Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của nghiên cứu luận án là nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám (dữ liệu mưa vệ tinh và dữ liệu mô hình số độ cao DEM) trong mô phỏng dòng chảy mặt cho lưu vực sông Cả, đặc biệt là mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới cho phần thượng lưu có phần lớn diện tích nằm ở nước CHDCND Lào không có tài liệu mưa thực đo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BÙI TUẤN HẢI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY MẶT PHỤC VỤ QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI – ÁP DỤNG CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ Ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 9580212 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Lê Quang Vinh 2: PGS.TS. Phạm Quang Vinh Phản biện 01: PGS.TS. Nguyễn Mai Đăng Phản biện 02: PGS.TS. Uông Đình Khanh Phản biện 03: GS.TS. Nguyễn Ngọc Thạch Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại: Room 5 – K1, trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội Vào lúc 08 giờ 30 ngày 10 tháng 12 năm 2020. Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Lưu vực sông Cả là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai lũ lụt, hạn hán và xâm nhập mặn. Nghiên cứu quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực sông Cả, nhất là vùng thượng nguồn có ý nghĩa cực kỳ quan trọng trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai cho khu vực hạ du. Tuy nhiên do phần lớn vùng thượng lưu với 34,8% diện tích lưu vực nơi hình thành dòng chảy lại nằm bên nước bạn Lào, không có số liệu phục vụ nghiên cứu. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với các công nghệ phù hợp trong dự báo khí tượng, thủy văn, dòng chảy và quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông là một giải pháp khắc phục tình trạng thiếu tài liệu thực đo đang được các nhà khoa học quan tâm. Vì những lý do nêu trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả” được đề xuất là rất cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu, khai thác, phân tích và lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp để bổ sung thêm các trạm mưa giả định cho các khu vực trên lưu vực còn thiếu trạm đo và thiếu tài liệu mưa thực đo, bổ sung số liệu mưa tháng cho các trạm đo mưa không liên tục nhằm nâng cao độ tin cậy trong tính toán dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai. - Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám (dữ liệu mưa vệ tinh và dữ liệu mô hình số độ cao DEM) trong mô phỏng dòng chảy mặt cho lưu vực sông Cả, đặc biệt là mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới cho phần thượng lưu có phần lớn diện tích nằm ở nước CHDCND Lào không có tài liệu mưa thực đo. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai ở lưu vực sông nói chung và lưu vực sông Cả nói riêng. b) Phạm vi nghiên cứu: - Về không gian: Vùng nghiên cứu là lưu vực sông Cả, trong đó tập trung nghiên cứu hai nhánh sông xuyên biên giới nằm ở thượng lưu là Nậm Mô và Nậm Nơn. - Về thời gian: Nghiên cứu mô phỏng quá trình dòng chảy trên lưu vực sông Cả từ năm 1982 đến 2019, trong đó mô phỏng dòng chảy lũ từ năm 2011 đến 2019. Phân tích lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh tập trung cho ba năm từ 2015 đến 2017. 1
4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu a) Hướng tiếp cận nghiên cứu: Đề tài luận án lựa chọn hai hướng tiếp cận khoa học sau đây: (1) Tiếp cận hệ thống; (2) Tiếp cận kết hợp nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết. b) Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: (1) Phương pháp kế thừa (2) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu; (3) Phương pháp phân tích thống kê; (4) Phương pháp mô hình toán; (5) Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học: Bổ sung phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy mặt trên lưu vực sông Cả phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai b) Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất phương pháp xử lý, sử dụng dữ liệu từ viễn thám cho những vùng không có số liệu hoặc không đủ số liệu trong mô phỏng dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai các lưu vực sông nói chung và lưu vực sông Cả nói riêng, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội 6. Đóng góp mới của luận án a) Xác định được dữ liệu viễn thám phù hợp trong số các dữ liệu mưa vệ tinh có độ phân giải cao CHIRPS, GSMAP, GPM, CMORPH và dữ liệu mô hình số độ cao ALOS, ASTER, SRTM để nghiên cứu bổ sung thêm trạm đo mưa giả định, bổ sung thêm số liệu mưa tháng cho các khu vực còn thiếu trạm đo mưa, hoặc thiếu tài liệu mưa thực đo nhằm nâng cao độ tin cậy trong tính toán, mô phỏng dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai lưu vực sông Cả. b) Làm rõ thêm được phương pháp sử dụng các dữ liệu mưa vệ tinh và mô hình số độ cao (DEM) làm số liệu đầu vào cho các mô hình thủy văn thông số tập trung MIKE NAM và mô hình thủy văn phân bố IFAS để tăng độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy cho lưu vực sông Cả, đặc biệt mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới hai nhánh sông Nậm Mô và Nậm Nơn với phần lớn diện tích lưu vực nằm ở nước bạn Lào. 7. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án gồm 03 chương chính sau: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai. Chương 2: Phương pháp và số liệu sử dụng trong nghiên cứu Chương 3: Kết quả nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong tính toán dòng chảy lưu vực sông Cả. 2
