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 tt

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 gi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BÙI TUẤN HẢI

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM

TRONG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY MẶT PHỤC VỤ QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI

– ÁP DỤNG CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ

Ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước

Mã số: 9580212

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2020

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Quang Vinh

2: PGS.TS Phạm Quang Vinh

Phản biện 01: PGS.TS Nguyễn Mai Đăng

Phản biện 02: PGS.TS Uông Đình Khanh

Phản biện 03: GS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại:

Room 5 – K1, trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội

Vào lúc 08 giờ 30 ngày 10 tháng 12 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Đại học Thủy lợi

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Lưu vực sông Cả là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai

lũ lụt, hạn hán và xâm nhập mặn Nghiên cứu quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực sông Cả, nhất là vùng thượng nguồn có ý nghĩa cực kỳ quan trọng trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai cho khu vực hạ du Tuy nhiên do phần lớn vùng thượng lưu với 34,8% diện tích lưu vực nơi hình thành dòng chảy lại nằm bên nước bạn Lào, không có số liệu phục vụ nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với các công nghệ phù hợp trong dự báo khí tượng, thủy văn, dòng chảy và quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông là một giải pháp khắc phục tình trạng thiếu tài liệu thực đo đang được các nhà khoa học quan tâm

Vì những lý do nêu trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả” được đề xuất là rất cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu, khai thác, phân tích và lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp để

bổ sung thêm các trạm mưa giả định cho các khu vực trên lưu vực còn thiếu trạm

đo và thiếu tài liệu mưa thực đo, bổ sung số liệu mưa tháng cho các trạm đo mưa không liên tục nhằm nâng cao độ tin cậy trong tính toán dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai

- Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám (dữ liệu mưa vệ tinh và dữ liệu mô hình

số độ cao DEM) trong mô phỏng dòng chảy mặt cho lưu vực sông Cả, đặc biệt

là mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới cho phần thượng lưu có phần lớn diện tích nằm ở nước CHDCND Lào không có tài liệu mưa thực đo

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu:

Dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai ở lưu vực sông nói chung và lưu vực sông Cả nói riêng

b) Phạm vi nghiên cứu:

- Về không gian: Vùng nghiên cứu là lưu vực sông Cả, trong đó tập trung nghiên

cứu hai nhánh sông xuyên biên giới nằm ở thượng lưu là Nậm Mô và Nậm Nơn

- Về thời gian: Nghiên cứu mô phỏng quá trình dòng chảy trên lưu vực sông Cả

từ năm 1982 đến 2019, trong đó mô phỏng dòng chảy lũ từ năm 2011 đến 2019 Phân tích lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh tập trung cho ba năm từ 2015 đến 2017

4 Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

a) Hướng tiếp cận nghiên cứu:

Đề tài luận án lựa chọn hai hướng tiếp cận khoa học sau đây: (1) Tiếp cận hệ thống; (2) Tiếp cận kết hợp nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết

b) Phương pháp nghiên cứu:

Sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: (1) Phương pháp kế thừa (2) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu; (3) Phương pháp phân tích thống kê; (4) Phương pháp mô hình toán; (5) Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

a) Ý nghĩa khoa học: Bổ sung phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy mặt trên lưu vực sông Cả phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai b) Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất phương pháp xử lý, sử dụng dữ liệu từ viễn thám cho những vùng không có số liệu hoặc không đủ số liệu trong mô phỏng dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai các lưu vực sông nói chung và lưu vực sông Cả nói riêng, đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội

6 Đóng góp mới của luận án

a) Xác định được dữ liệu viễn thám phù hợp trong số các dữ liệu mưa vệ tinh có

độ phân giải cao CHIRPS, GSMAP, GPM, CMORPH và dữ liệu mô hình số độ cao ALOS, ASTER, SRTM để nghiên cứu bổ sung thêm trạm đo mưa giả định,

bổ sung thêm số liệu mưa tháng cho các khu vực còn thiếu trạm đo mưa, hoặc thiếu tài liệu mưa thực đo nhằm nâng cao độ tin cậy trong tính toán, mô phỏng dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai lưu vực sông Cả b) Làm rõ thêm được phương pháp sử dụng các dữ liệu mưa vệ tinh và mô hình

số độ cao (DEM) làm số liệu đầu vào cho các mô hình thủy văn thông số tập trung MIKE NAM và mô hình thủy văn phân bố IFAS để tăng độ chính xác trong

mô phỏng dòng chảy cho lưu vực sông Cả, đặc biệt mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới hai nhánh sông Nậm Mô và Nậm Nơn với phần lớn diện tích lưu vực nằm ở nước bạn Lào

7 Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án gồm 03 chương chính sau:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy

hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai

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

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

chảy lưu vực sông Cả

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

1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám

Viễn thám là khoa học nghiên cứu thu thập thông tin về các sự vật và hiện tượng trên bề mặt trái đất từ khoảng cách xa thông qua các thiết bị công nghệ đo đạc đặc biệt lắp đặt trên các vệ tinh quan sát bề mặt trái đất Trong hơn 60 năm qua, công nghệ viễn thám không ngừng tiến bộ, số lượng vệ tinh viễn thám ngày càng tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại, đa dạng về kích thước, đa dạng về quỹ đạo và đang có xu hướng phát triển thành các chùm vệ tinh … Phạm vi ứng dụng của công nghệ viễn thám cũng không ngừng được mở rộng Hiện nay, công nghệ viễn thám được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực chính sau đây: (1) Dự báo thời tiết và dự báo thiên tai (2) Quản lý tài nguyên nước và chất lượng các nguồn nước (3) Quản lý đất đai (4) Xây dựng các loại bản đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh

mô hình toán Quá trình xử lý dữ liệu viễn thám thường được thực hiện trong các phần mềm GIS Viễn thám góp phần mang lại sự đồng thuận trong quản lý tài nguyên nước đối với các sông quốc tế Điều kiện thời tiết xấu trong mùa mưa bão thường gắn liền với lũ lụt, ngập úng và sạt lở đất khiến cho việc tiếp cận đánh giá các khu vực bị ngập lũ là cực kỳ khó khăn, viễn thám sẽ giúp khắc phục những hạn chế này Thông qua việc lựa chọn các cảm biến và các nền tảng thích hợp, viễn thám có thể cung cấp thông tin chính xác và kịp thời các khu vực bị lũ lụt hoặc có nguy cơ bị ngập lụt, đánh giá mức độ hiệt hại do lũ lụt và sạt lở đất gây ra tại những nơi mà con người khó có thể tiếp cận trực tiếp để có biện pháp

ứng phó phù hợp Luận án cũng giới thiệu tóm tắt một số kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám thám trong quy hoạch, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai ở Châu Phi theo sáng kiến TIGER, ở Ấn Độ, ở lưu vực sông Mê Công và Ủy hội sông Mê Công quốc tế Luận án cũng giới thiệu khái quát kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong giám sát lũ lụt và đánh giá thiệt hại do lũ lụt gây ra ở Pakistan và Nepal

chảy

Khái quát kết quả nghiên cứu về lĩnh vực này trên thế giới, luận án chia thành

các nhóm chính sau đây:

a) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh: Điển hình là các công trình nghiên

cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tính TRMM-3B42 v6 và v7, RFE 2.0, CDR, CMORPH1.0 version 0.x để mô phỏng chế độ dòng chảy cho lưu vực sông Makhazine ở Ma-rốc; nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh TRMM và GPM

