DÂY LƯNG & VÍ DA CHẤT LƯỢNG CAO THƯƠNG HIỆU H2


ỨNG DỤNG REMOTE SENSING & GIS ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG KHAI THÁC THAN LỘ THIÊN TỚI ĐỊA HÌNH VÀ ĐƯỜNG BỜ BIỂN VÙNG CẨM PHẢ - CỬA ÔNG

Tóm tắt: Hoạt động khai thác than tại vùng Cẩm Phả - Cửa Ông đã tác động rất lớn đến môi trường trong vùng. Có khá nhiều các nghiên cứu về vùng này đã đề cập tới vấn đề trên, nhưng việc ứng dụng hệ thông tin địa lý và viễn thám trong nghiên cứu tác động môi trường liên quan tới khai thác than còn ở mức hạn chế.
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tác động của khai thác than lộ thiên tới địa hình và đường bờ bằng việc phân tích các tư liệu viễn thám năm 1969, 1993 và 2001. Việc luận giải bằng mắt thường được kết hợp với các phương pháp xử lý số nhằm có được kết quả chính xác nhất. Phương pháp nghiên cứu trình bày trong bài báo có thể áp dụng ở những vùng khai thác than khác ở nước ta.



I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hoạt động khai thác than trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh đã tác động rất lớn tới môi trường khu vực, trong đó có sự biến đổi địa hình, đặc biệt là từ những cuối những năm 1960 khi hoạt động khai thác được mở rộng [Đặng Văn Bát, 1999, Lưu trữ Đại học MĐC; Ngô Phúc Hưng và nnk, 1990, Lưu trữ Bộ Công nghiệp]. Các bãi thải và diện tích đổ thải ngày càng phát triển, việc bồi lấp sông suối và bãi biển trong vùng diễn ra với tốc độ nhanh. Các nghiên cứu có trước về tác động do khai thác than tới môi trường tại vùng nghiên cứu đã đề cập tới vấn đề nêu trên. Tuy nhiên việc xử lý ảnh viễn thám và phân tích thông tin trên hệ thông tin địa lý (GIS) liên quan tới ảnh hưởng của khai thác than tới địa hình mới chỉ được áp dụng trong khoảng thời gian gần đây và còn hạn chế ở việc phân tích ở từng thời điểm riêng biệt.
Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của khai thác than lộ thiên tới biến động địa hình bằng tư liệu viễn thám và GIS trên khía cạnh biến động cao trình của mỏ, diện tích bãi thải và đường bờ biển ở thị trấn Cẩm Phả - Cửa Ông. Việc kết hợp viễn thám và GIS nhằm định lượng các biến động địa hình và đường bờ tại vùng nghiên cứu là một hướng tiếp cận mới nhằm nâng cao khả năng đánh giá tình hình môi trường vùng khai thác than.
II. VÙNG VÀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU
Phạm vi và dữ liệu vùng nghiên cứu
Vùng nghiên cứu Cẩm Phả - Cửa Ông thuộc bể than Quảng Ninh (Hình 1).
Dữ liệu viễn thám được thể hiện trong bảng 1. Dữ liệu GIS bao gồm các lớp thông tin về địa hình, thủy văn, giao thông, điểm độ cao tỷ lệ 1:25000. Nguồn dữ liệu khác lấy từ Chương trình 364, Văn phòng Chính phủ hoàn thành năm 2000. Dữ liệu thực địa do tác giả thực hiện tháng 4/2003 với 15 điểm khảo sát và 90 ảnh chụp.
Các dữ liệu trên đều được xử lý đưa về hệ tọa độ Gauss Pulkovo 1942 Múi 18 đảm bảo thống nhất về tọa độ, góp phần nâng cao độ chính xác của kết quả.


Bảng 1. Dữ liệu viễn thám sử dụng trong nghiên cứu

Loại tư liệu viễn thám
Tên ảnh / ký hiệu ảnh
Thời gian chụp
Tỷ lệ hoặc độ
phân giải không gian
Ảnh máy bay
B6-12-1969
 12/1969
1 : 25 000
F5-93
 5 /1993
1 : 20 000
Ảnh vệ tinh
Ảnh LandSat 7 (Path 125, Row 45)
16/11/ 2001
30 m (ảnh đa phổ)
15 m (ảnh toàn sắc)