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI 1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám Viễn thám là khoa học nghiên cứu thu thập thông tin về các sự vật và hiện tượng trên bề mặt trái đất từ khoảng cách xa thông qua các thiết bị công nghệ đo đạc đặc biệt lắp đặt trên các vệ tinh quan sát bề mặt trái đất. Trong hơn 60 năm qua, công nghệ viễn thám không ngừng tiến bộ, số lượng vệ tinh viễn thám ngày càng tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại, đa dạng về kích thước, đa dạng về quỹ đạo và đang có xu hướng phát triển thành các chùm vệ tinh … Phạm vi ứng dụng của công nghệ viễn thám cũng không ngừng được mở rộng. Hiện nay, công nghệ viễn thám được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực chính sau đây: (1) Dự báo thời tiết và dự báo thiên tai (2) Quản lý tài nguyên nước và chất lượng các nguồn nước (3) Quản lý đất đai (4) Xây dựng các loại bản đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội. 1.2 Tổng quan các công trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án 1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng công nghệ viễn thám đang được ứng dụng nhiều trong tính toán lượng mưa, bốc thoát hơi nước, mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy, lũ lụt trên các lưu vực sông. Các dữ liệu liên quan đến thủy văn và địa chất trên bề mặt trái đất được quan sát bằng viễn thám khi sử dụng cùng với các dữ liệu đo đạc tại chỗ tạo ra các kho dữ liệu quan trọng để nghiên cứu các nguồn nước mặt và nước ngầm, cung cấp số liệu đầu vào cho các mô hình toán. Quá trình xử lý dữ liệu viễn thám thường được thực hiện trong các phần mềm GIS. Viễn thám góp phần mang lại sự đồng thuận trong quản lý tài nguyên nước đối với các sông quốc tế. Điều kiện thời tiết xấu trong mùa mưa bão thường gắn liền với lũ lụt, ngập úng và sạt lở đất khiến cho việc tiếp cận đánh giá các khu vực bị ngập lũ là cực kỳ khó khăn, viễn thám sẽ giúp khắc phục những hạn chế này. Thông qua việc lựa chọn các cảm biến và các nền tảng thích hợp, viễn thám có thể cung cấp thông tin chính xác và kịp thời các khu vực bị lũ lụt hoặc có nguy cơ bị ngập lụt, đánh giá mức độ hiệt hại do lũ lụt và sạt lở đất gây ra tại những nơi mà con người khó có thể tiếp cận trực tiếp để có biện pháp 3
ứng phó phù hợp. Luận án cũng giới thiệu tóm tắt một số kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám thám trong quy hoạch, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai ở Châu Phi theo sáng kiến TIGER, ở Ấn Độ, ở lưu vực sông Mê Công và Ủy hội sông Mê Công quốc tế. Luận án cũng giới thiệu khái quát kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong giám sát lũ lụt và đánh giá thiệt hại do lũ lụt gây ra ở Pakistan và Nepal. 1.2.2 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy Khái quát kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này trên thế giới, luận án chia thành các nhóm chính sau đây: a) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh: Điển hình là các công trình nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tính TRMM-3B42 v6 và v7, RFE 2.0, PERSIANN- CDR, CMORPH1.0 version 0.x để mô phỏng chế độ dòng chảy cho lưu vực sông Makhazine ở Ma-rốc; nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh TRMM và GPM để mô phỏng lũ thời đoạn nửa ngày cho các lưu vực thiếu trạm đo ở Myanmar; sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh TMPA 3B32RT và dữ liệu mưa trạm đo để đánh giá mô hình sai số trong xác định lượng mưa ngày từ các dữ liệu mưa vệ tinh. b) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu địa hình DEM: Điển hình là các công trình nghiên cứu so sánh các dữ liệu DEM với nhau và so sánh với dữ liệu cao độ địa hình quốc gia của Úc trên phạm vi toàn bộ lục địa châu Đại Dương; nghiên cứu sử dụng dữ liệu DEM ALOS để cập nhật bản đồ thủy văn, cung cấp thông tin về tác động của động lực địa thủy văn trong các môi trường khô hạn và bán khô hạn. c) Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong nghiên cứu quan hệ mưa - dòng chảy: Viễn thám cung cấp dữ liệu đầu vào cho các mô hình toán như các thông số đặc trưng về khí tượng – thủy văn theo không gian và thời gian, độ ẩm đất, đặc điểm bề mặt và sử dụng đất, lớp che phủ đất…. Các nhà khoa học đã chứng minh sự kết hợp tốt của GIS với các mô hình mô phỏng như HEC, MODFLOW, SHE, SWAT, MIKE BASIN, WEAP để giải quyết các bài toán liên quan đến chế độ thủy văn, dòng chảy của một số lưu vực sông trên thế giới. Điển hình là công trình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với số liệu mưa thực đo và mô hình IFAS để tính toán dòng chảy lũ cho các lưu vực sông Kelantan và Dungun ở Malaysia. Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám, GIS và mô hình SWAT trong đánh giá lưu lượng và chất lượng nước lưu vực sông dưới sự biến động về cơ cấu sử dụng đất, biến đổi khí hậu. Họ đã thiết lập được các mô hình chi tiết dòng chảy mặt và ngầm, mô hình tăng cường chất lượng nước, hay sự kết hợp giữa mô hình chất lượng với công cụ GIS, ảnh hưởng của biến đổi không gian lên mô hình của lưu vực… 4
