Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam

Chia sẻ: Trần Văn Gan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:187

Thêm vào BST

Báo xấu

59
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài xác lập cơ sở khoa học trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam phục vụ cảnh báo lũ trên quy mô lưu vực góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của lũ lụt.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐẶNG TUYẾT MINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HOÁ KHÔNG GIAN TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ PHỤC VỤ CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG LAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT ĐẶNG TUYẾT MINH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HOÁ KHÔNG GIAN TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ PHỤC VỤ CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG LAM Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ Mã số : 9520503 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Vũ Anh Tuân 2. PGS.TS Phạm Công Khải HÀ NỘI - 2019
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu tính toán, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả luận án Đặng Tuyết Minh
iv LỜI CẢM ƠN Luận án này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Anh Tuân – Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và PGS.TS Phạm Công Khải – Bộ môn Trắc địa Mỏ, trường Đại học Mỏ - Địa chất. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tới các thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên trong suốt quá trình làm luận án. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy, cô giáo bộ môn Trắc địa Mỏ đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình tác giả luận án ở Bộ môn. Trong quá trình học tập và nghiên cứu tác giả cũng nhận được nhiều sự giúp đỡ, quan tâm của cơ sở đào tạo, phòng Sau đại học - trường Đại học Mỏ - Địa chất, Bộ môn Trắc địa trường Đại học Thuỷ lợi, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Luận án còn nhận được ý kiến đóng góp của các chuyên gia, nhà khoa học thuộc trường Đại học Thuỷ lợi, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, trường Đại học Mỏ - Địa chất, trường Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học Delft - Hà Lan, Đài KTTV khu vực Tây Nguyên, Đài KTTV khu vực Nam Trung bộ, Đài KTTV khu vực Bắc Trung bộ, Trung tâm Quy hoạch và Điều tra TNN Quốc gia, cục Viễn thám Quốc gia, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (đề tài VT-UD.12) tác giả xin cảm ơn những ý kiến đóng góp có giá trị đó. Trong quá trình làm đồ án, tác giả đã sử dụng kết quả của đề tài mã số TNMT. 05.33 do PGS.TS Trần Duy Kiều, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường là chủ nhiệm. Xin chân thành cảm ơn tập thể tác giả của đề tài đó. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè là chỗ dựa tinh thần giúp tác giả hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án
v MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv MỤC LỤC ...................................................................................................................v DANH MỤC HÌNH............................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... xiii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .............................................................................4 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................4 4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................4 5. Các luận điểm của luận án ......................................................................................5 6. Những điểm mới của luận án ..................................................................................5 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................6 8. Cơ sở tài liệu ...........................................................................................................6 9. Cấu trúc luận án ......................................................................................................7 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................9 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới ...................9 1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong phân vùng nguy cơ lũ ở Việt Nam ................ 