Ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý gis trong quản lý lưu vực sông

Các số liệu này sẽ được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy của lưu vực và các công tác quản lý môi trường, các kịch bản phát triển nguồn nước và các tiêu chuẩn vận hành..

trường đại học mỏ - địa chất

-*** -

trần thị hòa

ứng dụng viễn thám và hệ thông tin địa lý (gis)

trong quản lý lưu vực sông

Chuyên ngành : Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

Gi¶i thÝch c¸c thuËt ng÷ ViÕt t¾t 7

Danh môc h×nh 8

Danh môc b¶ng biÓu 10

MỞ ĐẦU 11

1 Tính cấp thiết của đề tài 11

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

2.1 Phạm vi nghiên cứu 12

2 2 Đối tượng 13

3 Nội dung nghiên cứu 13

4 Phương pháp nghiên cứu đề tài 13

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 14

5.1 Ý nghĩa khoa học 14

5.2 Ý nghĩa thực tiễn 14

6 Cấu trúc luận văn 14

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN CHUNG 15

1.1 Tổng quan về quản lý lưu vực sông 15

1.1.1 Khái niệm về quản lý lưu vực sông 15

1.1.2 Một số nội dung chính trong quản lý lưu vực sông 16

1.1.3 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 17

1.1.4.Tỡnh hỡnh nghiờn cứu trong nước 22

1.2 Tổng quan về viễn thỏm 25

1.2.1 Những khỏi niệm cơ bản về viễn thỏm 25

1.2.3 Một số nội dung quản lý tổng hợp lưu vực sông có thể áp dụng công nghệ Viễn thám 27

1.3 Tổng quan về hệ thụng tin địa lý (GIS) 31

1.3.1.Khỏi niệm về hệ thụng tin địa lý 31

1.3.2 Thành phần của GIS 32

1.3.3.So sỏnh GIS với cỏc cụng nghệ khỏc 34

Chương 2 - ứng dụng công nghệ Viễn thám và GIS trong quản lí lưu vực sông 37

2.1 Một số khái niệm về các loại bản đồ phục vụ phòng chống ngập lụt trong lưu vực sông 37

2.2 Ứng dụng mô hình số độ cao trong quản lý lưu vực sông 40

2.2.1 Tư liệu mô hình số SRTM 40

2.2.2 Mô hình số thành lập từ bản đồ địa hình 42

2.3 Một số mô hình toán học trong quản lý lưu vực sông 44

2.3.1 Mô hình thuỷ văn HEC-HMS 44

2.3.2 Mô hình toán thuỷ lực mạng sông HEC-RAS 45

2.3.3 Giới thiệu về tool Arc SWAT - ARC GIS 9.3 46

2.3.4.Giới thiệu về hệ thống phần mềm MIKE 46

2.4 Lựa chọn mô hình 48

2.4.1 Lựa chọn mô hình 48

2.4.2 Giới thiệu bộ mô hình MIKE 11 và xác định các thông số đầu vào 49

2.5 Quy trình chiết tách một số thông số đầu vào cho mô hình thuỷ văn 55

2.6 Áp dụng mô hình Mike11 để tính toán chất lượng nước sông Nhuệ và sông Đáy 58

2.6.1 Số liệu đầu vào cho mụ hỡnh tớnh toỏn chất lượng nước 59

2.6.2 Áp dụng mụ hỡnh MIKE 11 để tớnh toỏn chất lượng nước sụng Nhuệ 60

2.6.3 Số liệu đầu ra-Kết quả chất lượng nước 61

Chương 3 - ứng dụng viễn thám và Gis trong quản l ý lưu vực sông Nhuệ - Đáy - ĐOạN CHảY QUA hà nộI 62

3.1 Đặc điểm chung về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội và môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy 62

3.1.1 Đặc điểm tự nhiên 62

3.1.2 Đặc điểm kinh tế, xã hội 65

3.1.3 Hiện trạng ô nhiễm lưu vực sông Nhuệ - Đáy 66

3.2 Thu thập tư liệu và xây dựng cơ sở dữ liệu cho quản lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy 68

3.2.1 Thu thập tư liệu 68

3.2.2 Các phần mềm sử dụng 68

3.2.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu cho quản lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy 68