1.2.3 Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới Tổng quan kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cho thấy việc kết hợp mô hình toán, công nghệ viễn thám và GIS là cách tiếp cận mới và rất hiệu quả trong tính toán mô phỏng dòng chảy lưu vực sông, đặc biệt trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy phương pháp tính toán dòng chảy kết hợp viễn thám và GIS vẫn còn rất nhiều khoảng trống mà luận án cần tiếp tục nghiên cứu triển khai. Luận án này sẽ kế thừa những ưu điểm của 3 phương pháp: mô hình toán, viễn thám và GIS. 1.3 Tổng quan về các công trình khoa học ở trong nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án 1.3.1 Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai a) Về nghiên cứu khoa học: Các công trình nghiên cứu đánh giá biến động của dòng chảy kiệt và tác động của dòng chảy kiệt tới sản xuất nông nghiệp và thủy sản vùng hạ du lưu vực sông Cả, sông Mã, nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn MIKE-NAM, mô hình thủy lực MIKE11 và MIKE21 để đánh giá tác động của hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông và cơ sở hạ tầng tới tiêu thoát lũ ở miền Trung. Căn cứ vào kết quả nghiên cứu, các tác giả đã đề xuất giải pháp công trình và phi công trình nhằm hạn chế những tác động bất lợi, sử dụng hiệu quả tài nguyên nước phù hợp với điều kiện cụ thể của từng lưu vực sông. Công trình nghiên cứu ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực trong dự báo mưa, lũ trung hạn phục vụ vận hành phối hợp các hồ chứa nước trên lưu vực sông đảm bảo phòng chống lũ cho hạ du, vận hành an toàn hồ chứa và hạn chế thiệt hại do lũ gây ra trên toàn lưu vực sông Cả. b) Về quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai cho các lưu vực sông: Điển hình là các dự án Quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Cả đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 và Quy hoạch thủy lợi khu vực miền Trung giai đoạn 2012-2020 và định hướng đến năm 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng. Các quy hoạch thủy lợi đã nêu đều dựa vào mô hình thủy lực MIKE11, mô hình thủy văn NAM và mới chỉ tập trung nghiên cứu dòng chính dựa trên số liệu cho phần lưu vực nằm trên lãnh thổ Việt Nam, chưa đề cập đến tác động của phần thượng lưu lưu vực nằm trên lãnh thổ nước ngoài xuống đến hạ du ở Việt Nam. 1.3.2 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy a) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám cung cấp số liệu mưa và địa hình trên lưu vực. Luận án đã giới thiệu tổng quan một số công trình khoa học điển hình 5
như: 1) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh từ chương trình đo mưa toàn cầu GPM, so sánh đánh giá với số liệu quan trắc mưa mặt đất để cảnh báo mưa và ngập lụt tại TP. Hồ Chí Minh; 2) Nghiên cứu lựa chọn nguồn dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp với Việt Nam làm chuỗi số liệu quá khứ, bổ sung thay thế cho số liệu tại trạm. Kết quả nghiên cứu từ 3 nguồn dữ liệu mưa gồm mưa toàn cầu và khu vực có định dạng NETCDF, số liệu mưa tại 58 trạm ở Việt Nam phân bố theo 7 vùng khí hậu và số liệu phản hồi vô tuyến từ các ra đa tại nước ta cho thấy nguồn số liệu APHRODITE của Nhật Bản là phù hợp nhất cho Việt Nam; 3) Kết quả nghiên cứu, so sánh dữ liệu mưa vệ tinh GSMAP với số liệu quan trắc tại 10 trạm đo mưa khu vực Trung Bộ giai đoạn 2000-2010 cho thấy có sự phù hợp về tháng bắt đầu có lượng mưa trên 100 mm và tháng có lượng mưa lớn nhất ở hầu hết các trạm, tuy có sự sai khác nhất định về thời gian kéo dài của những tháng mưa đó; 4) Nghiên cứu xây dựng phương pháp kết hợp dữ liệu viễn thám DEM ASTER, công nghệ GPS, dữ liệu GIS và mô hình VRSAP để tự động thành lập bản đồ ngập lụt, để phân tích, giám sát và cảnh báo thiên tai cho khu vực nghiên cứu là lưu vực sông Kôn - Hà Thanh; 5) Nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh ALOS Prism thành lập DEM tại vùng có địa hình phức tạp như bờ biển, cồn cát, đầm phá, đồng bằng tích tụ, đồi núi có hiều tai biến (di chuyển của cồn cát, mở- lấp cửa đầm phá v.v.); và 6) Các nghiên cứu sử dụng dữ liệu LIDAR để nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt địa hình như EM, K-Means, kNN, MCC và nghiên cứu kết hợp với dữ liệu DEM có độ phân giải cao để mô hình hóa lũ. b) Về nghiên cứu kết hợp sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy. trên lưu vực. Công trình khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này chưa nhiều nhưng cũng đạt được một số kết quả tốt, điển hình là công trình: 1) Nghiên cứu ứng dụng kết hợp dữ liệu viễn thám với mô hình IFAS trong tính toán dòng chảy lưu vực sông Bằng Giang ở Cao Bằng; 2) Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong giám sát môi trường và tài nguyên thiên nhiên; 3) Nghiên cứu khai thác sử dụng số liệu mưa vệ tinh trong mô hình dự báo lũ lưu vực sông Mê Kông (từ Chiang Saen đến Strung Stren); 4) Ứng dụng mô hình mưa – dòng chảy SWAT trong quản lý tài nguyên nước: dùng dữ liệu viễn thám làm đầu vào để tính toán dòng chảy của các sông, đánh giá chất lượng nước dưới tác động của các kịch bản sử dụng đất lên dòng chảy, bồi lắng và đánh giá chất lượng nước. Hầu hết các nghiên cứu mới chỉ là sử dụng các mô hình toán phục vụ tính toán mà chưa nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới vào lĩnh vực này. Hiện nay ở nước ta vẫn chưa có nghiên cứu nào kết hợp được cả mô hình toán và công nghệ viễn thám trong quản lý tài nguyên nước, đặc biệt là chọn dữ liệu viễn thám cung cấp số liệu đầu vào cho mô hình toán. Ưu điểm của phương pháp kết hợp dữ liệu viễn 6
