Kết hợp dữ liệu vệ tinh trọng lực và thủy văn bề mặt để theo dõi diễn biến trữ lượng nước ngầm tại khu vực bắc trung bộ

Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 461 KẾT HỢP DỮ LIỆU VỆ TINH TRỌNG LỰC VÀ THỦY VĂN BỀ MẶT ĐỂ THEO DÕI DIỄN[.]

KẾT HỢP DỮ LIỆU VỆ TINH TRỌNG LỰC VÀ THỦY VĂN BỀ MẶT

ĐỂ THEO DÕI DIỄN BIẾN TRỮ LƯỢNG NƯỚC NGẦM TẠI KHU VỰC

BẮC TRUNG BỘ

Lê Tiến Duy, Trần Thành Lê, Hoàng Văn Tuấn, Lê Thị Liên, Lê Thị Hoa Huệ

Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

Tóm tắt

Nhiệm vụ vệ tinh Phục hồi trọng lực và thí nghiệm khí hậu (GRACE) được áp dụng để xác định biến động trữ lượng nước (Terrestrial Water Storage - TWS), chủ yếu bao gồm nước ngầm (Ground Water - GW), nước mặt (Surface Water - SW), tức là độ ẩm của đất (Soil Moisture - SM)

và nước tuyết tương đương (Snow Water Equivalent - SWE) Để theo dõi biến động trữ lượng nước ngầm, nhóm tác giả xác định biến động trữ lượng nước (TWS) dựa vào dữ liệu vệ tinh trọng lực GRACE Sau đó, tiến hành loại bỏ yếu tố nước mặt được mô phỏng theo mô hình bề mặt đất của Hệ thống đồng hóa dữ liệu đất toàn cầu GLDAS (Global Land Data Assimilation System) Biến động trữ lượng nước (TWS) được xác định từ các sản phẩm của GRACE (CSR, GFZ và JPL) và mô hình GLDAS Phân tích số liệu cho thấy giải pháp thu được thông qua việc loại bỏ độ ẩm đất (SM) trong

mô hình GLDAS là có đủ cơ sở Dựa trên quy trình xử lí dữ liệu vệ tinh GRACE của WeiFeng, sau

đó, loại bỏ biến động dữ liệu nước mặt từ NAOH trong mô hình GLDAS, chúng tôi tiến hành ước tính sự biến động nước ngầm tại khu vực nghiên cứu, đồng thời, thu thập số liệu nước ngầm quan trắc tại chỗ ở tầng chứa nước không áp tại 03 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh, đại diện cho khu vực nghiên cứu để theo dõi xu hướng tăng giảm mực nước ngầm, nhằm đưa ra kết luận

dự báo cho toàn vùng Dựa trên xu hướng biến động trữ lượng nước hàng năm của nước mặt và CSR - Nước mặt, GFZ - Nước mặt, JPL - Nước mặt cho thấy, mô hình CSR -Nước mặt là phù hợp nhất tại khu vực nghiên cứu Trên cơ sở đó, có thể kết luận biến động trữ lượng nước ngầm tại khu vực Bắc Trung Bộ có xu hướng giảm nhẹ: - 0,09 ± 0,25 cm, trong giai đoạn từ năm 2011 - 2017.

Từ khóa: Vệ tinh Phục hồi trọng lực và Thí nghiệm khí hậu; Hệ thống đồng hóa dữ liệu đất

toàn cầu; Tổng trữ lượng nước; Nước ngầm; Nước mặt; Độ ẩm đất

Abstract

Combining gravity satellite data and surface hydrology to monitor changes in groundwater

