Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong việc giám sát tài nguyên nước đập thủy điện nhỏ, thực nghiệm tại thủy điện sông bung 2, tỉnh quảng nam

Những nghiên cứu theo hướng thủy văn và cân bằng nước lưu vực bằng phương pháp viễn thám và GIS kết hợp với mô hình thuỷ văn thuỷ lực được triển khai ở nhiều nước trên thế giới như: Mỹ,

KIỀU THỊ THANH TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG VIỆC GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC ĐẬP THỦY ĐIỆN NHỎ, THỰC NGHIỆM TẠI THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 2, TỈNH QUẢNG

NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2015

KIỀU THỊ THANH TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG VIỆC GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC ĐẬP THỦY ĐIỆN NHỎ, THỰC NGHIỆM TẠI THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 2, TỈNH QUẢNG NAM

Ngành : Kỹ thuật trắc địa bản đồ

Mã số : 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Lê Quốc Hưng

Hà Nội - 2015

liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Kiều Thị Thanh Tâm

Mục lục

Danh mục các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng 3

4.1 Cách tiếp cận 3

4.2 Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng 4

4.2.1 Phương pháp nghiên cứu: 4

4.2.2 Kỹ thuật sử dụng: 4

5 Nội dung nghiên cứu và thực nghiệm 4

5.1 Nội dung nghiên cứu 4

5.2 Triển khai thực nghiệm 5

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6

7 Cấu trúc của luận văn 6

Chương 1 – TỔNG QUAN MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN TỚI GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC THƯỢNG LƯU. 8

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 10

1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước. 19

Chương 2 – NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ MÔ HÌNH THỦY VĂN THỦY LỰC TRONG GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC 22

2.1 Mô hình số độ cao làm đầu vào cho mô hình thủy văn thủy lực: 22

2.1.1 Dữ liệu DEM ASTER 22

2.2.1 Nghiên cứu khả năng chiết tách dữ liệu giao thông từ ảnh viễn thám. 28

2.2.2 Chiết xuất các yếu tố thủy lợi bao gồm đập chắn trên ảnh viễn thám 29

2.2.3 Chiết xuất thông tin khu dân cư trên ảnh viễn thám 31

2.2.4 Chiết xuất thông tin thực phủ trên ảnh viễn thám 32

2 2.5 Lớp phủ rừng 34

2.3 Mô hình số trị phục vụ bài toán diễn toán dòng chảy tài nguyên nước 35

2.3.1 Một số mô hình thuỷ văn thủy lực 35

2.3.2 Lựa chọn mô hình 37

2.3.3 Hệ mô hình số trị MIKE phục vụ bài toán diễn toán dòng chảy tài nguyên nước 38

2.3.3.1 Mô hình NAM 38

2.3.3.2 Mô hình MIKE 11 41

2.3.3.3 Thuật toán của mô hình MIKE 21 43

2.3.3.4 Mô hình MIKE FLOOD 45

2.3.3.5 Thuật toán của việc xử lý bản đồ (ArcGIS) 47

2.4 Điều kiện cần và đủ để phục vụ diễn toán các kịch bản tài nguyên nước 48

2.4.1 Điều kiện cần 48

2.4.2 Điều kiện đủ 50

2.4.3 Chiết tách thông tin đầu vào cho hệ mô hình số trị 51

2.5 Đề xuất quy trình kết hợp công nghệ viễn thám với mô hình thủy lực để xây dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa và đánh giá sơ bộ thiệt hại một số đối tượng trong trường hợp sự cố 52

2.5.1 Xử lý dữ liệu DEM làm đầu vào cho hệ mô hình MIKE: 55

2.5.2 Thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất làm đầu vào cho hệ mô hình MIKE: 56

2.5.3 Xử lý dữ liệu trong hệ mô hình MIKE: 57

2.5.3.1 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 57

2.5.3.2 Xây dựng mô hình mưa - dòng chảy MIKE-NAM 57

2.5.3.3 Xây dựng mô hình thủy lực 1 chiều MIKE11 58

2.5.3.7 Xây dựng bản đồ tổn thương do lũ gây ra vùng hạ lưu sông 60

2.5.3.8 Đánh giá thiệt hại do vỡ đập 62

2.5.4 Diễn toán kịch bản tài nguyên nước trên co sở hệ thống cơ sở dữ liệu GIS 63

Chương 3 – THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG KỊCH BẢN TÀI NGUYÊN NƯỚC TẠI LƯU VỰC SÔNG BUNG 2, TỈNH QUẢNG NAM 65

3.1 Khu vực nghiên cứu thử nghiệm 65

3.1.1 Vị trí địa lý 65

3.1.2 Đặc điểm địa hình 65

67

3.1.3 Thổ nhưỡng 68

3.1.4 Thực vật 68

3.1.5 Đặc điểm lượng mưa lưu vực nghiên cứu 68

3.1.6 Đặc điểm thủy văn lưu vực nghiên cứu 72

3.1.6.1 Đặc điểm nước mặt 72

3.1.6.2.Dòng chảy năm 73

3.1.6.3.Chế độ dòng chảy 73

3.1.7 Tiềm năng thủy điện trong lưu vực 76

3.2 Tư liệu sử dụng 77

3.3 Kết quả áp dụng quy trình đề xuất, xây dựng kịch bản tài nguyên nước trong trường hợp sự cố 78

3.3.1 Mô hình số độ cao và bản đồ lớp phủ 78

3.3.2 Thiết lập tính toán trước khi diễn toán dòng chảy trong lưu vực 80

3.3.2.1 Thiết lập lưới tính toán 80

3.3.2.2 Tạo hệ số nhám phân bố trong lưu vực. 81

3.3.2.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình số trị trong lưu vực sông BUNG 82 3.3.2.4 Kết hợp mô hình 1D và 2D bằng mô hình MIKE Flood. 87

3.3.3 Dòng chảy tương ứng trường hợp không có đập. 88

3.3.4 Trường hợp vỡ đập thủy điện 89

* KIẾN NGHỊ 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

Hình 1.2 Cấu trúc chính của hệ thống IFAS 12

Hình 1.3 Sơ đồ cơ bản của phương pháp mô phỏng lũ lụt do vỡ đập 14

Hình 1.4 Sơ đồ quy trình tích hợp cho công tác dự báo lũ do vỡ đập THE THA DAN 16

Hình 1.5 Các trường hợp vỡ đập của đập THE THA DAN 17

Hình 1.6 Vị trí đập Attabad (Pakistan) trên ảnh Landsat 18

Hình 2.2 DEM vùng núi miền Trung Việt Nam 24

Hình 2.3 Thành lập mô hình số địa hình từ bản đồ địa hình 26

Hình 2.4 Mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỉ lệ 1:10000 27

Hình 2.5 Một số yếu tố giao thông có dạng hình tuyến trên ảnh viễn thám 29

Hình 2.6 Khu vực hồ chứa nước phục vụ thủy lợi 30

Hình 2.7 Khu dân cư nông thôn vùng đồi núi trung du 31

Hình 2.8 Vùng trồng lúa khu vực đồi núi 33

Hình 2.9 Rừng lá rộng thường xanh 35

Hình 2.10 Mô tả hệ phương trình Saint-Vernant 42

Hình 2.11 Các thành phần theo phương x và y 44

Hình 2.12 Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn 45

Hình 2.13 Một ứng dụng trong kết nối bên 46

Hình 2.14 Một ví dô trong kết nối công trình 47

Hình 2.15 Mô phỏng quá trình vỡ đập trong MIKE 11 53

Hình 2.16 Quy trình công nghệ kết hợp công nghệ viễn thám với mô hình thủy lực để xây dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa 55

Hình 2.17 Sơ đồ mạng thủy lực 1 chiều MIKE11 58

Hình 2.18 Công cụ Dam Break trong mô hình thủy lực MIKE 11 58

Hình 2.19 Mô hình MIKEFLOOD liên kết mô hình thủy lực 1 và 2 chiều 59

Hình 3.1 Bản đồ địa hình lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn 67