thám với mô hình toán là có thể xác định được các thông số thủy văn cho những vùng không có tài liệu hoặc không đủ số liệu cho tính toán do ảnh viễn thám có độ bao phủ rộng, thời gian tương đối liên tục. Đây là một ứng dụng tốt trong quản lý tài nguyên nước xuyên biên giới, đặc biệt là đối với lưu vực sông Cả có đến hơn 35% diện tích nằm trên lãnh thổ nước bạn Lào. 1.3.3 Đánh giá các nghiên cứu trong nước Hầu hết các công trình khoa học có liên quan đến đề tài đều sử dụng các mô hình toán phù hợp để nghiên cứu, tính toán. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông chưa nhiều. Hầu hết các nghiên cứu mới giải quyết một vài nhiệm vụ cụ thể cho một khu vực hay phần lưu vực nằm trong lãnh thổ Việt Nam, còn phần lưu vực sông thuộc lãnh thổ các nước khác vẫn chưa được đề cập và nghiên cứu do những dữ liệu đầu vào cần thiết cho các mô hình toán nhập vào các điểm nút tại các lưu vực nằm ngoài biên giới phần lớn không có hoặc thiếu tin cậy. Ở Việt Nam có khá nhiều các lưu vực sông xuyên biên giới với những vấn đề tồn tại về quản lý tài nguyên nước cũng như quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai. Đây là khoảng trống trong nghiên cứu mà đề tài luận án này cần tiếp tục nghiên cứu, lựa chọn. 1.4 Kết luận chương 1 Các nước phát triển trên thế giới đều ứng dụng thành công công nghệ viễn thám với mô hình toán mô phỏng dòng chảy và dự báo các loại thiên tai trên các vùng và lưu vực sông. Tuy nhiên, ở nước ta công nghệ này vẫn còn mới. Mặc dù số công trình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và GIS trong quy hoạch và phòng chống thiên tai lưu vực sông chưa nhiều nhưng đều đạt được những kết quả nhất định, tạo cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với các công nghệ phù hợp trong dự báo khí tượng, thủy văn, dòng chảy và quản lý tài nguyên nước các lưu vực sông là giải pháp hữu ích khắc phục tình trạng thiếu các tài liệu thực đo, đặc biệt cho các lưu vực sông xuyên biên giới. Sông Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố trên lãnh thổ Việt Nam và Lào. Nghiên cứu dòng chảy trên lưu vực này là rất quan trọng trong cảnh báo và giảm nhẹ thiên tai khu vực hạ du, đặc biệt là dòng chảy lũ từ thượng nguồn đổ về. Tuy nhiên phần thượng lưu với 34,8% lưu vực nằm trên đất Lào không có số liệu hoặc có rất ít số liệu phục vụ nghiên cứu. Sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp mô hình toán trong quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai là hướng nghiên cứu mới, cần được triển khai nghiên cứu điển hình cho lưu vực sông Cả. Đây là cơ sở khoa học và thực tiễn rất quan trọng để xây dựng đề tài luận án này. 7
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 2.1 Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu 2.1.1 Cách tiếp cận khoa học Luận án chọn 2 cách tiếp cận khoa học gồm: i) Tiếp cận hệ thống; và ii) Tiếp cận kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết. Mỗi phương pháp tiếp cận nêu trên đều được phân tích và làm rõ các cơ sở khoa học của nó. Tiếp cận hệ thống là cách tiếp cận cơ bản và xuyên suốt trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài luận án. 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học Luận án sử dụng 5 phương pháp nghiên cứu gồm: i) Phương pháp kế thừa; ii) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu; iii) Phương pháp phân tích thống kê; iv) Phương pháp mô hình toán; và v) Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia. Mỗi phương pháp nghiên cứu nêu trên đều được phân tích và làm rõ cơ sở khoa học của nó. 2.1.3 Công cụ nghiên cứu Công cụ nghiên cứu của luận án là các phần mềm mô hình toán liên quan đến tính toán thủy văn, thủy lực và các loại dữ liệu viễn thám cung cấp số liệu đầu vào cho các mô hình toán. 2.2 Địa điểm nghiên cứu Địa điểm nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn của luận án là lưu vực sông Cả. Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sông Cả Sông Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố trên lãnh thổ của hai nước Việt Nam và Lào. Có 65,2% diện tích lưu vực nằm trên địa giới hành chính của 3 tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Thanh Hóa. Vùng thượng nguồn với 34,8% diện tích lưu 8
