Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố trong đánh giá ảnh hưởng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI --- ĐINH XUÂN HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ MÔ HÌNH THỦY VĂN PHÂN BỐ TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG C

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

-

ĐINH XUÂN HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ

MÔ HÌNH THỦY VĂN PHÂN BỐ TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI THẢM PHỦ ĐẾN TÀI

NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU

HÀ NỘI, NĂM 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐINH XUÂN HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ

MÔ HÌNH THỦY VĂN PHÂN BỐ TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI THẢM PHỦ ĐẾN TÀI

NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU

Chuyên ngành : Thủy văn học

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1.PGS.TS Ngô Lê An

2.TS Lê Viết Sơn

HÀ NỘI, NĂM 2018

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Đinh Xuân Hùng

Lời cảm ơn

Để hoàn thành khóa luận này, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Ngô Lê An - Giảng viên khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, trường Đại học Thủy lợi; TS Lê Viết Sơn - Phòng Quy hoạch Thủy lợi Bắc Bộ - Viện Quy hoạch Thủy lợi đã tận tình hướng dẫn trong suốt quá trình viết luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới NCS.ThS Hà Thanh Lân - Phòng Đào tạo, Hợp tác Quốc tế -Viện Quy hoạch Thủy lợi đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong thời gian qua Em chân thành cảm ơn quý thầy, cô trong khoa Thủy văn và Tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy lợi cùng các anh chị

ở Viện Quy hoạch Thủy lợi đã tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức trong thời gian em học tập Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học không chỉ

là nền tảng cho quá trình nghiên cứu luận văn mà còn là hành trang quý báu trong quá trình công tác sau này Em chân thành cảm ơn Ban giám đốc Viện Quy hoạch Thủy lợi đã cho phép và tạo điều kiện thuận lợi để em học tập tại trường Cuối cùng em kính chúc quý thầy, cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý Đồng kính chúc các cô, chú, anh, chị trong Viện Quy hoạch Thủy lợi luôn dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công trong công việc

Trân trọng

Hà Nội, ngày 31 tháng 7 năm 2018

Học viên

Đinh Xuân Hùng

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 3

4.1 Cách tiếp cận 3

4.2 Phương pháp nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về công nghệ Viễn thám 4

1.1.1 Trên thế giới 5

1.1.2 Trong nước 8

1.1.3 Đánh giá chung về các nghiên cứu trong nước và ngoài nước có liên quan 10 1.2 Tổng quan về mô hình thủy văn phân bố hiện nay 11

1.2.1 Ngoài nước 11

1.2.2 Trong nước 14

1.2.3 Đánh giá chung về nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn phân bố hiện nay 15

1.3 Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn phân bố trong quản lý, đánh giá tài nguyên nước 15

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới 15

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 17

1.4.3 Đánh giá chung về khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố trong quản lý, đánh giá tài nguyên nước: 18

1.4 Tổng quan về số liệu viễn thám mưa vệ tinh hiện nay 19

1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu 23

1.5.1 Đặc trưng về vị trí địa lý, kinh tế- xã hội 23

1.5.2 Đặc trưng về nhiệt độ 23

1.5.3 Đặc trưng về mưa 24

1.5.4 Đặc trưng về chế độ thủy văn 28

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Phương pháp nghiên cứu và xử lý dữ liệu ảnh Viễn thám 29

2.1.1 Công nghệ Google Earth Engine 29

2.1.2 Dữ liệu ảnh viễn thám 29

2.2 Xử lý cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy văn SWAT bằng công nghệ viễn thám 36

2.2.1 Xây dựng bản đồ độ cao số 36

2.2.2 Xây dựng bản đồ thổ nhưỡng 37

2.2.3 Xây dựng bản đồ thảm phủ 38

2.2.4 Dữ liệu mưa vệ tinh 42

2.3 Nghiên cứu xây dựng mô hình SWAT trong mô phỏng dòng chảy 45

2.3.1 Phương pháp 45

2.3.2 Thiết lập mô hình và trình tự thực hiện 46

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 53

3.1 Ứng dụng công nghệ viễn thám trong xây dựng bản đồ thảm phủ 53

3.1.1 Ứng dụng công nghệ Google Earth Engine trong xây dựng bản đồ thảm phủ cơ bản 53

3.1.2 So sánh, đánh giá kết quả xây dựng bản đồ thảm phủ bằng công nghệ Google Earth Engine và dữ liệu của SERVIR Mekong 56

3.2 Kết quả đánh giá dữ liệu mưa vệ tinh 58

3.3 Kết quả, đánh giá mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cầu sử bằng mô hình SWAT 62

3.3.1 Hiệu chỉnh mô hình 63

3.3.2 Phân tích kết quả 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72

Kết luận 72

Kiến nghị 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Bản đồ thảm phủ miền Đông Bắc Iran qua các năm: (A) 1972; (B) 1986; (C)

2000 và (D) 2014 6

Hình 1.2: Bản đồ sử dụng đất vùng Tanguar Haor, Sunamganj, Bangladesh 7

Hình 1.3: Sơ đồ hiện trạng và cơ cấu, diện tích các kiểu thảm thực vật huyện Kỳ Anh, Hà Tĩnh năm 2008 8

Hình 1.4: Bản đồ sử dụng đất qua các năm 1967; 1989; 1998 và 2005 của xã Châu Khê, huyện Con Cuông, tỉnh Nghệ An 9

Hình 1.5: Bản đồ nguy cơ hạn hán các năm 2000;2005;2010 và 2014 sử dụng chỉ số TVDI khu vực huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận 10

Hình 1.6: Bản đồ sử dụng đất/thảm phủ lưu vực sông Jiulong, Trung Quốc theo các năm 2002, 2007 và 2010 12

Hình 1.7: Kết quả hiệu chỉnh dòng chảy lưu vực sông Olifants giai đoạn 1988-2001 13 Hình 1.8: Kết quả mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Olifants giai đoạn 2002-2013 sau khi sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh 13

Hình 1.9: Tỷ lệ thay đổi tài nguyên nước (%) dưới tác dụng của sử dụng đất vùng Great Lake-Michigan và Wisconsin sử dụng ảnh viễn thám và mô hình SWAT 16

Hình 1.10: Nền tảng công nghệ mô hình do Trường Đại học Công nghệ Delft và Future Water (Hà Lan) xây dựng dựa trên mô hình SPHY và công nghệ viễn thám phục vụ đánh giá nguồn nước lưu vực sông Hồng 17

Hình 1.11:Dữ liệu mưa CHIRPS cho châu Phi ngày 04-04-2017 20

Hình 1.12: Dữ liệu mưa CMORPH ngày 08-11-2015 ở Autralia 21

Hình 1.13: Dữ liệu mưa GPM toàn cầu ngày 01-07-2014 22

Hình 2.1: Phương pháp nghiên cứu của đề tài 29

Hình 2.2: Lưu vực sông Cầu tổ hợp màu tự nhiên bằng ảnh Landsat các năm: (1) 2000; (2) 2010; (3) 2015 trên nền Google map 34