PERSIANN-để mô phỏng lũ thời đoạn nửa ngày cho các lưu vực thiếu trạm đo ở Myanmar;

sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh TMPA 3B32RT và dữ liệu mưa trạm đo để đánh giá

mô hình sai số trong xác định lượng mưa ngày từ các dữ liệu mưa vệ tinh

b) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu địa hình DEM: Điển hình là các công trình nghiên

cứu so sánh các dữ liệu DEM với nhau và so sánh với dữ liệu cao độ địa hình quốc gia của Úc trên phạm vi toàn bộ lục địa châu Đại Dương; nghiên cứu sử dụng dữ liệu DEM ALOS để cập nhật bản đồ thủy văn, cung cấp thông tin về tác động của động lực địa thủy văn trong các môi trường khô hạn và bán khô hạn

c) Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong nghiên cứu quan

hệ mưa - dòng chảy: Viễn thám cung cấp dữ liệu đầu vào cho các mô hình toán

như các thông số đặc trưng về khí tượng – thủy văn theo không gian và thời gian,

độ ẩm đất, đặc điểm bề mặt và sử dụng đất, lớp che phủ đất… Các nhà khoa học

đã chứng minh sự kết hợp tốt của GIS với các mô hình mô phỏng như HEC, MODFLOW, SHE, SWAT, MIKE BASIN, WEAP để giải quyết các bài toán liên quan đến chế độ thủy văn, dòng chảy của một số lưu vực sông trên thế giới Điển hình là công trình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với số liệu mưa thực đo và mô hình IFAS để tính toán dòng chảy lũ cho các lưu vực sông Kelantan và Dungun ở Malaysia Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám, GIS và mô hình SWAT trong đánh giá lưu lượng và chất lượng nước lưu vực sông dưới sự biến động về cơ cấu sử dụng đất, biến đổi khí hậu

Họ đã thiết lập được các mô hình chi tiết dòng chảy mặt và ngầm, mô hình tăng cường chất lượng nước, hay sự kết hợp giữa mô hình chất lượng với công cụ GIS, ảnh hưởng của biến đổi không gian lên mô hình của lưu vực…

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

Tổng quan kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới cho thấy việc kết hợp mô hình toán, công nghệ viễn thám và GIS là cách tiếp cận mới và rất hiệu quả trong tính toán mô phỏng dòng chảy lưu vực sông, đặc biệt trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy phương pháp tính toán dòng chảy kết hợp viễn thám và GIS vẫn còn rất nhiều khoảng trống mà luận án cần tiếp tục nghiên cứu triển khai Luận án này sẽ kế thừa những

ưu điểm của 3 phương pháp: mô hình toán, viễn thám và GIS

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

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

a) Về nghiên cứu khoa học: Các công trình nghiên cứu đánh giá biến động của

dòng chảy kiệt và tác động của dòng chảy kiệt tới sản xuất nông nghiệp và thủy sản vùng hạ du lưu vực sông Cả, sông Mã, nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn MIKE-NAM, mô hình thủy lực MIKE11 và MIKE21 để đánh giá tác động của hệ thống công trình thủy lợi, thủy điện, giao thông và cơ sở hạ tầng tới tiêu thoát lũ ở miền Trung Căn cứ vào kết quả nghiên cứu, các tác giả đã đề xuất giải pháp công trình và phi công trình nhằm hạn chế những tác động bất lợi, sử dụng hiệu quả tài nguyên nước phù hợp với điều kiện cụ thể của từng lưu vực sông Công trình nghiên cứu ứng dụng các mô hình thủy văn, thủy lực trong dự báo mưa, lũ trung hạn phục vụ vận hành phối hợp các hồ chứa nước trên lưu vực sông đảm bảo phòng chống lũ cho hạ du, vận hành an toàn hồ chứa và hạn chế thiệt hại do lũ gây ra trên toàn lưu vực sông Cả

b) Về quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai cho các lưu vực sông: Điển hình

là các dự án Quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Cả đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030 và Quy hoạch thủy lợi khu vực miền Trung giai đoạn 2012-2020

và định hướng đến năm 2050 trong điều kiện biến đổi khí hậu và nước biển dâng Các quy hoạch thủy lợi đã nêu đều dựa vào mô hình thủy lực MIKE11, mô hình thủy văn NAM và mới chỉ tập trung nghiên cứu dòng chính dựa trên số liệu cho phần lưu vực nằm trên lãnh thổ Việt Nam, chưa đề cập đến tác động của phần thượng lưu lưu vực nằm trên lãnh thổ nước ngoài xuống đến hạ du ở Việt Nam

