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

Một số kết quả nghiên cứu cũng như kinh phí hoàn thiện luận án được hỗ trợ từ đề tài khoa học và công nghệ độc lập cấp Quốc gia “Nghiên cứu tính toán dòng chảy phục vụ công tác quản lý v

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2020

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS LÊ QUANG VINH

2 PGS.TS PHẠM QUANG VINH

HÀ NỘI, NĂM 2020

LỜI CAM ĐOAN

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 án

Bùi Tuấn Hải

NCS cũng vô cùng biết ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy lợi đã có những đóng góp quý báu giúp NCS hoàn thiện luận án

NCS cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp tại Viện Quy hoạch Thủy lợi, đặc biệt là Phòng Quy hoạch Thủy lợi Bắc Bộ đã có những động viên, chia sẻ, giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu

Một số kết quả nghiên cứu cũng như kinh phí hoàn thiện luận án được hỗ trợ từ đề tài khoa học và công nghệ độc lập cấp Quốc gia “Nghiên cứu tính toán dòng chảy phục vụ công tác quản lý và sử dụng nguồn nước lưu vực sông Cả trên cơ sở ứng dụng các mô hình toán và công nghệ viễn thám” Mã số: ĐTĐL.CN-56/15

Cuối cùng, NCS xin được gửi tới những người thân trong gia đình của mình lời biết ơn sâu sắc vì sự yêu thương và ủng hộ, dành thời gian và điều kiện tốt nhất để giúp NCS hoàn thành nghiên cứu

Xin trân trọng cám ơn!

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI 6

1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám 6

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 7

1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới 7

1.2.2 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy 11

1.2.3 Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới 14

1.3 Tổng quan các công trình khoa học ở trong nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án 15

1.3.1 Khái quát chung 15

1.3.2 Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai 16

1.3.3 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy 17

1.3.4 Đánh giá chung về các nghiên cứu ở trong nước 21

1.4 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 24

2.1 Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu 24

2.1.1 Cách tiếp cận khoa học 24

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học 25

2.1.3 Công cụ nghiên cứu 28

2.2 Địa điểm nghiên cứu 28

2.3 Quy trình nghiên cứu 30

2.4 Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả 33 2.4.1 Các mô hình toán đang được áp dụng trong tính toán thủy văn, thủy lực 33

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 37

2.5 Nghiên cứu công cụ phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám 43

2.5.1 Kết hợp giữa viễn thám và GIS 43

2.5.2 Đánh giá các phần mềm mã nguồn mở GIS trong việc phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám 44

2.5.3 Phân tích và lựa chọn phần mềm phục vụ công tác xây dựng và quản lý dữ liệu 48

2.6 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám 49

2.6.1 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa vệ tính độ phân giải cao 49

2.6.2 Nghiên cứu phân tích, lựa chọn dữ liệu địa hình từ nguồn dữ liệu mô hình số hóa độ cao (DEM) 66

2.6.3 Kết luận về phân tích, lựa chọn dữ liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả 77 2.7 Kết luận chương 2 78

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG CẢ 80

3.1 Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh và mưa thực đo trong tính toán mưa – dòng chảy từ mô hình NAM 80

3.1.1 Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo 80

3.1.2 Thiết lập mô hình NAM với trạm mưa thực đo hiện có 81

3.1.3 Bố trí các trạm mưa giả định 84

3.1.4 Kết quả nghiên cứu mô hình NAM 85

3.1.5 Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu mục 3.1 90

3.2 Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán IFAS trong mô phỏng dòng chảy lũ lưu vực sông Cả 91

3.2.1 Phạm vi nghiên cứu 91

3.2.2 Thiết lập mô hình IFAS 92

3.2.3 Mô phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình IFAS 96

3.2.4 Kết luận về kết quả nghiên cứu mô hình IFAS 105

3.3 Kết luận chương 3 106

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 107

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 110

TÀI LIỆU THAM KHẢO 111

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Các ảnh vệ tinh chụp trận lũ xảy ra trên sông Kosi, Nepal vào tháng 8/2008

11

Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sông Cả 29

Hình 2.2 Sơ đồ trình tự các bước thực hiện nghiên cứu 31

Hình 2.3 Cấu trúc mô hình mưa dòng chảy NAM 38

Hình 2.4 Mô tả bể chứa lớp mặt (surface layer tank) 41

Hình 2.5 Mô tả bể chứa lớp chưa bão hòa (unsaturated layer tank) 42

Hình 2.6 Mô tả bể chứa lớp nước ngầm (aquifer layer tank) 42

Hình 2.7 Mô tả bể chứa trong sông (river course tank) 43

Hình 2.8 Nguyên lý theo dõi mưa của vệ tinh 50

Hình 2.9 So sánh khả năng nhận diện ngày mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh so với mưa trạm đo 56

Hình 2.10 So sánh khả năng nhận diện ngày không mưa của các dữ liệu mưa 57

Hình 2.11 Tổng hợp khả năng nhận diện mưa và không mưa của các dữ liệu mưa vệ tính 58

Hình 2.12 Kết quả tính toán hệ số tương quan r của 04 dữ liệu mưa vệ tinh 59

Hình 2.13 Tương quan lượng mưa tháng tại một số trạm đo với dữ liệu mưa vệ tinh 60 Hình 2.14 So sánh tổng lượng mưa tháng trạm Tương Dương 62

Hình 2.15 So sánh tổng lượng mưa tháng trạm Hà Tĩnh 62

Hình 2.16 So sánh lượng mưa phân bố năm 2015 giữa mưa thực đo và mưa vệ tinh 64

Hình 2.17 Các dữ liệu DEM và biểu đồ phân phối dữ liệu độ cao (đơn vị: mét) 71

Hình 2.18 So sánh giá trị độ cao giữa các dữ liệu DEM (đơn vị: mét) 72

Hình 2.19 Chênh lệch cao độ vùng Đồng bằng giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với dữ liệu từ bản đồ địa hình 74

Hình 2.20 Tương quan cao độ vùng Đồng bằng giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình 74

Hình 2.21 Chênh lệch cao độ vùng Trung du giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình 75

Hình 2.22 Tương quan cao độ vùng Trung du giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình 75

Hình 2.23 Chênh lệch cao độ vùng núi giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với dữ liệu từ bản đồ địa hình 76

Hình 2.24 Tương quan cao độ vùng núi giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình 76

Hình 3.1 Lưu vực các sông nhánh xây dựng mô hình NAM 81

Hình 3.2 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định từ nguồn mưa vệ tinh CHIRPS 84

Hình 3.3 So sánh dòng chảy thực tế tại Quỳ Châu và dòng chảy tính từ mô hình NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh 86

Hình 3.4 So sánh dòng chảy thực tế tại Nghĩa Khánh và dòng chảy tính từ mô hình

NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh 87

Hình 3.5 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định lưu vực trạm thủy văn Mường Xén 88

Hình 3.6 So sánh dòng chảy thực tế tại Mường Xén và dòng chảy tính từ mô hình NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh 89

Hình 3.7 So sánh lưu lượng trung bình tháng nhiều năm giữa các trường hợp chỉ sử dụng mưa thực đo và có kết hợp mưa vệ tinh 90

Hình 3.8 Bản đồ địa hình lưu vực sông Nậm Nơn, thượng lưu sông Cả 92

Hình 3.9 Kết quả phân chia (a) lưu vực và (b) tiểu lưu vực Nậm Nơn 92

Hình 3.10 Bản đồ phân loại đất lưu vực sông Cả 93

Hình 3.11 Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cả 94

Hình 3.12 Số liệu (a) phân loại đất và (b) lớp phủ bề mặt đưa vào mô hình IFAS 94

Hình 3.13 Thông số (a) dòng chảy mặt (surface) và (b) sông suối (river course) 95

Hình 3.14 So sánh lượng mưa giờ lũy tích tại các trạm đo mưa và mưa GSMAP 97

Hình 3.15 Kết quả mô phỏng trận lũ 6/2011 sau khi đã hiệu chỉnh mô hình IFAS 99

Hình 3.16 So sánh kết quả trước và sau khi hiệu chỉnh mô hình IFAS trận lũ 6/2011 99 Hình 3.17 So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực đo trận lũ 6/2011 100

Hình 3.18 Hệ số tương quan mô phỏng và thực đo trận lũ 6/2011 100

Hình 3.19 Kết quả điều chỉnh lượng mưa gây ra trận lũ từ 01-10/8 năm 2019 bằng mô hình IFAS 101

Hình 3.20 Kết quả hiệu chỉnh tham số mô hình IFAS trận lũ từ 01-10/8/2019 101

Hình 3.21 Kết quả mô phỏng trận lũ từ 01-10/8 năm 2019 bằng mô hình IFAS 102

Hình 3.22 So sánh kết quả mô phỏng và thực đo trận lũ 01-10/8/2019 102

Hình 3.23 Tương quan giữa mô phỏng và thực đo trận lũ 01-10/8 năm 2019 102

Hình 3.24 Kết quả mô phỏng trận lũ từ 10/8 đến 10/9 năm 2018 mô hình IFAS 103

Hình 3.25 So sánh kết quả mô phỏng và thực đo trận lũ 10/8 đến 10/9 năm 2018 103

Hình 3.26 Tương quan giữa mô phỏng và thực đo trận lũ 10/8 đến 10/9 năm 2018 104

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng thông số lớp bề mặt 41

Bảng 2.2 Bảng thông số lớp chưa bão hòa 42

Bảng 2.3 Bảng thông số lớp ngầm 42

Bảng 2.4 Bảng thông số dòng chảy trong sông 43

Bảng 2.5 Các phần mềm mã nguồn mở xây dựng cơ sở dữ liệu 45

Bảng 2.6 Khoảng trống số liệu mưa thực đo tại các trạm khí tượng liên quan đến lưu vực sông Cả 51

Bảng 2.7 Thông tin chi tiết các số liệu mưa vệ tinh quan trọng 52

Bảng 2.8 Kết quả khả năng nhận diện ngày mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh 56

Bảng 2.9 Kết quả tính toán khả năng nhận diện ngày không mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh so với mưa trạm đo 57

Bảng 2.10 Tổng hợp kết quả trung bình tại 12 trạm khả năng nhận diện ngày mưa và không mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh so với mưa trạm đo 58

Bảng 2.11 Kết quả tính tương quan r mưa ngày và mưa thực đo tại 12 trạm mưa 58

Bảng 2.12 Tổng hợp lượng mưa tháng thực đo và mưa vệ tinh tại trạm Tương Dương và Hà Tĩnh 61

Bảng 2.13 Kết quả tính các tham số r, R2, RMSE, MAE khi so sánh lượng mưa tháng 63

Bảng 2.14 Danh sách dữ liệu mô hình số độ cao (DEM) toàn cầu miễn phí 67

Bảng 2.15 Đặc tính cơ bản của các mô hình số độ cao SRTM, ASTER và ALOS 68

Bảng 2.16 Bảng tổng hợp độ chênh lệch giá trị độ cao giữa các DEM 72

Bảng 2.17 Bảng tổng hợp tính toán các hệ số vùng Đồng bằng 73

Bảng 2.18 Bảng tổng hợp tính toán các hệ số vùng Trung du 75

Bảng 2.19 Bảng tổng hợp tính toán các hệ số vùng núi 77

Bảng 3.1 Thời đoạn tính toán cho mô phỏng và kiểm định mô hình NAM 82

Bảng 3.2 Bộ thông số mô hình NAM và kết quả đánh giá mô phỏng và kiểm định 83

Bảng 3.3 Tiêu chí đánh giá chất lượng mô phỏng từ mô hình 85

Bảng 3.4 Kết quả tính tương quan tại trạm Quỳ Châu 86

Bảng 3.5 Kết quả tính tương quan tại trạm Nghĩa Khánh 87

Bảng 3.6 Kết quả tính toán hệ số tương quan tại trạm Mường Xén 89

Bảng 3.7 Kết quả tính toán LLTB tháng nhiều năm tại trạm Mường Xén 90

Bảng 3.8 Kết quả lưu lượng lũ trung bình ngày về hồ Bản Vẽ trước và sau khi hiệu chỉnh mô hình IFAS cho lưu vực Nậm Nơn 98

Bảng 3.9 Kết quả lưu lượng lũ trung bình ngày về hồ Bản Vẽ giữa thực đo và mô phỏng bằng mô hình IFAS cho lưu vực Nậm Nơn 104

Bảng 3.10 Bộ thông số mô hình IFAS sau hiệu chỉnh và kiểm định 105

CHIRPS: Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station (Mưa

hồng ngoại kết hợp trạm đo của nhóm hiểm họa khí hậu) CHRS: Center for Hydrometeorology and Remote Sensing, Univ of

California, USA (Trung tâm Khí tượng thủy văn và Viễn thám, Đại học California, Mỹ)

CMORPH: Climate Prediction Center (CPC) MORPHing technique (Kỹ thuật

MORPHing của Trung tâm Dự báo Khí hậu) DEM: Digital Elevation Model (Mô hình số độ cao)

DMSP: Defense Meteorological Satellite Program (Chương trình vệ tinh khí

tượng quốc phòng) DSM: Digital Surface Model (Mô hình số bề mặt)

EUMETSAT: European Organization for the Exploitation of Meteorological

Satellites (Tổ chức Khai thác Vệ tinh Khí tượng Châu Âu) GEOS: Geostationary Operational Environmental Satellite, USA (Vệ tinh

Hoạt động Môi trường Quỹ đạo Địa Tĩnh, Mỹ) GIS: Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý)

GMS: Geostationary Meteorological Satellite, Japan (Vệ tinh Khí tượng Quỹ

đạo Địa tĩnh, Nhật Bản) GPM: Global Precipitation Measurement (Đo lượng lượng mưa toàn cầu) GSMAP: Global Satellite Mapping of Precipitation (Bản đồ mưa vệ tinh toàn

cầu) GSMaP_MVK: Global Satellite Mapping of Precipitation Microwave-IR Combined

Product (Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu kết hợp vi sóng – hồng ngoại) ICHARM: International Centre for Water Hazard and Risk Management (Trung

tâm Quốc tế về Quản lý Rủi ro và Thiên tai liên quan đến nước) IFAS: Integrated Flood Analysis System (Hệ thống Phân tích lũ tổng hợp) JAXA: Japan Aerospace Exploration Agency (Cơ quan Thám hiểm Hàng

không Vũ trụ Nhật Bản) LISS-3: Linear Imaging Self Scanning Sensor (Cảm biến tự quét hình ảnh

tuyến tính) MODIS: Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (Thiết bị đo quang

phổ hình ảnh có độ phân giải trung bình) MTSAT: Multifunctional Transport Satellites, Japan (Nhóm vệ tinh Giao thông

Đa chức năng, Nhật Bản) NAM: Nedbør-Afstrømnings-Model (Mô hình Nedbør-Afstrømnings)

NASA: National Aeronautics and Space Administration, USA (Cơ quan Hàng

không và Vũ trụ Quốc gia, Mỹ)

NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration, USA (Cơ quan

Khí quyển và Đại dương Quốc gia, Mỹ) NSE: Nash–Sutcliffe model efficiency coefficient (Hệ số hiệu quả của mô

hình Nash-Sutcliffe) PERSIANN: Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using

Artificial Neural Network (Ước tính lượng mưa từ thông tin cảm biến

từ xa bằng mạng nơ ron nhân tạo) SAR: Synthetic Aperture Radar (Ra đa khẩu độ tổng hợp)

SPOT: (French: Satellite Pour l’Observation de la Terre, “Vệ tinh Quan sát

Trái đất”) SRTM: Shuttle Radar Topographic Mission (Nhiệm vụ Đo đạc địa hình Trái

đất bằng Ra đa trên Tàu con thoi) TRMM: Tropical Rainfall Measuring Mission (Nhiệm vụ Đo lượng mưa Nhiệt

đới) USGS: United States Geological Survey (Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ) WMO: World Meteorological Organization (Tổ chức Khí tượng Thế giới)

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Sông Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố trên lãnh thổ hai nước Việt Nam và Lào Ở Việt Nam, lưu vực sông Cả nằm trên địa giới hành chính của các tỉnh Nghệ An,

Hà Tĩnh và Thanh Hóa có tổng diện tích 17.730 km2, chiếm 65,2% toàn lưu vực Với nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, sông Cả có vai trò đặc biệt quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phòng đối với ba tỉnh vùng Bắc Trung Bộ nói riêng và cả nước nói chung

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 Hàng năm về mùa mưa, nước lũ từ thượng nguồn đổ về gây

lũ quét và sạt lở đất các khu vực trung du miền núi, làm ngập lụt các thung lũng và vùng

hạ lưu, làm tổn thất sinh mạng và tài sản của nhân dân Về mùa khô, dưới tác động của biến đổi khí hậu cùng với nhiều nguyên nhân khác khiến cho dòng chính sông Cả cùng các phụ lưu thường bị cạn kiệt, nước mặn xâm nhập sâu vào trong đất liền lên tới hàng chục cây số Các tác động nói trên đã và đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định

và phát triển kinh tế - xã hội của các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh

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 đối với quy hoạch thủy lợi và 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 hạ du nằm bên nước bạn Lào không có số liệu hoặc có rất ít số liệu phục vụ nghiên cứu, trong đó mưa là dữ liệu quan trọng nhất lại không có Thông thường việc tính toán, đánh giá dòng chảy phục vụ hỗ trợ quản lý nguồn nước trên lưu vực sông vẫn chủ yếu dựa trên kết quả tính toán của các mô hình thủy văn, thủy lực truyền thống với đầu vào là các số liệu thực đo tại các trạm quan trắc có mật độ thưa

và thời gian đo không dày, không liên tục Trong tính toán, phân tích đánh giá dòng chảy

và nhu cầu nước, các yếu tố về thảm phủ bề mặt lưu vực, lượng mưa, … đóng vai trò quan trọng hàng đầu Từ trước đến nay, việc xác định lượng mưa và bốc hơi, chất lượng

và đặc tính thảm phủ bề mặt lưu vực được thực hiện bằng phương pháp đo trực tiếp ngoài thực địa Công việc này đòi hỏi một khối lượng công việc và nguồn kinh phí tương

đối lớn và chỉ thu được các giá trị tại những điểm được đo, thường không giải quyết những biến đổi không gian rộng lớn và thời gian kéo dài

Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thám đang được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong hầu hết mọi lĩnh vực trong đó có quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai Một trong những thế mạnh của công nghệ viễn thám là cung cấp số liệu chi tiết và tương đối chính xác sự biến động của yếu tố tự nhiên và xã hội các lưu vực sông theo không gian và thời gian, không phân biệt đó là sông nội địa hay sông xuyên biên giới 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 hữu ích nhằm khắc phục tình trạng thiếu các tài liệu thực đo đang được nhiều 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 lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp để bổ sung thêm 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 không liên tục nhằm nâng cao

độ tin cậy trong tính toán dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi, 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:

Đối tượng nghiên cứu là dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai ở lưu vực sông nói chung và 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

cho 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

4 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

a) Hướng tiếp cận nghiên cứu:

Đề tài luận án lựa chọn các hướng tiếp cận khoa học sau đây:

i) Tiếp cận hệ thống:

Phương pháp tiếp cận từ nghiên cứu lý thuyết đến nghiên cứu điển hình; từ nghiên cứu tổng quan đến nghiên cứu chi tiết từng nội dung cụ thể Đây là cách tiếp cận cơ bản và xuyên suốt trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài luận án

ii) Tiếp cận kết hợp nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết:

Tiếp cận nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp khoa học phân tích xử lý, lựa chọn các tài liệu, dữ liệu, công cụ nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án đã điều tra thu thập được Tiếp cận nghiên cứu lý thuyết là cách thức sử dụng các số liệu, dữ liệu đã được phân tích, xử lý trong nghiên cứu thực nghiệm đưa vào các mô hình toán đã chọn để tính toán mô phỏng các quá trình vật lý hình thành dòng chảy

Nội dung cụ thể của các hướng tiếp cận nghiên cứu nói trên sẽ được trình bày và làm rõ hơn trong chương 2 của luận án

b) Phương pháp nghiên cứu:

Luận án sẽ sử dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học sau đây:

i) Phương pháp kế thừa:

Phương pháp phân tích kết quả nghiên cứu của các công trình khoa học đã công bố có liên quan đến đề tài để từ đó xác định được những vấn đề có thể kế thừa sử dụng, những vấn đề khoa học cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết Phương pháp này được sử dụng để nghiên cứu tổng quan các công trình khoa học công nghệ có liên quan đến đề tài luận

án được nêu tại chương 1 và lựa chọn công cụ nghiên cứu nêu tại chương 2

ii) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu:

Phương pháp điều tra thu thập các công trình khoa học và công nghệ đã công bố liên quan đến đề tài, các tài liệu về điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội và các dữ liệu viễn

thám có liên quan đến mưa và dòng chảy trên lưu vực sông Cả Phương pháp này được

sử dụng để thực hiện các nghiên cứu nêu tại chương 1 và lựa chọn công cụ nghiên cứu,

dữ liệu phục vụ nghiên cứu nêu tại chương 2

iii) Phương pháp phân tích thống kê:

Các tài liệu đã điều tra, khảo sát thu thập được nêu ở mục ii) trước khi sử dụng để nghiên cứu, tính toán theo mục tiêu nghiên cứu được xử lý thận trọng bằng cách phân loại, hệ thống hóa, thống kê toán học và bằng máy tính Phương pháp này được sử dụng để phân tích, đánh giá và so sánh lựa chọn các dữ liệu viễn thám phù hợp cũng như các dữ liệu thực đo phục vụ nghiên cứu, tính toán dòng chảy, nêu tại chương 2 và chương 3

iv) Phương pháp mô hình toán:

Phương pháp nghiên cứu ứng dụng các mô hình toán kết hợp các dữ liệu viễn thám phục

vụ mô phỏng dòng chảy mặt lưu vực sông Cả, được trình bày ở chương 3

v) Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia:

Tổ chức một số buổi hội thảo khoa học và xin ý kiến từ các chuyên gia, các nhà khoa có liên quan giúp hoàn thiện và nâng cao chất lượng luận án Phương pháp này được sử dụng ở hầu hết các chương và nội dung chính của luận án

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:

Luận án đề xuất được 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

Trình bày tổng quan các nghiên cứu về ứng dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch

thủy lợi và phòng chống thiên tai trên thế giới và Việt Nam Phân tích, đánh giá chỉ ra

những tồn tại của nghiên cứu đã có, từ đó dẫn dắt tới các vấn đề mà luận án tập trung

hướng tới để thực hiện

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và số liệu sử dụng trong nghiên cứu

Xác lập các cơ sở khoa học, thực tiễn trong đó có cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên

cứu lựa chọn các dữ liệu viễn thám và công cụ phục vụ nghiên cứu tính toán dòng chảy

cho lưu vực sông Cả

Chương 3: Kết quả nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong tính toán dòng chảy lưu

vực sông Cả

Trình bày các kết quả trong nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy

lợi và phòng chống thiên tai lưu vực sông, bao gồm quá trình lựa chọn, xử lý, sử dụng

dữ liệu từ viễn thám cho những vùng không có số liệu hoặc không đủ số liệu cho nghiên

cứu ứng dụng mô hình thủy văn, thủy lực tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Cả

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

Ngày 4/10/1957 vệ tinh nhân tạo “Sputnik” đầu tiên của loài người được Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái đất Mặc dù chỉ có 3 tháng tồn tại trong không gian nhưng vệ tinh này

đã chuyển về cho con người rất nhiều thông tin bề mặt trái đất bằng tín hiệu radio đã được mã hóa Những năm tiếp theo sự kiện lịch sử này, hàng loạt các vệ tinh nhân tạo khác đã được nhiều cường quốc vũ trụ phóng lên quỹ đạo xung quanh trái đất với các mục tiêu và nhiệm vụ khác nhau Sau ngày 20/7/1969 cuộc tranh đua giữa hai cường quốc vũ trụ là Liên Xô và Mỹ đưa người đầu tiên lên mặt trăng ngã ngũ, cùng với công nghệ chế tạo và khai thác vệ tinh nhân tạo không ngừng tiến bộ, các cường quốc vũ trụ

và các nhà khoa học bắt đầu đầu tư nghiên cứu chế tạo vệ tinh viễn thám phục vụ riêng cho các mục đích phát triển kinh tế - xã hội Năm 1972, lần đầu tiên vệ tinh viễn thám Landsat đã cung cấp các bức ảnh rõ nét về bề mặt trái đất Năm 2011, Đại hội đồng Liên Hiệp Quốc (LHQ) đã thông qua Nghị quyết lấy ngày 12/4 hằng năm là Ngày quốc tế con người bay vào vũ trụ Nghị quyết do Nga đề xuất nhằm kỷ niệm 50 năm nhà du hành vũ trụ Yuri Gagarin thực hiện chuyến bay đầu tiên của con người vào vũ trụ (12-4-1961)

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 Theo F F Sabins (2007) [1] , viễn thám là môn khoa học nghiên cứu đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng hoặc hiện tượng bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp giữa các bức xạ điện từ (các loại tia sáng) với đối tượng hoặc hiện tượng nghiên cứu

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 phổ, siêu phổ, radar, quang học), đa dạng về kích thước (micro, vệ tinh nhỏ, vệ tinh), đa dạng về quỹ đạo (quỹ đạo thấp, quỹ đạo cực, quỹ đạo đồng bộ mặt trời) 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 Đến thời điểm hiện nay, công nghệ viễn thám được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực chính sau đây:

- Dự báo thời tiết và dự báo thiên tai thông qua sự biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất, sự

di chuyển, nhiễu động của các đám mây và các khối khí quyển bao phủ bề mặt trái đất

- Quản lý tài nguyên nước và chất lượng các nguồn nước trên các vùng lãnh thổ, đặc biệt trên các lưu vực sông thông qua quá trình biến đổi của các yếu tố khí tượng, thời tiết và thảm phủ và các nguồn chất thải trên bề mặt lưu vực

- Quản lý đất đai thông qua giám sát quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa, quá trình

sa mạc hóa, quá trình sạt lở và bồi tụ đất trên các lưu vực sông, quá trình bồi lấn hoặc xâm thực bờ sông, bờ biển, …

- Xây dựng các loại bản đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội

Viễn thám có thể quan sát được các khu vực rộng lớn trên bề mặt trái đất, một mặt nó cung cấp nhiều số liệu hơn so với các trạm quan trắc số liệu riêng lẻ, ví dụ như đánh giá lưu lượng và trữ lượng trên phạm vi lưu vực, và mặt khác có thể thu được cơ sở dữ liệu chung của thông tin so sánh liên quốc gia Do quá trình lặp lại của các quan sát cho phép tạo ra một chuỗi thời gian của các thông số quan sát được và kết quả là tăng cường khả năng trong phân tích, giám sát và dự báo sự phát triển của hiện tượng, tạo thuận lợi cho quản lý tài nguyên nước

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 thủy lợi, quản lý

tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới

1.2.1.1 Khái quát chung

Theo Engman và cộng sự (2000) [2] 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 có thể tạo ra các kho dữ liệu quan trọng để nghiên cứu các nguồn nước mặt và nước ngầm, cung cấp các số liệu đầu vào quan trọng cho các mô hình (thảm phủ, địa hình, địa mạo, ) hoặc cho việc thu nhận các thông số sinh học, địa vật lý (chất lượng nước và nhiệt độ, độ ẩm đất, ) Theo Bastiaanssen và cộng sự (1998) [3] công nghệ viễn thám đã và đang được ứng dụng trong tính toán lượng mưa, bốc thoát hơi tiềm

năng, nhu cầu nước của cây trồng, theo dõi độ ẩm đất, ước lượng diện tích, thành lập bản đồ khu tưới… Công nghệ viễn thám cũng được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu quá trình hình thành dòng chảy, lũ lụt và hạn hán trên các lưu vực sông Quá trình xử lý

dữ liệu viễn thám thường được thực hiện trong các phần mềm GIS Bastiaanssen và Prathapar (2000) [4] chỉ ra lợi ích sử dụng dữ liệu viễn thám trong quản lý tài nguyên nước đối với các sông quốc tế Thông tin viễn thám có sẵn cho tất cả các bên có thể giúp tạo sự đồng thuận về các điều kiện lưu vực - từ thượng nguồn đến hạ nguồn các lưu vực sông Thông tin về lưu vực và việc xây dựng cơ sở dữ liệu dùng chung sẽ kích thích cho

sự hợp tác quốc tế giữa các quốc gia cùng chia sẻ một lưu vực sông quốc tế

1.2.1.2 Một số công trình nghiên cứu đã triển khai ứng dụng tại Châu Phi

Năm 2002 Ủy ban Vệ tinh Quan sát Trái đất (CEOS) bắt đầu triển khai Sáng kiến TIGER như là một hành động cụ thể thực hiện Nghị quyết của Hội nghị thượng đỉnh thế giới về phát triển bền vững tổ chức tại Johannesburg (Nam Phi) Sáng kiến này nhằm hỗ trợ các nước châu Phi khắc phục các vấn đề phải đối mặt trong thu thập, phân tích và phổ biến các thông tin địa lý liên quan đến tài nguyên nước bằng cách khai thác những lợi thế của công nghệ viễn thám Theo Diego and Francesco (2007) [5], giai đoạn đầu triển khai sáng kiến TIGER đã thực hiện thành công 50 dự án, tập trung chủ yếu vào tình trạng tài nguyên nước ở Châu Phi và quản lý tài nguyên nước tổng hợp (IWRM) khai thác dữ liệu quan sát trái đất do ESA cung cấp Dưới đây là một số dự án điển hình đã được thực hiện thành công ở Châu Phi theo sáng kiến TIGER:

- Dự án AQUIFER quan sát trái đất trong việc hỗ trợ quản lý tài nguyên nước ngầm chia

sẻ giữa các quốc gia ở Châu Phi

- Triển khai hệ thống tổng hợp hỗ trợ ra quyết định (IDSS) cho lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc)

- Mô phỏng dòng chảy và quản lý hồ chứa cho lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc)

- Đóng góp của dữ liệu quan sát trái đất trong việc xác định và quản lý những nguy cơ liên quan đến địa chất thủy văn ở hồ Nyos (Tây Cameroon)

- Xây dựng bản đồ sử dụng đất (độ bao phủ đất) cho lưu vực sông Kuils- Eerste (Phía Tây Cape) thông qua cách tiếp cận sử dụng công nghệ viễn thám và GIS

- Dự án WADE ESA TIGER: sử dụng dữ liệu SAR xác định phần diện tích nước mặt

và các thông số liên quan lưu vực sông Niger (Niamey Area)

- Sử dụng hình ảnh ENVISAT ASAR và SPOT khu vực phía Đông của Ghana để giám sát các hồ chứa nhỏ

- Sử dụng ảnh ENVISAT ASAR để nhận dạng lũ lụt ở đồng bằng sông Okavango

- Xác định độ ẩm đất từ Synthetic Aperture Radar (SAR) cho các ứng dụng khí tượng thủy văn ở Cộng đồng Phát triển miền Nam châu Phi

1.2.1.3 Một số công trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng tại Ấn độ

Số liệu đầu vào từ viễn thám đã góp phần quan trọng trong quản lý, quy hoạch và quản

lý tài nguyên nước tại Ấn Độ Các lĩnh vực chính được ứng dụng gồm giám sát cơ sở hạ tầng thủy lợi, dự báo dòng chảy do tuyết tan, đánh giá tài nguyên nước theo lưu vực, dự báo lũ và mô hình ngập lụt, giám sát diện tích mặt nước ao hồ, nghiên cứu lũ gây ra bởi

hồ băng (GLOF), đánh giá hoạt động công trình thủy lợi, tổn thất dung tích hồ chứa, quy hoạch phát triển lưu vực sông và nghiên cứu các mô hình thủy văn Có thể kể đến một số ứng dụng của viễn thám và GIS trong quản lý tài nguyên nước ở Ấn Độ như sau:

- Công nghệ tự động xác định, trích xuất dữ liệu mặt nước từ dữ liệu viễn thám lấy từ các vệ tinh Resourcesat-1 / Resourcesat-2 AWiFS / Liss III và tính toán thông qua một thuật toán Từ các đặc tính quang phổ, thuật toán giúp chuyển đổi sang các mối quan hệ toán học giữa tỷ lệ và ngưỡng các lớp quang phổ nhìn thấy cùng các kết hợp khác trong mối quan hệ giữa bốn lớp dữ liệu quang phổ Green, Red, NIR và SWIR

- Dự án sử dụng dữ liệu vệ tinh CARTOSAT để đánh giá hiện trạng và tiềm năng phát triển thủy lợi Dữ liệu viễn thám từ các vệ tinh CARTOSAT 1 và CARTOSAT 2 tạo cơ

sở dữ liệu mạng lưới kênh rạch và cơ sở hạ tầng thủy lợi khác, giúp đánh giá khách quan tình trạng vật lý của các hệ thống này tại thời điểm nhất định (như trên ngày thu thập dữ liệu vệ tinh) Các dữ liệu vệ tinh cũng được sử dụng để chuẩn bị tiến độ xây dựng các

hệ thống thủy lợi, xác định khoảng trống chưa có cơ sở hạ tầng thủy lợi, giúp phát hiện

và xử lý các tắc nghẽn trong quá trình triển khai dự án

1.2.1.4 Một số công trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng trên lưu vực sông

Mê Công và Ủy hội sông Mê Công quốc tế

Ủy hội sông Mê Công quốc tế (MRC) là cơ quan liên chính phủ gồm 4 thành viên là các nước nằm ở khu vực hạ lưu sông Mê Công gồm Việt Nam, Campuchia, Lào và Thái Lan Trung Quốc và Myanna nằm ở phía thượng lưu là các quốc gia đối tác MRC có nhiệm vụ thúc đẩy và điều phối hoạt động phát triển và quản lý bền vững tài nguyên

nước và các tài nguyên liên quan vì lợi ích chung của các quốc gia thành viên và phúc lợi của người dân Đến nay MRC đã triển khai nhiều dự án nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Mê Công Một trong những dự

án điển hình của MRC là nghiên cứu ứng dụng khung mô hình hệ thống đánh giá cực đoan thủy văn khu vực (RHEAS) để đưa ra các dự báo, cảnh báo về hạn hán và năng suất cây trồng cho các nước hạ lưu sông Mê Công RHEAS sử dụng dữ liệu viễn thám như mưa vệ tinh CHIRPS, dữ liệu nhiệt độ và gió của NCEP, độ ẩm đất SMAP / SMOS, các sản phẩm dự báo theo mùa NMME ở độ phân giải 0,250 bao phủ toàn bộ hạ lưu lưu vực sông Mê Công [6] Ibrahim và cộng sự (2018) [7] đã sử dụng dữ liệu quan sát từ vệ tinh và mô hình hóa để nghiên cứu sự biến đổi dòng chảy của lưu vực hạ lưu sông Mê Công Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng mô hình SWAT kết hợp với dữ liệu mưa vệ tinh TRMM và GPM cùng dữ liệu mô hình số độ cao DEM để định lượng mức độ nhạy cảm của sự thay đổi dòng chảy ở hạ lưu sông Mê Công đối với những tác động do con người ở thượng nguồn Kết quả cũng chỉ ra sự hữu ích của việc sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy hạ lưu sông Mê Công

1.2.1.5 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong dự báo lũ và hạn chế tác hại

của lũ lụt trên thế giới

Dự báo lũ và đánh giá tình hình ngập lũ là một trong những ưu điểm nổi bật trong ứng dụng công nghệ viễn thám Điều kiện thời tiết xấu 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, công nghệ viễn thám có thể cung cấp các ước tính chính xác

và kịp thời khu vực ngập lụt, thiệt hại do lũ lụt và các khu vực nguy cơ bị ngập lụt Một trong những nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật viễn thám và GIS về lũ có thể kể đến công trình của Mateeul Haq và cộng sự (2012) [8] Các tác giả này đã ứng dụng rất thành công kỹ thuật viễn thám và GIS trong việc giám sát lũ lụt và đánh giá thiệt hại do lũ lụt gây ra ở tỉnh Sindh, Pakistan Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu MODIS Aqua và ảnh Terra của tỉnh Sindh của Pakistan trong thời kỳ lũ lụt là dữ liệu đầu vào chính để xây dựng bản đồ ngập lụt và đánh giá thiệt hại do lũ với sự giúp đỡ của công cụ đánh giá GIS Kết quả nghiên cứu này có thể được sử dụng như là hướng dẫn cho sử dụng viễn thám và GIS để nâng cao hiệu quả của giám sát và quản lý thiên tai lũ lụt

Nguồn: Theo nghiên cứu của Bhatt và cộng sự (2010) [9]

1.2.2 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng

chảy

1.2.2.1 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong cung cấp số liệu mưa và địa hình

Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu này có thể khái quát một vài công trình khoa học điển hình sau đây:

a) Nghiên cứu về dữ liệu mưa vệ tinh:

- Yves Tramblay và cộng sự (2016) [10] nghiên cứu đánh giá các dữ liệu mưa vệ tinh

để mô phỏng dòng chảy cho lưu vực sông Makhazine (Ma-rốc) có diện tích 1.785 km2 Trong nghiên cứu này, 05 dữ liệu mưa vệ tinh (TRMM-3B42 v6 và v7, RFE 2.0, PERSIANN-CDR, CMORPH1.0 version 0.x) đã được sử dụng Các tác giả đã so sánh các dữ liệu mưa vệ tinh với dữ liệu mưa tại 10 trạm đo thông qua các phương pháp nội suy và sử dụng mô hình thủy văn khái niệm để mô phỏng dòng chảy với số liệu từ mưa thực đo và mưa vệ tinh Kết quả nghiên cứu cho thấy dữ liệu mưa vệ tinh TRMM-3B42 v7 cho giá trị gần nhất với giá trị thực đo tại các trạm mưa, phù hợp đối với lưu lượng dòng chảy tháng trên lưu vực nhưng không tốt khi mô phỏng dòng chảy ngày

- Fei Yuan và cộng sự (2019) [11] nghiên cứu sử dụng các 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 Các tác giả đề xuất một khung nghiên cứu đánh giá về mặt thống kê, về mặt thủy văn các dữ liệu mưa TRMM và GPM ở cả phiên bản gần thời gian thực và phiên bản hiệu

chỉnh giá trị thời gian thực đối với lưu vực thiếu trạm đo mưa ở Myanmar Kết quả nghiên cứu cho thấy dữ liệu 3B42RT có chất lượng tốt nhất, tiếp theo là dữ liệu IMERG Final và dữ liệu 3B42V7 Các dữ liệu IMERG Early and Late, GSMAP-NRT, GSMAP-MVK và GSMAP_Gauge cho kết quả lượng mưa thấp hơn nhiều so với thực đo và cả 3

dữ liệu GSMAP có độ chính xác thấp nhất Kết quả mô phỏng trận lũ mỗi 3 giờ bằng dữ liệu 3B42RT có chỉ số Nash-Sutcliffe (NSE) đạt 0,868 còn mô phỏng bằng dữ liệu mưa trạm đo NSE = 0,895 Đối với các dữ liệu mưa đã được hiệu chỉnh, IMERG Final cho NSE = 0,840 còn 3B42V7 cho NSE = 0,828 Theo các tác giả, GPM vẫn cần hoàn thiện thuật toán xử lý mưa để nâng cao chất lượng các dữ liệu mưa, đặc biệt là dữ liệu IMERG Early, IMERG Late và bộ số liệu GSMAP, bởi các lưu vực không có trạm đo mưa yêu cầu các dữ liệu mưa nhanh chóng, chính xác phục vụ kiểm soát lũ và giảm nhẹ thiên tai

do lũ gây ra Kết quả nghiên cứu giúp các nhà nghiên cứu thủy văn nguồn dữ liệu mưa quan trọng khi mô phỏng dòng chảy cho các khu vực thiếu và không có trạm đo mưa

- Yudong Tian và cộng sự (2013) [12] nghiên cứu đánh giá mô hình sai số trong xác định lượng mưa ngày từ các dữ liệu mưa vệ tinh Nghiên cứu đánh giá sai số xảy ra giữa các mô hình dựa trên 3 chỉ số (1) tách biệt tốt hơn giữa sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên, (2) khả năng ứng dụng cho khoảng thời gian lớn dữ liệu mưa ngày, và (3) kỹ năng

dự đoán tốt hơn Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh TMPA 3B32RT và dữ liệu mưa trạm đo CPC như là yếu tố tham khảo Kết quả nghiên cứu chỉ ra mô hình sai số giao thoa nhân (multiplicative error model) thể hiện kết quả tốt hơn nhiều ở cả 3 chỉ số đánh giá so với mô hình sai số giao thoa cộng (additive error model)

b) Nghiên cứu về dữ liệu địa hình DEM:

- M Rexer và cộng sự (2014) [13] đã nghiên cứu so sánh các dữ liệu DEM với nhau bao gồm dữ liệu ASTER GDEM2, SRTM3 USGS version 2.1, dữ liệu SRRM CGIAR-CSI v4.1 và so sánh với dữ liệu cao độ địa hình quốc gia của Úc trên phạm vi toàn bộ lục địa châu Đại Dương Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng một sự thống nhất rất tốt giữa cả hai SRTM DEM nhưng các khoảng trống dữ liệu có trong mô hình USGS trên vùng địa hình dốc được lấp đầy trong mô hình CGIAR-CSI ASTER GDEM2 có lỗi dải căn chỉnh

từ đông bắc đến tây nam ở mức 10 m và độ lệch chiều cao trung bình là –5 m so với các

mô hình SRTM Sai số chiều cao bình phương trung bình (RMS) thu được từ sự khác biệt giữa ASTER GDEM2 và SRTM ở Úc là khoảng 9,5 m

- Nghiên cứu của Johanna Ngula Niipele và cộng sự (2019) [14] về dữ liệu DEM ALOS

đã chỉ ra ứng dụng của dữ liệu DEM ALOS-PALSAR cho việc trích xuất mạng lưới sông suối trong các môi trường bán khô hạn ở tiểu lưu vực Iishana Ngoài ra dữ liệu ALOS còn hữu ích cho việc cập nhật các bản đồ thủy văn hiện có để cải thiện việc khai thác thông tin về tác động của động lực địa thủy văn trong các môi trường khô hạn đến bán khô hạn Nghiên cứu cũng chỉ ra việc sử dụng chỉ số độ ẩm (NDVI) để hỗ trợ xác định các mạng lưới sông suối khu vực phù du phức tạp

1.2.2.2 Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán

Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin, các mô hình toán mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy lũ, dòng chảy kiệt trên toàn lưu vực hay một vùng của lưu vực sông cũng phát triển rất mạnh Tốc độ tính toán, phạm vi của mô hình hóa được mở rộng nên các mô hình toán đang phát huy tác dụng trong đánh giá tác động của các công trình

hạ tầng như hồ chứa, đập dâng, cầu, đường giao thông, đê bao hay các khu đô thị, công nghiệp… đến tình trạng úng ngập do lũ hay tình trạng suy kiệt nguồn nước và xâm nhập mặn trên lưu vực sông Trong các nghiên cứu mô phỏng dòng chảy, viễn thám còn được tích hợp với các mô hình toán thủy văn, thủy lực trong vai trò cung cấp dữ liệu đầu vào như thảm phủ thực vật, thổ nhưỡng, địa hình, khí tượng Ứng dụng của viễn thám trong nghiên cứu quan hệ mưa - dòng chảy thường tập trung vào việc xác định các thông số khí tượng – thủy văn phân bố theo không gian (là đầu vào của các mô hình thủy văn – thủy lực) Có rất nhiều mô hình thủy văn - thủy lực có thể tích hợp được với các dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu quan hệ mưa - dòng chảy Phân tích lựa chọn được mô hình phù hợp, đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu là rất quan trọng

Quản lý tài nguyên nước cho các vùng lãnh thổ hay lưu vực sông cần một số lượng lớn

dữ liệu không gian được cung cấp bởi viễn thám Thông thường sự kết hợp của GIS với các mô hình mô phỏng như HEC, MODFLOW, SHE, SWAT, MIKE BASIN, WEAP là giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề nói trên Trong mối liên kết này, GIS đóng vai trò mở rộng khả năng hiển thị thông tin, qua đó mở rộng khả năng xử lý chúng Theo Orzol and McGrath (1992) [15] và Wilson (1999) [16], GIS tác động đến sự hoạt động của các mô hình thủy văn, cân bằng nước ở nhiều cấp độ khác nhau như cung cấp dữ liệu đầu vào, thiết lập giao diện cho phép mô hình mô phỏng chạy trong môi trường GIS Theo Wilson và cộng sự (1993) [17], (1996) [18], GIS được dùng để chỉnh sửa dữ

liệu đầu vào của mô hình và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực đo Kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này có thể nêu khái quát một số công trình điển hình sau đây:

- Hafiz và cộng sự (2012) [19] ứng dụng mô hình Integrated Flood Analysis System (IFAS) nghiên cứu dòng chảy lũ lưu vực sông Dungun ở Malaysia, sử dụng dữ liệu mưa

vệ tinh do JAXA Global Rainfall Watch cung cấp Tính năng chính của mô hình phân tích lũ theo thời gian thực là đầu vào dữ liệu mưa vệ tinh được sử dụng trong giai đoạn khởi tạo mô hình Kết quả của mô hình cho các lưu vực sông từ dữ liệu mưa vệ tinh và mưa từ trạm đo mặt đất được so sánh thông qua ba phương pháp phân tích sai số Hafiz và cộng sự (2014) [20] cũng nghiên cứu ứng dụng mô hình IFAS cho lưu vực sông Kelantan, Malaysia Kết quả nghiên cứu chỉ rõ việc mô phỏng dòng chảy lũ có thể

sử dụng bằng cả số liệu mưa từ trạm đo mặt đất và bằng số liệu mưa vệ tinh để tính toán dòng chảy trong sông Lưu lượng tính toán được sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt trên lưu vực sông trong thời gian trận lũ xảy ra

- Công cụ đánh giá đất và nước SWAT (Soil and Water Assement Tools) là mô hình mô phỏng ảnh hưởng của quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong đất trên lưu vực sông Tiền thân của SWAT là mô hình SWRRB - Simulator for Water Resources in Rural Basins (theo Arnold và Williams (1987) [21]) và mô hình ROTO - Routing Outputs to Outlet (theo Arnold và cộng sự (1985) [22]) Mô hình SWAT chia lưu vực thành các lưu vực nhỏ Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong

mô hình khi mô phỏng dòng chảy rất tiện lợi, đặc biệt đối với các lưu vực có đủ số liệu

về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất

Sự kết hợp giữa viễn thám, GIS và mô hình SWAT đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả trong việc đánh giá lưu lượng và chất lượng nước của lưu vực sông dưới sự tác động của biến động về cơ cấu sử dụng đất, biến đổi khí hậu như: mô hình chi tiết dòng chảy mặt và ngầm của Arnold và cộng sự (1993) [23]; Ảnh hưởng của biến đổi không gian lên mô hình của lưu vực theo nghiên cứu của Mamillapalli và cộng sự (1996) [24]

1.2.3 Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới

Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng việc kết hợp mô hình toán, dữ liệu viễn thám

và GIS là cách tiếp cận nổi bật hơn cả trong tính toán dòng chảy lưu vực Ở tầm vĩ mô,

áp dụng công nghệ viễn thám là giải pháp hiệu quả trong việc quản lý quy hoạch thủy

lợi, phòng chống thiên tai và sử dụng nguồn nước hợp lý các lưu vực sông Hầu hết các nghiên cứu đều thực hiện theo hướng tiếp cận áp dụng mô hình toán Cùng với sự hỗ trợ của công nghệ thông tin, mô hình toán thực sự đang trở thành công cụ tiên phong và rất hữu hiệu trong mô tả các hiện tượng dòng chảy thiên nhiên phức tạp Tuy nhiên, vẫn còn một số vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu: i) Các nghiên cứu tập trung nhiều vào việc phát triển các thuật toán, chưa kết hợp được ưu điểm của các phương pháp khác; ii) Phương pháp mô hình toán mang tính chất mô phỏng nên độ chính xác phụ thuộc nhiều vào các thuật toán và thông số đầu vào; iii) Khi các số liệu đầu vào chưa đầy đủ

sẽ làm giảm độ chính xác mô hình; iv) Các nghiên cứu chưa tận dụng ưu điểm khi kết hợp viễn thám và GIS trong tính toán dòng chảy lưu vực sông; v) Những công trình nghiên cứu chỉ mới dừng lại xác định lưu lượng nước tại một thời điểm, tính thời sự chưa được đề cập, việc ứng dụng công nghệ tiên tiến còn hạn chế

Từ tổng quan các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới như đã nêu và phân tích ở trên cho thấy phương pháp tính toán dòng chảy kết hợp viễn thám và GIS vẫn còn 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 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 Khái quát chung

Để quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai lưu vực sông cần có các tài liệu liên quan đến sự biến động của các yếu tố khí hậu, khí tượng như mưa, gió, nhiệt độ, độ ẩm, bốc thoát hơi nước, bức xạ mặt trời… Các tài liệu này đều phải đo đạc trực tiếp ngoài thực địa, hoặc tính toán gián tiếp thông qua các dữ liệu khí tượng đo tại các trạm quan trắc bố trí rải rác trên phạm vi cả nước Số liệu đo từ các trạm này được ghi chép trong thời gian dài, nhưng độ phân giải theo không gian lại thấp

do mật độ các trạm đo ít và thưa, không thể cung cấp dữ liệu chi tiết giữa các trạm đo trong một khu vực rộng lớn Với tính ưu việt của công nghệ viễn thám khi ứng dụng vào thực tiễn quản lý tài nguyên nước có thể khắc phục được các nhược điểm nói trên Năm 1978 Trung tâm nghiên cứu không gian thuộc Viện Khoa học Việt Nam (nay là Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam) được thành lập thì công nghệ viễn

thám mới chính thức được nghiên cứu ứng dụng ở Việt Nam Từ năm đó, ngoài việc tham gia vào chương trình Intecosmos của Liên Xô và các nước XHCN (cũ) đào tạo phi công vũ trụ cho Việt Nam, đã triển khai nhiều công trình và đề tài khoa học nghiên cứu ứng dụng công nghệ vũ trụ hay công nghệ viễn thám phục vụ lợi ích quốc gia Trong chương trình khoa học ứng dụng công nghệ vũ trụ quốc gia (1980 - 1986) có công trình nghiên cứu Bản đồ địa chất thủy văn vùng Tây Nguyên do cố GS Nguyễn Thượng Hùng làm chủ nhiệm Kết quả nghiên cứu của đề tài đã có nhiều đóng góp tích cực trong quản

lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai ở khu vực Tây Nguyên

Ngày 07/5/2013 vệ tinh VNREDSat-1 của nước ta được phóng thành công lên quỹ đạo, đánh dấu kỷ nguyên mới ứng dụng công nghệ viễn thám phục vụ phát triển kinh tế xã hội và an ninh quốc phòng, trong đó có quản lý, khai thác và bảo vệ tài nguyên nước

Vệ tinh VNREDSat-1 đã đều đặn chụp và truyền về mặt đất các bức ảnh rõ nét, chất lượng cao VNREDSat-1 được xây dựng dựa trên những nghiên cứu, đánh giá về nhu cầu thực tiễn trong nước, công nghệ và xu hướng phát triển mới của công nghệ vệ tinh nhỏ quan sát trái đất trên thế giới Từ đây, Việt Nam sẽ chủ động cung cấp ảnh vệ tinh

độ phân giải cao cho các cơ quan có nhu cầu sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám phục

vụ phát triển kinh tế - xã hội, ứng phó với thảm hoạ thiên nhiên và biến đổi khí hậu

1.3.2 Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống

thiên tai

Có thể khái quát kết quả nghiên cứu của một số công trình khoa học điển hình thuộc lĩnh vực này như sau:

a) Về nghiên cứu khoa học phải kể đến các công trình sau đây:

- Nguyễn Quang Trung (2014) [25] 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 sông

Cả, sông Mã Căn cứ vào kết quả nghiên cứu nói trên, tác giả đã đề xuất được các giải pháp công trình và phi công trình để hạn chế những tác động bất lợi, sử dụng tài nguyên nước một cách có hiệu quả phục vụ các ngành kinh tế trong khu vực

- Nguyễn Văn Tuấn (2014) [26] 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 Kết quả

nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp công trình, phi công trình nhằm khắc phục các tác động tiêu cực của các công trình trên, phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do lũ lụt gây ra

- Hoàng Thanh Tùng (2011) [27] nghiên cứu ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực trong việc dự báo mưa, lũ trung hạn phục vụ vận hành phối hợp các hồ chứa nước trên lưu vực sông Cả đảm bảo việc phòng chống lũ cho hạ du, vận hành an toàn hồ chứa và hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do lũ gây ra trên toàn lưu vực

b) Về quy hoạch khai thác tổng hợp tài nguyên nước phải kể đến các dự án sau đây:

- Quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Cả đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 do Viện Quy hoạch Thủy lợi thực hiện (2014) [28] đã sử dụng mô hình MIKE11 và NAM nghiên cứu dòng chính sông Cả theo số liệu cho phần lưu vực nằm trên lãnh thổ Việt Nam Dự án chưa đề cập đến tác động của phần thượng lưu nằm trên lãnh thổ Lào xuống đến hạ du ở Việt Nam Kết quả nghiên cứu đưa ra một số giải pháp cơ bản nhằm bổ sung nguồn nước như xây dựng cống Nam Đàn, các hồ Ngàn Trươi - Cẩm Trang, Bản Vẽ, Bản Mồng, Thác Muối, Kết quả nghiên cứu cũng đề xuất giải pháp phòng chống thiên tai, hạn chế thiệt hại do nước gây ra, cải tạo môi trường vùng hạ du gồm các giải pháp

về phòng chống lũ, giải pháp chống cạn kiệt, chống xâm nhập mặn dòng sông…

- 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 do Viện Quy hoạch Thủy lợi

và Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam thực hiện (2012) [29] Ngoài việc đưa ra các giải pháp thủy lợi theo hướng hiện đại hoá, góp phần ổn định và phát triển kinh tế xã hội, xóa đói giảm nghèo, nâng cao đời sống nhân dân, bảo vệ môi trường, kết quả nghiên cứu còn đề xuất các giải pháp phòng chống thiên tai, từng bước nâng cao khả năng chống

lũ, bão, triều cường trong điều kiện biến đổi khí hậu, nước biển dâng Tuy nhiên, do chưa có tài liệu thực đo về các yếu tố tự nhiên và xã hội tại các phần lưu vực nằm ngoài lãnh thổ Việt Nam để đưa vào mô hình nên kết quả nghiên cứu dòng chảy cho các lưu vực sông xuyên biên giới khu vực miền Trung vẫn còn nhiều hạn chế

1.3.3 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng

chảy

1.3.3.1 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong cung cấp số liệu mưa và địa hình

Có thể khái quát kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này theo các nhóm nghiên cứu như sau:

a) Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám để xác định lượng mưa trên lưu vực có các tác giả sau đây:

- Bùi Chí Nam (2017) [30] nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh để cảnh báo thiên tai, lũ lụt Tác giả đã sử dụng các dữ liệu quan trắc mưa từ Chương trình đo mưa toàn cầu (GPM) và Hệ thống ước lượng lượng mưa từ thông tin viễn thám sử dụng mạng thần kinh nhân tạo tích hợp với hệ thống phân loại mây (PERISANN), so sánh đánh giá với số liệu quan trắc mưa từ các trạm mặt đất để xác định mức độ chính xác của các số liệu vệ tinh phục vụ cảnh báo mưa và ngập tại khu vực TP Hồ Chí Minh

- Bùi Thị Khánh Hòa và cộng sự (2009) [31] nghiên cứu 3 nguồn số liệu gồm i) số liệu toàn cầu và khu vực có định dạng netcdf (NCEP/NCAR, NCC, TRMM, APHRODITE, ERA40); ii) số liệu mưa tại 58 trạm ở Việt Nam phân bố theo 7 vùng khí hậu; iii) số liệu

độ phản hồi vô tuyến từ các ra đa, phục vụ cho bài toán định lượng mưa sử dụng số liệu

ra đa tại Việt Nam Các tác giả đã có những đánh giá ban đầu về chất lượng các nguồn

số liệu này; tìm hiểu một số công thức chuyển đổi để ước lượng mưa từ các đề tài nghiên cứu trước; thử nghiệm phân tích mưa từ các nguồn số liệu cho một số trường hợp cụ thể Kết quả nghiên cứu cho thấy các nguồn số liệu trên đều bắt được khá chính xác sự kiện trận mưa ngày 10/09/2000 nhưng nguồn APHRODITE của Nhật Bản là phù hợp nhất với Việt Nam Với độ phân giải 0,250, nguồn số liệu này bắt được chính xác hơn về mức

độ phân tán của các khu vực mưa hơn các lưới có độ phân giải 0,50, 1,00 và 2,50, thể hiện chi tiết hơn về trường mưa Kết quả nghiên cứu có thể đưa vào ứng dụng để ước lượng mưa sử dụng số liệu ra đa dựa vào các nguồn số liệu toàn cầu hoặc khu vực phù hợp với Việt Nam làm chuỗi số liệu quá khứ, bổ sung thay thế cho số liệu tại trạm

- Vũ Thanh Hằng và cộng sự (2018) [32] đã nghiên cứu đánh giá số liệu mưa vệ tinh GSMAP cho khu vực Trung Bộ giai đoạn 2000-2010 và khả năng hiệu chỉnh Lượng mưa ngày và mưa tháng của GSMAP được so sánh với số liệu quan trắc tại 10 trạm đo mưa với các chỉ số được sử dụng trong đánh giá gồm hệ số tương quan (r), độ lệch tương đối (B), xác suất phát hiện (POD) và tỷ phần cảnh báo sai (FAR) Kết quả nghiên cứu cho thấy có sự phù hợp của số liệu GSMAP với thực tế về tháng bắt đầu có lượng mưa trên 100 mm và tháng có lượng mưa lớn nhất ở hầu hết các trạm, tuy nhiên thời gian kéo dài những tháng mưa trên 100 mm của số liệu GSMAP thường ngắn hơn từ 1-2 tháng

so với quan trắc

b) Nhóm nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám để xác định yếu tố địa hình trên lưu vực

có các tác giả sau đây:

- Văn Công Quốc Anh và Lê Văn Trung (2004) [33] 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, sau đó sữ dụng các công cụ của GIS để phân tích, giám sát và cảnh báo thiên tai cho khu vực nghiên cứu là lưu vực sông Kôn -

Hà Thanh, tỉnh Bình Định

- Nguyễn Đắc Vệ và Nguyễn Văn Thảo (2013) [34] 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.) Kết quả nghiên cứu cho thấy độ chính xác của DEM được xây dựng từ các cặp ảnh đã được so sánh với DEM Aster do tổ chức USGS của Mỹ thành lập là khá tốt Các tác giả đã lấy 10 điểm ngẫu nhiên trên DEM để nghiên cứu so sánh với 10 điểm trên bản đồ địa hình UTM cho thấy mức độ sai khác vào khoảng 28,97% Kết quả nghiên cứu mở ra khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS vào nghiên cứu tai biến thiên nhiên và môi trường

- Nguyễn Thị Hữu Phương và cộng sự (2017) [35] nghiên cứu khai thác dữ liệu LIDAR trong nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt địa hình Các tác giả tập trung vào kĩ thuật khai phá dữ liệu LIDAR hiệu quả trong nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt địa hình như EM, K-Means, kNN, MCC Để sử dụng hiệu quả dữ liệu LIDAR, các tác giả cho biết cần phải có các kĩ thuật khai thác phù hợp nhằm tìm kiếm những thông tin có ích

- Trần Đức Phú (2010) [36] nghiên cứu ứng dụng công nghệ LIDAR trong mô hình hóa

lũ Kết quả nghiên cứu cho thấy những đối tượng như các tòa nhà, đê, bờ sông, đường xây dựng có ảnh hưởng rất lớn tới động lực học dòng chảy, lan truyền lũ và như vậy phải được tính toán vào mô hình thiết lập Kết quả nghiên cứu cho thấy bằng cách sử dụng DEM độ phân giải cao được cung cấp theo công nghệ mới nhất hiện nay của LIDAR để xác định các thông số quan trọng nhằm vào tính chính xác của DEM thu được được sử dụng cho mục đích cuối cùng là mô hình hóa lũ

1.3.3.2 Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toám

Số lượng công trình và đề tài khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này ở nước ta chưa nhiều, chủ yếu tập trung ở một số cơ quan nghiên cứu và trường đại học có liên quan đến kỹ

thuật tài nguyên nước Trong số các công trình khoa học đã công bố liên quan đến lĩnh vực nói trên, đáng chú ý nhất là công trình của những tác giả sau đây:

- Duy Chinh Dinh và cộng sự (2014) [37] 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 Các tác giả đánh giá độ chính xác của dòng chảy lũ được mô phỏng từ mô hình bằng sai số tương quan giữa đỉnh lũ thực đo với mô phỏng (ΔQ) và hệ số NSE (R) Kết quả nghiên cứu cho thấy dòng chảy mô phỏng đạt độ chính xác khá cao đối với các lưu vực sông lớn (ΔQ=-13,63%, R=0,93) và độ chính xác thấp đối với các nhánh sông nhỏ (ΔQ=-57,64%, R=0,44)

- Nguyễn Kim Lợi và Trần Thống Nhất nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong giám sát môi trường và tài nguyên thiên nhiên Các nghiên cứu được thực hiện trong hai năm 2007 [38] và 2009 [39] Kết quả nghiên cứu là rất khả quan và làm đà cho những nghiên cứu tiếp theo

- Nguyễn Thanh Sơn và Nguyễn Quốc Anh (2015) [40] nghiên cứu khai thác sử dụng

dữ liệu mưa vệ tinh trong mô hình dự báo lũ lưu vực sông Mê Kông (từ Chiang Saen đến Strung Streng) Kết quả nghiên cứu cũng rất khả quan và có thể khai thác nguồn số liệu này vào công tác nghiệp vụ dự báo lũ

- Trịnh Minh Ngọc (2009) [41] dùng số liệu viễn thám làm đầu vào để tính toán dòng chảy của các sông trong nghiên cứu ứng dụng mô hình mưa – dòng chảy SWAT trong quản lý tài nguyên nước Kết quả bước đầu của nghiên cứu cũng rất khả quan

Hầu hết các nghiên cứu nói trên mới chỉ dừng lại ở mức độ sử dụng các mô hình toán phục vụ tính toán và đưa ra giải pháp mà chưa nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới vào lĩnh vực này Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều xu hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ trong nghiên cứu tài nguyên nước như viễn thám, WebGIS, mô hình thủy văn phân

bố (IFAS, MIKE SHE, SPHY) Ở nước ta, những công nghệ mới này chưa được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong quản lý tài nguyên nước và quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai

Với các đặc điểm vượt trội về tốc độ, chi phí, độ chính xác cho phép cùng với sự phát triển của máy tính, mô hình toán và công nghệ viễn thám đang trở thành công cụ tiên phong trong mô tả các hiện tượng dòng chảy thiên nhiên phức tạp Hiện nay ở nước ta vẫn chưa có nghiên cứu đánh giá và phân tích dữ liệu viễn thám một cách toàn diện phục

vụ tính toán dòng chảy đầy đủ và chi tiết Đặc biệt là chưa có một nghiên cứu nào kết hợp được cả mô hình toán và công nghệ viễn thám trong nghiên cứu về tài nguyên nước, hơn nữa là các nghiên cứu phân tích, lựa 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 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 tận dụng được ưu điểm của ảnh viễn thám là 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 CHDCND Lào

1.3.4 Đánh giá chung về các nghiên cứu ở trong nước

1) Hầu hết các công trình khoa học có liên quan đến đề tài đều sử dụng mô hình toán phù hợp để nghiên cứu, tính toán

2) Kết quả nghiên cứu quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông ở nước ta trong những năm gần đây đều đưa ra được các giải pháp công trình hoặc phi công trình phù hợp với điều kiện cụ thể của từng lưu vực, đáp ứng yêu cầu ổn định và phát triển kinh tế - xã hội của các địa phương Đối với những sông có một phần đáng kể lưu vực nằm ngoài lãnh thổ nước ta thì việc nghiên cứu, tính toán thường gặp nhiều khó khăn và kết quả nhận được còn bị hạn chế Những dữ liệu đầu vào cần thiết cho các mô hình toán thủy văn, thủy lực nhập vào các điểm nút tại các lưu vực sông nằm ngoài biên giới phần lớn đều không có hoặc thiếu tin cậy, trong tính toán thường phải sử dụng các

số liệu giả định, hoặc bỏ trống

3) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quản lý tài nguyên nước và quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông chưa nhiều, được chia thành hai nhóm chính: i) Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai; và ii) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong tính toán

mô phỏng dòng chảy trên các lưu vực sông Hầu hết những nghiên cứu mới chỉ giải quyết một vài nhiệm vụ hay đối tượng cụ thể cho một khu vực hay phần lưu vực sông nằm trên lãnh thổ nước ta Đối với các sông quốc tế, việc nghiên cứu mới chỉ dừng lại

ở phạm vi thuộc lãnh thổ Việt Nam, còn phần lưu vực sông thuộc lãnh thổ các nước khác vẫn chưa được đề cập và nghiên cứu đến Đây chính là một khoảng trống trong nghiên cứu mà đề tài luận án này cần tiếp tục nghiên cứu, lựa chọn

Nước ta 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 Với định hướng nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong nghiên cứu mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới việc lựa chọn được lưu vực sông xuyên biên giới phù hợp là cần thiết, đảm bảo thuận lợi cho quá trình nghiên cứu cũng như các kết quả nghiên cứu bước đầu của luận án sẽ đem lại hiệu quả thực tiễn

1.4 Kết luận chương 1

Tổng quan các công trình khoa học công nghệ ở trong nước và thế giới liên quan đến đề tài luận án được trình bày ở các phần trên chỉ là một số công trình nghiên cứu nổi bật và điển hình trong vô vàn các công trình khoa học thuộc lĩnh vực quản lý, khai thác sử dụng

và bảo vệ bền vững tài nguyên nước nói chung và quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai nói riêng đã được nghiên cứu và công bố Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình toán thủy văn – thủy lực, công nghệ viễn thám và GIS đã được nghiên cứu ứng dụng rộng rãi trong quản lý tài nguyên nước và quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông Các nước phát triển trên thế giới đều ứng dụng thành công công nghệ viễn thám với mô hình toán trong dự báo thiên tai, bão, lũ lụt và hạn hán trên các vùng và lưu vực sông Tuy nhiên, ở nước ta công nghệ này vẫn còn mới, phần lớn tập trung vào việc phát triển thuật toán của mô hình hoặc phát triển ứng dụng của từng công nghệ cho từng mục tiêu cụ thể Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong tính toán dòng chảy phục

vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai các lưu vực sông mới triển khai trong khoảng 10 năm gần đây, chủ yếu tập trung vào một vài yếu tố có liên quan đến viễn thám như mô hình số độ cao (DEM) Dữ liệu mưa vệ tinh là sản phẩm của công nghệ viễn thám mới được nghiên cứu mô phỏng dòng chảy trong khoảng 5 năm trở lại đây, còn các dữ liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao cũng chỉ được nghiên cứu ứng dụng trong vài năm gần đây

Mặc dù số công trình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch và quản lý tài nguyên nước, về phương pháp kết hợp giữa giữa mô hình toán với công nghệ viễn thám và GIS trong tính toán dòng chảy lưu vực sông chưa nhiều, chưa hoàn thiện nhưng đều đã đạt được những kết quả rất đáng khích lệ, tạo cơ sở khoa học cho những công trình nghiên cứu tiếp theo Có thể kết luận rằng cho đến nay ở Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu nào sử dụng tổng hợp các yếu tố liên quan đến viễn thám vào mô phỏng

tính toán dòng chảy, cũng như sử dụng dữ liệu viễn thám để mô phỏng dòng chảy lũ với mức độ chi tiết đến từng giờ, đặc biệt là dòng chảy xuyên biên giới

Công nghệ viễn thám không ngừng phát triển, dữ liệu được cấp bởi viễn thám ngày càng chi tiết và chính xác hơn về sự biến động của yếu tố tự nhiên và xã hội các lưu vực sông theo không gian và thời gian không phân biệt đó là sông nội địa hay sông xuyên biên giới 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 một giải pháp hữu ích nhằm khắc phục tình trạng thiếu các tài liệu thực đo đang được nhiều nhà khoa học quan tâm, đặc biệt cho các lưu vực sông xuyên biên giới

Sông Cả là một trong những sông lớn ở Bắc Trung Bộ có diện tích lưu vực 27.200 km2

phân bố trên lãnh thổ của hai nước Việt Nam, Lào Hạn hán, lũ lụt và xâm nhập mặn là những loại thiên tai thường xuyên xảy ra ở khu vực này, đặc biệt là vùng miền núi các tỉnh Nghệ An và Thanh Hóa Việc nghiên cứu dòng chảy là vô cùng quan trọng đối với việc cảnh báo và giảm nhẹ thiên tai cho khu vực hạ du, đặc biệt là nghiên cứu dòng chảy

lũ từ thượng nguồn sông Cả Tuy nhiên phần thượng lưu sông Cả nằm bên nước bạn Lào (chiếm 34,8% diện tích lưu vực) không có số liệu hoặc có rất ít số liệu phục vụ nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám cùng với việc kết hợp mô hình toán trong các lĩnh vực khí tượng, thủy văn, quản lý nguồn nước lưu vực và đặc biệt là nghiên cứu về dòng chảy xuyên biên giới 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 Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ là cơ sở để có thể phát triển

áp dụng cho các lưu vực sông khác, đặc biệt là cho Việt Nam trải dài từ Bắc vào Nam

có rất nhiều lưu vực sông xuyên biên giới

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

- Trước hết phải tiến hành nghiên cứu lý thuyết Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết chuyển sang nghiên cứu điển hình trước khi áp dụng trong thực tiễn

- Nội dung nghiên cứu phải tiến hành từ nghiên cứu tổng quan các yếu tố cấu thành lưu vực, tổng quan các yếu tố tác động đến quá trình hình thành và sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực đến nghiên cứu chi tiết cho những yếu tố có liên quan trực tiếp và tác động nhiều nhất đến việc quản lý, sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực

- Đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả quản lý và khai thác bền vững tài nguyên nước trên lưu vực phải bắt đầu từ các giải pháp tổng thể cho toàn lưu vực rồi mới đến những giải pháp chi tiết, cụ thể cho từng đối tượng hoặc từng nhóm đối tượng tác động trên lưu vực

2) Tiếp cận kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết:

- Tiếp cận nghiên cứu thực nghiệm khoa học trong luận án là phương pháp khoa học phân tích xử lý, lựa chọn các tài liệu, dữ liệu, công cụ nghiên cứu liên quan đến đề tài

luận án đã điều tra và thu thập được Đây cơ sở lý luận của các phương pháp nghiên cứu khoa học sau đây:

+ Phương pháp điều tra thu thập số liệu, tài liệu Kết quả điều tra là căn cứ quan trọng

đề xuất các giải pháp khai thác, bảo vệ và sử dụng tài nguyên nước cũng như nghiên cứu ứng dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai phù hợp với điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội trên lưu vực sông Cả

+ Phương pháp phân tích thống kê: Phân tích, xử lý các số liệu đã thu thập và quan trắc được để cung cấp dữ liệu đầu vào cho các mô hình toán được lựa chọn để tính toán mô phỏng các quá trình vật lý hình thành dòng chảy

- Tiếp cận nghiên cứu lý thuyết trong luận án là sử dụng các số liệu, dữ liệu đã được phân tích, xử lý trong nghiên cứu thực nghiệm đưa vào các mô hình toán đã chọn trong nghiên cứu thực nghiệm để tính toán mô phỏng các quá trình vật lý hình thành dòng chảy trên lưu vực sông nói chung và sông Cả nói riêng

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học

Phương pháp là công cụ, là biện pháp cụ thể để thực hiện công việc nghiên cứu Đề tài luận án này sẽ sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau đây:

1) Phương pháp kế thừa:

Hầu hết các đề tài khoa học công nghệ được hình thành đều xuất phát và kế thừa từ các kết quả nghiên cứu đã đạt được trước đó Kế thừa thành tựu khoa học và công nghệ đã đạt được của những tác giả và công trình nghiên cứu trước đó có liên quan đến mục tiêu

và nội dung nghiên cứu của đề tài luận án, trong đó có kết quả nghiên cứu ứng dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông là rất cần thiết Kế thừa là phương pháp nghiên cứu không thể thiếu đối với bất kỳ một đề tài nghiên cứu khoa học nào nói chung và đề tài luận án này nói riêng

Trên các lưu vực sông nói chung và lưu vực sông Cả nói riêng có rất nhiều đề tài, dự án thuộc mọi lĩnh vực đã được các nhà khoa học nghiên cứu và công bố Tùy thuộc vào yêu cầu về mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu, mỗi công trình khoa học này đều đã giải quyết được một số vấn đề khoa học với các mức độ khác nhau liên quan đến công tác quản lý tài nguyên nước và quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai phù hợp với điều kiện cụ thể của quốc gia, của lưu vực sông và của vùng địa lý cụ thể mà đề tài

đó tiến hành Phân tích tổng hợp kết quả nghiên cứu của các công trình khoa học này giúp luận án nắm bắt được những vấn đề khoa học nào đã được nghiên cứu giải quyết, những nội dung nào chưa được giải quyết hoặc đã có nghiên cứu nhưng chưa được giải quyết triệt để, chưa đáp ứng được yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường cũng như cách thức giải quyết của từng vấn đề Kết quả nghiên cứu cũng sẽ chỉ

ra được những vấn đề gì mà luận án có thể kế thừa, những vấn đề gì cần phải tiếp tục nghiên cứu giải quyết tiếp Việc kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu này sẽ giúp đề tài có định hướng giải quyết vấn đề một cách khoa học hơn

2) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu

Để có tài liệu nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai trên lưu vực sông Cả thì điều tra khảo sát thu thập tài liệu là công việc bắt buộc phải làm, bao gồm những nội dung chính sau đây:

a) Tìm hiểu và thu thập các công trình khoa học đã công bố có liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài Kết quả của công việc này lên được danh mục các tài liệu tham khảo Nghiên cứu, phân tích các tài liệu này để tìm ra những vấn đề khoa học nào đã làm được hoặc chưa được giải quyết, hoặc đã có nghiên cứu nhưng chưa giải quyết triệt

để để làm cơ sở cho luận án tiếp tục nghiên cứu và giải quyết

b) Các tài liệu liên quan đến điều kiện tự nhiên trên lưu vực sông Cả như: đặc điểm địa hình địa mạo; đặc điểm địa chất và địa chất thủy văn; loại thảm phủ và chất lượng thảm phủ trên lưu vực; đặc điểm mạng lưới sông và chế độ thủy văn dòng chảy trên lưu vực; tài liệu đo đạc các yếu tố khí tượng, khí hậu tại các trạm quan trắc trên lưu vực; chất lượng môi trường các nguồn nước và các nguồn gây ô nhiễm Đây là các tài liệu rất quan trọng trong việc nghiên cứu ứng dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai trên lưu vực sông Cụ thể cần điều tra thu thập các tài liệu sau:

- Các loại ảnh vệ tinh đã có trên lưu vực sông Cả và khu vực xung quanh

- Các tài liệu về địa hình địa mạo, địa chất và địa chất thủy văn, loại thảm phủ và chất lượng thảm phủ trên lưu vực, mạng lưới sông ngòi trên lưu vực phục vụ nghiên cứu xây dựng hệ thống quản lý các dữ liệu về điều kiện tự nhiên liên quan đến hình thành dòng chảy và các loại bản đồ bằng công nghệ GIS

- Các tài liệu về thủy văn, dòng chảy phục vụ nghiên cứu ứng dụng các mô hình toán trong quản lý nguồn nước

- Các tài liệu khí tượng, khí hậu thực đo được sử dụng để nghiên cứu đánh giá nguồn nước thông qua các tài liệu mưa vệ tinh

c) Các tài liệu liên quan đến những giải pháp quản lý và sử dụng tài nguyên nước đã được áp dụng trên các lưu vực sông nói chung và lưu vực sông Cả nói riêng như:

- Hiện trạng, chức năng nhiệm vụ các công trình thủy lợi - thủy điện đã và đang xây dựng trên hệ thống sông

- Quy trình quản lý khai thác, vận hành các công trình thủy lợi - thủy điện trên hệ thống sông Cả

d) Các tài liệu liên quan đến hiện trạng công trình giao thông và các cơ sở hạ tầng khác

đã và đang xây dựng trên lưu vực làm ảnh hưởng đến chế độ thủy văn, thủy lực của hệ thống sông Cả

e) Các tài liệu liên quan đến hiện trạng và phương hướng phát triển kinh tế - xã hội trên lưu vực sông Cả

Các tài liệu nêu ở mục c), d) và e) nói trên phục vụ cho việc nghiên cứu xây dựng hệ thống quản lý các dữ liệu về tác động của con người trong việc xây dựng các công trình phát triển kinh tế xã hội đến hình thành dòng chảy trên lưu vực và môi trường nước vùng

hạ lưu cũng như đối với việc quản lý tài nguyên nước trên lưu vực sông Cả thông qua công nghệ GIS

3) Phương pháp phân tích thống kê:

Nội dung chính của phương pháp nghiên cứu này như sau:

- Tổng hợp, sắp xếp và phân loại các tài liệu đã điều tra, khảo sát, thu thập được thành từng nhóm, từng loại theo từng nội dung nghiên cứu

- Phân tích, chỉnh biên và xử lý các số liệu và tài liệu đã thu thập được, nhất là các số liệu ảnh vệ tính (phân tích không gian) liên quan đến các nội dung đã nêu ở trên theo mục tiêu nghiên cứu đề tài

- Các tài liệu thực đo liên quan đến yếu tố khí tượng, khí hậu, thủy văn và dòng chảy tại các các trạm quan trắc trên lưu vực sẽ sử dụng phương pháp thống kê để tính toán

4) Phương pháp mô hình toán:

Hiện nay ở nước ta có rất nhiều mô hình toán đang được ứng dụng trong quy hoạch và phòng chống thiên tai trên các lưu vực sông như bộ mô hình MIKE dùng để tính toán

mưa, bốc hơi và diễn toán chế độ dòng chảy trên lưu vực, phần mềm mã nguồn mở QGIS để xây dựng và quản lý các dữ liệu thông tin địa lý và dữ liệu viễn thám, mô hình IFAS để mô phỏng dòng chảy lũ trên các lưu vực sông Mỗi mô hình đều có những ưu điểm và nhược điểm khác nhau, phạm vi nghiên cứu ứng dụng cũng rất khác nhau Luận

án sẽ giới thiệu một số mô hình toán đang được sử dụng rộng rãi ở trong nước và thế giới Mỗi một mô hình sẽ phân tích những thế mạnh, nhược điểm và phạm vi áp dụng

để làm cơ sở chọn ra được những mô hình toán phù hợp với đặc điểm riêng của lưu vực sông Cả cũng như đáp ứng nội dung và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

5) Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia:

Luận án có nhiều nội dung nghiên cứu thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau như viễn thám, tính toán thủy văn, tính toán thủy lực, kỹ năng xử lý và sử dụng các mô hình toán, kỹ năng xử lý và sử dụng các loại dữ liệu, ảnh bản đồ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi

và phòng chống thiên tai, v.v… Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đề ra, trong quá trình nghiên cứu viết luận án, tác giả thường xuyên xin ý kiến trực tiếp của các chuyên gia và nhà khoa học chuyên sâu về từng lĩnh vực có liên quan nói trên Sau khi hoàn thành dự thảo các chuyên đề nghiên cứu cũng như hoàn thành dự thảo luận án, tác giả sẽ tổ chức một số buổi hội thảo khoa học xin ý kiến chuyên gia để chỉnh sửa và hoàn thiện nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu này giúp tác giả nâng cao được trình độ chuyên môn và cách thức giải quyết từng vấn đề, từng nội dung nghiên cứu nêu trên cũng như toàn bộ nội dung luận án Đây cũng là phương pháp nghiên cứu kinh tế, tiết kiệm được thời gian, sức lực và tài chính để triển khai công tác nghiên cứu

2.1.3 Công cụ nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu khoa học luôn cần có các công cụ hỗ trợ và phương tiện kỹ thuật hiện đại với độ chính xác cao Tùy thuộc vào mục tiêu và nội dung nghiên cứu để lựa chọn công cụ nghiên cứu phù hợp Với đề tài luận án này, công cụ nghiên cứu 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 Mục 2.4 của chương này sẽ phân tích cơ sở khoa học và thực tiễn lựa chọn mô hình toán sử dụng trong luận án

2.2 Địa điểm nghiên cứu

Địa điểm nghiên cứu và áp dụng vào thực tiễn của luận án là lưu vực sông Cả

Sông Cả là một trong những sông lớn ở Bắc Trung Bộ, có diện tích lưu vực 27.200 km2

phân bố trên lãnh thổ của 2 quốc gia Việt Nam và nước bạn Lào Khoảng 65,2% diện tích lưu vực nằm trên địa giới hành chính của 3 tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Thanh Hoá với 17.730 km2, trong đó vùng hưởng lợi 2.405 km2, xem Hình 2.1

Dòng chính sông Cả dài 531 km trong đó có 361 km chảy trên lãnh thổ Việt Nam Phần lớn diện tích lưu lưu vực có địa hình miền núi và núi cao Hệ thống sông Cả gồm nhiều phụ lưu lớn như sông Hiếu, sông La (hợp lưu của hai sông Ngàn Phố và Ngàn Sâu) và sông Giăng hợp thành sau đó chảy ra biển tại Cửa Hội Trung bình hàng năm lưu vực sông Cả tại Việt Nam nhận lượng mưa 1.800mm với mô đun dòng chảy 27,1 l/s.km2, tổng lượng nước trung bình nhiều năm khoảng 23,3.109 m3 Đây là một tài nguyên rất quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội trên địa bàn hai tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh Theo Viện Quy hoạch Thủy lợi (2014) [28], lưu vực sông Cả là địa bàn cứ trú của khoảng 4 triệu dân thuộc nhiều dân tộc anh em Hiện nay trên lưu vực đã xây dựng được khoảng 3.000 công trình thủy lợi các loại, nhưng việc khai thác sử dụng nguồn nước từ các công trình này vẫn còn nhiều hạn chế và bất cập, chưa có sự phối hợp điều tiết giữa

Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sông Cả