Hình 2.3: Bản đồ độ cao số lưu vực sông Cầu 37

Hình 2.4: Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Cầu 38

Hình 2.5: Sơ đồ xây dựng bản đồ thảm phủ theo Servir-Mekong 39

Hình 2.6: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2000 40

Hình 2.7: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2010 41

Hình 2.8:Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2015 42

Hình 2.9: Sơ đồ diễn giải mô phỏng nguồn nước bằng mô hình SWAT 45

Hình 2.10: Phân chia lưu vực bằng Watershed Delineation 46

Hình 2.11: Sơ đồ các tiểu lưu vực, các công trình trên lưu vực sông Cầu 48

Hình 2.12: Bản đồ điểm đo mưa vệ tinh CHIRPS trên lưu vực sông Cầu 51

Hình 3.1: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2000 54

Hình 3.2: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2010 55

Hình 3.3: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2015 56

Hình 3.4: Biểu đồ mưa thực đo và mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Cạn 58

Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Cạn 59 Hình 3.6: Biểu đồ mưa thực đo và mưa vệ tinh CHIRPS trạm Định Hóa 59

Hình 3.7: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Định Hóa 60

Hình 3.8: Biểu đồ mưa thực đo và mưa vệ tinh CHIRPS trạm Thái Nguyên 60

Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Thái Nguyên 61Hình 3.10: Biểu đồ mưa thực đo và mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Ninh 61Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Ninh 62Hình 3.12: Kết quả mô phỏng dòng chảy tại trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 – 2003 63Hình 3.13: Kết quả hiệu chỉnh mô hình tại trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 – 2003 65Hình 3.14: Đường phân bố lưu lượng thực đo - lưu lượng mô phỏng tại trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 - 2003 65Hình 3.15: Kết quả kiểm định mô hình tại trạm Gia Bảy giai đoạn 2004 - 2011 66Hình 3.16: Đường quan hệ lưu lượng thực đo - lưu lượng mô phỏng theo tháng tại trạm Gia Bảy giai đoạn 2004 - 2011 66Hình 3.17: So sánh đường quá trình dòng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2000 sử dụng bản đồ thảm phủ năm 2000, 2010 và 2015 68Hình 3.18: So sánh đường quá trình dòng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2010 sử dụng bản đồ thảm phủ năm 2000, 2010 và 2015 69Hình 3.19: Đường quá trình dòng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2015 sử dụng bản

đồ thảm phủ năm 2000, 2010 và 2015 70

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Một số nguồn mưa phổ biến hiện nay 22

Bảng 1.2: Nhiệt độ tháng năm trung bình nhiều năm tại các trạm (Đơn vị: 0C) 24

Bảng 1.3: Tổng lượng mưa trung bình nhiều năm tại một số trạm (mm) 25

Bảng 1.4: Tần suất mưa năm tại một số trạm 26

Bảng 1.5: Lượng mưa mùa mưa, mùa khô và tỉ lệ các mùa so với mưa năm (mm) 27

Bảng 2.1: Lịch sử phát triển ảnh vệ tinh Landsat qua các mốc thời gian 29

Bảng 2.2: Một số thông số chính của nguồn ảnh Landsat được sử dụng 32

Bảng 2.3: Mức đánh giá chỉ số NSE 44

Bảng 2.4: Thông số hồ chứa và công trình thủy lợi nhập trong mô hình 47

Bảng 2.5: Phân loại thảm phủ và diện tích từng loại trên lưu vực sông Cầu năm 2000; 2010 và năm 2015 49

Bảng 2.6: Các loại hình thổ nhưỡng trên lưu vực sông Cầu: 49

Bảng 2.7: Phân ngưỡng độ dốc trong mô hình 50

Bảng 3.1: Sự thay đổi diện tích các lớp thảm phủ theo từng năm 53

Bảng 3.2: Tỷ lệ diện tích giữa bản đồ thảm phủ của Servir-Mekong và Google Earth Engine 57

Bảng 3.3: Chỉ số KGE và NSE tại một số trạm trên lưu vực sông Cầu 58

Bảng 3.4: Mức đánh giá chỉ số NSE và PBIAS 63

Bảng 3.5: Các thông số hiệu chỉnh trong mô hình: 64

Bảng 3.6: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch bản mô phỏng dòng chảy năm 2000 sử dụng bản đồ thảm phủ năm 2000; 2010 và 2015 (đơn vị: m3/s) 67

Bảng 3.7: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch bản mô phỏng dòng chảy năm 2010 sử dụng bản đồ thảm phủ năm 2000; 2010 và 2015 (đơn vị: m3/s) 68

Bảng 3.8: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch bản mô phỏng dòng chảy năm 2015 sử dụng bản đồ thảm phủ năm 2000; 2010 và 2015 (đơn vị: m3/s) 69

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ

GIS Geographic Information System - Hệ thống thông tin địa lý DEM Digital Elevation Model – Mô hình độ cao số

SWAT Soil and Water Assessment Tool – Công cụ quản lý đất và nước GPM Global Precipitation Measurement

CHIRPS Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station

ASTER GDEM ASTER Global Digital Elevation Model

USGS United States Geological Survey - Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ

FAO Food and Agriculture Organization - Tổ chức Nông nghiệp và

lương thực Liên Hiệp Quốc NASA National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan Hàng

không và Vũ trụ Hoa Kỳ KGE Kling-Gupta - chỉ số đánh giá mưa theo công thức Kling-Gupta NSE Nash-Sutcliffe - Chỉ số hiệu quả

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, tài nguyên nước là một trong những tài nguyên có ý nghĩa sống còn đối với

sự phát triển của con người Trong đó, dòng chảy đóng vai trò quan trọng trong hình thành lên tài nguyên nước Sự biến đổi của thảm phủ thực vật là một trong những nguyên nhân chính gây nên sự thay đổi dòng chảy Nghiên cứu sự thay đổi của thảm phủ thực vật có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đánh giá biến động dòng chảy

Khoa học viễn thám là sản phẩm khoa học hiện đại của nhân loại, được hình thành với mục đích giám sát bề mặt của trái đất, và được ứng dụng rộng rãi từ những năm 1970 của thế kỷ trước, phổ biến ở các nước có nền kinh tế mạnh như Mỹ, Anh, Canada, Nhật Bản, Pháp, và Đài Loan (Trung Quốc) Ngày nay khoa học viễn thám thâm nhập hầu hết vào các lĩnh vực nghiên cứu nói chung và tài nguyên nước nói riêng, và đã chỉ

ra những thế mạnh, những lợi ích đáng kể như; nghiên cứu được đối tượng từ xa và trong quá khứ, tiết kiệm thời gian, công sức, cũng như chi phí tài chính Với những ưu điểm về độ bao phủ không gian rộng lớn, chu kỳ thu nhận dữ liệu ngắn, mức độ chi tiết cao (ảnh vệ tinh độ phân giải cao và siêu cao), sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng… công nghệ viễn thám đang trở thành công nghệ chủ đạo cho quản lý, giám sát tài nguyên thiên nhiên và môi trường và thiên tai hiện nay trên thế giới

Mô hình thủy văn phân bố với ưu điểm là mô hình mã nguồn mở, tích hợp nhiều nguồn dữ liệu toàn cầu, cung cấp dữ liệu đầu ra ở khoảng thời gian dài và không gian rộng lớn, tính toán nhiều dữ liệu đầu ra, cung cấp những kiến thức tổng quan nhất phục vụ cho việc quản lý, đánh giá tài nguyên nước trong vùng nghiên cứu Hiện nay trên thế giới có nhiều mô hình thủy văn phân bố được sử dụng, trong nghiên cứu này

sử dụng mô hình SWAT với ưu điểm là dạng mã nguồn mở, được cung cấp miễn phí,

dữ liệu đầu vào được xử lý một cách thuận tiện, cho phép mô hình hóa các lưu vực không có mạng lưới quan trắc, mô phỏng tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào như sử dụng đất, thổ nhưỡng và các dữ liệu khí tượng SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên một lưu vực