vực nằm trên lãnh thổ nước bạn Lào. Lưu vực sông Cả là địa bàn cư trú của khoảng 4 triệu dân thuộc nhiều dân tộc anh em. Trên lưu vực đã có khoảng 3.000 công trình thủy lợi các loại nhưng việc khai thác sử dụng nguồn nước từ các công trình này còn nhiều hạn chế. Tình trạng hạn hán, lũ lụt và thiên tai vẫn xảy ra thường xuyên làm ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống của nhân dân. 2.3 Quy trình nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đề ra, luận án sẽ thực hiện theo quy trình gồm 5 bước nghiên cứu chính được khái quát trong sơ đồ Hình 2.2. Hình 2.2 Sơ đồ trình tự các bước thực hiện nghiên cứu Các bước nghiên cứu bao gồm: i) Điều tra, khảo sát và thu thập tài liệu; ii) Nghiên cứu tổng quan; iii) Lựa chọn công cụ nghiên cứu, tính toán; iv) Nghiên cứu giải quyết các vấn đề theo nội dung và mục tiêu nghiên cứu đã đề ra; và v) Hội thảo và xin ý kiến chuyên gia. Luận án đã luận giải và làm rõ cơ sở khoa học của từng bước nghiên cứu nêu trên. 2.4 Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả 2.4.1 Các mô hình toán đang được áp dụng trong tính toán thủy văn, thủy lực Luận án đã giới thiệu và phân tích kỹ ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của 8 bộ mô hình toán đang được sử dụng rộng rãi ở trong nước và thế giới gồm: i) Bộ mô hình MIKE (MIKE 11, MIKE BASIN, MIKE SHE, NAM); ii) Mô hình SSARR; iii) Mô hình HEC - HMS; iv) Mô hình MARINE; v) Mô hình TANK; vi) Mô hình DIMOSOP; vii) Mô hình SWAT; và viii) Mô hình IFAS. 9
2.4.2 Phân tích, lựa chọn bộ mô hình toán áp dụng cho tính toán mưa, bốc hơi và diễn toán chế độ dòng chảy trên lưu vực. Luận án đã phân tích lựa chọn các mô hình MIKE NAM (gọi tắt là NAM) và IFAS để tính toán thủy văn thủy lực cho lưu vực sông nghiên cứu với những lý do chính sau đây: 1) Mô hình NAM: Trong nghiên cứu lập quy hoạch thủy lợi sông Cả, NAM được sử dụng để tính toán các yếu tố đầu vào cho các mô hình quản lý lưu vực MIKE BASIN và mô hình thủy lực MIKE11. Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng NAM để mô phỏng các quá trình thủy văn trên lưu vực đã làm tăng chính xác kết quả tính toán mô phỏng dòng chảy mùa lũ và dòng chảy mùa kệt trên mạng lưới hệ thống sông Cả. Đây là cơ sở quan trọng để đề xuất các giải pháp công trình thủy lợi cho lưu vực sông Cả. Luận án đã giới thiệu sơ đồ cấu trúc các thành phần cơ bản của mô hình NAM. 2) Mô hình IFAS: Dùng để kết hợp dữ liệu viễn thám vào mô hình NAM phục vụ tính toán dòng chảy trên lưu vực sông Cả. Kết quả nghiên cứu cho thấy IFAS có ưu điểm cơ bản sau: i) Có lõi là mô hình thủy văn phân bố PWRI-DHM nên có thể tận dụng ưu điểm của viễn thám về khả năng cung cấp số liệu theo không gian và thời gian; ii) Giao diện tương đối dễ sử dụng cùng với khả năng thu nhận các dữ liệu viễn thám một cách đa dạng từ nhiều nguồn dữ liệu trực tuyến; iii) Có khả năng xử lý các dữ liệu viễn thám một cách hiệu quả thông qua các mô đun xử lý lưu vực, dữ liệu mưa, kịch bản tính toán; và iv) Có khả năng mô phỏng dòng chảy lũ từng giờ, thời gian tính toán nhanh chóng, kết quả khá chính xác đáp ứng yêu cầu thực tiễn quản lý, điều hành công tác phòng chống thiên tai. Luận án cũng đã giới thiệu sơ đồ cấu trúc và các thông số cấu trúc của mô hình PWRI-DHM. 2.5 Nghiên cứu công cụ phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám Đối với nghiên cứu của luận án, việc tập trung xử lý dữ liệu từ viễn thám để cung cấp số liệu đầu vào cho các mô hình toán là vô cùng quan trọng. Do đó, cần thiết phải lựa chọn được phần mềm GIS phù hợp cho các công việc xử lý số liệu từ nguồn dữ liệu viễn thám phục vụ công tác phân tích, đánh giá, lựa chọn dữ liệu phù hợp để đưa vào các mô hình tính toán. Luận án đã nghiên cứu giới thiệu 4 phần mềm mã nguồn mở GIS gồm GRASS GIS; QGIS; MapWinGIS và ILWIS để lựa chọn một phần mềm xây dựng cơ sở dữ liệu phù hợp. Các tiêu chí đánh giá gồm: 1) Tính bền vững: cộng đồng người xây dựng chương trình mạnh, ít lỗi hoặc các lỗi được hiệu chỉnh nhanh chóng (nâng cấp thường xuyên). 10
2) Tính phổ biến: được nhiều cá nhân và tổ chức sử dụng. 3) Đáp ứng nhu cầu xây dựng và quản lý các dữ liệu chuyên đề, gồm i) Phân tích không gian (chồng lớp bản đồ, phân tích khoảng cách, nội suy không gian); ii) Vẽ bản đồ chuyên đề theo tính chất đối tượng; iii) Quản lý, liên kết các cơ sở dữ liệu; và iv) Dễ sử dụng. Kết quả phân tích đánh giá các phần mềm phục vụ xây dựng và quản lý dữ liệu GIS, luận án lựa chọn phần mềm Quantum GIS (QGIS) do phần mềm này đã đáp ứng được đầy đủ các tiêu chí nêu trên. 2.6 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám 2.6.1 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao a) Khái quát chung Mưa là yếu tố đầu vào quan trọng nhất của các mô hình toán thủy văn, thủy lực, nhu cầu nước, cân bằng nước. Trên lưu vực sông Cả, phần lưu vực nằm trên lãnh thổ nước ta với 17.730 km2 mới chỉ có 23 trạm đo mưa với mật độ trung bình 778 km2/trạm, 9.470 km2 còn lại nằm trên nước bạn Lào không có trạm đo mưa nào. Theo tiêu chuẩn của WMO yêu cầu tối thiểu 575 km2/trạm đo mưa. Các trạm quan trắc mưa đã có trên phần lãnh thổ nước ta tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng, thị trấn, thị tứ nằm ở thung lũng sông. Vùng núi cao rất ít trạm đo mưa. Tài liệu mưa tự ghi của 9 trạm trong tổng số 23 trạm đo mưa trên lưu vực bị thiếu và gián đoạn, được thống kê trong bảng 2.6. Bảng 2.6 Khoảng trống số liệu mưa thực đo tại các trạm khí tượng liên quan đến lưu vực sông Cả Liệt tài liệu TT Tên trạm đo Thực đo Khoảng trống số liệu (1986- 2015) 1 Quỳ Châu 1961-2015 Các năm 1995, 2011 2 Tây Hiếu 1960-2015 Tháng 4, 10, 11, 12/1987, 7/1988 3 Quỳnh Lưu 1960-2015 6/1987, 10,11/1988, 8,9/1995, từ 2011-2013 4 Con Cuông 1960-2015 Tháng 6, tháng 12 năm 1995 5 Quỳ Hợp 1996-2015 Từ năm 1986 đến năm 1995 6 Kỳ Anh 1961-2015 Từ năm 1986 đến năm 2000 7 Hà Tĩnh 1961-2015 Từ năm 1986 đến 1990, năm 1996 và 1997 8 Kim Cương 1962-2015 Từ năm 1986 đến năm 2000 9 Cửa Rào 1960-2015 Từ 1986 đến 1990, từ 1996 đến 1999 Các khoảng trống tài liệu cả về không gian lẫn thời gian ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán dòng chảy trên lưu vực sông Cả. Để khắc phục tình trạng này, luận 11
án đã thu thập các dữ liệu mưa vệ tinh có độ phân giải cao gồm GPM, CHIRPS, GSMAP, CMORPH. Các dữ liệu mưa vệ tinh này được phân tích, đánh giá với dữ liệu mưa đo trực tiếp tại 12 trạm khí tượng cấp 1 theo phương pháp sau: 1) So sánh chuỗi số liệu 1.069 ngày của 3 năm từ 2015-2017 giữa mưa vệ tinh và số liệu tại 12 trạm đo (do dữ liệu của GPM chỉ có dữ liệu mưa từ 02/2014). 2) Đánh giá lượng mưa ngày (khả năng nhận diện mưa, tương quan lượng mưa). 3) So sánh tổng lượng mưa và phân bố lượng mưa năm giữa các chuỗi số liệu. 4) Đánh giá lượng mưa tháng (tương quan tổng lượng mưa và tính toán các hệ số tương quan tuyến tính Pearson r, R2 và các sai số RMSE, MAE). b) Kết quả phân tích, đánh giá dữ liệu mưa vệ tinh: - Đối với lượng mưa ngày: Khả năng nhận diện ngày mưa và không mưa của mưa vệ tinh đạt chính xác khoảng 70% số ngày. Tương quan Pearson giữa mưa thực đo và mưa vệ tinh đạt trung bình r = 0,40 ÷ 0,48 là chấp nhận được. - Đối với lượng mưa tháng: Tương quan tổng lượng mưa tháng giữa mưa vệ tinh và mưa thực đo đạt 0,63 ÷ 0,76, riêng tại trạm Vinh giữa mưa thực đo và CHIRPS đạt R2=0,93. Hệ số tương quan r và R2 của mưa CHIRPS là tốt nhất với R2=0,76; tiếp theo là mưa GPM (R2=0,72); mưa GSMAP và CMORPH kém nhất (R2=0,65 và 0,63). Sai số RMSE và MAE của mưa CHIRPS cho kết quả tốt nhất, còn mưa GSMAP và CMORPH là kém chính xác hơn. Nhận diện xu thế tổng lượng mưa tháng của mưa vệ tinh khá tốt trong giai đoạn mùa mưa từ tháng V ÷ X. - Đối với tổng lượng mưa năm: Mưa CHIRPS và mưa GSMAP thể hiện tốt phân bố mưa ở khu vực đồng bằng, duyên hải và thể hiện tốt phân bố mưa ở khu vực phía Tây và Tây Nam của khu vực miền núi. Mưa CMORPH không thể hiện tốt phân bố lượng mưa năm so với các dữ liệu mưa vệ tinh khác. c) Kết luận lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh: - Sử dụng dữ liệu mưa CHIRPS để tạo thêm các trạm mưa giả định, kết hợp với mưa thực đo để tính toán dòng chảy từ mưa trên lưu vực sông Cả. - Sử dụng dữ liệu mưa GSMAP kết hợp với dữ liệu liệu mô hình số hóa độ cao (DEM) để tính toán mô phỏng các quá trình lũ theo thời gian bằng mô hình IFAS. 2.6.2 Nghiên cứu phân tích, lựa chọn dữ liệu địa hình từ nguồn dữ liệu mô hình số hóa độ cao (DEM) a) Khái quát chung: Ứng dụng phổ biến của viễn thám trong nghiên cứu các mô hình thủy văn, mưa- dòng chảy là xác định các thông số thủy văn dòng chảy theo không gian cho các mô hình, như phân chia lưu vực, tiểu lưu vực, xác định mạng lưới sông suối dựa 12
trên số liệu địa hình, phân bố độ cao toàn lưu vực. Để chọn dữ liệu địa hình, độ cao tích hợp và phù hợp với cấu trúc mô hình thủy văn mưa-dòng chảy thì các dữ liệu đầu vào về độ phân giải không gian, thời gian và độ chính xác của dữ liệu mô hình số độ cao (DEM) phải được so sánh. Nguồn dữ liệu DEM rất đa dạng và phong phú. Bản đồ DEM độ phân giải cao phục vụ cho nghiên cứu sâu và chi tiết thường có giá rất đắt, còn đối với nghiên cứu tổng quát thì nguồn bản đồ DEM miễn phí có độ phân giải từ 30m-90m là tương đối phù hợp. Luận án đã chọn 3 dữ liệu DEM có độ phân giải 30m-90m là SRTM, ASTER, ALOS và phân tích đánh giá sự sai khác cũng như sự tương đồng giữa các dữ liệu DEM với nhau và số liệu địa hình bản đồ lưu vực sông Cả tỷ lệ 1/50.000 để lựa chọn một dữ liệu DEM phù hợp theo phương pháp sau: - So sánh sự sai khác về dữ liệu độ cao của 3 bộ dữ liệu DEM nói trên với nhau. - So sánh từng bộ dữ liệu DEM và dữ liệu từ bản đồ sông Cả tỷ lệ 1/50.000 (tương quan độ cao và tính toán hệ số tương quan Pearson r, hệ số R2 và các sai số toàn phương trung bình RMSE, sai số tuyệt đối trung bình MAE). b) Kết quả phân tích, đánh giá các dữ liệu DEM với nhau - Các dữ liệu DEM (SRTM, ALOS, ASTER) khá tương đồng về các thông số liên quan như giá trị độ cao lớn nhất, giá trị độ cao nhỏ nhất và đặc biệt là giá trị độ cao trung bình toàn lưu vực sông Cả. - Các dữ liệu DEM đối với khu vực đồng bằng có giá trị khá tương đồng, chênh lệch giá trị độ cao là không quá lớn. Tuy nhiên đối với khu vực miền núi giá trị độ cao có chênh lệch khá lớn giữa các dữ liệu DEM. - Chênh lệch giá trị độ cao giữa 2 dữ liệu DEM của ALOS và SRTM là thấp nhất: giá trị trung bình độ chênh lệch -0,29m và độ lệch chuẩn SD thấp nhất là 12,95m. - Chênh lệch giá trị độ cao giữa dữ liệu ASTER với ALOS, giữa dữ liệu ASTER với SRTM khá tương đồng với giá trị trung bình mức độ chênh cao tương ứng là -1,98m và -1,75m, còn độ lệch chuẩn tương ứng là 16,53m và 17,21m. c) Kết quả so sánh các dữ liệu DEM với bản đồ lưu vực sông Cả Bản đồ lưu vực sông Cả tỷ lệ 1/50.000 hệ tọa độ và cao độ VN2000 được chuyển về cùng hệ tọa độ và cao độ quốc tế WGS84 để so sánh các điểm cao độ này. Tổng cộng có 18.924 điểm cao độ được trích xuất từ từng dữ liệu DEM và được chia ra các vùng khác nhau trên lưu vực sông Cả. Kết quả so sánh cho thấy: - Vùng đồng bằng (nơi có độ cao dưới 50m): có 2.638 điểm độ cao đã được so sánh cho thấy dữ liệu ALOS thể hiện chính xác nhất độ cao với hệ số RMSE = 4,724 và hệ số MAE = 3,152. Với hệ số tương quan, dữ liệu ALOS đạt R=0,943, 13