15 1.3 Tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam ................ 18 1.4 Phương pháp mô hình hoá trong phân vùng nguy cơ lũ, đánh giá ưu, nhược điểm và hiệu quả ứng dụng của chúng ..................................................................... 20 1.4.1 Phương pháp mô hình hóa xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ ............ 21 1.4.2 Mô hình tất định trong phân vùng nguy cơ lũ (deterministic model) ............. 23 1.4.3 Mô hình suy nghiệm trong phân vùng nguy cơ lũ (heuristic model) .............. 26 1.4.4 Mô hình thống kê trong phân vùng nguy cơ lũ ............................................... 30 1.5 Định hướng và phương pháp nghiên cứu của luận án ....................................... 34
vi 1.6 Tổng kết chương 1 ............................................................................................. 37 Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC .......... 39 2.1 Cơ sở khoa học của phương pháp AHP ............................................................. 39 2.1.1 Giới thiệu phương pháp AHP ......................................................................... 39 2.1.2 Nguyên tắc AHP .............................................................................................. 39 2.2 Quá trình thực hiện phương pháp AHP ............................................................. 41 2.3 Thực tiễn sử dụng AHP trong phân vùng nguy cơ lũ ........................................ 49 2.3.1 Xác định mục tiêu ............................................................................................ 50 2.3.2 Xây dựng mô hình thứ bậc đa tầng.............................................................. .. 50 2.3.3 Thành lập ma trận so sánh theo cặp ............................................................... 51 2.3.4 Tính trọng số từng tiêu chí và chỉ số nhất quán.............................................. 53 2.3.5. Kiểm tra tỷ số nhất quán ................................................................................ 53 2.3.6 Phân tích đánh giá kết quả.............................................................................. 53 2.4 Phân tích và lựa chọn các yếu tố trong mô hình phân vùng nguy cơ lũ ............ 54 2.4.1 Lượng mưa và cường độ mưa ......................................................................... 60 2.4.2 Độ dốc, độ cao và độ nhám địa hình .............................................................. 61 2.4.3 Mật độ lưới sông (mật độ phân cắt ngang), dòng chảy và sự tích tụ dòng chảy ... 62 2.4.4 Khoảng cách đến mặt nước tự nhiên, khoảng cách đến hệ thống thoát nước, khoảng cách đến ngã ba sông .................................................................................. 63 2.4.5 Thổ nhưỡng, cấu trúc đất, tỷ lệ thấm .............................................................. 63 2.4.6. Sử dụng đất, lớp phủ và lớp phủ thực vật ...................................................... 64 2.4.7 Các yếu tố khác ............................................................................................... 66 2.5 Phân tích ảnh hưởng của chiều dài sườn dốc đến nguy cơ lũ ............................ 67 2.5.1 Khái niệm ........................................................................................................ 67 2.5.2 Cơ sở lý thuyết lựa chọn yếu tố chiều dài sườn dốc trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ ........................................................................................................ 68 2.6 Một số nhận xét về phương pháp AHP trong phân vùng nguy cơ lũ................. 71 2.7 Tổng kết chương 2 .... ....................................................................................... 73