Việc kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố, với mô hình thủy văn phân bố sử dụng các dữ liệu đầu vào là dữ liệu viễn thám với nhiều ưu điểm như: nhiều nguồn thông tin, chu kì thu nhận thông tin ngắn, xử lí trên diện rộng, không phụ thuộc vào điều kiện xã hội – chính trị trên mặt đất Những ưu điểm nổi bật đó đã làm cho viễn thám trở thành dữ liệu đầu vào được sử dụng hiệu quả trong mô hình thủy văn phân bố

Vì vậy, đánh giá sự biến động của thảm phủ thực vật ứng dụng công nghệ viễn thám

và mô hình SWAT giúp ta có có cái nhìn tổng quan hơn về sự biến đổi thảm phủ thực vật phục vụ công tác đánh giá sự biến động tài nguyên nước trên lưu vực sông Cầu

Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố trong đánh giá ảnh hưởng của việc thay đổi thảm phủ đến tài nguyên nước lưu vực sông Cầu” sử dụng công nghệ viễn thám phân tích sự thay đổi thảm phủ thực vật

kết hợp mô hình thủy văn phân bố SWAT đánh giá tác động của thảm phủ thực vật qua các năm 2000, 2010 và 2015 đến dòng chảy trên lưu vực sông Cầu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu sử dụng công nghệ viễn thám và mô hình thuỷ văn để đánh giá ảnh hưởng của thảm phủ đến tài nguyên nước trên lưu vực sông Cầu

Để đạt được mục tiêu nghiên cứu này, luận văn cần thực hiện các mục tiêu sau:

- Nghiên cứu cơ sở khoa học của việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong xây dựng bản đồ thảm phủ và cơ sở dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy văn phân bố

- Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong phân tích, đánh giá quá trình thay đổi thảm phủ thực vật trên lưu vực sông Cầu

- Nghiên cứu xây dựng mô hình thủy văn phân bố SWAT dựa trên đầu vào từ công

nghệ viễn thám và ứng dụng mô hình trong mô phỏng diễn biến tài nguyên nước

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Sự thay đổi của thảm phủ thực vật ảnh hưởng đến biến đổi tài nguyên nước (cụ thể là dòng chảy) lưu vực sông Cầu xét trong các năm 2000; 2010 và

2015

- Phạm vi nghiên cứu: về không gian là lưu vực sông Cầu Do thời gian còn hạn chế, luận văn chỉ nghiên cứu tập trung vào dòng chảy (thời đoạn tháng) mà không xem xét các đối tượng nghiên cứu khác như nước ngầm, chế độ dòng chảy, nhu cầu sử dụng nước

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

4.1 Cách tiếp cận

- Tiếp cận tổng hợp: tiếp cận theo các bước thu thập dữ liệu vệ tinh và các tài liệu thực

tế Kiểm định dữ liệu vệ tinh để áp dụng cho những vùng thiếu hoặc không có số liệu thực tế

- Tiếp cận kế thừa: sử dụng các phương pháp tính toán, phân loại sử dụng đất bằng công nghệ viễn thám và các kinh nghiệm nghiên cứu trước đây ứng dụng mô hình SWAT

4.2 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp dữ liệu viễn thám làm đầu vào với mô hình thủy văn phân bố SWAT để mô phỏng dòng chảy tại trạm thủy văn Gia Bảy với

ba kịch bản thảm phủ các năm 2000, 2010 và 2015 Để từ đó đánh giá được sự thay đổi các loại hình thảm phủ và dòng chảy ứng với ba kịch bản thảm phủ trong giai đoạn 2000-2015

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ MÔ HÌNH THỦY VĂN PHÂN BỐ TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI THẢM PHỦ ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU

1.1 Tổng quan về công nghệ Viễn thám

Viễn thám là một khoa học và một nghệ thuật của sự nghiên cứu các thông tin thu nhận được thông qua sự phân tích các dữ liệu nhận được bằng các công cụ kỹ thuật mà không tiếp xúc với đối tượng, một vùng hoặc một hiện tượng nào đấy

Công nghệ viễn thám là một kỹ thuật đa ngành, nó liên kết nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác nhau trong các công đoạn khác nhau như:

- Thu thập thông tin;

- Tiền xử lý thông tin;

- Phân tích và giải đoán thông tin;

- Đưa ra các sản phẩm dưới dạng bản đồ chuyên đề và tổng hợp;

Công nghệ viễn thám là sản phẩm khoa học được ứng dụng rộng rãi từ những năm

1970 của thế kỷ trước, phổ biến ở các nước có nền kinh tế mạnh như Mỹ, Anh, Canada, Nhật Bản, Pháp, và Đài Loan (Trung Quốc) Lịch sử ứng dụng công nghệ viễn thám cho các mục đích dân sự được bắt đầu vào năm 1972 khi vệ tinh Landsat cung cấp các bức ảnh vệ tinh đầu tiên Đến nay, trên thế giới có khoảng 50 vệ tinh có mục đích sử dụng là “viễn thám” trong tổng số hơn 1.200 vệ tinh đang hoạt động Hầu hết các vệ tinh do các cường quốc vũ trụ là Mỹ, Nga, Châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc phát triển và phóng lên quỹ đạo Nhìn chung, số lượng vệ tinh viễn thám ngày càng tăng về số lượng và đa dạng về chủng loại (đa phổ, siêu phổ, radar, camera), về kích thước (micro, vệ tinh nhỏ, vệ tinh), quỹ đạo (quỹ đạo thấp, quỹ đạo cực, quỹ đạo đồng

bộ mặt trời) và có xu hướng được phát triển thành các chùm vệ tinh [1]

Công nghệ viễn thám là một trong những thành tựu kỹ thuật vũ trụ trong những thập niên gần đây đã đạt đến trình độ cao và trở thành kỹ thuật phổ biến cho nhiều nước trên thế giới không những đối với các nước đang phát triển có trình độ tiên tiến mà còn đối với các nước đang phát triển có nền công nghiệp và kinh tế còn lạc hậu Năm

1982, trong Hội nghị sử dụng vũ trụ vào mục đích hòa bình do Liên hợp quốc tổ chức tại Viên (Áo) (UNISPACE) đã có một nghị quyết quan trọng là việc chuyển giao kỹ thuật tiên tiến này cho tất cả các nước, đặc biệt là các nước đang phát triển Đó là trách nhiệm của các nước phát triển, các tổ chức quốc tế, để nhanh chóng giúp đỡ các nước đang phát triển có những hiểu biết chính xác về tài nguyên thiên nhiên, điều kiện

tự nhiên, tạo điều kiện phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường ở các nước đó Hiện nay có rất nhiều loại vệ tinh, tàu vũ trụ điều tra thiên nhiên của nhiều nước khác nhau phóng lên như: Mỹ, Pháp, Nga, Ấn Độ, Nhật Bản, Cơ quan vũ trụ Châu Âu, với số lượng trạm thu mặt đất cũng nhiều hơn như: Cuiaba (Brazil), Prince Albert (Canada), Fairbank (Alaska, Mỹ), Green Belt (Mariland, Mỹ), Kiruna (Thụy Điển), Fucino (Ytalia), Tookyo (Nhật Bản), đã mang lại những hiệu quả to lớn [2]

Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) đang cung cấp các công cụ mới để nâng cao việc quản lý hệ sinh thái Việc thu thập dữ liệu từ xa tạo điều kiện cho các phân tích tổng hợp về chức năng của hệ thống Trái đất, mô hình và thay đổi theo quy mô địa phương, vùng và toàn cầu theo thời gian; các dữ liệu này cũng là mối liên kết quan trọng giữa nghiên cứu sinh thái sâu rộng, địa phương, bảo tồn và quản lý đa dạng sinh học khu vực, quốc gia và quốc tế [3] Viễn thám sẽ trở nên hữu ích vì nó cung cấp cái nhìn tổng hợp và là công cụ đánh giá và giám sát tài nguyên môi trường [4]

Hiện nay trên thế giới và Việt Nam có những công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong các lĩnh vực nói chung và đánh giá sự thay đổi thảm phủ nói riêng như:

thay đổi của môi trường thông qua sự biến đổi của thảm phủ trong các năm 1972,

1986, 2000 và 2014 Từ đó đưa ra kế hoạch và chương trình nhằm quản lý hiệu quả các dịch vụ sinh thái

Hình 1.1: Bản đồ thảm phủ miền Đông Bắc Iran qua các năm: (A) 1972; (B) 1986; (C)

2000 và (D) 2014

- Năm 2017, Md Inzamul Haque, Rony Basak sử dụng ảnh Landsat 3,4,5,7 đánh giá

sự thay đổi của sử dụng đất giai đoạn 1980 - 2010 bằng cách sử dụng cả hai phương pháp: trước phân loại (pre-classification) và tiếp cận sau phân loại (post-classification) kết hợp GIS vùng Tanguar Haor, Sunamganj, Bangladesh Đây là một vùng kinh tế-xã hội phát triền cùng với đó có sự đa dạng sinh học Nghiên cứu này đã thống kê rằng 40% diện tích đất của vùng này đã được chuyển đổi cơ cấu sử dụng trong vòng 30 năm qua, cùng với sự phát triển của đô thị, diện tích rừng và hồ nước lớn bị thu hẹp Vì thế, nghiên cứu giúp đánh giá sự thay đổi của cơ cấu sử dụng đất để từ đó đưa ra được giải pháp một cách bền vững, bảo vệ hệ sinh thái

Hình 1.2: Bản đồ sử dụng đất vùng Tanguar Haor, Sunamganj, Bangladesh

- Năm 2010, Ramesh P Singh, Sudipa Roy và F Kogan đã sử dụng ảnh vệ tinh phân giải rất cao của Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ (NOAA) xây dựng Chỉ số điều kiện thực vật (VCI) và Chỉ số điều kiện nhiệt độ (TCI) phát triển từ chỉ số thực vật (NDVI) để theo dõi tình trạng thực vật và theo dõi hạn hán Kết quả cho thấy việc sử dụng các chỉ số VCI và TCI đánh giá và giám sát được hạn hán của

Ấn Độ [7]

- Năm 2015, Andres Sierra-Soler, Jan Adamowski, Julien Malard, Zhiming Qi, Hossein Saadat và Santosh Pingale sử dụng ảnh Landsat ETM+ kết hợp chỉ số chuẩn hóa lượng mưa tiêu chuẩn (SPI) để đánh giá tình trạng hạn hán Phương pháp này đã cung cấp chính xác về vị trí và phạm vi bị ảnh hưởng của hạn hán và đã được sử dụng

là một hệ thống giám sát hạn hán vùng miền trung Mexico [8]

- Năm 2007, F N Kogan đã sử dụng ảnh viễn thám bức xạ độ phân giải siêu cao (AVHRR) để tính toán chỉ số thực vật giai đoạn 1984 - 1987 vùng Sudan Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, chỉ số điều kiện thực vật VCI có thể tính toán được tác động của thời tiết đến thảm phủ thực vật mà không bị ảnh hưởng bởi yếu tố địa hình, khí hậu so với chỉ số NDVI, vốn bị tác động bởi những yếu tố trên dẫn đến sai khác [9]

1.1.2 Trong nước

Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung, công nghệ viễn thám ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là giám sát, quản lý tài nguyên nước, đánh giá sự thay đổi thảm phủ

- Năm 2008, nhóm nghiên cứu bao gồm Nguyễn Quang Tuấn, Trần Văn No, Đỗ Thị Việt Hương ở Khoa Địa lý - Địa chất, Trường Đại học Khoa học Huế bằng công nghệ viễn thám - phương pháp giải đoán ảnh Landsat kết hợp GIS trong việc thành lập bản

đồ hiện trạng thảm phủ thực vật ở huyện Kỳ Anh, Hà Tĩnh Ứng dụng có góp phần to lớn trong công tác quản lý, bảo vệ và khai thác thảm thực vật cũng như quy hoạch vùng lãnh thổ một cách hợp lý

Hình 1.3: Sơ đồ hiện trạng và cơ cấu, diện tích các kiểu thảm thực vật huyện Kỳ Anh,

Hà Tĩnh năm 2008

- Năm 2013, Phạm Văn Mạnh đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS đánh giá tác động của nhiệt độ, độ ẩm đến lớp phủ thực vật thông qua chỉ số thực vật (NDVI) khu vực Tây Nguyên Bằng việc sử dụng ảnh vệ tinh MODIS chu kỳ 8-16 ngày xây dựng mối quan hệ giữa chỉ số thực vật (NDVI) với nhiệt độ bề mặt và độ ẩm không khí bằng các phương trình tương quan Từ đó xây dựng bản đồ vùng rừng trồng

và rừng tự nhiên của khu vực nghiên cứu

- Năm 2012, Đào Minh Trường và Lê Trọng Toán ở Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên và Môi trường, Đại học Quốc gia Hà Nội đã ứng dụng công nghệ Viễn thám

và GIS vào nghiên cứu và quản lý sử dụng đất tại xã Châu Khê, huyện Con Cuông, tỉnh Nghệ An Nghiên cứu đã sử dụng ảnh vệ tinh Corona, Landsat để điều tra tình

hình thay đổi của thảm thực vật che phủ giai đoạn 1954 - 2005 nhằm mang lại cái nhìn tổng quan về mục đích sử dụng đất của vùng nghiên cứu, từ đó đưa ra chính sách phát triển phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội một cách bền vững

Hình 1.4: Bản đồ sử dụng đất qua các năm 1967; 1989; 1998 và 2005 của xã Châu

Khê, huyện Con Cuông, tỉnh Nghệ An

- Năm 2015, Trịnh Lê Hùng, Đào Khánh Hoài ứng dụng công nghệ Viễn thám từ tư liệu ảnh vệ tinh đa phổ Landsat đánh giá nguy cơ hạn hán huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận bằng chỉ số khô hạn nhiệt độ thực vật (TDVI), kết quả thu được có thể thành lập bản đồ nguy cơ khô hạn và giảm thiểu thiệt hại do hạn hán gây ra [10]