III. CÁCH TIẾP CẬN NGHIÊN CỨU
Trong hoạt động khai thác than, các tác động địa chất của con người vào địa hình bao gồm các yếu tố chính là phá hoại cơ học, vận chuyển vật liệu tạo nên các địa hình âm - moong khai thác và địa hình dương -bãi thải. Bãi thải than, vật liệu thải trong quá trình sàng tuyển cung cấp nguồn vật liệu và góp phần gia tăng hiện tượng lắng đọng trầm tích tại các sông suối, bồi lấp kênh mương, gây biến đổi đường bờ [Đặng Văn Bát, 1999, Lưu trữ Đại học MĐC].
Kết quả của các tác động này đều có thể phát hiện được trên tư liệu viễn thám thông qua các dấu hiệu trực tiếp (như hình dạng, tông ảnh, bóng địa vật), các dấu hiệu gián tiếp khác và tính đa thời gian của tư liệu viễn thám.
Thông tin luận giải dữ liệu viễn thám được phân tích bằng hệ thông tin địa lý trên cơ sở hiểu được mối tương quan của các quá trình kể trên với nhau. Đối với nghiên cứu này, việc phân tích có thể được trình bày như sau: biến động địa hình do khai thác than = F (biến động mỏ khai thác lộ thiên, biến động bãi thải, bồi lắng vật liệu thải, biến đổi đường bờ).
Có thể tóm tắt quá trình nghiên cứu nêu trên trong hình 2.
IV. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1. Phương pháp luận giải ảnh viễn thám
Để phục vụ cho mục đích nghiên cứu, ảnh máy bay và ảnh vệ tinh LandSat được xử lý trên phần mềm PCI và Rubber Map. Một cặp ảnh lập thể vùng mỏ Cọc 6, Đèo Nai được sử dụng để lập mô hình số địa hình bằng phần mềm PCI. Ảnh vệ tinh được nắn chỉnh hình học theo dữ liệu vectơ với sai số nhỏ hơn kích thước 2 pixel.



Bảng 2. Vai trò của dấu hiệu ảnh trong luận giải mắt thường tại vùng nghiên cứu

Đối tượng
Mô hình lập thể
Hình dạng
Tông ảnh
Kiến trúc
Hoa văn
Kích thước
Vị trí
Đa
thời gian
Mỏ khai thác lộ thiên
***
***
**
*
*
*
*
**
Bãi thải than
**
***
**
**
*
*
**
**
Các quá trình ngoại sinh hiện đại
**
***
**
***
**
*
**
***
Chú thích vai trò:  * bổ sung; ** thứ yếu; *** chủ yếu


a. Luận giải ảnh bằng mắt thường
Ảnh máy bay sử dụng cho luận giải mắt thường được nắn chỉnh bằng phần mềm Rubber Map. Việc sử dụng phần mềm này tuy không đạt độ chính xác cao như nắn ảnh trực chiếu, nhưng có thể ứng dụng cho luận giải ảnh mắt thường. Kết hợp nhiều loại dấu hiệu trong luận giải là việc cần thiết nhằm nhận dạng các đối tượng khác nhau.
Bản đồ hiện trạng môi trường vùng nghiên cứu các năm 1969, 1993 được thành lập từ sự luận giải ảnh máy bay các năm 1969 và 1993 (Hình 4, 5). Ảnh vệ tinh LandSat năm 2001 được sử dụng để xác định ranh giới bờ mỏ các mỏ Đèo Nai và Cọc Sáu. Khi xây dựng các bản đồ hiện trạng môi trường liên quan tới khai thác than cho mỗi thời kỳ, tác giả xây dựng bản đồ trên quan điểm nguồn gốc hình thái kết hợp với quan điểm địa chất môi trường. Với mục đích đó, để làm nổi bật tác động nhân sinh tới môi trường trong khu vực, thì ngoài các kiểu địa hình  thành tạo do tác động của tự nhiên thì các dạng địa hình đã được cải tạo do bàn tay con người được gộp chung thành địa hình nhân sinh. Các kiểu địa hình được thành tạo hoặc chịu tác động lớn của quá trình khai thác than sẽ được nhấn mạnh.
Để kiểm chứng kết quả và thu thập thông tin thực địa vùng nghiên cứu, tác giả đã tiến hành khảo sát thực địa với tổng số 15 điểm kiểm tra. Thông tin của các điểm được chuyển vào cơ sở dữ liệu GIS của vùng nghiên cứu phục vụ luận giải ảnh và phân tích thông tin (Hình 3).