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

a) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám cung cấp số liệu mưa và địa hình trên lưu vực Luận án đã giới thiệu tổng quan một số công trình khoa học điển hình

như: 1) Nghiên cứu sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh từ chương trình đo mưa toàn cầu GPM, so sánh đánh giá với số liệu quan trắc mưa mặt đất để cảnh báo mưa

và ngập lụt tại TP Hồ Chí Minh; 2) Nghiên cứu lựa chọn nguồn dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp với Việt Nam làm chuỗi số liệu quá khứ, bổ sung thay thế cho số liệu tại trạm Kết quả nghiên cứu từ 3 nguồn dữ liệu mưa gồm mưa toàn cầu và khu vực có định dạng NETCDF, số liệu mưa tại 58 trạm ở Việt Nam phân bố theo 7 vùng khí hậu và số liệu phản hồi vô tuyến từ các ra đa tại nước ta cho thấy nguồn số liệu APHRODITE của Nhật Bản là phù hợp nhất cho Việt Nam; 3) Kết quả nghiên cứu, so sánh dữ liệu mưa vệ tinh GSMAP với số liệu quan trắc tại 10 trạm đo mưa khu vực Trung Bộ giai đoạn 2000-2010 cho thấy có sự phù hợp về tháng bắt đầu có lượng mưa trên 100 mm và tháng có lượng mưa lớn nhất ở hầu hết các trạm, tuy có sự sai khác nhất định về thời gian kéo dài của những tháng mưa đó; 4) Nghiên cứu xây dựng phương pháp kết hợp dữ liệu viễn thám DEM ASTER, công nghệ GPS, dữ liệu GIS và mô hình VRSAP để tự động thành lập bản đồ ngập lụt, để phân tích, giám sát và cảnh báo thiên tai cho khu vực nghiên cứu là lưu vực sông Kôn - Hà Thanh; 5) Nghiên cứu khả năng ứng dụng ảnh ALOS Prism thành lập DEM tại vùng có địa hình phức tạp như bờ biển, cồn cát, đầm phá, đồng bằng tích tụ, đồi núi có hiều tai biến (di chuyển của cồn cát, mở-lấp cửa đầm phá v.v.); và 6) Các nghiên cứu sử dụng dữ liệu LIDAR để nghiên cứu các đối tượng trên bề mặt địa hình như EM, K-Means, kNN, MCC và nghiên cứu kết hợp với dữ liệu DEM có độ phân giải cao để mô hình hóa lũ

b) Về nghiên cứu kết hợp sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy trên lưu vực Công trình khoa học nghiên cứu về lĩnh vực này

chưa nhiều nhưng cũng đạt được một số kết quả tốt, điển hình là công trình: 1) Nghiên cứu ứng dụng kết hợp dữ liệu viễn thám với mô hình IFAS trong tính toán dòng chảy lưu vực sông Bằng Giang ở Cao Bằng; 2) Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS trong giám sát môi trường và tài nguyên thiên nhiên; 3) Nghiên cứu khai thác sử dụng số liệu mưa vệ tinh trong mô hình dự báo lũ lưu vực sông

Mê Kông (từ Chiang Saen đến Strung Stren); 4) Ứng dụng mô hình mưa – dòng chảy SWAT trong quản lý tài nguyên nước: dùng dữ liệu viễn thám làm đầu vào

để tính toán dòng chảy của các sông, đánh giá chất lượng nước dưới tác động của các kịch bản sử dụng đất lên dòng chảy, bồi lắng và đánh giá chất lượng nước Hầu hết các nghiên cứu mới chỉ là sử dụng các mô hình toán phục vụ tính toán

mà chưa nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới vào lĩnh vực này Hiện nay ở nước

ta vẫn chưa có nghiên cứu nào kết hợp được cả mô hình toán và công nghệ viễn thám trong quản lý tài nguyên nước, đặc biệt là chọn dữ liệu viễn thám cung cấp