Hình 1.5: Bản đồ nguy cơ hạn hán các năm 2000;2005;2010 và 2014 sử dụng chỉ số

TVDI khu vực huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận

1.1.3 Đánh giá chung về các nghiên cứu trong nước và ngoài nước có liên quan

Công nghệ viễn thám và GIS là công cụ hiệu quả trong việc cung cấp phương tiện để quản lý trong mọi lĩnh vực hiện nay nói chung và lĩnh vực giám sát, đánh giá tài nguyên nước nói tiêng Công nghệ viễn thám kết hợp GIS đã được công nhận rộng rãi như là một công cụ hiệu quả cho các kế hoạch và ra quyết định nhiệm vụ Chúng cho phép lưu trữ hiệu quả, thao tác và phân tích dữ liệu địa lý [12] Dữ liệu hình ảnh vệ tinh cung cấp khả năng thu thập thông tin về đối tượng cần nghiên cứu ở những khoảng thời gian thường xuyên hơn và tiết kiệm hơn so với các phương pháp truyền thống [13] Sự phát triển mạnh mẽ của các vệ tinh viễn thám và vệ tinh quan sát trái đất chứng minh cho nhu cầu ngày càng tăng của thông tin viễn thám Có thể nói, các

ứng dụng của viễn thám trên thế giới vẫn đang được nghiên cứu, phát triển và mở rộng không ngừng

1.2 Tổng quan về mô hình thủy văn phân bố hiện nay

Mô hình thuỷ văn thông số phân bố là loại mô hình mưa dòng chảy có xem xét đến sự phân bố về không gian các đặc điểm tự nhiên cũng như khí tượng thuỷ văn trên toàn lưu vực Hiện nay, mô hình thủy văn thông số phân bố đã phát triển và trở nên phổ biến được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới [14]

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, từng bước chuyển dịch và phát triển theo hướng tích cực, vấn đề đánh giá và quản lí tài nguyên nước đang ngày càng được quan tâm và đang chú trọng thực hiện Việc tiến hành các nghiên cứu ứng dụng các công nghệ nhằm khai thác và quản lí nguồn tài nguyên này tốt nhất là vô cùng cần thiết Do nước có quan hệ mạng lưới, không giới hạn trong một khu vực địa lý hay ranh giới hành chính mà nó chảy qua nhiều vùng khác nhau, việc sử dụng nước có mối liên quan mật thiết với sự thay đổi của lớp thảm phủ Chính vì vậy cách tiếp cận nghiên cứu theo sự thay đổi của thảm phủ thực vật sẽ giúp cho việc đánh giá tài nguyên nước cho vùng nghiên cứu

Các mô hình thủy văn phân bố sử dụng các dữ liệu đầu vào là dữ liệu viễn thám với nhiều ưu điểm như: nhiều nguồn thông tin, chu kì thu nhận thông tin ngắn, xử lí trên diện rộng, không phụ thuộc vào điều kiện xã hội – chính trị trên mặt đất Những ưu điểm nổi bật đó đã làm cho viễn thám trở thành dữ liệu đầu vào được sử dụng hiệu quả trong mô hình thủy văn phân bố

Hiện nay có một số nghiên cứu nổi bật về ứng dụng mô hình thủy văn phân bố trong

và ngoài nước như:

1.2.1 Ngoài nước

- Subhash Thakur1, Deva Kant, M.K Hardaha and S.K.Sharma (2016) đã nghiên cứu

mô hình SWAT, GIS và công nghệ viễn thám để phân tích, đánh giá ảnh hưởng của sử dụng đất/thảm phủ đến dòng chảy Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng SWAT là một công

cụ hiệu quả trong việc phân tích tác động của việc sử dụng đất/thảm phủ lên dòng chảy trong các khu vực có số liệu sẵn có hạn chế Nghiên cứu cũng cho thấy mô hình mô

phỏng thủy lực rất cần thiết để đánh giá đặc điểm thuỷ văn của lưu vực sông Đây là công cụ hiệu quả để đánh giá tác động và tác động xảy ra trong chế độ thủy văn, chúng

có thể được sử dụng để tìm ra, dự đoán và hiểu những gì đã xảy ra và sẽ xảy ra trong suốt lưu vực theo thời gian và không gian, nghiên cứu còn xác định vai trò tương tác của mô hình SWAT và GIS trong việc cải tiến quản lý rừng đầu nguồn

- Jinliang Huang, Pei Zhou, Zengrong Zhou và Yaling Huang (2012) đã đánh giá ảnh hưởng của sử dụng đất và thảm phủ của ba mốc thời gian khác nhau đến chất lượng nước trong sông của lưu vực sông Jiulong, phía bắc Trung Quốc Kết quả cho thấy cùng với sự thay đổi của sử dụng đất và thảm phủ ảnh hưởng đến lượng NH4+-N và

TP trong sông

Hình 1.6: Bản đồ sử dụng đất/thảm phủ lưu vực sông Jiulong, Trung Quốc theo các

năm 2002, 2007 và 2010

- Năm 2016, Charles Gyamfi, Julius Musyoka Ndambuki và Ramadhan Wanjala Salim

áp dụng mô hình SWAT trong kiểm định, hiệu chỉnh giai đoạn 1988-2001 và mô phỏng dòng chảy giai đoạn 2002-2013 trên lưu vực sông Olifants Kết quả thu được cho thấy khả năng ứng dụng của mô hình SWAT như một công cụ hỗ trợ quyết định (DST) của các nhà quản lý nước và các quyết định liên quan khác, đặc biệt là tài nguyên nước [15]

Hình 1.7: Kết quả hiệu chỉnh dòng chảy lưu vực sông Olifants giai đoạn 1988-2001

Hình 1.8: Kết quả mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Olifants giai đoạn 2002-2013 sau

khi sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh

- Năm 2013, Akansha Kushwaha, Manoj K Jain tiến hành nghiên cứu, kiểm tra sự phù hợp của mô hình SWAT (Công cụ đánh giá đất và nước) để ước lượng dòng chảy và tìm hiểu sự nhạy cảm của các tham số đầu vào mô hình trong lưu vực rừng chủ yếu ở vùng Kumaun của Himalaya Khu vực nghiên cứu Dabka là một lưu vực nhỏ (69,41

km2) nằm ở phía Tây Bắc của Nainital ở Uttarakhand Mô hình SWAT được hiệu chỉnh dòng chảy hàng tháng tại một vị trí đo trung gian ở vùng thượng lưu Bagjhala có diện tích khoảng 65.78 km2 do không có sẵn dữ liệu thực đo tại sông chính Một phân tích độ nhạy cục bộ được thực hiện trên 13 biến đầu vào về đầu ra mô hình như năng suất nước, dòng chảy bề mặt và dòng chảy cơ bản để tìm hiểu sâu hơn về vai trò của các tham số mô hình khác nhau để lựa chọn giá trị tham số thích hợp Nghiên cứu kết luận rằng mô hình thực hiện tốt với giá trị sai số trung bình gốc (RMSE) 0.242 để hiệu chỉnh và 0.81 để kiểm định Hiệu suất Nash Sutcliffe (NSE) cho thời gian hiệu chỉnh

và kiểm định đạt được là 0.77 và 0.73 tương ứng trong khi Hệ số xác định (R2) cho

hiệu chỉnh và thời gian kiểm định là 0,86 và 0,90 cho thấy hiệu suất mô hình tốt Các thông số mô hình nhạy cảm nhất ảnh hưởng đến năng suất nước là CN2, GWQMN và SOL_Z Trên cơ sở nhạy cảm của các tham số mô hình, xếp hạng các thông số nhạy cảm nhất từ nhạy cảm cao nhất đến độ nhạy thấp hơn trên dòng chảy là CN2, SOL_K

và SOL_AWC trong khi đó lưu lượng cơ bản SOL_AWC, SOL_Z và GWQMN được cho là nhạy hơn theo sau là CN2, ESCO và SOL_K [16]

- Năm 2010, Các vịnh nội địa ở miền nam Delaware (Mỹ) đang phải đối mặt với tình trạng phân bón từ hoạt động sản xuất nông nghiệp - vốn là ngành sản xuất mũi nhọn của vùng, thải ra lưu vực sông vùng vịnh nội địa, điều này ảnh hưởng đến lượng oxi trong sông Aditya Sood, William F Ritter sử dụng công cụ SWAT để đánh giá, đưa

ra năm kịch bản để đo lường, giảm tải lượng phân bón trong sông Kết quả cho thấy, dòng chảy ngầm cùng với việc trồng rừng trên một phần diện tích đất nông nghiệp đã góp phần đến việc giảm tải nồng độ phân bón trong dòng chảy, góp phần tăng lượng oxi, giúp tái tạo và cân bằng hệ sinh thái lưu vực [17]

1.2.2 Trong nước

- Hà Thanh Lân và cộng sự (2017) kết hợp mô hình thủy văn phân bố SWAT với số liệu đầu vào từ nguồn viễn thám như thảm phủ, thổ nhưỡng, địa hình, khí tượng thủy văn (mưa, bốc hơi …) đánh giá biến động dòng chảy và các dịch vụ hệ sinh thái cho lưu vực sông Đáy

- Hoàng Văn Đại và cộng sự (2016) trong nghiên cứu “Ứng dụng mô hình phân bố MIKE SHE mô phỏng dòng chảy mặt cho lưu vực sông La” đã nghiên cứu mô phỏng, đánh giá quá trình sản sinh dòng chảy trong lưu vực sông sử dụng mô hình thủy văn MIKE SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch

- Nguyễn Thị Liễu, trường Đại học Nông Lâm Tp.Hồ Chí Minh (2014) đã nghiên cứu ứng dụng GIS và mô hình SWAT mô phỏng tác động của sự thay đổi thảm phủ lên dòng chảy lưu vực sông Tà Lài Kết quả nghiên cứu đã mô phỏng dòng chảy trên lưu vực thời kì 1978 – 2010 trong SWAT với kết quả thu được khá tốt khi đối chiếu với số liệu thực đo trong giai đoạn 1978 - 1990 tại vị trí quan trắc là trạm thủy văn Tà Lài trên dòng chính sông Đồng Nai

- Nguyễn Duy Liêm và đồng tác giả thực hiện nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ gis và

mô hình SWAT đánh giá lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Bé” đã tích hợp công nghệ mô hình SWAT và GIS để mô phỏng dòng chảy trên lưu vực sông Bé từ dữ liệu cáo độ số (DEM), sử dụng đất và thời tiết

1.2.3 Đánh giá chung về nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn phân bố hiện nay

Cùng với sự tiến bộ của khoa học máy tính cũng như công nghệ đo đạc (bằng trạm đo hoặc đo đạc bằng vệ tinh), công nghệ mô hình toán thủy văn đã có những bước tiến vượt bậc trong thời gian qua Với nguồn dữ liệu mở, sử dụng số liệu đầu vào dưới dạng ô lưới với phạm vi nghiên cứu rộng lớn về thời gian và không gian, mô hình thủy văn phân bố giúp đánh giá, giám sát được nguồn tài nguyên nước một cách cụ thể và kịp thời trên một vùng nghiên cứu

Các nghiên cứu ngoài nước kể trên đã cho thấy mô hình thủy văn phân bố đã được ứng dụng rất phổ biến Hiện nay, đã có nhiều nền tảng mô hình toán được các trường đại học, các viện nghiên cứu lớn trên thế giới xây dựng như mô hình SWAT (Mỹ), VIC (Mỹ), HYPE (Thụy Điển), MIKE SHE (Đan Mạch) v.v Ở Việt Nam hiện nay, mô hình thủy văn phân bố đang được ứng dụng và phát triển rộng rãi, nhất là trong quản lý tài nguyên nước

1.3 Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn phân bố trong quản lý, đánh giá tài nguyên nước

1.3.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay, trên thế giới có những công trình nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám

và mô hình thủy văn phân bố trong quản lý, đánh giá tài nguyên nước như:

- Sử dụng ảnh vệ tinh kết hợp mô hình SWAT mô phỏng sự bốc thoát hơi nước cây trồng theo các kịch bản khác nhau trên lưu vực sông Shiyang, huyện Khánh Dương, tỉnh Cam Túc, Trung Quốc, 2015 của nhóm tác giả Xin Liu, Sufen Wang, Han Xue và Vijay P Singh

- Ứng dụng mô hình SWAT và các dữ liệu ảnh vệ tinh đánh giá nguồn nước vùng Pampa trên lưu vực sông Carcarañá, tỉnh Santa Fe, Argentina, 2016 của tác giả Romagnoli M và cộng sự

- Tích hợp công nghệ viễn thám và mô hình WEP trong dự báo nguồn nước lưu vực sông Hải Hà, Trung Quốc của Changbo Qin, Yangwen Jia, Z.(Bob) Su, Zuhao Zhou, Yaqin Qiu và Shen Suhui - 2008

- Đánh giá sự thay đổi của sử dụng đất đến tài nguyên nước vùng hồ Great Lakes thuộc Michigan và Wisconsin sử dụng công nghệ viễn thám và mô hình SWAT của nhóm tác giả A P Nejadhashemi, B J Wardynski, J D Munoz năm 2008

Hình 1.9: Tỷ lệ thay đổi tài nguyên nước (%) dưới tác dụng của sử dụng đất vùng Great Lake-Michigan và Wisconsin sử dụng ảnh viễn thám và mô hình SWAT

- Trường Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) và Future Water (Hà Lan) thực hiện nghiên cứu quản lý tài nguyên nước cho lưu vực sông Hồng cho cả phần lưa vực phía Trung Quốc và Việt Nam đã sử dụng mô hình thủy văn (SPHY) và nguồn số liệu đầu vào từ viễn thám để đánh giá biến động tài nguyên nước trên lưu vực sông để từ đó có các giải pháp quản lý, vận hành hệ thống hồ chứa một cách phù hợp

Hình 1.10: Nền tảng công nghệ mô hình do Trường Đại học Công nghệ Delft và Future Water (Hà Lan) xây dựng dựa trên mô hình SPHY và công nghệ viễn thám

phục vụ đánh giá nguồn nước lưu vực sông Hồng

Năm 2016, quản lý tài nguyên nước Morocco phải đối mặt với những thách thức lớn ở

cả cấp độ, chất lượng và số lượng Yassine Bouslihim và cộng sự sử dụng mô hình SWAT và dữ liệu viễn thám đầu vào (địa hình, khí hậu, thổ nhưỡng ) trong đánh giá

sự thích ứng của mô hình này với lưu vực sông Sebou để từ đó thí điểm, xây dựng bộ

mô hình chung cho các lưu vực sông khác Kết quả thấy rằng, mô hình SWAT kết hợp đầu vào là các dữ liệu viễn thám có thể đại diện trong mô phỏng, quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Sebou, từ đó thí điểm ở lưu vực sông Bab-Merzouka Mô hình này

có thể mở ra quan điểm về tác động của biến đổi khí hậu và những thay đổi do con người gây ra đến tài nguyên nước, cả về số lượng và chất lượng [18]

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Cùng với sự phát triển của viễn thám, ở Việt Nam đã xuất hiện những nghiên cứu kết hợp viễn thám, GIS và mô hình thủy văn phân bố trong đánh giá tài nguyên nước như:

- Nguyễn Thị Hồng và đồng tác giả (2014) thực hiện nghiên cứu “Ứng dụng GIS và

mô hình SWAT đánh giá ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Vu Gia” đã sử dụng mô hình SWAT đánh giá quá trình sản sinh dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia dưới tác động của các hoạt động thay đổi mục đích sử dụng đất

- Nguyễn Kỳ Phùng, Lê Thị Thu An - Ứng dụng mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông

Đồng Nai, 2012 Nghiên cứu đánh giá được tác động của biến đổi khí hậu lên dòng chảy lưu vực sông Đồng Nai theo các kịch bản trong tương lai bằng mô hình SWAT

- Hà Thanh Lân và cộng sự (2017) kết hợp mô hình thủy văn phân bố SWAT với số liệu đầu vào từ nguồn viễn thám như thảm phủ, thổ nhưỡng, địa hình, khí tượng thủy văn (mưa, bốc hơi …) đánh giá biến động dòng chảy và các dịch vụ hệ sinh thái cho lưu vực sông Đáy

1.3.3 Đánh giá chung về khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố trong quản lý, đánh giá tài nguyên nước:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học, công nghệ viễn thám hiện nay ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực khoa học, xã hội, quốc phòng…và đặc biệt trong lĩnh vực quản lý, đánh giá tài nguyên nước hiện nay với ưu điểm nghiên cứu được đối tượng từ xa và trong quá khứ, tiết kiệm thời gian, công sức, cũng như chi phí tài chính Ngoài ra với độ bao phủ không gian rộng lớn, chu kỳ thu nhận dữ liệu ngắn, mức độ chi tiết cao (ảnh vệ tinh độ phân giải cao và siêu cao), sử dụng các dải phổ đặc biệt khác nhau để quan trắc các đối tượng… công nghệ viễn thám đang trở thành công nghệ chủ đạo cho quản lý, đánh giá tài nguyên nước hiện nay trên thế giới

Mô hình thủy văn phân bố với ưu điểm là mô hình mã nguồn mở, tích hợp nhiều nguồn dữ liệu toàn cầu, cung cấp dữ liệu đầu ra ở khoảng thời gian dài và không gian rộng lớn, tính toán nhiều dữ liệu đầu ra, cung cấp những kiến thức tổng quan nhất phục vụ cho việc quản lý, đánh giá tài nguyên nước trong vùng nghiên cứu Hiện nay trên thế giới có nhiều mô hình thủy văn phân bố được sử dụng, trong nghiên cứu này,

em sử dụng mô hình SWAT với ưu điểm là dạng mã nguồn mở, được cung cấp miễn phí, dữ liệu đầu vào được xử lý một cách thuận tiện, cho phép mô hình hóa các lưu vực không có mạng lưới quan trắc, mô phỏng tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào như sử dụng đất, thổ nhưỡng và các dữ liệu khí tượng SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên một lưu vực

Việc kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố, với mô hình thủy văn phân bố sử dụng các dữ liệu đầu vào là dữ liệu viễn thám với nhiều ưu điểm như: nhiều nguồn thông tin, chu kì thu nhận thông tin ngắn, xử lí trên diện rộng, không phụ

cho viễn thám trở thành dữ liệu đầu vào được sử dụng hiệu quả trong mô hình thủy văn phân bố

Vì vậy, đánh giá sự biến động của thảm phủ thực vật ứng dụng công nghệ viễn thám

và mô hình SWAT giúp ta có có cái nhìn tổng quan hơn về sự biến đổi thảm phủ thực vật phục vụ công tác đánh giá sự biến động tài nguyên nước trên lưu vực sông Cầu

1.4 Tổng quan về số liệu viễn thám mưa vệ tinh hiện nay

Lượng mưa (Precipitation - P) là đầu vào duy nhất của nước vào lưu vực sông Trên thế giới hiện nay có khá nhiều nguồn mưa vệ tinh, trong đó CHIRPS, TRMM, CMORPH là một số nguồn mưa phổ biến hiện nay

- CHIRPS (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station) là dữ

liệu lượng mưa toàn cầu gần 30 năm của Cục Khảo sát địa chất Hoa Kỳ (USGS) và nhóm hiểm họa khí hậu (CHG) CHIRPS kết hợp hình ảnh vệ tinh có độ phân giải 0.05

° với dữ liệu trạm tại chỗ để tạo ra chuỗi thời gian mưa theo dạng lưới để phân tích và theo dõi hạn hán theo mùa

Hình 1.11:Dữ liệu mưa CHIRPS cho châu Phi ngày 04-04-2017

(Nguồn: http://chg.geog.ucsb.edu/data/chirps/)

- CMORPH là dữ liệu mưa được tạo ra bởi kỹ thuật CMORPH (MORPHing CPC) là

sản phẩm của Cục Đại dương và Khí quyển quốc gia Hoa Kỳ tạo ra các phân tích lượng mưa toàn cầu ở độ phân giải không gian và thời gian rất cao Kỹ thuật này sử dụng ước tính lượng mưa đã được bắt nguồn từ tàu thăm dò thấp quan sát từ bước sóng vệ tinh riêng , và có các tính năng được vận chuyển qua thông tin tuyên truyền về không gian mà thu được hoàn toàn từ dữ liệu IR vệ tinh địa tĩnh

Hình 1.12: Dữ liệu mưa CMORPH ngày 08-11-2015 ở Autralia

- GPM (Global Precipitation Measurement) là sản phẩm nâng cấp từ sản phẩm mưa

TRMM với độ phân giải theo không gian và thời gian chi tiết hơn Thêm vào đó, GPM cũng mang theo một radar băng tần kép với khả năng thăm dò bên trong một hệ thống mây và gởi về dữ liệu chi tiết của mỗi lớp mây Ngoài ra, GPM còn được trang bị hệ thống cảm biến tối tân cho phép phát hiện tuyết rơi và mưa nhẹ Đây là một bước tiến quan trọng trong hoạt động quan sát mưa Việc không có khả năng phát hiện các dạng mưa nhất định như mưa tuyết thể hiện một khuyết điểm trong các nổ lực trước đây nhằm tạo ra một hệ thống quan sát khí tượng toàn cầu thực sự Các dạng mưa này thường xuất hiện nhiều hơn tại các vĩ độ cao Sứ mạng GPM có nhiều ứng dụng trên thực tế liên quan đến việc quan sát tác động của nhiều cấp độ mưa khác nhau lên môi trường GPM sẽ là một công cụ tuyệt vời để định mức vòng tuần hoàn nước trên toàn cầu - yếu tố ảnh hưởng không nhỏ đến sản lượng nông nghiệp tại nhiều nơi trên thế giới Ngoài ra, GPM cũng có thể cung cấp các cảnh báo chính xác hơn về thiên tai như

lũ lụt và bão hình thành từ áp thấp nhiệt đới Qua đó, bằng việc dự đoán đường đi của bão, người dân sẽ có thêm thời gian để sơ tán và giảm thiểu thiệt hại về người

Hình 1.13: Dữ liệu mưa GPM toàn cầu ngày 01-07-2014 (nguồn: https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/gpm-global-precipitation-

measurement-mission) Bảng 1.1: Một số nguồn mưa phổ biến hiện nay

TÊN DỮ

LIỆU

NGÀY BẮT NGÀY KẾT THÚC

ĐẦU-ĐỘ PHÂN GIẢI THEO KHÔNG GIAN

ĐỘ PHÂN GIẢI THEO THỜI GIAN NGUỒN

UCSB

Ưu điểm của ảnh mưa viễn thám hiện nay so với các phương pháp đo đạc truyền thống

là độ phân giải không gian rất cao (từ 5 km cho đến 25 km), phân bố theo dạng ô lưới

Về chu kỳ, ảnh CHIRPS trong nghiên cứu hiện cung cấp số liệu theo ngày và tháng Một số ảnh mưa khác có độ chu kỳ lặp lại cao hơn như TRMM, GPM và CMORPH là

3 giờ tới 30 phút Như vậy số liệu mưa vệ tinh có độ phân giải và tần suất đo đạc rất

phong phú, thích hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau như tính toán cân bằng nước, sử dụng làm số liệu đầu vào cho các mô hình thủy văn

1.5 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

1.5.1 Đặc trưng về vị trí địa lý, kinh tế- xã hội

Lưu vực sông Cầu là một trong những lưu vực sông lớn ở nước ta trải dài trên phạm vi

từ 21007’ đến 22018’ vĩ Bắc và 105028’ đến 106008’ kinh Đông, được bao bọc ở phía Tây bởi cánh cung sông Gâm, ở phía Đông bởi cánh cung Ngân Sơn, ở phía Bắc và Tây Bắc bởi những dãy núi cao hơn 1000m Địa hình lưu vực sông Cầu khá đa dạng bao gồm cả miền núi, trung du và đồng bằng, có xu thế thấp dần theo hướng Tây Bắc-Đông Nam [19]

Diện tích lưu vực là 6.030 km2, chiếm 47 % diện tích toàn vùng của 6 tỉnh: Bắc Cạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hải Dương với tổng dân số hơn 5,1 triệu người Toàn lưu vực độ che phủ rừng khoảng 60%, rừng nguyên sinh một phần bị thay thế bằng rừng tái sinh nghèo kiệt, tỷ lệ mất rừng tự nhiên khoảng trên 1% năm

Hệ thực vật có khoảng gần 1.000 loài, gần 500 loài động vật, trong đó có nhiều động, thực vật thuộc loại quý hiếm hoặc đặc biệt quý hiếm [20]

1.5.2 Đặc trưng về nhiệt độ

Nhiệt độ trung bình của không khí hàng năm dao động từ 22,20C ÷ 23,90C Do ảnh hưởng mạnh mẽ của gió mùa cực đới, chế độ nhiệt trong lưu vực hình thành 2 mùa nóng lạnh rõ rệt Mùa hè từ tháng V đến hết tháng IX, tháng nóng nhất là tháng VII có nhiệt độ trung bình đều đạt từ 27,50C ÷ 29,20C Trừ vùng núi cao Tam Đảo 23,30C, đây là khu nghỉ mát lý tưởng trong mùa hè Nhiệt độ trung bình thấp nhất thường xảy

ra vào các tháng XII, I

Vào mùa lạnh từ tháng XII tới tháng III năm sau, nhiệt độ trung bình hàng thàng dao động giữa các nơi trong lưu vực từ 150C ÷ 200C Tháng lạnh nhất trong năm là tháng I khoảng từ 14,80C – 16,80C, cá biệt như Tam Đảo (11,70C)

Bảng 1.2: Nhiệt độ tháng năm trung bình nhiều năm tại các trạm (Đơn vị: 0C)

Mùa khô từ tháng X đến tháng IV năm sau, lượng mưa từ 21 - 26 % tổng lượng mưa năm Tháng mưa ít nhất là tháng XII, I, hầu hết trên lưu vực ở thời kỳ này lượng mưa chỉ ở mức trên dưới 20,0 mm, nghĩa là bằng khoảng 1/3 tổng lượng bốc hơi trong tháng Do vậy, giai đoạn này là thời kỳ khô hạn trên lưu vực

Bảng 1.3: Tổng lượng mưa trung bình nhiều năm tại một số trạm (mm)

TT Trạm Xnăm Mùa mưa Tỷ lệ (%) Mùa khô Tỷ lệ (%)

TT Trạm Xnăm Mùa mưa Tỷ lệ (%) Mùa khô Tỷ lệ (%)

1.5.4 Đặc trưng về chế độ thủy văn

Sông Cầu có chiều dài lưu vực trên 288 km, độ cao bình quân lưu vực 150 m, độ dốc bình quân 16,1%, chiều rộng trung bình: 30,7km, mật độ lưới sông 0,95 km/km2 và hệ

Chế độ thuỷ văn của các sông trong lưu vực sông Cầu được chia thành 2 mùa: mùa lũ

và mùa kiệt Mùa lũ bắt đầu từ tháng VI đến tháng IX và chiếm 70 - 80% tổng lượng dòng chảy năm Mùa kiệt từ tháng X đến tháng V năm sau, chỉ chiếm 20 - 30% tổng lượng dòng chảy năm Lưu lượng dòng chảy trung bình các tháng trong năm chênh lệch nhau tới 10 lần, mực nước cao và thấp nhất chênh nhau khá lớn, có thể tới 5 - 6m

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu của đề tài thu thập, xây dựng dữ liệu viễn thám như địa hình, thổ nhưỡng, mưa vệ tinh CHIRPS và thảm phủ các năm 2000; 2010 và 2015 kết hợp với mô hình SWAT để đánh giá được sự thay đổi thảm phủ và mô phỏng dòng chảy trong các năm 2000, 2010 và 2015

Hình 2.1: Phương pháp nghiên cứu của đề tài

2.1 Phương pháp nghiên cứu và xử lý dữ liệu ảnh Viễn thám

2.1.1 Dữ liệu ảnh viễn thám

Ảnh vệ tinh Landsat đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực giám sát tài nguyên nước, môi trường, giáo dục, y tế, quốc phòng… Landsat là hệ thống vệ tinh chụp ảnh trái đất Landsat (Land satellite) được thiết kế năm 1960 và phóng năm 1972,

là vệ tinh đầu tiên quan sát trái đất trên phạm vi rộng lớn Chương trình viễn thám Landsat được phát triển bởi NASA (National Aeronautics and Space Administration-

Cơ quan Hàng không và Không gian Hoa Kỳ) Cho đến nay đã có nhiều thế hệ vệ tinh Landsat được nghiên cứu và phát triển

Bảng 2.1: Lịch sử phát triển ảnh vệ tinh Landsat qua các mốc thời gian

Tên vệ tinh

Thời gian bắt đầu- Thời gian kết thúc

Chu kỳ Phân giải

không gian Độ rộng cảnh

Tên vệ tinh

Thời gian bắt đầu- Thời gian kết thúc

Chu kỳ Phân giải

không gian Độ rộng cảnh 07/01/1978

Hình 2.2: Các thế hệ vệ tinh Landsat tính đến năm 2020 (Nguồn: Đỗ Văn Tú) Ảnh vệ tinh Landsat được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới bởi đây là hệ thống viễn thám đóng góp lớn trong nghiên cứu tài nguyên trái đất như:

● Nông lâm nghiệp

● Thủy sản

● Quy hoạch vùng

● Thành lập bản đồ