vii Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG LAM......................... 74 3.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội lưu vực sông Lam .................. 74 3.1.1 Vị trí địa lý ...................................................................................................... 74 3.1.2 Đặc điểm địa hình ........................................................................................... 74 3.1.3 Đặc điểm mạng lưới sông ngòi ....................................................................... 76 3.1.4 Đặc điểm địa chất, địa mạo ............................................................................ 77 3.1.5 Đặc điểm thổ nhưỡng ...................................................................................... 78 3.1.6 Đặc điểm thảm phủ thực vật ........................................................................... 78 3.1.7 Tình hình dân cư ............................................................................................. 79 3.2 Mạng lưới quan trắc và điều kiện khí tượng thủy văn ....................................... 79 3.2.1 Mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn..... ................................................ 79 3.2.2 Đặc điểm khí tượng thuỷ văn .......................................................................... 81 3.3 Nhận xét ............................................................................................................. 81 3.4 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt ở lưu vực sông Lam ........................ 82 3.4.1 Lượng mưa ...................................................................................................... 83 3.4.2 Độ dốc địa hình ............................................................................................... 83 3.4.3 Mật độ lưới sông (mật độ phân cắt ngang)..................................................... 84 3.4.4 Thổ nhưỡng ..................................................................................................... 84 3.4.5 Lớp phủ ........................................................................................................... 85 3.4.6 Chiều dài sườn dốc tương đối ......................................................................... 86 3.4.7 Các yếu tố khác ............................................................................................... 86 3.5 Xây dựng bảng phân cấp các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt lưu vực sông Lam .. 88 3.5.1. Xây dựng bảng phân cấp lượng mưa ............................................................. 89 3.5.2 Xây dựng bảng phân cấp độ dốc ..................................................................... 90 3.5.3. Xây dựng bảng phân cấp thổ nhưỡng ............................................................ 92 3.5.4. Xây dựng bảng phân cấp lớp phủ .................................................................. 93 3.5.5 Xây dựng bảng phân cấp mật độ lưới sông.... .............................................. 94 3.5.6 Xây dựng bảng phân cấp chiều dài sườn dốc tương đối ................................ 95
viii 3.6 Tính trọng số cho các yếu tố ảnh hưởng đến lũ ................................................. 96 3.6.1 Tính trọng số cho trường hợp năm yếu tố ảnh hưởng .................................... 97 3.6.2 Tính trọng số cho trường hợp sáu yếu tố ảnh hưởng.................................... 100 3.7 Xây dựng bản đồ các yếu tố ảnh hưởng đến lũ ................................................ 103 3.7.1 Bản đồ lượng mưa ......................................................................................... 103 3.7.2 Bản đồ độ dốc................................................................................................ 106 3.7.3 Bản đồ thổ nhưỡng ........................................................................................ 107 3.7.4 Bản đồ lớp phủ .............................................................................................. 108 3.7.5 Bản đồ mật độ lưới sông ............................................................................... 