số liệu đầu vào cho mô hình toán Ưu điểm của phương pháp kết hợp dữ liệu viễn

thám với mô hình toán là có thể xác định được các thông số thủy văn cho những

vùng không có tài liệu hoặc không đủ số liệu cho tính toán do ảnh viễn thám có

độ bao phủ rộng, thời gian tương đối liên tục Đây là một ứng dụng tốt trong quản

lý tài nguyên nước xuyên biên giới, đặc biệt là đối với lưu vực sông Cả có đến

hơn 35% diện tích nằm trên lãnh thổ nước bạn Lào

1.3.3 Đánh giá các nghiên cứu trong nước

Hầu hết các công trình khoa học có liên quan đến đề tài đều sử dụng các mô hình

toán phù hợp để nghiên cứu, tính toán Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám

trong quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai các lưu vực sông chưa nhiều

Hầu hết các nghiên cứu mới giải quyết một vài nhiệm vụ cụ thể cho một khu vực

hay phần lưu vực nằm trong lãnh thổ Việt Nam, còn phần lưu vực sông thuộc

lãnh thổ các nước khác vẫn chưa được đề cập và nghiên cứu do những dữ liệu

đầu vào cần thiết cho các mô hình toán nhập vào các điểm nút tại các lưu vực

nằm ngoài biên giới phần lớn không có hoặc thiếu tin cậy Ở Việt Nam có khá

nhiều các lưu vực sông xuyên biên giới với những vấn đề tồn tại về quản lý tài

nguyên nước cũng như quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai Đây là khoảng

trống trong nghiên cứu mà đề tài luận án này cần tiếp tục nghiên cứu, lựa chọn

1.4 Kết luận chương 1

Các nước phát triển trên thế giới đều ứng dụng thành công công nghệ viễn thám

với mô hình toán mô phỏng dòng chảy và dự báo các loại thiên tai trên các vùng

và lưu vực sông Tuy nhiên, ở nước ta công nghệ này vẫn còn mới Mặc dù số

công trình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và GIS trong quy hoạch và

phòng chống thiên tai lưu vực sông chưa nhiều nhưng đều đạt được những kết

quả nhất định, tạo cơ sở khoa học cho những nghiên cứu tiếp theo Nghiên cứu

sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với các công nghệ phù hợp trong dự báo khí

tượng, thủy văn, dòng chảy và quản lý tài nguyên nước các lưu vực sông là giải

pháp hữu ích khắc phục tình trạng thiếu các tài liệu thực đo, đặc biệt cho các lưu

vực sông xuyên biên giới

Sông Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố trên lãnh thổ Việt Nam và Lào

Nghiên cứu dòng chảy trên lưu vực này là rất quan trọng trong cảnh báo và giảm

nhẹ thiên tai khu vực hạ du, đặc biệt là dòng chảy lũ từ thượng nguồn đổ về Tuy

nhiên phần thượng lưu với 34,8% lưu vực nằm trên đất Lào không có số liệu hoặc

có rất ít số liệu phục vụ nghiên cứu Sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp mô hình

toán trong quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai là hướng nghiên cứu mới,

cần được triển khai nghiên cứu điển hình cho lưu vực sông Cả Đây là cơ sở khoa

học và thực tiễn rất quan trọng để xây dựng đề tài luận án này

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

2.1 Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu

2.1.1 Cách tiếp cận khoa học

Luận án chọn 2 cách tiếp cận khoa học gồm: i) Tiếp cận hệ thống; và ii) Tiếp cận kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết Mỗi phương pháp tiếp cận nêu trên đều được phân tích và làm rõ các cơ sở khoa học của nó Tiếp cận hệ thống là cách tiếp cận cơ bản và xuyên suốt trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài luận án

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học

Luận án sử dụng 5 phương pháp nghiên cứu gồm: i) Phương pháp kế thừa; ii) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu; iii) Phương pháp phân tích thống kê; iv) Phương pháp mô hình toán; và v) Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia Mỗi phương pháp nghiên cứu nêu trên đều được phân tích và làm rõ

cơ sở khoa học của nó

2.1.3 Công cụ nghiên cứu

Công cụ nghiên cứu của luận án là các phần mềm mô hình toán liên quan đến tính toán thủy văn, thủy lực và các loại dữ liệu viễn thám cung cấp số liệu đầu vào cho các mô hình toán