3.2.4 Sửa lỗi DEM 69

3.3 Quy trình thành lập lớp thông tin về phủ mặt đất 71

3.3.1 Xử lý ảnh 72

3.3.2 Điều tra khảo sỏt ngoài thực địa 75

3.3.3 Kết quả 75

3.4 Chiết tách một số thông số đầu vào cho mô hình thủy văn thủy lực 75

3.4.1 Các bước tính toán lưu vực con trên Arc Swat 9.3 76

3.4.2 Phân loại lớp phủ trên ảnh vệ tinh SPOT5 77

3.5 Áp dụng tính toán thủy văn, thủy lực xây dựng bản đồ ngập lụt cho lưu vực sông Nhuệ - Đá 80

3.6 Tính toán chất lượng nước cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy 90

3.7 Đánh giá khả năng ứng dụng Viễn thỏm và hệ thụng tin địa lý trong quản lý lưu vực sụng 95

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

DANH MỤC CÁC CễNG TRèNH CỦA TÁC GIẢ 98

TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

Phụ lục 100

Gi¶i thÝch c¸c thuËt ng÷ ViÕt t¾t

Vệ tinh quan sát Trái Đất của Nhật Bản

§Çu thu radar trªn ¶nh vÖ tinh ALOS

Hệ thống vệ tinh quan trắc Trái Đất của Pháp

Danh mục hình

Hỡnh 1 1 Cỏc kờnh phổ sử dụng trong viễn thỏm 26

Hỡnh 1 2.- Nguyờn lý thu nhận hỡnh ảnh trong viễn thỏm 27

Hỡnh 1 3 Cỏc hợp phần của GIS 32

Hỡnh 1 4 Dữ liệu GIS 33

Hỡnh 1 5 Phõn tớch lớp thụng tin trong Mụ hỡnh chồng xếp GIS 36

Hỡnh 2 1 Biên tập, chỉnh sửa, gán thông tin độ cao ………43

Hỡnh 2 2 Mô hình số độ cao 43

Hỡnh 2 3 Sơ đồ các chức năng của SWAT 46

Hỡnh 2 4 Sơ đồ xõy dựng bản đồ chuyờn đề dựa trờn sự kết hợp hai mụ hỡnh 51

Hỡnh 2 5 Trắc dọc của một khu vực cú khả năng bị ngập khi xuất hiện lũ lớn 53

Hỡnh 2 6 Đầu vào của mụ hỡnh MIKE 11GIS 53

Hỡnh 2 7 Đầu ra của mụ hỡnh MIKE 11 GIS 54

Hỡnh 2 8 Cỏc thụng tin được chiết xuất từ DEM 54

Hỡnh 2 9 Quy trỡnh chiết tỏch cỏc thụng sụ cho mụ hỡnh thuỷ văn, thuỷ lực 56

Hỡnh 3 1 Bản đồ hành chính lưu vực sông Nhuệ - Đáy……… 63

Hỡnh 3 2 Cống Liờn Mạc – cửa vào sống Nhuệ từ sụng Hồng 65

Hỡnh 3 3 Chọn hệ tọa độ cho DEM 70

Hỡnh 3 4 Sửa lỗi DEM 70

Hỡnh 3 5 Sơ đồ tự động hoỏ chiết tỏch lớp phủ thực vật từ 72

Hỡnh 3 6 lấy mẫu trong phõn loại cú kiểm định 73

Hỡnh 3 7 Tớnh toỏn trong phõn loại cú kiểm định 74

Hỡnh 3 8 Kết quả phõn loại cú kiểm định 74

Hỡnh 3 9 Mô hình số địa hình vùng lưu vực sông Nhuệ - Đáy 76

Hỡnh 3 10.Hệ thống thuỷ văn sau khi chỉnh sửa các điểm outlet 77

Hỡnh 3 11 Bình đồ ảnh vệ tinh sau khi được xử lý 78

Hỡnh 3 12 Xây dựng bộ mẫu ROIS 78

Hỡnh 3 13 Thực hiện phân loại theo bộ mẫu ROIS 79

Hỡnh 3 14 Kết quả phân loại 79

Hỡnh 3 15 Sơ đồ quy trỡnh cụng nghệ ỏp dụng MIKE11 và GIS cho 81

Hỡnh 3 16 Sơ đồ chung thể hiện mạng sông phục vụ tính toán 82

Hỡnh 3 17 Các ô chứa trong lưu vực sông 84

Hỡnh 3 18 Biểu đồ đường quan hệ F~Z và VZ, ụ chứa O1….….……… 84