109 3.7.6 Bản đồ chiều dài sườn dốc tương đối...... .................................................... 112 3.8 Thành lập bản đồ phân vùng lũ lưu vực sông Lam .......................................... 114 3.9 Đánh giá độ tin cậy của kết quả phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam bằng phương pháp mô hình hoá ............................................................................. 119 3.10 Tổng kết chương 3 ......................................................................................... 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................... 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 129 PHỤ LỤC
ix DANH MỤC HÌNH
x
xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Số lượng các công trình khoa học liên quan đến phân vùng nguy cơ lũ trên Sciencedirect từ năm 2009 đến nay ............................................................................9 Bảng 1.2 Phương pháp xác định các thông số trong mô hình suy nghiệm áp dụng trong phân vùng nguy cơ lũ...................................................................................... 27 Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ ........................................................................................................ 35 Bảng 1.4 Các tiêu chí đánh giá mô hình và điểm số tương ứng .............................. 36 Bảng 2.1 Bảng xếp hạng mức độ so sánh giữa các phần tử ..................................... 41 Bảng 2.2 Các nhân tố ma trận ý kiến chuyên gia ..................................................... 45 Bảng 2.3 Ma trận so sánh của các nhân tố ............................................................... 46 Bảng 2.4 Các thành phần của ma trận chuẩn hoá .................................................... 46 Bảng 2.5 Thành phần của ma trận trọng số.............................................................. 47 Bảng 2.6 Chỉ số ngẫu nhiên RI ................................................................................ 49 Bảng 2.7: Thống kê các tiêu chí ảnh hưởng đến nguy cơ lũ đã được công bố ........ 56 Bảng 2.8 Yếu tố ảnh hưởng và trọng số trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ .. 60 Bảng 2.9 Giá trị hệ số dòng chảy của các loại hình sử dụng đất khác nhau ............ 65 Bảng 2.10 Thông số đặc trưng nhám trên sườn dốc ................................................ 69 Bảng 2.11 Thời gian tập trung nước trên sườn dốc tra theo hệ số địa mạo thuỷ văn sườn dốc và vùng mưa ............................................................................................. 69 Bảng 3.1 Phân cấp lượng mưa ................................................................................. 90 Bảng 3.2 Phân cấp độ dốc ........................................................................................ 91 Bảng 3.3 Phân cấp thổ nhưỡng ................................................................................ 92 Bảng 3.4 Phân cấp lớp phủ....................................................................................... 94 Bảng 3.5 Phân cấp mật độ lưới sông ........................................................................ 95 Bảng 3.6 Phân cấp chiều dài sườn dốc tương đối .................................................... 96 Bảng 3.7 Kết quả tổng hợp mức độ ưu tiên của các yếu tố ảnh hưởng đến lũ (trường hợp có 5 nhân tố ảnh hưởng).................................................................................... 98 Bảng 3.8 Ma trận so sánh cặp năm yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ lũ..................... 98