2.2 Địa điểm nghiên cứu

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

Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sông Cả Sông Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố trên lãnh thổ của hai nước Việt Nam và Lào Có 65,2% diện tích lưu vực nằm trên địa giới hành chính của 3 tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Thanh Hóa Vùng thượng nguồn với 34,8% diện tích lưu

vực nằm trên lãnh thổ nước bạn Lào Lưu vực sông Cả là địa bàn cư trú của khoảng 4 triệu dân thuộc nhiều dân tộc anh em Trên lưu vực đã có khoảng 3.000 công trình thủy lợi các loại nhưng việc khai thác sử dụng nguồn nước từ các công trình này còn nhiều hạn chế Tình trạng hạn hán, lũ lụt và thiên tai vẫn xảy ra thường xuyên làm ảnh hưởng đến sản xuất và đời sống của nhân dân

2.3 Quy trình nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đề ra, luận án sẽ thực hiện theo quy trình gồm 5 bước nghiên cứu chính được khái quát trong sơ đồ Hình 2.2

Các bước nghiên cứu bao gồm: i) Điều tra, khảo sát và thu thập tài liệu; ii) Nghiên cứu tổng quan; iii) Lựa chọn công cụ nghiên cứu, tính toán; iv) Nghiên cứu giải quyết các vấn đề theo nội dung và mục tiêu nghiên cứu đã đề ra; và v) Hội thảo

và xin ý kiến chuyên gia Luận án đã luận giải và làm rõ cơ sở khoa học của từng bước nghiên cứu nêu trên

2.4 Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả

2.4.1 Các mô hình toán đang được áp dụng trong tính toán thủy văn, thủy lực

Luận án đã giới thiệu và phân tích kỹ ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của 8

bộ mô hình toán đang được sử dụng rộng rãi ở trong nước và thế giới gồm: i) Bộ

mô hình MIKE (MIKE 11, MIKE BASIN, MIKE SHE, NAM); ii) Mô hình SSARR; iii) Mô hình HEC - HMS; iv) Mô hình MARINE; v) Mô hình TANK; vi) Mô hình DIMOSOP; vii) Mô hình SWAT; và viii) Mô hình IFAS

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

2.4.2 Phân tích, lựa chọn bộ mô hình toán áp dụng cho tính toán mưa, bốc hơi và diễn toán chế độ dòng chảy trên lưu vực

Luận án đã phân tích lựa chọn các mô hình MIKE NAM (gọi tắt là NAM) và IFAS để tính toán thủy văn thủy lực cho lưu vực sông nghiên cứu với những lý

do chính sau đây:

1) Mô hình NAM: Trong nghiên cứu lập quy hoạch thủy lợi sông Cả, NAM được

sử dụng để tính toán các yếu tố đầu vào cho các mô hình quản lý lưu vực MIKE BASIN và mô hình thủy lực MIKE11 Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng NAM để mô phỏng các quá trình thủy văn trên lưu vực đã làm tăng chính xác kết quả tính toán mô phỏng dòng chảy mùa lũ và dòng chảy mùa kệt trên mạng lưới

hệ thống sông Cả Đây là cơ sở quan trọng để đề xuất các giải pháp công trình thủy lợi cho lưu vực sông Cả Luận án đã giới thiệu sơ đồ cấu trúc các thành phần

cơ bản của mô hình NAM

2) Mô hình IFAS: Dùng để kết hợp dữ liệu viễn thám vào mô hình NAM phục

vụ tính toán dòng chảy trên lưu vực sông Cả Kết quả nghiên cứu cho thấy IFAS

có ưu điểm cơ bản sau: i) Có lõi là mô hình thủy văn phân bố PWRI-DHM nên

có thể tận dụng ưu điểm của viễn thám về khả năng cung cấp số liệu theo không gian và thời gian; ii) Giao diện tương đối dễ sử dụng cùng với khả năng thu nhận các dữ liệu viễn thám một cách đa dạng từ nhiều nguồn dữ liệu trực tuyến; iii)

Có khả năng xử lý các dữ liệu viễn thám một cách hiệu quả thông qua các mô đun xử lý lưu vực, dữ liệu mưa, kịch bản tính toán; và iv) Có khả năng mô phỏng dòng chảy lũ từng giờ, thời gian tính toán nhanh chóng, kết quả khá chính xác đáp ứng yêu cầu thực tiễn quản lý, điều hành công tác phòng chống thiên tai Luận án cũng đã giới thiệu sơ đồ cấu trúc và các thông số cấu trúc của mô hình PWRI-DHM

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

Đối với nghiên cứu của luận án, việc tập trung xử lý dữ liệu từ viễn thám để cung cấp số liệu đầu vào cho các mô hình toán là vô cùng quan trọng Do đó, cần thiết phải lựa chọn được phần mềm GIS phù hợp cho các công việc xử lý số liệu từ nguồn dữ liệu viễn thám phục vụ công tác phân tích, đánh giá, lựa chọn dữ liệu phù hợp để đưa vào các mô hình tính toán

Luận án đã nghiên cứu giới thiệu 4 phần mềm mã nguồn mở GIS gồm GRASS GIS; QGIS; MapWinGIS và ILWIS để lựa chọn một phần mềm xây dựng cơ sở

dữ liệu phù hợp Các tiêu chí đánh giá gồm:

1) Tính bền vững: cộng đồng người xây dựng chương trình mạnh, ít lỗi hoặc các

lỗi được hiệu chỉnh nhanh chóng (nâng cấp thường xuyên)

2) Tính phổ biến: được nhiều cá nhân và tổ chức sử dụng

3) Đáp ứng nhu cầu xây dựng và quản lý các dữ liệu chuyên đề, gồm i) Phân tích

không gian (chồng lớp bản đồ, phân tích khoảng cách, nội suy không gian); ii)

Vẽ bản đồ chuyên đề theo tính chất đối tượng; iii) Quản lý, liên kết các cơ sở dữ liệu; và iv) Dễ sử dụng

Kết quả phân tích đánh giá các phần mềm phục vụ xây dựng và quản lý dữ liệu GIS, luận án lựa chọn phần mềm Quantum GIS (QGIS) do phần mềm này đã đáp ứng được đầy đủ các tiêu chí nêu trên

2.6 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám

a) Khái quát chung

Mưa là yếu tố đầu vào quan trọng nhất của các mô hình toán thủy văn, thủy lực, nhu cầu nước, cân bằng nước Trên lưu vực sông Cả, phần lưu vực nằm trên lãnh thổ nước ta với 17.730 km2 mới chỉ có 23 trạm đo mưa với mật độ trung bình

778 km2/trạm, 9.470 km2 còn lại nằm trên nước bạn Lào không có trạm đo mưa nào Theo tiêu chuẩn của WMO yêu cầu tối thiểu 575 km2/trạm đo mưa Các trạm quan trắc mưa đã có trên phần lãnh thổ nước ta tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng, thị trấn, thị tứ nằm ở thung lũng sông Vùng núi cao rất ít trạm

đo mưa Tài liệu mưa tự ghi của 9 trạm trong tổng số 23 trạm đo mưa trên lưu vực bị thiếu và gián đoạn, được thống kê trong bảng 2.6

Bảng 2.6 Khoảng trống số liệu mưa thực đo tại các trạm khí tượng liên quan

đến lưu vực sông Cả

Thực đo Khoảng trống số liệu (1986- 2015)

1 Quỳ Châu 1961-2015 Các năm 1995, 2011

2 Tây Hiếu 1960-2015 Tháng 4, 10, 11, 12/1987, 7/1988

3 Quỳnh Lưu 1960-2015 6/1987, 10,11/1988, 8,9/1995, từ 2011-2013

4 Con Cuông 1960-2015 Tháng 6, tháng 12 năm 1995

5 Quỳ Hợp 1996-2015 Từ năm 1986 đến năm 1995

6 Kỳ Anh 1961-2015 Từ năm 1986 đến năm 2000