reserves in the North central region

The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission is applied to determine the variation of water storage (TWS), mainly consisting of groundwater (GW), surface water (SW), ie soil moisture (SM) and snow water equivalent (SWE) To monitor groundwater reserve fluctuations, we determine changes in terrestrial water storage (TWS) based on GRACE gravity satellite data, then proceed to remove surface water simulated by the Global Land Data Assimilation System model (GLDAS) Changes in terrestrial water storage were determined from GRACE products (CSR, GFZ, JPL) and GLDAS model, data analysis showed that the solution was obtained through soil moisture removal (SM) in the GLDAS model is enough basis Based on WeiFeng’s GRACE satellite data processing process, then removing surface water data fluctuations from NAOH in the GLDAS model, we estimate groundwater fluctuations in the study area, and at the same time collect Collecting groundwater data for in situ monitoring in the unconfined aquifer

in 3 provinces of Thanh Hoa, Nghe An, Ha Tinh representing the study area to monitor the trend

of increasing and decreasing groundwater level, for the purpose of providing forecast conclusions for the whole region Based on the annual trend of water reserve variation of Surface Water and

CSR - Surface Water, GFZ - Surface Water, JPL - Surface Water, the CSR - Surface Water model

is the most suitable in the study area On that basis, it can be concluded that the fluctuation of groundwater reserves in the North Central region trends to decrease slightly: - 0.09 ± 0.25cm in the period from 2011 to 2017.

Keywords: Gravity Recovery Satellite and Climate Experiment; Global Land Data

Assimilation System; Total water reserves; Groundwater; Surface water; Soil moisture

1 Đặt vấn đề

Biến đổi khí hậu là nguyên nhân chính khiến cho mối quan hệ giữa các yếu tố mất đi sự cân bằng vốn có Điều này chính là một mối đe dọa đối với an ninh lương thực, chất lượng nguồn nước

và nguồn năng lượng Biến đổi khí hậu là một hiện tượng mà con người không thể phủ nhận được những tác động hiển nhiên của nó [1]

Tài nguyên nước (TNN) là các nguồn nước mà con người sử dụng hoặc có thể sử dụng vào những mục đích khác nhau, nước được dùng trong các hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và môi trường, hầu hết các hoạt động trên đều cần nước ngọt Vấn đề lớn nhất với việc quản lý tài nguyên nước là theo dõi, kiểm soát nguồn nước định kì Sự sụt giảm của nguồn nước ngầm hầu như là vô hình và hậu quả của nó sẽ chỉ thường thể hiện vào nhiều năm sau đó Dễ thấy rằng, mô hình hạn hán đang gắn chặt với sự cạn kiện nước ngầm Nước bề mặt có thể phục hồi sau khi có nhiều cơn mưa lớn nhưng mất nhiều hơn thế để phục hồi lượng nước bị hút ra khỏi tầng ngậm nước

Sự suy giảm tài nguyên nước dưới đất tại khu vực Bắc Trung Bộ luôn là vấn đề được các ban ngành quan tâm, khu vực này có hai tầng chứa nước chính đang được khai thác sử dụng, đó là các tầng chứa nước Holocen (qh) và Pleistocen (qp)

Xuất phát từ tầm quan trọng trong việc dự báo TNN, chúng tôi đã lựa chọn phương pháp sử dụng dữ liệu vệ tinh Phục hồi trọng lực và Thí nghiệm khí hậu (GRACE) và Hệ thống đồng hóa dữ liệu đất toàn cầu GLDAS để theo dõi biến động trữ lượng nước ngầm tại khu vực Bắc Trung Bộ

Sứ mệnh của GRACE bao gồm 02 vệ tinh được thiết kế để lập bản đồ chuẩn xác về những biến đổi trọng trường của Trái đất Hai vệ tinh giống hệt nhau bay trên quỹ đạo cực, ở độ cao khoảng 500 km, phía trên Trái đất, được đặt cách nhau một khoảng cách 220 km trên cùng một quỹ đạo Khoảng cách giữa 02 vệ tinh được đo liên tục bằng GPS và radar