xii Bảng 3.9 Ma trận chuẩn hoá (trường hợp 5 nhân tố ảnh hưởng) ............................. 99 Bảng 3.10 Trọng số năm yếu tố ảnh hưởng ............................................................. 99 Bảng 3.11 Các thông số của AHP (trường hợp 5 nhân tố ảnh hưởng) .................. 100 Bảng 3.12 Kết quả tổng hợp mức độ ưu tiên của sáu yếu tố ảnh hưởng đến lũ .... 100 Bảng 3.13 Ma trận so sánh cặp các yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ lũ .................. 101 Bảng 3.14 Ma trận chuẩn hoá ................................................................................ 101 Bảng 3.15 Trọng số sáu yếu tố ảnh hưởng............................................................. 102 Bảng 3.16 Các thông số của AHP .......................................................................... 102 Bảng 3.17. Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông Lam giai đoạn 1961 – 2017.................................................................................... 104 Bảng 3.18 Cấp nguy cơ và diện tích khu vực có nguy cơ lũ (5 yếu tố ảnh hưởng) .... 117 Bảng 3.19 Cấp nguy cơ và diện tích khu vực có nguy cơ lũ (6 yếu tố ảnh hưởng) .... 118 Bảng 3.20 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn ngày 17/10/2010121 Bảng 3.21 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn ngày 16/10/2013 .... 122 Bảng 3.22 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn đợt lũ 16/10/2016 ...... 123
xiii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Cụm từ đầy đủ bằng tiếng Anh Cụm từ đầy đủ bằng tiếng Việt AHP Analytic Hierarchy Process Quá trình phân tích thứ bậc BSA Bivariate statistical analysis Phân tích thống kê hai biến DEM Digital Elevation Model Mô hình số độ cao DT Decision tree Cây quyết định FHI Flood Hazard Index Chỉ số nguy cơ ngập lụt FR Frequency ratio Tỷ lệ tần suất GIS Geographic information system Hệ thống thông tin địa lý Hydrologic Engineering Center – River HEC-RAS Mô hình thuỷ văn – thuỷ lực Analysis System IDW Inverse Distance Weight PP trọng số khoảng cách nghịch đảo InSAR Interferometric Synthetic Aperure Radar Kỹ thuật Rada giao thoa Geographical Resources Analysis GRASS Hệ thống hỗ trợ phân tích tư liệu địa lý Support System KTTV Khí tượng thuỷ văn LR Logistic regression Thống kê hồi qui logistic MCE Multi Criteria Evaluation Phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu MCDM Multi-criteria decision-making Quyết định đa tiêu chí SMCE Spatial Multi-Criteria Evaluation Đánh giá đa tiêu chí không gian SMS Short Message Services Dịch vụ tin nhắn ngắn SPI Stream power index Chỉ số năng lượng dòng chảy SVM Support vector machine Mô hình máy vecto hỗ trợ SWAT Soil and Water Assessment Tool Công cụ đánh giá đất và nước TWI Topographic Wetness Index Chỉ số ẩm ướt địa hình ATNĐ Áp thấp nhiệt đới
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Theo Ngân hàng Thế giới, Việt Nam được dự báo là một trong năm quốc gia chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của biến đổi khí hậu [9]. Nhiều hiện tượng khí hậu cực đoan tác động mạnh mẽ đến sinh kế của người dân Việt Nam, trong đó, lũ lụt là thảm hoạ thiên nhiên gây tổn thất lớn về của cải và sinh mạng của nhiều người trong hàng nghìn năm qua. Thêm vào đó, hệ thống phòng, chống lũ như đê điều, hệ thống công trình thuỷ lợi… xây dựng đã lâu chưa được nâng cấp đầy đủ làm cho hậu quả của lũ ngày càng xảy ra nghiêm trọng, thiệt hại càng tăng [9]. Việt Nam mấy thập kỷ gần đây đã hứng chịu nhiều thiên tai lũ, đặc biệt suốt dải ven biển miền Trung như: trận lũ năm 1986 trên sông Trà Khúc; lũ năm 1987 trên sông Vệ, sông An Lão; lũ năm 1992 trên sông Kiến Giang, sông Bến Hải; lũ năm 1993 trên sông Ba, sông Srepok, sông Gianh; lũ năm 1996 trên sông Luỹ, lũ năm 1999 trên sông Hương; lũ năm 1998 trên sông Thu Bồn, sông Vu Gia, sông Eakrong; lũ năm 2002 trên sông La, lũ năm 2009 trên sông Sêsan [9], lũ năm 2016 trên sông Gianh, sông Kiến Giang, sông Ngàn Sâu [38]. Từ năm 2005 đến năm 2010, tại miền Trung, thiên tai đã làm gần 1859 người thiệt mạng, trong đó 1640 người chết và 219 người mất tích [41]. Các trận lũ điển hình trong những năm gần đây tại các tỉnh miền Trung như: trận lũ 9/2011, 9/2012, 9/2013, 9/2014, 9/2016 và gần đây là trận lũ tháng 10/2017 đã làm thiệt hại nặng nề cả về vật chất cũng như con người cho các tỉnh Trung bộ [9]. Đặc biệt trên sông Lam, một trong những hệ thống sông lớn nhất Bắc Trung bộ, thường xuyên chịu ảnh hưởng của nhiều loại hình thiên tai đặc trưng cho khu vục duyên hải Miền Trung như Bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), lũ, hạn hán, lốc tố, dông sét, sạt lở đất, xói lở bờ sông và bờ biển, cháy rừng, xâm nhập mặn, triều cường…Trong đó ảnh hưởng và gây thiệt hại nhiều nhất là bão, áp thấp nhiệt đới và lũ. Lũ lụt trên sông Lam là một trong những tai biến tự nhiên thường xuyên đe doạ người dân và sự phát triển kinh tế - xã hội của dân cư trong lưu vực. Quá trình công nghiệp hoá, đô thị hoá mạnh mẽ trong phạm vi lưu vực sông Lam cùng với sự tác