b. Xử lý ảnh số - chiết suất đường bờ năm 2001
Trên nguyên tắc, vệ tinh quang học chụp được các đối tượng trên mặt đất bao gồm đất, nước và thực vật. Sở dĩ ảnh vệ tinh quang học có thể phân biệt được các đối tượng nêu trên là do khả năng phản xạ ánh sáng mặt trời của chúng khác nhau. Nghĩa là, trên các kênh ảnh khác nhau, một đối tượng sẽ có các giá trị số (digital number) khác nhau. Sự khác biệt này là cơ sở để tiến hành luận giải mắt thường và xử lý số với ảnh vệ tinh trong nghiên cứu.
Việc xử lý số được tiến hành trên ảnh vệ tinh LandSat năm 2001. Với mục tiêu chiết suất ranh giới nước và đất, tác giả đã sử dụng phương pháp chiết suất đường bờ từ ảnh LandSat do G. Winasor và S. Budhiman [3] nghiên cứu.
Phương pháp này tiến hành chiết xuất ranh giới đất-nước trên cơ sở thống kê giá trị phản xạ của các đối tượng trên các kênh tỷ lệ 4/2 và 5/2 (kênh 2, 4 và 5 của ảnh LandSat).
Kết quả nghiên cứu cho thấy, kênh tỷ lệ b4/b2 sẽ cho ranh giới đất và nước ở những vùng bờ có thực vật, nhưng những vùng đất không có thực vật sẽ bị “cho” là biển. Ngược lại kênh tỷ lệ b5/b2 sẽ thể hiện đường bờ tốt ở những vùng không có thực vật.
Để hạn chế sai số, tác giả kết hợp đồng thời cả hai kênh b4/b2 và b5/b2. Qua thống kê ảnh và thực hiện phân loại nhiều lần, tác giả thấy rằng ranh giới nước và đất chỉ khó xác định ở những vùng giao nhau nước-đất (ví dụ cửa sông, vùng có dòng bùn). Do vậy tác giả sử dụng ngưỡng lấy từ thống kê vùng mẫu sa bồi ven biển và áp dụng vào điều kiện sau. Giá trị kênh ảnh kết quả được ghi nhận là “đất liền” nếu giá trị pixel của kênh b4/b2 ≥ 0,39 hoặc của kênh b5/b2 ≥ 0,42. Nếu không thỏa mãn điều kiện này thì pixel kênh ảnh kết quả được ghi nhận là “biển”. Đường bờ thu được từ phương pháp này được so sánh với dữ liệu đường bờ các năm 1969, 1993 từ ảnh máy bay nhằm đánh giá xu thế phát triển của đường bờ.
Hạn chế của phương pháp này là chưa được quy chuẩn với mực thủy triều. Tuy nhiên đặc điểm địa hình phần ven bờ tại vùng nghiên cứu có độ dốc lớn nên mực thủy triều không ảnh hưởng lớn tới sai số của kết quả.


Bảng 3. Thống kê giá trị độ xám của đối tượng trên ảnh LandSat vùng nghiên cứu

                 Tên mẫu
Số pixel được tính toán
(b4/b2)
(b5/b2)
Giá trị
trung bình
Độ lệch chuẩn
Giá trị
trung bình
Độ lệch chuẩn
Nước
2422
0,228
0,021
0,201
0,023
Sa bồi ven biển (vùng giao nhau nước - đất)
1086
0,394
0,105
0,419
      0,17
Đất đá (vùng không bị ảnh hưởng của thủy triều)
  825
1,346
0,226
1,238
      0,272
Vùng lấn biển dân sinh
    52
0,648
0,074
0,472
      0,05






2. Phân tích thông tin
Dữ liệu trên GIS về địa hình, đường bờ của các năm 1969 và 1993 được phân tích bằng phương pháp chồng ghép dữ liệu, một phương pháp thông dụng trong GIS. Kết quả thu được từ việc chồng ghép được tiến hành định lượng bằng chức năng thành lập bảng ma trận chéo (crossing table). Trong nghiên cứu này kết quả về số liệu biến động địa hình và đường bờ vùng Cẩm Phả - Cửa Ông giai đoạn 1969 – 1993 được trình bày trong bảng 7.
V. TÁC ĐỘNG CỦA CÁC HOẠT ĐỘNG KHAI THÁC THAN TỚI ĐỊA HÌNH VÀ ĐƯỜNG BỜ VÙNG CẨM PHẢ - CỬA ÔNG
Biến đổi địa hình và bãi thải do khai thác than tác động tới môi trường vùng nghiên cứu
Biến dạng bề mặt đất là một trong nhiều vấn đề môi trường nổi cộm nhất đối với các vùng khai thác mỏ. Vùng khai thác lộ thiên ở Hạ Long - Cẩm Phả cũng đã và đang phải đối mặt với vấn đề này cùng với việc tạo ra địa hình âm là sự phát triển của các bãi thải. Bản đồ hiện trạng môi trường các năm 1969, 1993 và thông tin từ ảnh vệ tinh năm 2001 đã được sử dụng để phân tích vấn đề này.
Dữ liệu phân tích ảnh máy bay cho thấy diện tích bãi thải không ngừng tăng theo thời gian (Bảng 3). Nếu năm 1969, diện tích của bãi thải Nam Đèo Nai mới chỉ là 42,9 ha thì tới năm 1993, diện tích của bãi thải đã tăng hơn 4,2 lần. Diện tích bãi thải nhà sàng Cửa Ông trong 24 năm tăng gấp 4,5 lần từ 10,3 ha lên 48 ha. Và chỉ trong 8 năm, từ năm 1993 tới 2001, bãi thải này đã tăng 1,5 lần từ 48 ha lên 73,24 ha.
Bảng 4. Cao trình đáy moong khai thác thời kỳ 1969 và 2000 ở các mỏ Đèo Nai, Cọc Sáu

(Dữ liệu cao trình moong khai thác tính từ mô hình số địa hình thành lập từ cặp ảnh máy bay năm 1969 và dữ liệu địa hình năm 2000.  Người thực hiện: Trần Quốc Cường)

Dữ liệu luận giải năm 1969 và 1993 được ghép chồng để có được kết quả về biến động một số loại địa hình vùng Cẩm Phả - Cửa Ông (Bảng 7). Tổng diện tích bãi thải lấn biển từ năm 1969 tới năm 1993 là 89,7 ha. Qua phân tích ảnh viễn thám, tác giả nhận thấy chân của bãi thải từ nam Đèo Nai từ năm 1993 tới năm 2003 đã tiến thêm 200 m theo hướng đông nam về phía khu dân cư. Ngăn cách giữa khu dân cư và bãi thải hiện tại là một con đê được đắp bằng vật liệu thải nằm về phía bắc, cạnh đường tàu hỏa. Vấn đề trôi lấp bãi thãi mỏ đang uy hiếp trực tiếp tới đời sống của nhân dân trong các khu dân cư kề cận với chân bãi thải. Ngoài ra, nó còn bồi lấp các mương thoát ở khu này.



Bảng 7:Biến động một số loại địa hình ở vùng Cẩm Phả - Cửa Ông giai đoạn 1969-1993
(tính từ bản đồ hiện trạng môi trường các năm 1969 và 1993)
Đơn vị diện tích: ha
Năm 1969
         NĂM 1993
Bãi bồi
Bãi thải
Biển
Địa hình nhân sinh
Vùng bị tác động do khai thác than
Sa bồi
San lấp xây dựng
 Bãi bồi
5,3

47,2
0,3

2,9

 Bãi thải
43,7
66,2
89,7
58,1
22,0
12,0

 Biển

1,5
1,304,4


4,0

 Địa hình nhân sinh
48,6
6,7
34,1
684,3
1,3
15,5
5,6
 Vùng bị tác động do
 khai thác than

28,4

36,9
348,9


 Sa bồi


75,4


2,7

 San lấp xây dựng
3,7

15,7
0,5

36,2



2. Tác động của khai thác than tới đường bờ khu vực nghiên cứu
Đường bờ khi luận giải ảnh máy bay được quan niệm là đường bờ nước tại mức triều cao. Ở các vùng có thực vật ngập mặn không xác định được bằng khái niệm trên thì ranh giới được quy ước là ranh giới của thảm thực vật ngập mặn và biển [3]. 
Đối với ảnh LandSat năm 2001 khi chiết xuất tự động thì đường bờ là ranh giới đất và nước ở thời điểm chụp.
Một giới hạn khác của nghiên cứu này là đường bờ luận giải từ tư liệu viễn thám chưa được định chuẩn với mức triều. Tuy vậy, đặc điểm địa hình đới bờ tại vùng nghiên cứu có độ dốc lớn nên sai lệch do mức triều tới vị trí đường bờ ở các thời điểm sẽ không chịu tác động lớn của thủy triều xét trên phương nằm ngang.
Năm 1969, khoảng cách từ đất liền (nơi xa nhất theo hướng bắc-nam) tới Hòn Hai là 160 m. Tới năm 1993, đường bờ đã vượt quá Hòn Hai về phía nam. Số liệu phân tích ảnh cho thấy tại khu Cẩm Phả so với năm 1969, đường bờ năm 1993 đã lấn ra 700 m và 2001 đã lấn ra 1000 m. Theo [Đặng Văn Bát, 1999; Ngô Phúc Hưng và nnk, 1990; Phạm Khả Tùy, 1995, Lưu trữ Viện ĐCKS] đoạn đường bờ tại vùng thị trấn Cẩm Phả lấn ra biển trung bình 300-400 m trong giai đoạn 1969-1985. Tại vùng này quá trình bồi tụ do các dòng bùn đá đã tạo ra lưỡi bồi tụ rộng lớn đang tiến dần về phía đảo Khỉ. Vật liệu thải cũng gây bồi lấp các mương thoát nước cạnh mỏ Đèo Nai. Tại khu nhà máy tuyển than Cửa Ông, bãi thải đã lấp mất cửa sông và hình thành một hồ nhân tạo. Các số liệu nghiên cứu của tác giả cho thấy từ năm 1993 tới năm 2001 bãi thải đã lấn về phía tây-tây nam 450 m. Trong đợt thực địa tháng 4/2003 với sự hỗ trợ của máy định vị (GPS), tác giả xác định điểm xa nhất của bãi thải năm 2003 cách ranh giới năm 2001 một khoảng 60 m theo hướng tây-tây nam, chiều rộng trung bình của bãi thải là 400 m.
Nghiên cứu ảnh vệ tinh năm 2001 cho phép tác giả chỉ ra hướng vận chuyển vật liệu trầm tích ven bờ. Sự vận chuyển vật liệu trầm tích này ở đoạn từ vụng Cửa Lớn tới Cửa Ông có chiều hướng từ đông bắc xuống tây nam. Các dòng vật liệu này còn chịu tác động của sóng nên dễ dàng tích tụ ở ven bờ, đặc biệt ở những nơi có các địa hình chắn theo hướng vuông góc với bờ như đoạn Khe Cát, bến tàu Cẩm Phả, thị trấn Cẩm Phả.
VI. KẾT LUẬN
Từ những kết quả nghiên cứu trên, có thể rút ra một số kết luận như sau.
Công tác khai đào và đổ thải từ các hoạt động khai thác than lộ thiên là yếu tố chính gây biến động về vi địa hình, làm thay đổi chế độ thủy văn cục bộ. Cụ thể cao trình khai thác mỏ Cọc Sáu năm 1969 là 45 m, và dữ liệu địa hình năm 2000 cho thấy đã giảm xuống -127,39 m. Tương tự, đối với mỏ Đèo Nai là 147 m năm 1969 và 12,79 m năm 2000.
Sự biến đổi đường bờ do các hoạt động khai thác than diễn ra với cường độ lớn và làm thay đổi đáng kể cảnh quan ven biển vùng nghiên cứu. Từ năm 1969 tới năm 1993 diện tích đổ thải ở vùng Cẩm Phả - Cửa Ông lấn ra biển là 89,7 ha, trong đó, diện tích bãi thải nhà sàng Cửa Ông (đổ ven bờ) đã tăng từ 10,3 ha năm 1969 lên 73,24 ha năm 2001.
Các phương pháp được áp dụng cho vùng nghiên cứu có thể áp dụng cho các vùng khai thác than khác. Đối với việc luận giải đường bờ, tại những vùng đới bờ có độ dốc nhỏ, khi áp dụng phương pháp nhất thiết phải quy chiếu với mực nước triều. Trong khâu tính ngưỡng cho chiết suất đường bờ từ ảnh LandSat, nên tính tới yếu tố không đồng nhất của đặc điểm thực vật, phù sa, dòng ven bờ của khu vực tính toán. Các yếu tố này có thể gây sai lệch đường bờ được chiết suất với đường bờ thực.
VĂN LIỆU
1. Aronoff, S. 1989. GIS. A management perspective. WDL Publication, Ottawa, Canada, 293 p.
2. Phạm Văn Cự, 1996. Xây dựng bản đồ địa mạo một vùng đồng bằng trên cơ sở phối hợp hệ xử lý ảnh số và hệ thông tin địa lý. Luận văn Tiến sĩ, Thư viện Quốc gia, Hà Nội. 140 tr.
3. Winarso G., Budhiman S., 2001. The potential application of Remote sensing data for coastal study. Proc. 22nd Asian Conference on Remote Sensing. Singapore.