Hình 3.2 Bản đồ lượng mưa trung bình nhiều năm sông Vu Gia - Thu Bồn 70

Thu Bồn Vu Gia 74

Hình 3.5 Phân phối trong năm lưu lượng trung bình tháng tại một số trạm thuỷ văn trong hệ thống sông Thu Bồn 75

Hình 3.6 Hệ thống thủy điện trên lưu vực sông Bung- Vũ Gia Thu Bồn 77

Tỉnh Quảng Nam 77

Hình 3.7 Cơ sở dữ liệu địa hình từ mô hình số DEM 78

Hình 3.8 Bình đồ ảnh tại khu vực nghiên cứu 79

Hình 3.9 Bản đồ lớp phủ mặt đất tại khu vực nghiên cứu 80

Hình 3.10 Thiết lập địa hình cho vùng nghiên cứu 81

Hình 3.11 Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Hội Khách (2009) 83

Hình 3.12 Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Ái Nghĩa (2009) 83

Hình 3.13.Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Cẩm Lệ (2009) 83

Hình 3.14 Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Giao Thủy (2009) 84

Hình 3.15 Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Câu Lâu (2009) 84

Hình 3.16 Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Hội An (2009) 85

Hình 3.17 Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Hội Khách (1999) 85

Hình 3.18 Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Ái Nghĩa (1999) 86

Hình 3.19 Hình ảnh ALOS PALAR trận lũ ngày 20/11/2010 86

Hình 3.20 Hình ảnh ALOS PALAR trận lũ ngày 17/10/2011 87

Hinh 3.21 Qúa trính mực nước đo tại tram thủy văn Hội An 88

Hình 3.22 Quá trính mực nước đo tại tram thủy văn Cẩm Lệ 88

Hình 3.23 Quá trính mực nước đo tại tram thủy văn Ái Nghĩa 89

Hình 3.24 Quá trính mực nước đo tại tram thủy văn Vĩnh Diện 89

Hình 3.25 Qúa trình mực nước tại trạm thủy văn Thanh Mỹ 89

Hình 3.26 Qúa trình mực nước tại trạm thủy văn Hội Khách 89

Hình 3.27 Mô phỏng quá trình vỡ đập chắn 91

suất 0.1% 93

Bảng 2.3 Bảng tính dễ tổn thương của nhóm sử dụng đất 61

Bảng 2.4 Mô phỏng tạo bản đồ tổn thương 61

Bảng 3.1 Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số trạm trong lưu vực hệ thống sông Thu Bồn – Vu Gia 71

Bảng 3.2 Lưu lượng trung bình tháng, năm tại một số trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Thu Bồn - Vu Gia thời kỳ 1977-2010 73

Bảng 3.3 Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất và lưu lượng nhỏ nhất tại một số trạm thuỷ văn trong lưu vực sông Thu Bồn thời kỳ quan trắc 1977-2010 75

Bảng 3.4 Lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ thiết kế tại các Công trình thuỷ điện 77

Bảng 3.5 Kết quả mô phỏng lũ từ 27/9-03/10/2009 tại các trạm thủy văn 82

Bảng 3.6 Kết quả chỉ tiêu Nash-Sutcliffe – M ô phỏng lũ từ 01-05/12/1999 tại các trạm thủy văn 85

Bảng 3.7 Thống kê diện tích ngập 94

Bảng 3.8 Thống kê diện tích ngập trong trường hợp vỡ đập sông Bung 2 đối với các đối tượng cần đánh giá thiệt hại 95

Bảng 3.9 Số dân sẽ chịu ảnh hưởng khi lũ xẩy ra 95

Bảng 3.10 Biến động mực nước trong các kịch bản với tấn suất khác nhau 96

Bảng 3.11 Biến động lưu lượng lớn nhất trong 03 kịch bản với tần suất khác nhau 97

Bộ mô hình thuỷ lực và thuỷ văn lưu vực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch

Hệ thống thông tin địa lý

Mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực

Mô hình mô phỏng dòng chảy mặt qua độ ẩm đất)

Hệ thống với nhiệm vụ quan trắc địa hình radar

Hệ thống phản xạ và phát thải nhiệt vệ tinh

Mô hình số địa hình

Vệ tinh giám sát tài nguyên, thiên nhiên môi trường và thiên tai của Việt Nam

Vệ tinh của Pháp

Hệ thống vệ tinh giám sát Trái đất của Mỹ

Hệ thống vệ tinh độ phân giải trung bình

Hệ thống phân tích lũ tích hợp

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Qua kết quả điều tra, phân tích và đánh giá của Cục Quản lý tài nguyên nước, các lưu vực sông tại Việt Nam ảnh hưởng rất lớn từ các sông quốc tế Ví như, lưu vực sông Hồng – sông Thái Bình, nơi phụ thuộc đến 40% lượng nước đổ về từ Trung Quốc, các yếu tố thuỷ văn thuỷ lực như lưu lượng nước và tốc độ dòng chảy cũng như mực nước sông biến đối rất phức tạp

Nguyên nhân gây ra sự biến động phức tạp nước xuyên biên giới bên cạnh điều kiện khí hậu và vi khí hậu (liên quan với chúng là mưa rào lớn) là điều kiện địa hình, địa mạo địa chất và lớp phủ thực vật Những hoạt động kinh tế chính của con người ở thượng nguồn sông quốc tế làm mất cân đối rừng đầu nguồn; khai thác khoáng sản bừa bãi, thiếu quy hoạch, giao thông đặc biệt là việc xây dựng các đập chắn mới trên sông làm cản trở và thu hẹp dòng chảy của các hệ thống sông suối [3]

Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) khẳng định, để dự báo được sự biến đổi phức tạp nước xuyên biên giới không chỉ căn cứ vào lượng mưa từng vùng mà phải dựa trên những thông số về địa hình, độ dốc, lớp phủ thực vật… [5]

Hiện nay, công cụ đặc biệt để giám sát và xác định các yếu tố đầu vào hết sức hữu hiệu, đầy đủ và chính xác đó chính là công nghệ viễn thám và GIS Những nghiên cứu theo hướng thủy văn và cân bằng nước lưu vực bằng phương pháp viễn thám và GIS kết hợp với mô hình thuỷ văn thuỷ lực được triển khai ở nhiều nước trên thế giới như: Mỹ, Braxin, Canada, Ấn Độ, Thái Lan, Đài Loan, Trung Quốc,

… Ngoài việc áp dụng các mô hình tính toán các yếu tố thuỷ văn thuỷ lực với hệ phần mềm MIKE thì mô hình tự động phân tích nước chảy trên sườn dốc- hay mô hình tự động phân tích 8 hướng truyền năng lượng của nước mặt theo địa hình dốc

đã và đang được áp dụng phổ biến trong việc nghiên cứu quản lý các lưu vực sông

và trở thành những modul phần mềm mang tính phổ biến trong các phần mềm GIS thông dụng như “Hydro basin“, hay trong phần mềm mã nguồn mở GRASS [5]

Với nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám là một khoa học và công nghệ giúp xác định, đo đạc hoặc phân tích các tính chất của các vật thể quan sát mà không tiếp xúc trực tiếp với chúng, hầu hết các đối tượng tự nhiên đều hấp thụ, phản xạ hay bức xạ sóng điện từ với cường độ và theo những cách khác nhau Các đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ Thông tin thu được trong viễn thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng, nên việc nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thông tin thu được Chính vì vậy, việc ứng dụng công nghệ viễn thám để quản lý tài nguyên thiên nhiên trước hết là tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản, tài nguyên rừng, và giám sát môi trường ngày càng trở nên bức xúc và trở thành một trong các nhiệm vụ chủ đạo của ứng dụng và phát triển công nghệ của Bộ Tài nguyên và Môi trường

Trong khi đó những năm gần đây, vấn đề xây dựng và chế độ vận hành các

hồ thuỷ điện, thuỷ lợi phía thượng nguồn các sông, sự phát triển đô thị, việc quản

lý, sử dụng đất ở các địa phương chưa được sát sao dẫn đến việc xâm chiếm lòng sông, hồ diễn ra phổ biến Hệ quả là diện tích mặt nước có nhiều biến đổi , dòng chảy bị biến dạng và ở hạ du luôn diễn ra tình trạng thiếu nước về mùa khô

Vì vậy, kết hợp công nghệ viễn thám và GIS trong việc giám sát, tính toán, phân tích nguy cơ của các đập chắn đầu nguồn đến các điều kiện kinh tế xã hội bởi khả năng ứng dụng dữ liệu đa chiều và thời gian là hết sức cần thiết Với những ứng dụng to lớn và vai trò quan trọng của việc ứng dụng công nghệ viễn thám để quản lý

tài nguyên thiên nhiên như vậy tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong việc giám sát tài nguyên nước đập thủy điện nhỏ, thực nghiệm tại thủy điện sông Bung 2, tỉnh Quảng Nam”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Sử dụng được thông tin hữu ích chiết tách từ tư liệu viễn thám trong việc giám sát tài nguyên nước khu vực thượng lưu

- Đánh giá nguy cơ của việc xây dựng đập thủy điện nhỏ đầu nguồn đến hạ

du trong điều kiện thiếu các thông số mặt đất, bằng công nghệ viễn thám kết hợp

mô hình thuỷ văn thủy lực

3 Phạm vi nghiên cứu

Khu vực được chọn nghiên cứu Thực nghiệm tại đập chắn sông Bung 2 nằm trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn, Quảng Nam; Thử nghiệm cho 3 kịch bản: chưa có đập, có đập và vỡ đập

4 Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng

4.1 Cách tiếp cận

Công nghệ viễn thám, với tính ưu việt là một trong những công nghệ cao và đồng hành sự phát triển của các ngành công nghệ cao khác, đã cho thấy khả năng tăng dày các dữ liệu tại các vùng sấu – xa, khó tiếp cận bằng điều tra, quan trắc thông thường Bên cạnh đó, trong khả năng giám sát tài nguyên nước, đặc biệt trong trường hợp lũ lụt hay ngập lụt, các chuyên gia thường sử dụng các loại ảnh viễn thám trong ba (03) trường họp Đó là:

- Thu ảnh trước khi ngập lụt để xác định hiện trạng các đối tượng mặt đất, mô phỏng các kịch bản để ứng phó với trường hợp xảy ra lũ lụt;

- Thu ảnh trong khi lũ lụt xảy ra, đánh giá hiện trạng ngập lụt, so sánh mức độ ngập lụt và lựa chọn kịch bản phù hợp nhằm ứng phò thiên tai lũ lụt;

- Thu ảnh sau khi lũ lụt, đánh giá mức độ thiệt hại

Từ đó, có thể giảm thiểu các thiệt hại từ việc sử dụng các kịch bản mô phỏng ngập lụt trong trường hợp lũ lụt hay sự cố đập Có thể thấy, việc kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực đối với thượng nguồn các lưu vực sông là hữu dụng trong giám sát tài nguyên nước

Bên cạnh đó cần tiếp cận:

- Các tài liệu, số liệu của các công trình nghiên cứu và dự án cả trong và ngoài nước có liên quan đến lĩnh vực của đề tài để đưa ra công nghệ kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực;

- Tiếp cận cơ sở khoa học các phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám trong giải đoán, chiết tách các thông tin lớp phủ, yếu tố độ dốc, địa hình cơ bản;

- Tiếp cận các tiêu chí xác định dòng chảy nước ở vùng núi;

- Tiếp cận phương pháp tích hợp phương pháp viễn thám và mô hình thủy lực

4.2 Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng

4.2.1 Phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám trong việc giải đoán lớp phủ, thông số hồ đập và chuẩn hóa dữ liệu đia hình;

- Phương pháp sử dụng tính toán với các mô hình số trị trong việc tính toán một số thông số thủy văn của hệ thống liên hồ chứa;

- Phương pháp GIS trong việc thành lập một số loại bản đồ trong lưu vực…

- Phương pháp tổng hợp và kế thừa: Thu thập tài liệu đã có liên quan đến các phương pháp và nội dung của đề tài; Lựa chọn các phương pháp nghiên cứu phù hợp; Tổng hợp các kết quả nghiên cứu và tư liệu có liên quan đến đề tài;;

- Phương pháp điều tra thực địa: Thu thập, đo đạc, lấy mẫu, giải đoán, mô tả của các yếu tố đối tượng địa lý nhằm thu thập nguồn tài liệu, số liệu để xây dựng một hệ thống cơ sở dữ liệu đầy đủ, chi tiết và có độ tin cậy cao;

- Kỹ thuật phân tích, tính toán bằng mô hình số trị

5 Nội dung nghiên cứu và thực nghiệm

5.1 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới lĩnh vực của đề tài Đánh giá những vấn đề đã giải quyết và còn tồn tại của các công trình trên

- Nghiên cứu khả năng của công nghệ viễn thám và DEM trong việc cung cấp một số thông số đầu vào cho mô hình thủy văn thủy lực và chiết tách thông số hồ, đập:

- Nghiên cứu cơ chế và phương pháp thủy văn thủy lực:

- Nghiên cứu khả năng của công nghệ viễn thám và DEM trong việc cung cấp một số thông số đầu vào cho mô hình thủy văn thủy lực và chiết tách thông số hồ, đập:

- Nghiên cứu kết hợp công nghệ viễn thám với mô hình thủy văn thủy lực, xây dựng phần mềm diễn toán dòng chảy dựa trên các thông số và kịch bản đầu ra

- Nghiên cứu phương pháp đánh giá thiệt hại

- Nghiên cứu xây dựng quy trình công nghệ kết hợp công nghệ viễn thám với

mô hình thủy văn thủy lực để xây dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa và đánh giá sơ bộ thiệt hại một số đối tượng chính

5.2 Triển khai thực nghiệm

Thực nghiệm tại đập chắn sông Bung 2 nằm trên trên hệ thống sông Bung, Quảng Nam; Thử nghiệm cho 3 kịch bản: chưa có đập, có đập và vỡ đập:

- Nghiên cứu tổng quan về các điều kiện địa lý, địa hình và khí tượng thủy văn vùng lưu vực sông Bung, Quảng Nam;

- Thành lập DEM thời kỳ chưa có đập (thời kỳ này chưa có DEM ASTER); Chuẩn hoá dữ liệu DEM ASTER thu thập được khu vực thử nghiệm, thời kỳ đã có đập chặn dòng;

- Thành lập bình đồ ảnh 2 thời kỳ để điều vẽ nội nghiệp cho mục đích thành lập bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất 2 thời kỳ;

- Tính toán các thông số thủy văn đầu ra bởi sử dụng mô hình thủy lực 3 thời

kỳ với đầu vào thu được từ các thông tin viễn thám và thủy văn;

- Thành lập bản đồ kịch bản ngập và chiết tách thông tin phục vụ đánh giá thiệt hai - cho phần hạ lưu sông;

- Sơ bộ đánh giá thiệt hại và báo cáo mức độ tổn thương hạ lưu sông do tác động vỡ đập liên hoàn;

- Phân tích, đánh giá kết quả thử nghiệm và hoàn thiện quy trình công nghệ đã đề xuất

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học: Có thể thấy, việc kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực đối với thượng nguồn các lưu vực sông là hữu dụng trong giám sát tài nguyên nước

Ý nghĩa thực tiễn: Công nghệ viễn thám, với tính ưu việt và kết quả nghiên cứu của đề tài là một trong những công nghệ cao và đồng hành với sự phát triển của các ngành công nghệ cao khác, đã cho thấy khả năng tăng dày các dữ liệu tại các vùng sâu – xa, khó tiếp cận bằng điều tra, quan trắc thông thường Góp phần tích cực giúp cho việc quản lý Nhà nước trong công tác quản lý và giám sát tài nguyên môi trường tốt hơn đồng thời góp phần vào công cuộc phát triển kinh tế - xã hội một cách bền vững, trên cơ sở phát triển kinh tế nhưng phải gắn với bảo vệ môi trường

7 Cấu trúc của luận văn

Bao gồm phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và 3 chương, luận văn được kết cấu trong 95 trang, 53 hình vẽ và 14 bảng biểu

Chương 1: Tổng quan một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan tới giám sát tài nguyên nước thượng lưu

Chương 2: Nghiên cứu kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn thủy lực trong giám sát tài nguyên nước

Chương 3: Thực nghiệm mô phỏng kịch bản tài nguyên nước tại lưu vực sông Bung 2, tỉnh Quảng Nam

Luận văn được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn TS Lê Quốc Hưng – Cục Viễn thám quốc gia Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành

và sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn, đã luôn động viên và tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo thuộc Bộ môn Địa chính, cùng với các thầy cô giáo trong khoa Trắc địa Trường Đại học Mỏ - Địa Chất và các thầy cô

ngoài trường đã giảng dạy trong quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn Ban lãnh đạo và đồng nghiệp tại Cục Viễn thám quốc gia, nơi tôi đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Chương 1 – TỔNG QUAN MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG

VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN TỚI GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC

THƯỢNG LƯU

Tài nguyên nước ở Việt Nam vô cùng phong phú trong đó có 526 tỷ m3 từ các vùng lưu vực bên ngoài chiếm 63% ; 308 tỷ m3 từ vùng lưu vực nội bộ chiếm 37%; 6% đã được lưu trữ và điều tiết hồ chứa [3] Do đó, công tác quản lý tài nguyên nước luôn được coi trong và đề cao trong suốt chiều dài lịch sử của đất nước Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh của nền kinh tế trong thời gian qua, nhiều thách thức đối với công tác quản lý tài nguyên nước đã nẩy sinh nhất là trong công tác đảm bảo phân phối nước bền vững và quản lý; giảm nhẹ thiên tai; sử dụng nước hiệu quả; phát triển thủy điện phục vụ phát triển kinh tế và những ưu tiên chứa nước đảm bảo tưới tiêu, chống hạn… Để quản lý tài nguyên nước có hiệu quả, sự cần thiết phải quản lý tốt các công trình thủy lợi đặc biệt là hệ thống đập đang là vấn đề bước thiết, là đòi hỏi tất yếu của thực tiễn Việc phát triển hệ thống đập và hồ chứa

là yêu cầu tất yếu với nước ta, nhất là như đã nói ở trên, 63% nguồn nước từ ngoài lãnh thổ Việt Nam Theo báo cáo “ Thực trạng an toàn đập và công tác quản lý an toàn đập trên cả nước” của Bộ Xây dựng tháng 01 năm 2013 thì nước ta có trên

7000 hồ chứa thủy điện, thủy lợi đã tích nước trong đó:

- Đập cao từ 50m trở lên là 35 (32 đập thủy điện, 03 đập thủy lợi)

- Đập cao từ 15m đến 50m hoặc có dung tích hồ từ 3 triệu m3 trở lên có 605 công trình (54 đập thủy điện, 551 đập thủy lợi)

- Công trình cao dưới 15m và dung tích hồ chứa nhỏ hơn 3 triệu m3 là trên

đập Mức độ an toàn đập không chỉ phụ thuộc vào chất lượng của chính đập mà còn

ở các công trình phụ trợ như đập tràn lũ, cống, đập thứ cấp và công trình phụ trợ khác Các điều tra gần đây cho thấy các đập đều có mức độ an toàn ở mức thấp khi kích thước đập tràn lũ nhỏ, lũ thiết kế không phù hợp trong tình trạng mưa và lũ lụt

do biến đổi khí hậu và nạn phá rừng gây nên… Chính do đó, một yêu cầu bức thiết hiện nay là cần phải xây dựng các mô hình, các kịch bản trong đó mô phỏng mưa,

lũ, dòng chảy, vỡ đập trong quản lý tài nguyên nước nhất là kịch bản vỡ đập khi đập

có sự cố

Việc mô phỏng lũ lụt và thiệt hại do vỡ đập hết sức quan trọng trong việc quy hoạch vùng, quy hoạch phát triển đô thị, phát triển kinh tế cũng như chuẩn bị sẵn các phương án dự phòng trong trường hợp khẩn cấp ở khu vực hạ lưu đập Tuy nhiên, mô phỏng mưa, dòng chảy, vỡ đập, lũ lụt là công tác khó khăn phức tạp Các nhà khoa học trên thế giới đã và đang cố gắng xây dựng rất nhiều mô hình khác nhau cũng như đề ra phương pháp hiệu chỉnh nó cho từng vùng, từng lưu vực để có thể có mô hình mô phỏng tối ưu nhất Tuy nhiên, thu thập dữ liệu hiệu chỉnh mô hình và các thông số bề mặt luôn là thách thức lớn bởi các hồ đập đều nằm ở những vùng có điều kiện rất khó khăn và chi phí thu thập bằng phương pháp đo đạc khảo sát rất lớn khi bề mặt trái đất luôn luôn thay đổi không ngừng Bên cạnh đó, kết hợp

dữ liệu thu thập cho hiệu chỉnh như thế nào để phù hợp với mô hình thủy lực vốn rất phức tạp cũng là câu hỏi làm đau đầu các nhà khoa học [5]

Bước vào thế kỷ 21, công nghệ viễn thám, công nghệ GIS cùng với công nghệ máy tính có những bước phát triển không ngừng trong thời gian gần đây đã tạo ra một hướng đi mới cho công tác thu thập dữ liệu bề mặt cũng như hướng nghiên cứu kết hợp công nghệ viễn thám với mô hình thủy lực để xây dựng các kịch bản tài nguyên nước Công nghệ viễn thám có khả năng cung cấp số liệu khí tượng với độ phân giải cao, số liệu lớp phủ bề mặt, có khả năng cập nhật theo chuỗi thời gian, số liệu mô hình số, thủy hệ Những số liệu này là đầu vào quan trọng của các mô hình thủy lực Do đó, kết hợp số liệu chiết tách từ dữ liệu viễn thám với mô hình thủy lực

là vấn đề bức thiết hiện nay [6]

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Để quản lý tài nguyên nước kết hơp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực, thông thường các nhà nghiên cứu thường sử dụng các mô hình thủy lực để tính toán dòng chảy, ngập lụt dựa trên các dữ liệu đầu vào là số liệu thủy văn và số liệu

bề mặt, mưa chiết tách từ dữ liệu viễn thám

Mô hình “Dự báo vùng có nguy cơ ngập lụt trong trường hợp vỡ đập” [2] của KAZGEOCOSMOS JSC – Cộng hòa Ca-dắc-xtan kết hợp dữ liệu viễn thám MODIS và mô hình thủy lực MIKE Họ đã phát triển dự báo vùng ngập do vỡ đập kết hợp sử dụng dữ liệu thủy hệ bằng công nghệ viễn thám và phương pháp mô hình hóa các kịch bản có thể để dự đoán sự tàn phá gây ra bởi dòng chảy do vỡ đập Dữ liệu thủy hệ chiết tách từ dữ liệu viễn thám từ đầu thu MODIS Đồng thời, dữ liệu vùng nước được chiết tách từ ảnh MODIS để xác định vùng ngập lụt thông qua phương pháp phát hiện biến động Dữ liệu chiết tách bằng phần mềm xử lý ảnh Scanex được lưu trữ dưới dạng bản đồ chuyên đề Mô hình dòng chảy được mô phỏng bằng phần mềm MIKE FLOOD sử dụng mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 11

và MIKE 21 Mô hình MIKE cho phép ta đặt các thuộc tính hình học của các đập, cấu đặc điểm cấu trúc của đập và các điều kiện thủy lực của một con đập có thể Kết quả của mô hình này là dữ liệu theo chuỗi thời gian dọc dòng chảy của nước như tốc độ dòng chảy, mực nước, các thông tin thủy văn đi kèm khác Dự trên những dữ liệu này có thể xây dựng kế hoạch để giảm thiểu tình hình và các tuyến đường sơ tán, di dân trong trường hợp có sự cố

Trong mô hình của KAZGEOCOSMOS JSC, dữ liệu viễn thám được dùng để chiết tách thông tin thủy hệ và mực nước làm dữ liệu đầu vào và đồng thời cũng làm

số liệu để kiểm tra kết quả mô phỏng Có thể thấy rằng, việc kết hợp dữ liệu viễn thám của mô hình này mới dừng lại ở công tác chiết tách thông tin thủy hệ, yếu tố quan trọng như lớp phủ mặt đất chưa được chú trọng Việc sử dụng ảnh MODIS mặc dù có lợi thế là tần suất cao nhưng cho độ phân giải thấp nên độ chính xác chưa cao Hơn nữa, ảnh MODIS là ảnh quang học, trong điều kiện thời tiết xấu thì việc chiết tách thông tin vùng thủy hệ là rất khó khăn Ứu điểm của mô hình này là cho

phép xem xét đặc điểm và cấu trúc đập đồng thời cho phép xác định đánh giá vùng

ngập để phục vụ cho công tác quy hoạch và phòng ngừa thảm họa

Hình 1.1 Quá trình mô phỏng vỡ đập của mô hình bởi KAZGEOCOSMOS JSC

Một mô hình giám sát tài nguyên nước khác kết hợp mô hình thủy lực và công

nghệ viễn thám khác là IFAS (Integrated Flood Analysis System) do tổ chức

ICHARM (International Center for Water Hazard and Risk Management) dưới sự

bảo trợ của UNESCO Hệ thống Phân tích lũ tích hợp IFAS dựa trên nền tảng cơ sở

của một hệ thống dự báo và cảnh báo được các nhà khoa học cộng tác phát triển và

cùng với các công ty tư vấn phát triển hạ tầng xây dựng nên IFAS nhằm phát triển

một giao diện xử lý dữ liệu lượng mưa từ ảnh viễn thám và dữ liệu đo lượng mưa ngoài thực địa ở các trạm sẵn có trong khu vực hoặc toàn cầu để phân tích và dự báo lũ Bên cạnh đó, IFAS tích hợp hai kiểu mô hình thủy văn có các tham số được cung cấp (PWRI Distributed Hydrologic Model – PDHM và Block-Wise TOP – BTOP model) Các tham số trong mô hình có thể ước tính gần đúng và sẵn có trên phạm vi toàn cầu có trong cơ sở dữ liệu GIS IFAS còn có công cụ phân tích dữ liệu GIS để thiết lập các tham số cho mô hình phân tích dự báo, vì vậy không cần phải

có phần mềm GIS kèm theo Các nhà nghiên cứu cũng phát triển một giao diện đồ họa đơn giản, dễ thực hiện để nhập dữ liệu, mô hình hóa, phân tích dòng chảy và đưa ra dữ liệu cảnh báo và hướng tới phân phối phần mềm miễn phí

Hình 1.2 Cấu trúc chính của hệ thống IFAS

Mô hình IFAS về tổng thể tương đối toàn diện khi sử dụng dữ liệu mưa chiết tách từ tư liệu vệ tinh và được cập nhật liên tục, tính toán thủy lực và xem xét các thông

số đập Trong đó các thông số về đập chiết tách từ ảnh viễn thám là khá chi tiết, cho phép điều chỉnh mô hình theo hoạt động của đập Đây là cơ sở rất thuận lợi để xây dựng phương pháp điều tiết nước cho hồ chứa hoặc liên hồ chứa cũng như đánh giá các phương án điều tiết nước Mô hình cũng tính đến khả năng trữ nước từ tầng mặt đến tầng nước ngầm Điều này cho phép xác định lượng nước chảy trên bề mặt chính xác hơn

Tuy nhiên, vấn đề đối với mô hình IFAS đó là việc tính toán mô hình thủy lực tương đối phức tạp Khi hệ thống thủy hệ cũng là đầu vào để tính toán trong khi mô hình số độ cao cũng được dùng để tính toán dòng chảy Thêm nữa, việc tính toán vùng trữ nước và vùng lưu trữ nước bão hòa là tương đối phức tạp, nếu sử dụng dữ liệu cũ thì lượng nước chảy bề mặt sẽ không chính xác còn nếu sử dụng dữ liệu mới đòi hỏi cập nhật dữ liệu liên lục Một khuyết điểm lớn là mô hình này không tính toán tới độ nhám bề mặt Đây là một yếu tố quan trọng trong việc xem xét mô hình

vỡ đập bởi sức tàn phá của lũ do vỡ đập một phần quan trọng là do tốc độ dòng chảy gây xói lở, càn quét phá hủy các đối tượng trên đường đi của cơn lũ Một phần nữa là mô hình thường tính toán trong tỉ lệ nhỏ, đối với tỉ lệ lớn, mô hình IFAS có

độ chính xác không cao

Ngoài ra, nghiên cứu sử dụng kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực đã được phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây Có thể kể đến, nghiên cứu của Y.Li và cộng sự (2012) tìm phương pháp hiệu quả nhất để giả lập mô hình lũ lụt

do vỡ đập phục vụ công tác xây dựng kết hoạch sơ tán sơ bộ khi sau khi có động đất

ở Wenchuan- Trung Quốc Mô hình mà tác giả xây dựng có sơ đồ như hình 1.3

Hình 1.3 Sơ đồ cơ bản của phương pháp mô phỏng lũ lụt do vỡ đập

Trong phương pháp này, dữ liệu viễn thám gồm các ảnh từ máy bay không người lái (UAV image), ảnh viễn thám IKONOS, CBER2B HR, SPOT5 và các dữ liệu khác như mô hình số, bản đồ chuyên đề Các dữ liệu này được hiệu chỉnh và đồng bộ với nhau và được đưa vào quá trình chiết tách các thành phần thủy lực như đường cong lượng nước do vỡ đập từ thông số hồ chứa; hệ số độ nhám bề mặt từ bản đồ lớp phủ Tiếp sau đó, quá trình diễn toán dòng chảy được mô phỏng dưới nhiều điều kiện khác nhau bằng phần mềm 3D GIS Cuối cùng là hiển thị phân tích vùng ngập theo các đối tượng Đây là một phương pháp tương đối đơn giản khi kết hợp dữ liệu viễn thám với mô hình thủy lực Dữ liệu viễn thám đóng vai trò quan

trọng trong việc xác định độ nhám bề mặt – chỉ số độ nhám càng cao thì tốc độ dòng chảy càng chậm Phương pháp cho phép xác định vùng ngập trên từng đối tượng làm cơ sở để xác định thiệt hại, đưa ra nhưng phương án di dời, sơ tán khi có

sự cố Tuy nhiên, có thể nhận thấy phương pháp này chỉ diễn toán dòng chảy dựa trên lượng nước cố định trong hồ mà không tính toán tới lượng nước do mưa Mà trên thực tế, với nhiều trường hợp, sự số đập thường xẩy ra trong trường hợp mưa lớn xuất hiện kéo dài Do đó, đây là một trường hợp không tổng quát Hơn nữa, mô hình thủy lực chỉ đơn giản là dựa trên hệ số nhám và lượng nước kết hợp với DEM

để xác định vùng ngập mà chưa xem xét đến các yếu tố thủy lực thủy văn khác như lượng nước bổ sung ở hạ lưu đập, các ao hồ chứa nước…

Một nghiên cứu khác của Pakorn Petchprayoon [8] tại đập The Tha Dan – Thái Lan Nghiên cứu này tập trung vào nghiên cứu lũ từ vỡ đập hoặc do xả nước, giả lập vỡ đập dự đoán khối lượng nước, mực nước và thời gian nước từ đập tới vùng hạ lưu đập Trong trường hợp này, điều kiện vỡ đập được xác định do rò rỉ hoặc do công trình xuống cấp nhưng nguyên nhân do mưa lớn kéo dài như do bão nhiệt đới được xác định

là nguyên nhân chính Lưu lượng nước khổng lồ từ thượng lưu đổ về hồ chứa cùng lượng nước có sẵn trong hồ chứa thì lũ lụt do vỡ đập là thực sự nằm ngoài tầm kiểm soát

Phương pháp giải lập vỡ đập của Pakorn cho đập The Tha Dan được mô tả như trong hình 1.4 Từ việc nghiên cứu các thành phần, yếu tố về vị trí đập và lưu vực bao quanh: bước này tập trung vào nghiên cứu các thành phần địa lý và lớp phủ trong lưu vực thông qua giải đoán dữ liệu ảnh từ vệ tinh Phân tích trên hệ thống thông tin địa lý GIS: cơ sở dữ liệu GIS được phân tích theo các bước: chuẩn bị cấu trúc của cơ sở dữ liệu (cấu trúc không gian, cấu trúc dữ liệu địa lý); chuẩn bị dữ liệu (chuẩn hóa dữ liệu, đưa về định dạng chung có thể chồng lớp và tính toán); số hóa (chuẩn bị các đường rìa, các đường bình độ, mạng lưới giao thông, mạng lưới thủy

hệ, các đường ranh rới của vùng ngập lụt phục vụ cho các mô hình khác nhau); liên kết các dữ liệu thuộc tính; chồng lớp và phân tích dữ liệu; thiết lập mô hình số địa

hình sử dụng DEM (tính toán độ dốc, tính toán lượng nước xả, hướng dòng chảy, mức độ biến thiên của mực nước do vỡ đập)

Hình 1.4 Sơ đồ quy trình tích hợp cho công tác dự báo lũ do vỡ đập THE THA

DAN

Quy trình này cho phép đưa ra các đặc điểm của vùng hạ lưu trong khu vực, đặc điểm của sóng lũ ( tốc độ dòng chảy, lưu lượng nước, vùng ngập, mức độ tàn phá) và khu vực bị tàn phá do lũ trong bốn trường hợp vỡ đập với mức độ nghiêm trọng khác nhau Tác giả đã khẳng định công nghệ viễn thám và GIS đã nâng cao độ chính xác cho công tác dự báo lũ vỡ đập và kết quả nghiên cứu có thể được cung cấp cho công tác lập quy hoạch sử dụng đất nhằm đối phó và giảm thiểu thiệt hại cho vùng hạ lưu

Hình 1.5 Các trường hợp vỡ đập của đập THE THA DAN

Kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực để nghiên cứu đập đất bị sạt

lở và vỡ đập cùng với lũ do vỡ đập được Mohsin Jamil Butt và cộng sự (2012) tại đập Attabad của hồ Hunza miền bắc Pakistan Trong mô hình kết hợp này, công nghệ viễn thám cung cấp DEM thông qua từ liệu DEM ASTER, các thông tin về lớp phủ, hiện trạng sử dụng đất và thông tin về hệ thống thủy hệ như đường bờ, dòng chảy và phạm vi ngập lụt cũng như thống kê các vùng nước Mô hình thủy lực được mô phỏng theo mô hình HEC-RAS (Hydrologic Engineering Center River Analysis System) nhằm ước tính khả năng vỡ đập theo những kịch bản khác nhau theo những đỉnh lũ khác nhau Về việc sử dụng mô hình HEC-RAS và HEC-GeoRAS trong nghiên cứu và phân tích vỡ đập thì Cameron T Ackerman và cộng

sự nghiên cứu khá kỹ lưỡng

Trong nghiên cứu của Mohsin Jamil Butt, vùng ảnh hưởng do vỡ đập Attabad là một khu vực nhỏ vì đập thượng lưu sông Hunza, trên vùng núi cao nên cách rất xa khu vực đồng bằng Tư liệu sử dụng trong nghiên cứu là ASTER DEM 30m và ảnh Landsat-5 TM và Landsat-7 ETM+ DEM được dùng để thiết lập mô hình TIN, vẽ đường bình độ, tính toán dung tích hồ, độ dốc của khu vực Trong khi đó, dữ liệu

Landsat được thu thập qua rất nhiều thời kỳ để phân tích biến động của hồ, các thông tin lớp phủ bề mặt và đồng thời tính toán đỉnh xả từ hồ cho các trường hợp khi đập có

sự cố Thông tin từ ảnh Landsat có ý nghĩa quan trọng trong ước tính thiệt hại do vỡ đập

Hình 1.6 Vị trí đập Attabad (Pakistan) trên ảnh Landsat

Nguyên tắc tính thủy lực được dựa trên mô hình thủy lực một chiều HEC-RAS với số liệu đầu vào từ dữ liệu viễn thám và dữ liệu thủy văn để tính đỉnh xả của hồ trong các trường hợp giả định trước Phương pháp này tỏ ra khá hiệu quả khi ước tính ảnh hưởng của lũ lụt do vỡ đập đặc biệt là có tính kèm các ảnh hưởng do sạt lở đất Tuy nhiên, kịch bản được xây dựng dựa trên dung tích nước, nghĩa là lưu lượng nước dẫn đến ngập đều được xuất phát từ lượng xả từ đập, lượng nước ở hạ lưu đập không được xem xét tới Điều này khá hạn chế trong trường hợp có mưa ở hạ lưu đập hoặc sử dụng ở những vùng đồng bằng có biển

Có thể thấy các mô hình mô phỏng vỡ đập kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy lực được nghiên cứu và ứng dụng khá nhiều và có hiệu quả trên thế giới

Trong đó, công nghệ viễn thám cung cấp dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy lực trong đó đặc biệt là mô hình số độ cao, hệ thống thủy hệ, mực nước, lượng mưa, lớp phủ, thông tin giải đoán về hồ đập Đó đều là các thông số đầu vào quan trọng của

mô hình thủy lực Các kịch bản vỡ đập khá đa dạng nhưng vẫn dạng đơn lẻ chưa có

mô hình nào có nhiều mô hình đa dạng cho các kịch bản Mỗi loại đập, mỗi loại sông và khu vực có một mô hình riêng và không có mô hình mô phỏng vỡ đập nào tổng quát cho hết các trường hợp

1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước

Trong sự phát triển của công nghệ viễn thám và hệ thông tin địa lý, việc xử lý thông tin và tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau nhằm quản lý hồ chứa là nhu cầu cấp thiết ở Việt Nam trong nhiều năm qua Những cam kết bảo vệ môi trường lưu vực được các địa phương đề cập và ký kết thành văn bản ngày 7 tháng 8 năm 2003 với sự tham gia của Bộ Tài nguyên và Môi trường nhấn mạnh sự cần thiết phải mở ra những dự án nhằm bảo vệ môi trường lưu vực sông nói chung và

hồ chứa nói riêng Việc ứng dụng một mô hình giám sát hồ chứa có sự tham gia của

dữ liệu viễn thám giúp ích nhiều cho khả năng dự báo và hạn chế các tác động của việc nắn dòng chảy đến vùng hạ lưu [8]

Có thể kể ra một số công trình tiêu biểu sau:

- Tập đoàn Viễn thông quân đội Viettel vừa phối hợp với Trung tâm Phòng chống và giảm nhẹ thiên tai (Bộ NN-PTNT) tiến hành thử nghiệm hệ thống thông tin giám sát hồ chứa nước phòng chống lụt bão – Bước đầu thử nghiệm tại xã Xuân Quan, huyện Văn Giang (Hưng Yên) [3]

Khi hoạt động, hệ thống giám sát hồ chứa nước phòng chống lụt bão sẽ tự động thu thập một số thông số về các hồ chứa nước (mức nước, lưu lượng nước đến

và xả, lượng mưa trên lưu vực, tình trạng các cửa xả, ) sau đó truyền đến các cơ quan quản lý (qua hệ thống viễn thông cố định hoặc di động do Viettel triển khai) nhằm phục vụ công tác giám sát, hoặc chỉ đạo phòng chống lụt bão ở các cấp Ngoài chức năng giám sát, hệ thống này còn tự động cảnh báo khi có thông số vượt ngưỡng cho phép trong bất cứ hoàn cảnh nào

Hệ thống được triển khai thí điểm ở 19 hồ chứa nước ở cả 3 miền Nếu có tác dụng tốt và được Chính phủ phê duyệt, hệ thống sẽ được triển khai trên tất cả các hồ chứa nước (kể cả hồ thủy điện và hồ thủy lợi) ở quy mô toàn quốc

- Viện Quy hoạch Thủy lợi, Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn thực hiện đề tài: “Xây dựng quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa Hòa Bình, Thác

Bà, Tuyên Quang phục vụ cấp nước trong mùa khô cho hạ du lưu vực sông Hồng – sông Thái Bình” (TS Tô Trung Nghĩa, TS Lê Hùng Nam) [8]

Quy trình vận hành liên hồ chứa đa mục tiêu cấp nước lần đầu được nghiên cứu phát triển ở Việt Nam cho hệ thống liên hồ chứa trên lưu vực sông Hồng-Thái Bình là lưu vực sông đã luôn xảy ra tình hình thiếu nước, mâu thuẫn giữa các ngành

sử dụng nước trong thời gian gần đây

Nghiên cứu đưa vào ứng dụng thành công phương pháp tiếp cận kết hợp mô hình toán mô phỏng với mô hình toán tối ưu phi tuyến, cùng sự hỗ trợ của công cụ tiên tiến của thế giới như mô hình thủy động lực học MIKE 11 và công nghệ tối ưu GAMS, đã đề xuất quy trình vận hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo cấp nước cho

hạ du (sinh hoạt, công nghiệp, giao thông thủy, nông nghiệp, môi trường) và phát điện Quy trình được đề xuất sẽ giúp vận hành hệ thống liên hồ chứa đảm bảo cấp

đủ nước cho hạ du lưu vực sông Hồng-Thái Bình trong mùa khô với mức đảm bảo 85% [10]

- Phòng Công nghệ Viễn thám và Hệ thống thông tin Địa lý, Viện Địa lý đã tiến hành đề tài: ” Tích hợp thông tin Viễn thám trong mô hình quản lý tổng hợp lưu vực sông” (TS.Trần Minh Ý) [13]

- Cục Bảo vệ môi trường đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Xây dựng hệ thống thông tin phục vụ quản lý môi trường lưu vực sông” (TS.Hoàng Dương Tùng) Trong đó nghiên cứu đã khảo sát đánh giá, xác định nhu cầu chính về thông tin, dữ liệu trong quản lý lưu vực sông [12]

- Nghiên cứu xây dựng khung hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cả (TS Hoàng Minh Tuyển) [9] Đề tài xây dựng khung hỗ trợ

ra quyết định cho lưu vực sông Cả nhằm đóng góp một cơ sở khoa học cho việc

quản lý tài nguyên nước theo lưu vực sông phục vụ có hiệu quả trong việc quy hoạch và quản lý tổng hợp tài nguyên nước

Ngoài ra cũng nhiều các đề tài, dự án khác có liên quan đến vấn để quản lý tổng hợp tài nguyên nước ở Việt Nam Các đề tài, dự án này đều xây dựng và ứng dụng các bộ mô hình thủy văn thủy lực như là một công cụ hỗ trợ trong việc nghiên cứu, đánh giá các phương án giám sát hồ chứa khác nhau, từ đó đưa ra các quyết định đúng đắn, có cơ sở khoa học trong việc Xây dựng quy hoạch quản lý tổng hợp tài nguyên nước

Các mô hình toán có thể sử dụng như một công cụ hỗ trợ cho việc đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực và đặc biệt tính toán các thông số nước hồ chứa

Chương 2 – NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỦA CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ

MÔ HÌNH THỦY VĂN THỦY LỰC TRONG GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC

Theo các phương pháp truyền thống việc đánh giá ảnh hưởng tài nguyên nước trong lưu vực sông được thực hiện bằng các phương pháp khảo sát địa hình kết hợp với tính toán đặc tính của tài nguyên nước theo một số công thức thực nghiệm Điều này tốn rất nhiều thời gian, công sức và kinh phí đặc biệt đối với các

hồ chứa ở những nơi có địa hình phức tạp

Ngày nay, với sự phát triển của khoa học nói chung và khoa học viễn thám nói riêng, việc áp dụng công nghệ viễn thám kết hợp với mô hình thủy lực xây dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa trong trường hợp sự cố là một hướng đi hợp

lý và hứa hẹn nhiều khả quan trong công tác điều tra, đánh giá và quản lý tài nguyên nước

2.1 Mô hình số độ cao làm đầu vào cho mô hình thủy văn thủy lực:

Mô hình số độ cao DEM trong khu vực khá phong phú gồm 2 dạng:

- Dữ liệu DEM thành lập từ dữ liệu viễn thám ASTER, có độ phân giải tốt nhất

và có tính cập nhật nhất so với các loại DEM toàn cầu hiện có

- Mô hình số địa hình 1:50000 Tuy nhiên, dữ liệu mô hình số địa hình được thành lập dựa trên đường bình độ của bản đồ địa hình được đo vẽ trực tiếp hoặc đo

vẽ từ mô hình lập thể của ảnh hàng không trước đây [1]

2.1.1 Dữ liệu DEM ASTER

DEM ASTER [19] là dữ liệu mô số địa hình toàn cầu có tên đầy đủ là

Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) Global Digital Elevation Model (GDEM) được phát triển bởi sự hợp tác giữa Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) với Bộ Kinh tế, Thương Mại và Công nghiệp Nhật Bản (METI) ASTER GDEM cung cấp cho người dùng ở quy mô toàn cầu dữ liệu DEM miễn phí, có độ chính xác cao với độ phân giải mặt đất lên đến 30 mét Thu thập dữ liệu DEM từ trang web http://gdex.cr.usgs.gov/gdex/

DEM có thể được dùng để nắn chỉnh địa lý khu vực nghiên cứu (đặc biệt khu vực địa hinh phức tạp: đồi, núi), mô phỏng nhiều yếu tố khác nhau để thực hiện các phân tích sâu về thủy văn, năng lượng, môi trường

Bảng 2.1 Đặc điểm DEM ASTER

Giá trị đặc biệt -9999 đối với pixel lỗi, và 0 đối vùng biển và nước Dung lượng một

mảnh

25 MB không nén và 4–5 MB khi nén lại

Trong nhiều trường hợp, DEM ASTER đã được sử dụng trong nghiên cứu ngập lụt Dữ liệu DEM ASTER được cung cấp theo từng mảnh có kích thước 1 độ x

1 độ Do đó, cần phần tiến hành ghép và cắt ghép theo vùng Vì khi chạy trong mô hình, phần mềm không tự xử lý vấn đề cắt ghép Đồng thời, khu vực nằm trên hai múi tọa độ 48 và 49 nên phải thống nhất hệ tọa độ giữa các mảnh để tiến hành cắt ghép và phải chuyển DEM từ hệ tọa độ quốc tế WGS84 về tọa độ Việt Nam VN2000

Dữ liệu đầu vào của DEM trong mô hình thủy lực là dạng GeoTIF Do đó, kết quả sẽ là dữ liệu DEM ở dạng GeoTIF múi 48 Sở dĩ chọn múi 48 vì phần lớn

hồ chứa và đập chắn nằm trên múi 48 Thông thường, để được 1 DEM cho nghiên cứu, phải xử lý thông qua các bước sau:

Bước 1: Thu thập dữ liệu, gồm công tác xác định vị trí khu vực, xác định mảnh cần thiết và lấy DEM từ website lưu trữ dữ liệu

Bước 2: Tính chuyển DEM về hệ tọa độ VN2000

Sử dụng phần mềm chuyển múi chiếu có thể là ENVI hoặc Global Mapper tính chuyển DEM về hệ tọa độ VN2000 múi 48 múi chiếu 6 độ

Bước 3: Ghép, cắt các mảnh DEM

Các mảnh DEM sau khi được đưa về hệ tọa VN2000 theo quy định được ghép lại thành một khối Đồng thời, DEM cũng được cắt lại cho phù hợp với khu vực tránh để dung lượng DEM quá lớn ảnh hưởng tới quá trình chạy mô hình thủy lực

Bước 4: Chuẩn hóa DEM

DEM được kiểm tra chuẩn hóa lại các giá trị trong trường hợp có lỗi

Bước 5: Xuất DEM

DEM được xuất ra từ các phần mềm dưới dạng GeoTIF cho phù hợp với dữ liệu đầu vào của mô hình thủy lực

Hình 2.2 DEM vùng núi miền Trung Việt Nam

2.1.2 Mô hình số thành lập từ bản đồ địa hình

Đây là dữ liệu mô hình số địa hình [10] thành lập từ các lớp thông tin đường bình độ và các đặc trưng địa hình trên cơ sở bản đồ địa hình Theo phương pháp này thì các đặc trưng địa hình như điểm ghi chú độ cao, độ cao của các điểm trên đường

tụ thuỷ, đường sống núi, các đường đứt gãy đều đưa vào tham gia xây dựng mô hình số địa hình vì dữ liệu của đường bình độ thường không giúp tạo được mô hình

số địa hình có chất lượng cao, trừ khi được bổ sung thêm đặc trưng địa hình và các đường đứt gãy

- Mô hình số địa hình được thành lập từ bản đồ địa hình tuy được sử dụng rộng rãi nhưng bộc lộ một số vấn đề như có quá nhiều điểm được lấy mẫu dọc theo đường bình độ (lấy mẫu thừa) trong khi giữa các đường bình độ lại hầu như không

có mẫu nào (lấy thiếu mẫu) Do đó các chỗ địa hình mấp mô, có độ dốc thay đổi nhưng lại nằm giữa các đường bình độ thì thường bị bỏ qua, không miêu tả được Hơn nữa trong quá trình số hoá bản đồ có thể có các sai số như sai số làm trơn, sai

số tổng hợp hóa… và thiếu nhiều thông tin gốc do quá trình thành lập bản đồ, như việc lấy bỏ, chọn lọc, thể hiện và tổng hợp hoá trên bản đồ

- Đối với mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình, những chỗ địa hình nằm giữa hai đường bình độ thường bị bỏ qua, không miêu tả được, những chỗ địa hình mấp mô, độ dốc thay đổi nhưng chênh cao địa hình lại nhỏ hơn khoảng cao đều không được miêu tả chính xác, đặc biệt tại khu vực đồng bằng

Hình 2.3 Thành lập mô hình số địa hình từ bản đồ địa hình

DEM thành lập từ bản đồ địa hình có độ chính xác quyết định bởi bản đồ địa hình Sai số trung phương vị trí địa vật biểu thị trên bản đồ gốc so với vị trí của điểm khống chế ngọai nghiệp gần nhất tính theo tỷ lệ bản đồ thành lập không được vượt quá các giá trị: 0,5 mm khi thành lập bản đồ ở vùng đồng bằng và vùng đồi; 0,7 mm khi thành lập bản đồ ở vùng núi và núi cao

Bản đồ địa hình

Chiết tách đường bình độ

Chuẩn hóa

Chuyển đổi từ dạng vector sang dạng điểm

Nội suy mô hình số độ cao từ dạng điểm

Xuất dữ liệu DEM

Hình 2.4 Mô hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỉ lệ 1:10000

- Sai số trung phương độ cao của đường bình độ, điểm đặc trưng địa hình, điểm ghi chú độ cao biểu thị trên bản đồ gốc so với độ cao điểm khống chế ngọai nghiệp gần nhất tính theo khoảng cao đều đường bình độ cơ bản Đối với khu vực

ẩn khuất và đặc biệt khó khăn các sai số trên được phép tăng lên 1,5 lần

2.2 Ảnh viễn thám SPOT – khả năng thông tin trong việc thành lập các bản đồ lớp phủ mặt đất

- Ảnh vệ tinh SPOT [3], [6], [19], [21] có tầm bao quát rộng: Vệ tinh SPOT

có độ cao bay chụp hơn 800 km, tính tổng quát hoá tự nhiên cao, một cảnh có độ phủ mặt đất tiêu chuẩn là 60x 60km Do đó, việc thu nhận thông tin về đối tượng địa lý trên phạm vi các vùng rộng lớn sẽ nhanh chóng, kể cả vùng sâu, vùng xa, khó đến hoặc không đến được Mặt khác thông tin trên sẽ thống nhất về thời điểm nên

có thể phân tích, so sánh được với nhau Đặc điểm này đặc biệt quan trọng đối với nước ta, nhất và các tỉnh có rừng ở vùng núi

- Ảnh vệ tinh SPOT có độ phân giải không gian cao, ví dụ: SPOT-5 đối với

ảnh đa phổ là 10m và ảnh toàn sắc là 5 ÷ 2,5m Vì vậy, có thể sử dụng ảnh viễn thám SPOT-5 để trực tiếp thành lập bản đồ địa hình tỷ lệ 1/10.000 và 1/25.000

- Ảnh vệ tinh SPOT là ảnh đa phổ, từ đó đem lại hình ảnh tổ hợp nhiều màu

sắc, dễ suy giải vì mang tính trực quan cao

- Ảnh vệ tinh SPOT mang lại thông tin đa thời gian nhờ khả năng chụp lặp

Với khả năng đó ảnh viễn thám SPOT cho phép dễ dàng theo dõi biến động các đối tượng địa lý ở các thời điểm khác nhau

- Ảnh vệ tinh SPOT phản ánh trung thực, khách quan các đối tượng địa lý

của một khu vực cụ thể với mối quan hệ và tác động qua lại giữa con người với thiên nhiên

Khả năng chiết tách thông tin từ ảnh viễn thám được thực hiện bằng hai phương pháp là phương pháp tương tự (giải đoán bằng mắt) và phương pháp xử lý

số

+ Phương pháp tương tự: Được thực hiện bằng cách xét đoán, phân tích, suy luận, quy luật phân bố và giải đoán bằng bộ ânh mẫu phương pháp này phụ thuộc nhiều vào khả năng cũng như kinh nghiệm của người chiết tách thông tin cũng như

sự hiểu biết về khu vực chiết tách

+ Phương pháp xử lý ảnh số: Được thực hiện bằng một số phần mềm chuyên dụng như ENVI, eCognition

2.2.1 Nghiên cứu khả năng chiết tách dữ liệu giao thông từ ảnh viễn thám

- Khả năng chiết tách dữ liệu định tính: Hệ thống giao thông bao gồm: Đường giao thông, cầu, cống, vỉa hè, cảng đường thuỷ, bến phà, bến ô tô, bãi đỗ xe,

ga đường sắt, cảng hàng không Dấu hiệu của hệ thống giao thông này rõ rệt với sự phân bố đạng tuyến kéo dài, dấu hiệu màu sắc tùy thuộc vào chất liệu bề mặt đường, thông thường có màu xám trắng, xám đối với đường nhựa và đường cấp phối, màu nâu, nâu đỏ, nâu đất đối với đường giao thông nông thôn và vùng núi, đường có dạng hình tuyến tương đối thẳng và đều nhau trên cả tuyến là đường sắt