2 động của biến đổi khí hậu và tình hình mưa lớn đã làm cho thời gian, cường suất, lưu lượng và tần suất xuất hiện các cơn lũ ngày càng nhiều hơn với diễn biến ngày càng phức tạp hơn.Trong những năm gần đây đã có nhiều đợt lũ lớn gây thiệt hại nhiều về người và tài sản, số liệu quan trắc mực nước lũ trong vòng 40 năm trở lại đây cho thấy trên lưu vực các trận lũ lớn xảy ra ở dòng chính sông Lam là trận lũ 1954, 1963, 1973, 1978, 1988, 2007, 2010 và trung bình cứ 9 – 10 năm lại xuất hiện các trận lũ lớn [39]. Một số năm đã gây ra hiện tượng vỡ đê như trận lũ năm 1954, 1978, 1988 và 1996. Đặc biệt trận lũ năm 1954, nhiều đoạn đê bị vỡ với lượng nước lũ từ sông chảy vào đồng kéo dài 16 ngày liền. Tổng thiệt hại do bão lũ trong 21 năm 1990 đến 2010 khoảng hơn 3,300 tỷ đồng [39]. Tại Nghệ An, tháng 9/ 2013 trận lũ lớn trên sông Lam đã làm thiệt hại gần 400 tỷ đồng và 13 người chết [40]. Đợt mưa lũ 10/2016 đã làm thiệt hại gần 1500 tỉ đồng tại hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh [45]. Trong đợt mưa lũ lịch sử tháng 10/ 2017, Nghệ An có 10 người thiệt mạng và thiệt hại về vật chất là 758 tỷ đồng và Hà Tĩnh thiệt hại 375 tỷ đồng [44]. Trận lũ gần đây ở Nghệ An từ ngày 17 đến 21/8/2018 lũ lụt đã làm 5 người chết, một người mất tích và thiệt hại về kinh tế hơn 786 triệu đồng [46]. Đứng trước tính chất nguy hại của lũ đã, đang và sẽ tiếp tục xảy ra như hiện nay, việc nghiên cứu xác định nguyên nhân, phân tích các thành phần ảnh hưởng tới lũ, nhằm góp phần ngăn ngừa, giảm thiểu tác động tiêu cực của lũ lụt lưu vực sông Lam, trong đó có cảnh báo sớm, ngày càng trở nên quan trọng. Theo đó, việc đề xuất những nghiên cứu cảnh báo lũ nhằm hạn chế, phòng tránh tối đa thiệt hại về cơ sở vật chất, con người do lũ gây ra là hết sức cấp thiết. Các dự báo, cảnh báo lũ hiện nay đã được nhiều nhà khoa học, chuyên gia thủy văn, tài nguyên nước nghiên cứu, xây dựng phần mềm dự báo cảnh báo dưới góc nhìn của các nhà chuyên môn về khí tượng, thủy văn và đã đạt được những kết quả đáng khích lệ. Để ngăn ngừa và giảm nhẹ thiệt hại do lũ gây ra, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra cần phải làm tốt công tác phòng chống, ứng phó với lũ mà công việc quan trọng cần tiến hành đầu tiên là đánh giá và phân vùng nguy cơ lũ [26]. Đặc biệt, đối với sông Lam, lưu vực sông lớn, nơi thường xuyên xẩy ra các trận lũ lịch sử. Mọi nghiên cứu để hệ thống hoá,
3 phân vùng đặc điểm, tính chất, quy luật lũ lụt trên Sông Lam là cần thiết nhằm góp phần giảm thiểu các tác động tiêu cực của lũ lụt đối với cuộc sống và lao động của cư dân trong lưu vực. Việc ứng dụng các công nghệ mới phối hợp với các nhà chuyên môn để có thể đưa ra những kết quả dự báo ngày càng chính xác, phòng tránh thiên tai là mong muốn của mọi nhà quản lý. Các phương pháp mới như: công nghệ vệ tinh dẫn đường toàn cầu (GNSS), hệ thống thông tin địa lý (GIS), viễn thám, kỹ thuật Lidar … đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau. Kết quả nghiên cứu lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn trên thế giới cho thấy sự tích hợp hợp lý các công cụ của các mô hình không gian bao gồm: tư liệu bản đồ, ảnh vệ tinh, GIS, GNSS, kỹ thuật Laser, các phương pháp đo đạc thực địa … cho phép nghiên cứu một cách hiệu quả các nội dung biến động của các thành phần tài nguyên và môi trường trong đó lũ là một đối tượng. Việc ứng dụng mô hình hóa không gian trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ là một định hướng đúng đắn, phù hợp với xu thế phát triển khoa học và đáp ứng nhu cầu xã hội trên thế giới hiện nay. So với các phương pháp truyền thống, mô hình hoá không