R2 = 0,93. Dữ liệu SRTM đạt độ chính xác thấp hơn với RMSE = 5,313m và MAE = 3,527m; dữ liệu ASTER đạt độ chính xác thấp nhất. - Vùng trung du (nơi có độ cao từ 50m đến 500m): có 8.524 điểm độ cao đã được so sánh cho thấy dữ liệu ALOS có độ chính xác cao nhất, tuy nhiên các sai số đã tăng lên đáng kể: RMSE là 13,826m, MAE là 7,295m; dữ liệu SRTM có độ chính xác thấp hơn ALOS, dữ liệu ASTER đạt độ chính xác thấp nhất trong 3 dữ liệu. - Vùng núi (nơi có độ cao trên 500m): có 7.762 điểm độ cao đã được so sánh cho thấy dữ liệu ALOS vẫn thể hiện chính xác nhất, tiếp đó là SRTM và dữ liệu ASTER có độ chính xác thấp nhất với sai số RMSE lên đến 32,111m, khá cao khi so sánh với 2 dữ liệu còn lại. d) Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu đánh giá các dữ liệu mô hình số độ cao (DEM) trên lưu vực sông Cả: 1) Các dữ liệu mô hình số độ cao SRTM, ALOS, ASTER khá là tương đồng về các thông số liên quan như giá trị độ cao lớn nhất, giá trị độ cao nhỏ nhất và đặc biệt là giá trị độ cao trung bình và chênh lệch độ cao trung bình toàn vùng toàn lưu vực sông Cả. 2) Dữ liệu SRTM, ALOS, ASTER đối với khu vực miền núi có giá trị độ cao khá giống nhau, chênh lệch giá trị độ cao là không quá lớn, tuy nhiên đối với khu vực đồng bằng giá trị độ cao có chênh lệch khá lớn giữa các dữ liệu DEM. 3) Kết quả tính toán các sai số và hệ số tương quan giá trị độ cao giữa dữ liệu DEM và dữ liệu từ bản đồ địa hình 1/50.000 đã chỉ ra, dữ liệu ALOS có độ chính xác cao nhất, sai số là thấp nhất khi đánh giá với cả 3 dạng địa hình là đồng bằng, trung du và miền núi; dữ liệu SRTM có độ chính xác thấp hơn, dữ liệu ASTER có độ chính xác thấp nhất. 2.6.3 Kết luận về phân tích, lựa chọn dữ liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả Từ các kết quả nghiên cứu ở trên, để phù hợp với đặc điểm lưu vực nghiên cứu, luận án đã lựa chọn sử dụng các dữ liệu viễn thám sau đây: - Dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS do có hệ số tương quan với dữ liệu mưa thực đo là tốt nhất trong số các dữ liệu mưa vệ tinh sẽ được sử dụng tạo thêm các trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm mưa phù hợp với quy định của và dùng làm số liệu đầu vào trong tính toán dòng chảy từ mô hình NAM. - Dữ liệu mưa vệ tinh GSMAP do có khả năng nhận diện mưa và không mưa dựa trên chuỗi số liệu mưa thực đo là tốt nhất trong số các dữ liệu mưa vệ tính khác sẽ được sử dụng kết hợp với dữ liệu mô hình số độ cao DEM ALOS có độ phân giải 30 m để thiết lập dữ liệu mưa cho mô hình IFAS trong tính toán mô phỏng các quá trình lũ theo thời gian. 14
2.7 Kết luận chương 2 Trong nội dung chương này, đề tài luận án đã phân tích cơ sở khoa học của các cách thức tiếp cận và phương pháp nghiên cứu khoa học, trình tự các bước nghiên cứu. Luận án đã tổng hợp, phân tích và lựa chọn công cụ nghiên cứu của đề tài là sử dụng các mô hình toán thủy văn, thủy lực cân bằng nước phù hợp. Từ các đặc tính mô hình và khả năng xử lý dữ liệu từ viễn thám, mô hình MIKE NAM và IFAS đã được lựa chọn áp dụng cho nghiên cứu này. Luận án đã phân tích đánh giá 4 dữ liệu mưa vệ tinh đang được sử dụng phổ biến ở trong nước và thế giới nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho mô hình toán gồm GSMAP, GPM, CHIRPS, CMORPH. Kết quả nghiên cứu cho thấy các dữ liệu mưa vệ tinh nói trên đều có tương quan khá tốt với dữ liệu mưa thực đo tại trạm, trong đó: - Dữ liệu mưa CHIRPS có kết quả tốt nhất sẽ được sử dụng tạo thêm các trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm mưa cho phù hợp với quy định về khoảng cách và mật độ trạm đo mưa trên lưu vực và dùng làm số liệu đầu vào trong tính toán dòng chảy từ mô hình NAM. - Dữ liệu mưa GSMAP có khả năng nhận diện mưa và không mưa dựa trên chuỗi số liệu mưa thực đo là tốt nhất trong số các dữ liệu mưa vệ tính khác sẽ được sử dụng để thiết lập dữ liệu mưa cho mô hình IFAS trong tính toán mô phỏng các quá trình dòng chảy lũ trên lưu vực sông Cả ở bước nghiên cứu tiếp theo. Dữ liệu địa hình từ mô hình số độ cao (DEM) cũng được phân tích, lựa chọn phục vụ cung cấp số liệu đầu vào cho các mô hình thủy văn phân bố IFAS. Kết quả nghiên cứu cho thấy các dữ liệu địa hình từ SRTM, ASTER và ALOS đều có tương quan rất khớp với dữ liệu bản đồ địa hình 1/50.000 hệ tọa độ VN2000, trong đó dữ liệu ALOS có kết quả đánh giá là tốt nhất sẽ được luận án sử dụng để thực hiện các nghiên cứu ở chương 3. Phần mềm QGIS cũng được lựa chọn trong các bộ phần mềm GIS thông dụng để phục vụ xử lý dữ liệu viễn thám cho đề tài với ưu điểm nhiều tính năng, dễ sử dụng và mã nguồn mở. Các bộ công cụ và dữ liệu viễn thám được lựa chọn ở đây sẽ được thiết lập và ứng dụng cho các nội dung tính toán tại chương tiếp theo. Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng dữ liệu viễn thám trong cung cấp hoặc bổ sung cho số liệu đầu vào các nghiên cứu về mô phỏng dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông đặc biệt là các sông là rất khả thi và có thể áp dụng trong thực tiễn. 15
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG CẢ 3.1 Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh và mưa thực đo trong tính toán mưa – dòng chảy từ mô hình NAM 3.1.1 Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo Với tài liệu mưa thực đo hiện có, kết quả tính toán mưa - dòng chảy từ NAM trong nghiên cứu quy hoạch thủy lợi sông Cả cho thấy dòng chảy kiệt nhất nhỏ hơn thực đo, dòng chày lũ có thời điểm cao hơn hoặc thấp hơn so với thực đo. Nguyên nhân là mạng lưới trạm đo mưa ở một số vùng như Cửa Rào, Nghĩa Khánh, Hòa Duyệt... quá thưa chưa đại diện đủ cho đặc điểm mưa hình thành nên dòng chảy lưu vực. Vì vậy cần thiết phải sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS tạo thêm các trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm mưa, kết hợp với các trạm mưa thực đo cải thiện kết quả tính toán dòng chảy từ mưa trên lưu vực sông Cả. 3.1.2 Thiết lập mô hình NAM với trạm mưa thực đo hiện có Căn cứ vào bản đồ địa hình lưu vực sông Cả, các trạm thủy văn đã có và nguồn số liệu thực đo, luận án đã xây dựng bộ mô hình NAM cho 11 sông nhánh. Chuỗi số liệu để mô phỏng và kiểm định mô hình được nêu trong Bảng 3.1. Bảng 3.1 Thời đoạn tính toán cho mô phỏng và kiểm định mô hình NAM STT Sông Trạm thuỷ F (km2) Thời đoạn tính toán văn Mô phỏng Kiểm định 1 Khe Choang Cốc Nà 417 1963-1969 1972- 1976 2 Giăng Thác Muối 785 1979-1983 1972-1977 3 Hiếu Quỳ Châu 1.500 1996-2008 1983-1995 4 Hiếu Nghĩa Khánh 3.892 1996-2008 1983-1995 5 Khe Lá Khe Lá 27,8 1970-1977 1980-1985 6 Ngàn Trươi Hướng Đại 408 1965-1976 1971-1976 7 Sông Trai Hòa Quân 150,7 1980-1985 1975-1979 8 Tiêm Trại Trụ 96,2 1965-1976 1965-1970 9 Rào Cái Kẻ Gỗ 229 1961-1967 1968-1974 10 Nậm Mô Mường Xén 2.620 1960-1964 1965-1976 11 Cả Cửa Rào 12.800 1960-1964 1965-1976 Mô phỏng và kiểm định mô hình phải đáp ứng yêu cầu: i) Không có độ chênh trong cân bằng nước; ii) Mô phỏng dòng chảy trong mùa kiệt thích hợp; iii) Đỉnh lũ của dòng chảy trong quá trình mô phòng không đóng vai trò quan trọng. Các thông số của mô hình NAM cần hiệu chỉnh để chọn được bộ thông số chuẩn trước khi nghiên cứu tính toán thủy lực. Hiệu chỉnh NAM được tiến hành tự động. Kết quả đánh giá hệ số tương quan R2 của mô phỏng và kiểm định nêu ở bảng 3.2. 16
Bảng 3.2 Kết quả đánh giá hệ số tương quan R2 của mô phỏng và kiểm định mô hình NAM tại các trạm thủy văn R2 R2 Trạm thủy Trạm thủy TT Mô Kiểm TT Mô Kiểm văn văn phỏng định phỏng định 1 Cửa Rào 0,62 0,55 7 Khe Lá 0,71 0,62 2 Mường Xén 0,70 0,61 8 Hướng Đại 0,77 0,72 3 Cốc Nà 0,71 0,56 9 Hòa Quân 0,69 0,70 4 Thác Muối 0,78 0,60 10 Trại Trụ 0,77 0,65 5 Quỳ Châu 0,83 0,78 11 Kẻ Gỗ 0,70 0,64 6 Nghĩa Khánh 0,85 0,80 - - - - 3.1.3 Bố trí các trạm mưa giả định Nguyên tắc bố trí thêm trạm đo mưa giả định cho các khu vực còn thiếu: 1) Theo Thông tư 30/2018/TT-BTNMT ngày 26/12/2018 của Bộ Tài nguyên và Môi trường, khoảng cách giữa các trạm ở khu vực miền núi từ 10 km ÷ 15 km. 2) Phù hợp với độ phân giải của dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS dùng trong nghiên cứu có độ phân giải về mặt không gian là 0,05° (tương đương khoảng 5,55 km). 3) Các trạm phân bố tương đối đồng đều trên toàn lưu vực và đại diện cho dòng chảy trên tiểu lưu vực được đưa vào trong mô hình toán. Theo các nguyên tắc nêu trên, luận án đã nghiên cứu bố trí thêm 43 trạm mưa giả định trên lưu vực, trong đó Cửa Rào thêm 9 trạm ở thượng nguồn thuộc Việt Nam và 4 trạm thuộc Lào; Mường Xén thêm 7 trạm (2 trạm thuộc Việt Nam và 5 trạm thuộc Lào); Thượng nguồn Quỳ Châu thêm 8 trạm; Khu giữa Nghĩa Khánh – Quỳ Châu 6 trạm; Hòa Duyệt thêm 9 trạm (Xem hình 3.2). Hình 3.2 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định trên lưu vực sông Cả 17
3.1.4 Kết quả nghiên cứu mô hình NAM a) Kết quả nghiên cứu đối với vùng hạ lưu sông Cả thuộc Việt Nam: Kết hợp mưa vệ tinh CHIRPS với chuỗi số liệu mưa thực đo từ 1982 đến 2018 để tính toán lưu lượng trung bình (LLTB) từ mô hình NAM tại các vị trí Quỳ Châu, Nghĩa Khánh. Kết quả tính các hệ số tương quan trong bảng 3.4 và 3.5 cho thấy sự kết hợp này đã cải thiện đáng kể độ chính xác của dòng chảy tính từ NAM Bảng 3.4 và 3.5 Kết quả tính tương quan tại trạm Quỳ Châu và Nghĩa Khánh Dữ liệu mưa được sử Quỳ Châu Nghĩa Khánh Giá trị PBIAS PBIAS (m3/s) dụng R2 NSE R2 NSE (%) (%) LLTB Thực đo tại trạm mưa 0,70 0,48 -13,8 0,71 0,47 4,0 ngày Mưa thực đo kết hợp mưa viễn thám 0,71 0,51 3,60 0,75 0,53 2,7 LLTB Thực đo tại trạm mưa 0,83 0,65 -13,8 0,85 0,70 4,0 tháng Mưa thực đo kết hợp mưa viễn thám 0,84 0,70 3,50 0,88 0,75 2,8 LLTB Thực đo tại trạm mưa 0,52 -0,15 -13,8 0,73 0,45 4,0 năm Mưa thực đo kết hợp mưa viễn thám 0,55 0,27 3,60 0,72 0,47 2,8 b) Kết quả nghiên cứu đối với lưu vực xuyên biên giới nằm ở Lào và Việt Nam Thượng lưu sông Cả có 2 phụ lưu bắt nguồn từ nước Lào là Nậm Nơn và Nậm Mộ. Luận án nghiên cứu nhánh Nậm Mộ chảy vào Việt Nam đến Mường Xén, sau đó nhập với nhánh Nậm Nơn tại Cửa Rào. Diện tích lưu vực Mường Xén 261.350 ha (phần ở Việt Nam chiếm 14,1%, phần ở Lào 85,9%). Tại đây chỉ có một trạm đo mưa. Luận án thiết lập thêm 05 trạm mưa giả định ở địa phận nước Lào và 02 trạm ở Việt Nam (Hình 3.5) để tính toán mô hình NAM, số liệu tại các trạm này được trích xuất từ dữ liệu mưa ngày của mưa vệ tinh CHIRPS. Hình 3.5 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định lưu vực Mường Xén 18