Dữ liệu GRACE được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm 60 dị thường TWS hàng tháng loại RL05, được phát hành từ tháng 03 năm 2011 đến tháng 06 năm 2017, do Trung tâm Nghiên cứu vũ trụ (Center for Space Research - CSR), Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Địa chất Đức (German Research Center for Geosciences - GFZ) và từ Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của NASA (Jet Propulsion Laboratory - JPL) cung cấp

Theo một số nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng, mô hình GLDAS phù hợp hơn các mô hình thủy văn khác và các ước lượng GRACE-GLDAS tương ứng tốt với các ước lượng từ việc theo dõi tại các giếng quan trắc [2, 3, 4] Vì vậy, trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng mô hình GLDAS kết hợp với dữ liệu vệ tinh của 03 tổ chức CSR, GFZ và JPL để theo dõi diễn biến trữ lượng nước ngầm cho các tỉnh khu vực Bắc Trung Bộ

2 Cơ sở lí thuyết và phương pháp nghiên cứu.

2.1 Giới thiệu phạm vi nghiên cứu

Bắc Trung Bộ là phần phía Bắc của Trung Bộ, kéo dài từ tỉnh Thanh Hóa đến phía Bắc của đèo Hải Vân, là vùng kinh tế trọng điểm của miền Trung Với vị trí địa lý như sau: phía Bắc giáp

Trung du và miền núi Bắc Bộ, Đồng bằng Sông Hồng; phía Nam giáp Duyên hải Nam Trung Bộ; phía Tây giáp dãy Trường Sơn và Lào; phía Đông là Biển Đông (Vịnh Bắc Bộ) Khu vực này bao gồm cả Trung du và miền núi, địa hình phân dị phức tạp, thời tiết khắc nghiệt, nhiều biến động Phạm vi nghiên cứu bao gồm 06 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, được giới hạn từ 16 đến 20.75 vĩ độ Bắc và từ 103.75 đến 108.25 kinh độ Đông (Hình 1)

Hình 1: Sơ đồ khu vực Bắc Trung Bộ 2.2 Cơ sở lí thuyết và phương pháp nghiên cứu

Vệ tinh Phục hồi Trọng lực và Thí nghiệm Khí hậu (GRACE) có thể áp dụng để theo dõi diễn biến thay đổi tổng lượng nước (TWS), chủ yếu bao gồm nước ngầm, độ ẩm của đất và tuyết [5]

∆TWS = ∆GW + ∆SM + ∆SWE (1)

Khu vực nghiên cứu không có tuyết nên phương trình (1) có thể viết lại:

∆TWS = ∆GW + ∆SM (2)

Trong đó:

∆GW là thay đổi của nước ngầm;

∆TWS là thay đổi của tổng lượng nước;

∆SM là thay đổi của độ ẩm đất

Trong khi đó, các biến thể từ SM có thể được mô phỏng từ các mô hình thủy văn bề mặt đất

Do đó, có thể ước tính được các thay đổi về mực nước ngầm bằng cách loại bỏ biến thể nước mặt khỏi tổng lượng nước có nguồn gốc từ GRACE

2.2.1 Thu thập và xử lý dữ liệu GRACE

Dữ liệu GRACE được sử dụng để ước tính TWS trong nghiên cứu này bao gồm 60 trường trọng lực Release 5 (RL05) hàng tháng, từ tháng 3 năm 2011 đến tháng 6 năm 2017, được cung cấp bởi Trung tâm Nghiên cứu Không gian (CSR), Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Địa chất Đức (GFZ) và từ Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA (JPL) Kết quả TWS có 16 tháng

bị thiếu dữ liệu do quản lý pin (tháng 06/2011; 05/2012; 10/2012; 03/2013; 08/2013; 09/2013; 02/2014; 07/2014; 12/2014; 06/2015; 10/2015; 11/2015; 04/2016; 09/2016; 10/2016; 02/2017) được xác định bởi phép nội suy tuyến tính

Dựa trên nghiên cứu của Cheng và Tapley, đề xuất thay thế các hệ số C20 bằng các ước tính

từ các giải pháp định vị Laser vệ tinh (SLR), trong đó, các giá trị thu được từ các quan sát GRACE

có độ không đảm bảo so với các giá trị SLR [6], sự thay đổi theo mùa của các sóng hài hình cầu bậc 1 đại diện cho các biến thể của Geocenter Earth, không được cung cấp bởi riêng GRACE Sử dụng bộ lọc Gaussian với bán kính làm mịn 300 km và bộ lọc tương quan “P2M5” (đối với hệ

số hài hình cầu bậc 5 trở lên, đa thức bậc 2 được lắp vào các cặp chẵn và sau đó đa thức phù hợp được loại bỏ khỏi các hệ số, tương tự áp dụng với các cặp lẻ) để giảm thiểu ảnh hưởng của các lỗi

“sọc” [7, 8, 9]

Sau khi xử lý có liên quan, mô hình tính toán lưu trữ nước trên cạn (EWH) được tính theo [10, 11]

Trong đó:

: Khối lượng riêng trung bình của Trái đất (5517 kg/m3);

: Khối lượng riêng của nước (giả định ở đây là 1000 kg / m3);

: Diện tích góc của vùng;

kl: Hệ số love number của bậc l, đại diện cho các phản ứng của Trái đất đối với tải trọng bề

mặt và có thể thu được [12];

và : Là các hệ số hài hình cầu mô tả hình dạng của khu vực;

W tương ứng với toán tử làm trơn Gaussian;

và : Là phần dư của hệ số điều hòa hình cầu của trường trọng lực, trong đó, giá trị trung bình dài hạn đã bị loại bỏ

Toàn bộ quá trình xử lý dữ liệu của GRACE được áp dụng theo quy trình FengWei chạy trên phần mềm Matlab

2.2.2 Dữ liệu thủy văn bề mặt

Được phát triển chung bởi Trung tâm bay vũ trụ Goddard của NASA (GSFC) và Trung tâm

Dự báo Môi trường và Đại dương Quốc gia (NOAA) (NCEP), GLDAS trình bày các biến thể địa hình gần thời gian thực được tối ưu hóa và có thể cung cấp thông tin về lượng độ ẩm đất bề mặt toàn cầu

Sự phát triển của mô hình thủy văn bề mặt đất giúp thu được sự phân bố theo thời gian - không gian của các biến thể độ ẩm quy mô lớn

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng độ ẩm đất trung bình tương đương từ mô hình GLDAS toàn cầu, sau khi lọc dữ liệu độ ẩm đất trên phần mềm Panoply, thu được dữ liệu nước mặt trong từng tháng tại 06 tỉnh Bắc Trung Bộ

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Các biến thể lưu trữ nước trên cạn

Vì các biến thể tích trữ nước có các tín hiệu theo mùa nên phân tích hồi quy đa tuyến tính có thể được áp dụng để kiểm tra sự biến thiên theo thời gian của các đại lượng thủy văn, chẳng hạn như TWS ước tính Do đó, đối với một chuỗi thời gian nhất định, mô hình được sử dụng trong công việc này được tính đến [16]:

(4)

Trong đó:

t là thời gian;

a là hằng số;

, và liên quan đến biên độ, pha và tần số;

k đại diện cho bậc của sóng hài hòa (k = 1 và k = 2 tương ứng với các thành phần hàng năm

và nửa năm tương ứng);

là sự thay đổi còn lại trong dữ liệu, chủ yếu là nhiễu với một số tín hiệu dư

Quan sát trên Hình 2 và Bảng 1, các mô hình từ GRACE và GLDAS có biên độ rõ rệt, theo chu kì hàng năm, trữ lượng nước thường tăng cao vào các tháng 8, 9, 10 và giảm thấp vào các tháng

02, 3, 4 Duy chỉ có mô hình GLDAS thể hiện dị thường khác biệt vào thời điểm cuối năm 2016, đây là thời điểm lũ lụt diễn ra cực mạnh tại các tỉnh Bắc Trung Bộ

Hình 2: Biến động trữ nước có nguồn gốc từ GRACE (từ 3 tổ chức CSR, GFZ và JPL) và từ

mô hình GLDAS tại khu vực Bắc Trung Bộ Bảng 1 Biên độ và xu hướng hàng năm của trữ lượng nước được ước tính từ dữ liệu vệ tinh

trọng lực GRACE và Nước mặt từ mô hình GLDAS

Biến số Biên độ hàng năm (cm) Xu hướng (cm) RMSD (cm)

Hình 3: Biến động mực nước ngầm và xu hướng hàng năm ước tín sau khi loại bỏ biến động

Nước mặt từ dữ liệu vệ tinh GRACE - CSR

Hình 4: Biến động mực nước ngầm và xu hướng hàng năm ước tính sau khi loại bỏ biến

động Nước mặt từ dữ liệu vệ tinh GRACE - GFZ

Hình 5: Biến động mực nước ngầm và xu hướng hàng năm ước tính sau khi loại bỏ biến

động nước mặt từ dữ liệu vệ tinh GRACE - JPL

Bảng 2 Biên độ và xu hướng của biến động trữ lượng nước giữa vệ tinh trọng lực GRACE và

nước mặt từ mô hình thủy văn GLDAS - NAOH

Biến số Biên độ hàng năm (cm) Xu hướng (cm) RMSD (cm)

Sau khi loại bỏ dữ liệu nước mặt từ mô hình GRACE, nhóm tác giả nhận thấy nước ngầm trong khu vực có xu hướng giảm, duy nhất có số liệu tính theo JPL có dấu hiệu tăng nhẹ (Bảng 2) Quan sát Bảng 2 và Hình 3, 4, 5 cho thấy, mô hình CSR - Nước mặt có độ lệch chuẩn biên độ và lỗi trung bình bình phương (RMSD) hay độ lệch chuẩn của phần dư là bé, điều đó chứng tỏ mô hình CSR - SM là phù hợp nhất trong 03 mô hình trên Tuy nhiên, để có số liệu kiểm chứng kết quả nghiên cứu, nhóm tác giả tiến hành thu thập số liệu quan trắc nước ngầm tại 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh với thời gian quan trắc từ tháng 3 năm 2011 đến tháng 6 năm 2017

3.2 Phân tích so sánh giữa các biến thể nước ngầm

Số liệu quan trắc nước ngầm tại 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh, thời gian quan trắc

từ tháng 3 năm 2011 đến tháng 6 năm 2017 (đây là khoảng thời gian và địa điểm có thể thu thập được dữ liệu từ các giếng quan trắc tại chỗ, các địa phương khác hầu hết đều đến năm 2018 mới xây dựng giếng quan trắc)

17.5

18

18.5

19

19.5

20

20.5

21

Long

Toàn bộ vị trí giếng được xác định nằm trong 08 ô lưới, kích thước 0,25 × 0,25 độ, với tổng

số 18 giếng quan trắc, số liệu được thống kê theo độ cao mực nước trung bình trong từng ô lưới của tầng chứa nước không áp (qh) (Hình 6)

Hình 6: Sơ đồ khu vực 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh (bao quanh bởi đường cong màu xanh) và phân bố các giếng quan trắc nước ngầm (chấm đỏ) Các hình chữ nhật màu

Quan sát Hình 7 nhóm tác giả nhận thấy, biến động nước ngầm hàng năm tại tầng chứa nước không áp tại khu vực 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh có xu hướng giảm (- 0,53 ± 0,18 cm) Nếu nhìn vào kết quả, ước tính biến động của cả vùng Bắc Trung Bộ là: - 0,09 ± 0,25 cm (Bảng 2 và Hình 3) thì có thể lí giải được sự tương đồng về xu hướng giảm nhẹ hàng năm trên cơ

sở địa hình của 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh - đại diện cho vùng Bắc Trung Bộ