gian dựa trên nguyên tắc tiếp cận hệ thống, là công cụ hiệu quả và tin cậy trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ nói chung và lưu vực Sông Lam nói riêng. Phương pháp này cho phép đưa nhiều thông số xử lý đầu ra do đó có thể góp phần cảnh báo và phòng tránh nguy cơ lũ. Với các luận giải trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam” được lựa chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế và có ý nghĩa khoa học. Đây là một nghiên cứu thiết thực góp phần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong phân tích không gian trên lưu vực sông Lam, một lưu vực sông xuyên biên giới, góp phần quản lý tài nguyên và môi trường mang tính liên quốc gia. Bên cạnh đó, việc ứng dụng mô hình hóa không gian trên lưu vực sông Lam sẽ góp thêm các cơ sở khoa học, kết quả nghiên cứu để mở rộng và tạo điều kiện áp dụng tri thức trong công tác ngăn ngừa, phòng chống và giảm thiểu tối đa các tác động của suy thoái và tai biến thiên nhiên, góp
4 phần bảo vệ và khai thác bền vững tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu và phòng tránh thiên tai. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài 2.1 Mục tiêu Xác lập cơ sở khoa học trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam phục vụ cảnh báo lũ trên quy mô lưu vực góp phần giảm thiểu tác động tiêu cực của lũ lụt. 2.2 Nhiệm vụ của nghiên cứu Để đạt được mục tiêu trên, đề tài phải thực hiện các nhiệm vụ chủ yếu sau: - Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng phương pháp mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ. - Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận về mô hình hoá, trên cơ sở đó xây dựng mô hình phù hợp với đề tài và khu vực nghiên cứu. - Nghiên cứu ứng dụng phân tích không gian để xây dựng/tính toán chỉ số của các nhân tố liên quan đến lũ như chỉ số liên quan đến lớp phủ bề mặt, thổ nhưỡng, lượng mưa, mật độ lưới sông, độ dốc, chiều dài sườn dốc tương đối... - Ứng dụng mô hình hoá không gian xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ, mô hình cảnh báo lũ lưu vực sông Lam. - Đánh giá tính hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là mô hình hoá không gian phục vụ phân vùng nguy cơ lũ nói chung và lưu vực sông Lam nói riêng. 3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu này giới hạn trong phạm vi không gian là lưu vực sông Lam. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án được thực hiện dựa trên các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp phân tích và tổng hợp: Sử dụng phương pháp phân tích nguyên nhân hình thành để đánh giá, xác định các nhân tố ảnh hưởng đến lũ trên
5 lưu vực. Phân tích các nguồn tài liệu bao gồm: các tạp chí, báo cáo khoa học, sách, báo, giáo trình của các tác giả trong và ngoài nước theo cấu trúc logic về lũ và phân vùng nguy cơ lũ. Liên kết các thông tin đã thu thập được, từ đó bổ sung thêm tài liệu nếu thiếu hoặc sai lệch đồng thời lựa chọn, sắp xếp và tổng hợp tài liệu. - Phương pháp kế thừa: áp dụng có chọn lọc các sản phẩm, kết quả khoa học và công nghệ hiện đại trong nước và trên thế giới. - Phương pháp thống kê: phân tích các mối tương quan giữa các đặc trưng khí tượng – thuỷ văn và tương quan giữa các yếu tố khí hậu, yếu tố địa hình với lũ. Tiến hành khảo sát nguy cơ lũ trên khu vực nghiên cứu trong một số năm gần đây để phát hiện các quy luật và đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, từ đó so sánh với kết quả nghiên cứu. - Phương pháp GIS: ứng dụng công nghệ GIS để thành lập bản đồ các nhân tố ảnh hưởng đến lũ. So sánh kết quả nghiên cứu với thực tế tại thời điểm xảy ra lũ trong một số năm gầy đây. - Phương pháp mô hình hoá: phân tích các ưu, nhược điểm của các mô hình và sử dụng mô hình suy nghiệm để phân vùng nguy cơ lũ. - Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ, ý kiến đánh giá của các chuyên gia về thuỷ văn, thuỷ lực tài nguyên nước trong quá trình đề xuất giả thuyết nghiên cứu, củng cố các luận cứ, đánh giá kết quả của phân vùng nguy cơ lũ. Thực hiện qua các buổi hội thảo, bảo vệ chuyên đề, xin ý kiến đóng góp của các chuyên gia. 5. Các luận điểm của luận án Luận điểm 1: ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) cho phép nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam. Luận điểm 2: chiều dài sườn dốc tương đối là tham số quan trọng cần được tính đến trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ. 6. Những điểm mới của luận án Kết quả nghiên cứu luận án đã chỉ ra các điểm mới sau đây:
6 - Bổ sung phương pháp luận trong lựa chọn mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ và khẳng định ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) cho phép nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam - Khẳng định chiều dài sườn dốc tương đối là yếu tố ảnh hưởng đến lũ, góp phần nâng cao mức độ chi tiết và độ tin cậy của mô hình không gian phân vùng nguy cơ lũ. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 7.1 Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu của luận án đã giúp hoàn thiện cơ sở khoa học và chứng minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương pháp mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ nói chung và phân vùng nguy cơ lũ lưu vực sông Lam nói riêng. Trong luận án có sử dụng một nhân tố mới là chiều dài sườn dốc tương đối (phân cấp chiều dài sườn dốc). Kết quả ứng dụng nhân tố này khẳng định việc sử dụng chiều dài sườn dốc tương đối cùng với các nguyên nhân sinh lũ khác như các yếu tố về địa hình, thuỷ văn trong xây dựng mô hình là hoàn toàn thích hợp và mang lại hiệu quả cao. 7.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu là tư liệu hỗ trợ công tác cảnh báo nhằm ngăn ngừa và giảm thiểu tác động tiêu cực của tai biến lũ trên lưu vực sông Lam và cho các lưu vực có đặc điểm điều kiện tự nhiên và thuỷ văn tương tự như lưu vực sông Lam. Ngoài ra, kết quả là cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho các cơ quan nghiên cứu về môi trường, các trung tâm phòng chống và cảnh báo thiên tai, biến đổi khí hậu. Đồng thời, kết quả của luận án là bản đồ phân vùng lưu vực sông Lam cũng có thể được sử dụng cho các nghiên cứu sâu hơn về khu vực hoặc có thể ứng dụng trực tiếp trong thực tế. 8. Cơ sở tài liệu Luận án dược thực hiện trên cơ sở các nguồn tài liệu sau đây:
7 8.1 Bản đồ STT Dữ liệu dạng số Năm Tỷ lệ gốc Nguồn cung cấp Bản đồ địa hình lưu vực 2015 1:50 000 1 Trung tâm Vũ trụ Việt Nam sông Lam Bản đồ hiện trạng sử 2015 1:50 000 Sở TN và MT tỉnh Thanh 2 dụng đất lưu vực sông Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh Lam Bản đồ địa giới hành 2015 1:50 000 Sở TN và MT tỉnh Thanh 3 chính lưu vực sông Lam Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh Bản đồ hình thái lưu vực 2015 1:50 000 Sở TN và MT tỉnh Thanh 4 sông Lam Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh Bản đồ vị trí các trạm 2015 1:50 000 Sở TN và MT tỉnh Thanh 5 thuỷ văn Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh 8.2 Dữ liệu về lượng mưa tại các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Lam Luận án có sử dụng số liệu lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông Lam giai đoạn 1961 - 2017. Ngoài ra, luận án còn sử dụng số liệu mực nước tại các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Lam trong các đợt lũ. Số liệu này thu được từ các trạm thuỷ văn (nguồn Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn Trung ương): Mường Xén, Con Cuông, Vinh, Đô Lương, Quỳ Châu, Dừa, Hương Khê, Sơn Diệm, Hoà Duyệt, Chợ Tràng, Cửa Rào, Linh Cảm, Nam Đàn, Nghĩa Khánh, Quỳnh Lưu, Kỳ Anh, Quỳ Hợp, Hà Tĩnh, Kim Cương, Chu Lễ. 8.3 Các công trình đã nghiên cứu về phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới và Việt Nam Luận án đã sử dụng các nghiên cứu, kết quả của một số công trình nghiên cứu về phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới và Việt Nam, kết quả của đề tài nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam như đề tài mã số TNMT. 05.33 9. Cấu trúc luận án Mở đầu Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn sử dụng phương pháp AHP trong phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực.