bộ phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện sóng, gió, thủy triều và nguồn bùn cát từ lục địa đưa ra. Trong đó xu hướng chung là dòng bùn cát di chuyển về phía nam, tây nam và đông nam trong cả mùa gió đông bắc và gió tây nam. Trong mùa gió tây nam, xu thế bồi tụ chiếm ưu thế. Ngược lại, vào mùa gió đông bắc, hiện tượng xói xảy ra mạnh ở vùng bờ phía nam khu vực Bắc Trung Bộ. Các kết quả tính toán mô phỏng cho thấy sự suy giảm dòng bùn cát từ sông đưa ra ven bờ nhưng dòng bùn cát dọc bờ vẫn tiếp tục tăng lên. Đây là biểu hiện rõ rệt nhất của sự xuất hiện và tăng cường phạm vi các vùng xói lở do ảnh hưởng của suy giảm dòng nước và bùn cát từ lục địa đưa ra vùng ven bờ khu vực này. Nước biến dâng do biến đổi khí hậu cũng gây ra những ảnh hưởng tương tự như làm tăng mạnh dòng bùn cát vận chuyển dọc bờ, tăng cường xói lở ở vùng bờ phía Nam từ Quảng Bình đến Thừa Thiên Huế (hình 2).
1.2. Thủy triều đỏ vùng bờ biển Bắc Trung Bộ
+ Giám sát thủy triều đỏ vùng bờ biển Bắc Trung Bộ bằng dữ liệu viễn thám
Các thuật toán RBD và ABI hiệu quả hơn cho phát hiện nở hoa tảo ở vùng nước nông và đặc điểm quang học phức tạp ven bờ. Thuật toán RI tỏ ra hiệu quả cho phát hiện thủy triều đỏ ở vùng biển Hàn Quốc với ảnh vệ tinh SeaWiFS, nhưng kém hiệu quả cho phát hiện thủy triều đỏ và nở hoa tảo từ ảnh vệ tinh MODIS ở vùng ven biển Bắc Trung Bộ. Dữ liệu ảnh vệ tinh có độ phân giản không gian cao như Sentinel-2 khá hiệu quả cho phát hiện nở hoa tảo bằng quan sát tổ hợp màu và hàm lượng Chl-a tính toán từ các kênh phổ. Kết quả phát hiện nở hoa tảo khá trùng khớp với thông tin về thủy triều đỏ do ngư dân và báo chí cung cấp vào tháng giêng đến tháng 5 các năm 2017 và 2018. Dữ liệu ảnh vệ tinh độ phân giản không gian trung bình đến cao đã phát hiện các đợt bùng phát tảo nở hoa trên các vùng biển rộng lớn ven bờ cũng như kết tụ thành các dải tảo ở ngoài khơi. Các vùng biển như Nghi Sơn, Vũng Áng, Vụng Chùa, Cửa Tùng, Thuận An, Chân Mây, Lăng Cô thường xuyên phát hiện nở hoa tảo từ ảnh vệ tinh cũng như phản ánh từ ngư dân và báo chí.

Hình 3. Tổ hợp màu thật (trái) và chỉ số ABI (phải) của ảnh vệ tinh Sentinel-2 thu ngày 22 tháng 3 năm 2017 khu vực ven bờ từ Quảng Trị và bắc Thừa Thiên - Huế. Khu vực mầu đỏ là vị trí xuất hiện thủy triều đỏ

+ Mô phỏng và dự báo xuất hiện thủy triều đỏ vùng bờ biển Bắc Trung Bộ
Kết quả tính toán của mô hình số trị mô phỏng thủy triều đỏ đã được thực hiện dựa trên đặc điểm phân bố hàm lượng Chl-a trong khu vực ven biển Bắc Trung Bộ thông qua phân tích Getis-ord với trị số Z. Trong đó, sự nở hoa của tảo có thể xuất hiện ở vùng ven bờ lẫn vùng ngoài khơi vào các tháng 2, 4, 5 năm 2018, 2019. Cụ thể như sau: Thứ nhất, đó là các đợt xuất hiện thủy triều đỏ vào tháng 2 năm 2018 ở vùng ven biển Quảng Trị đến vùng ven biển tình Thừa Thiên Huế; và khu vực Chân Mây trong thời điểm cuối tháng 4/2018; và toàn dải ven bờ Bắc Trung bộ ở đầu tháng 5/2018. Thứ hai, trong năm 2019 dấu hiệu bùng phát về mật độ của tảo cũng được thể hiện qua nhũng vùng có hàm lượng Chl-a tập trung cao so với hàm lượng Chl-a nền hoặc các khu vực lân cân, xung quanh, điển hình là các khu vực: dọc ven biển tỉnh Thanh Hóa đến vùng ven biển huyện Cẩm Xuyên, tỉnh Hà Tĩnh, hay khu vực dải ven biển huyện Phú Vang đến ven bờ huyện Phú Lộc, tỉnh Thừa Thiên Huế (vào tháng giữa tháng 2/2019); khu vực phía ngoài khơi từ vùng ven bờ huyện Kỳ Anh và Quảng Trạch (vào đầu tháng 4/2019) và cuối tháng 4/2019 là dải ven bờ biển huyện Tĩnh Gia đến dải ven bờ biển huyện Kỳ Anh, tỉnh Hà Tĩnh, đặc biệt biểu hiện này thể hiện rõ nhất ở dải ven bờ từ huyện Quỳnh Lưu đến ven bờ huyện Kỳ Anh.
1.3. Nguy cơ ô nhiễm môi trường nước do hoạt động công nghiệp
+ Giám sát chất lượng môi trường nước vùng bờ biển Bắc Trung Bộ bằng dữ liệu viễn thám
Kết quả xử lý ảnh Landsat-8 và Sentinel-2 xác định phân bố hàm lượng Chl-a, SPM và CDOM theo thuật toán thực nghiệm cho thấy: Tại những vùng cửa sông và gần bờ hàm lượng SPM khá cao (dao động từ 50 đến 150mg/l). Riêng vùng biển Thanh Hóa tiếp giáp với tỉnh Ninh Bình, hàm lượng SPM rất cao về mừa mưa (trên 200mg/l). Tại các vùng cửa sông lớn của khu vực như cửa Hới, Hội, Gianh, Nhật Lệ, Tùng và Việt về mừa mưa hàm lượng SPM cũng tương đối cao (từ 150 đến 200mg/l). Đối với vùng xa bờ hàm lượng SPM không cao (dao động từ 5 đến 30mg/l) kể cả mùa mưa và mùa khô. Hàm lượng Chl-a thường cao ở vùng cửa sông và gần bờ biển (dao động từ 3 đến 6mg/l) trong cả hai mùa khô và mưa. Các khu vực thường có hàm lượng Chl-a cao gồm vùng biển vịnh Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa, Hoàng Mai tỉnh Nghệ An, Vũng Áng tỉnh Hà Tĩnh, dọc ven bờ từ Quảng Bình đến Thừa Thiên - Huế. Đặc biệt đối với hai khu vực kết quả tính cho thấy tần xuất phát hiện phân bố hàm lượng Chl-a cao là khu vực ven bờ Kỳ Anh tỉnh Hà Tĩnh và cửa Thuận An tỉnh Thừa Thiên - Huế trong cả hai mùa khô và mưa. Hàm lượng CDOM phân bố thường cao ở vùng cửa sông và gần bờ trong cả hai mùa, vùng xa bờ hàm lượng CDOM nhỏ.
+ Dự báo nguy cơ ô nhiễm môi trường nước do hoạt động công nghiệp tại vùng bờ biển Bắc Trung Bộ
Kết quả tính toán mô phỏng chất lượng nước khu vực ven bờ Nghi Sơn và Vũng Áng theo các kịch bản cho thấy: Khi tăng nguồn ô nhiễm từ lục địa (xả thải từ các khu công nghiệp chưa qua xử lý) thì nguy cơ ô nhiễm môi trường nước là rất cao không chỉ diễn ra tại vùng bờ biển Nghi Sơn và Vũng Áng mà còn diễn ra hầu như toàn bộ vùng bờ biển Bắc Trung Bộ. Các thông số COD, BOD, NH3, NH4, NO3, PO4 sẽ tăng cao nhất và vượt giới hạn cho phép khi xuất hiện các xả thải chưa qua xử lý từ các khu công nghiệp.

Hình 4. Dự báo phân bố hàm lượng COD khi mất kiểm soát nguồn thải trong mùa gió tây nam tại khu vực Nghi Sơn tỉnh Thanh Hóa

2. Quy trình ứng dụng dữ liệu viễn thám giám sát tai biến môi trường vùng bờ biển
- Quy trình ứng dụng dữ liệu viễn thám giám sát biến động bờ biển gồm 5 bước: Bước 1 là thu thập các dữ liệu viễn thám có thời gian thu khác nhau; Bước 2 là tiền xử lý dữ liệu viễn thám (hiệu chỉnh hình học, khí quyển và tăng cường chất lượng ảnh); Bước 3 là tách triết vị trí đường bờ biển tại các thời điểm khác nhau; Bước 4 là tính toán các thông số biến động (chiều dài, diện tích, tốc độ trung bình); Bước 5 là xây dựng bản đồ và đánh giá biến động.
- Quy trình ứng dụng dữ liệu viễn thám giám sát thủy triều đỏ gồm 6 bước: Bước 1 là thu thập dữ liệu; Bước 2 là khảo sát thực địa; Bước 3 là tiền xử lý ảnh viễn thám (hiệu chỉnh hình học và khí quyển, loại bỏ ảnh hưởng của mây); Bước 4 là xác định các thuật toán sử dụng; Bước 5 là xử lý ảnh viễn thám theo các thuật toán; Bước 6 là đánh giá kết quả, lập bản đồ phân bố thủy triều đỏ và viết báo cáo kết quả.
- Quy trình ứng dụng dữ liệu viễn thám giám sát chất lượng môi trường nước gồm 5 bước: Bước 1 là thu thập ảnh vệ tinh phù hợp; Bước 2 là tiền xử lý ảnh (hiệu chỉnh hình học, khí quyển, loại bỏ che phủ của mây và bóng mây, loại bỏ ảnh hưởng của mặt đất); Bước 3 là tính toán hàm lượng Chl-a, SPM, CDOM; Bước 4 là kiểm định kết quả; Bước 5 là lập bản đồ và xây dựng báo cáo kết quả.
3. Cơ sở dữ liệu GIS và trang thông tin điện tử
Cơ sở dữ liệu GIS về viễn thám và tai biến môi trường vùng bờ biển Bắc Trung Bộ và trang thông tin điện tự được xây dựng đơn giản, dễ tra cứu trên các thiết bị kết nối internet để chia sẻ với cộng đồng khoa học và các nhà quản lý về kết quả nghiên cứu của đề tài. Cơ sở dữ liệu GIS được tích hợp vào trang thông tin điện tử và được cài đặt vào công thông tin điện tử của Viện Tài nguyên và Môi trường biển (http://www.imer.ac.vn).

Hình 5. Giao diện trang thông tin điện tử

4. Công bố
4.1. Bài báo trên các tạp chí quốc tế trong hệ thống ISI
[1]. Dinh Ngoc Dat, Hubert Loisel, Lucile Duforêt Gaurier, Cedric Jamet, Vincent Vantrepotte, Clemence Goyens, Huy Chu Xuan, Ngoc Nguyen Minh and Thao Nguyen Van (2019), Atmospheric correction algorithm over coastal and inland waters based on the red and NIR bands: application to Landsat-8/OLI and VNREDSat-1/NAOMI observations, Optics Express, Volume 27, No. 22/28, pp. 31676 – 31697.
[2]. Dat Dinh Ngoc, Hubert Loisel, Vincent Vantrepotte, Huy Chu Xuan, Ngoc Nguyen Minh, Charles Verpoorter, Xavier Meriaux, Hanh Pham Thi Minh, Huong Le Thi, Hai Le Vu Hong and Thao Nguyen Van (2020), A Simple Empirical Band-Ratio Algorithm to Assess Suspended Particulate Matter from Remote Sensing over Coastal and Inland Waters of Vietnam: Application to the VNREDSat-1/NAOMI Sensor, Water 2020, 12, 2636; doi:10.3390/w12092636.
4.2. Các báo cáo trên tạp chí trên tạp chí trong nước
[1]. Nguyễn Văn Thảo, Trần Văn Điện (2019), Giám sát thủy triều đỏ bằng tư liệu viễn thám ở vùng biển Bắc Trung Bộ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển, Tập 19, Số 3A, trang 141 – 152.
[2]. Vũ Duy Vĩnh, Nguyễn Minh Hải, Nguyễn Văn Thảo (2019), Mô hình 3 chiều (3D) mô phỏng điều kiện dòng chảy và sóng ven bờ khu vực Bắc Trung Bộ, Tạp chí Khoa học và Công nghệ biển, Tập 19, Số 3A, trang 49 – 62.
[3]. Cao Thi Thu Trang, Dinh Hai Ngoc, Nguyen Van Thao (2020), Assessment of pollution load from industrial activities of Nghi Son Economic Zone (Thanh Hoa province), Vietnam Journal of Marine Science and Technology; Vol. 20, No. 3; 2020: 297–308.
[4]. Nguyen Minh Hai, Vu Duy Vinh (2021), Impact Simulation of Organic and Nutrient Pollutants From Nghi Son Economic Zone to Thanh Hoa Coastal Waters, Vietnam Journal of Marine Science and Technology, Vol. 21, No. 1; 2021:
4.3. Tuyển tập báo cáo khoa học
[1]. Vũ Duy Vĩnh, Nguyễn Minh Hải (2019), Mô phỏng đặc điểm vận chuyển bùn cát và biến động địa hình đáy ven bờ khu vực Bắc Trung Bộ, Tuyển tập báo cáo Khoa học Hội nghị Địa chất biển toàn quốc Lần thứ 3, trang 256 – 268.
5. Kết quả tham gia đào tạo
- Hỗ trợ 02 nghiên cứu sinh: Vũ Duy Vĩnh bảo vệ thành công luận án tại Trường Đại học Việt – Pháp năm 2018 chuyên ngành Nước – Môi trường – Hải dương học; Đỗ Thị Thu Hương bảo vệ thành luận án tại Đại học Khoa học Tự nhiên năm 2020 chuyên ngành Môi trường đất và nước.
- Đào tạo 01 Thạc sỹ: Phạm Huyền Trang với chuyên ngành Hải dương học vật lý bảo vệ thành công luận văn tại Đại học Khoa học Tự nhiên năm 2020.
6. Tình hình chuyển giao công nghệ
Đã tập huấn và chuyển giao kết quả nghiên cứu của đề tài cho các sở Khoa học và Công nghệ, Sở Tài nguyên và Môi trường 6 tỉnh Bắc Trung Bộ. Kết quả của đề tài được các Sở tham khảo và kế thừa phục vụ công tác lập hành lang bảo vệ bờ biển, quản lý tổng hợp bờ biển, quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, phòng chống thiên tai.

Hình 6. Hoạt động tập huấn và chuyển giao kết quả nghiên cứu

7. Kết quả của đề tài được lưu trữ tại
- Trung tâm Tính toán, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam;
- Văn phòng Chương trình KHCN Vũ trụ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt nam;
- Cục thông tin khoa học và công nghệ Quốc gia.