Hỡnh 3 19 Biểu đồ đường quan hệ F~Z và VZ, ụ chứa O2……… 84

Hỡnh 3 20 Biểu đồ đường quan hệ FZ và VZ, ụ chứa O3………84

Hỡnh 3 21: Biểu đồ đường quan hệ F~Z và VZ, ụ chứa O4……….84

Hỡnh 3 22 Biểu đồ đường quan hệ F~Z và VZ, ụ chứa O5……….…84

Hỡnh 3 23 Biểu đồ đường quan hệ F~Z và VZ, ụ chứa O6……… 84

Hỡnh 3.24 Kết quả tớnh toỏn thực đo diễn tiến của trận lụt tại trạm Ninh Bỡnh ….85 Hỡnh 3.25 Sự phõn bố DO, BOD và nhiệt độ theo khụng gian trờn sụng Nhuệ …90

Hỡnh 3.26 Hiệu chỉnh thụng số khuyếch tỏn trong mụ đun tải khuyếch tỏn … ….91

Hỡnh 3 27 Trích cảnh màn hình thể hiện bản đồ diễn tiến BOD trên sông Nhuệ 93 Hỡnh 3.28- Trích cảnh màn hình thể hiện bản đồ diễn tiến DO trên sông Nhuệ….93

Danh môc b¶ng biÓu

Bảng 2 1 C¸c th«ng sè ®Çu vµo cña m« h×nh HEC-HMS 45

Bảng 2 2 C¸c tham sè ®Çu vµo cho m« h×nh thuû v¨n NAM MIKE 57

Bảng 2 3 Giá trị nồng độ thực đo tại các vị trí khảo sát, thời điể m tháng 11/2009 trên sông Nhuệ 59

Bảng 3 1 Hệ số nhám của các sông trong hệ thống sông Nhuệ - Đáy… ……… 86

Bảng 3 2 So s¸nh th«ng sè ®Çu vµo 88

Bảng 3 3 Vị trí các điểm khảo sát được dùng trong mô hình 91

Bảng 3 4 Phân tích hiệu quả và sai số hiệu chỉnhthông số DO của mô hình 93

Bảng 3 5 Phân tích hiệu quả và sai số hiệu chỉnh thông số BOD của mô hình 93

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước rất cần thiết cho sự sống, sức khoẻ của con người và là nguồn tài nguyên quý giá cho sự phát triển Trên thế giới đang đứng trước khủng hoảng về thiếu nước ngọt cung cấp cho nhu cầu thiết yếu của cuộc sống Sự gia tăng dân số, các hoạt động kinh tế và việc cải thiện các tiêu chuẩn cho cuộc sống dẫn đến sự cạnh tranh, mâu thuẫn do giới hạn về nguồn nước Dưới đây là một vài lý do giải thích tại sao hiện nay nhiều người đã công nhận rằng thế giới đang phải đối mặt với khung hoảng về nước:

tế và cạnh tranh sâu sắc giữa các hộ dùng nước;

tốc độ gia tăng dân số và hiện nay 1/3 dân số trên thế giới sống trong các nước chịu sức ép về nước từ trung bình đến cao;

hơn quản lý tốt hơn các nguồn sẵn có, và cách tiếp cận từ trên xuống trong quản lý nguồn nước đã dẫn đến sự phát triển và quản lý nguồn nước không thống nhất;

trường;

tài nguyên nước theo hướng phòng chống lũ và hạn

Để bảo đảm tính bền vững, nguồn nước phải được xem xét một cách thống nhất cả về trạng thái tự nhiên và trong cân bằng giữa các nhu cầu dùng nước - sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp và môi trường Quản lý bền vững tài nguyên nước đòi hỏi cần có một hệ thống ra quyết định thống nhất được xác định là phụ thuộc lẫn nhau giữa 3 lĩnh vực liên quan đến đất, nước thiên tai, con người và hoạt động sản

xuất kinh tế Vì vậy, cần phải quản lý các nguồn tài nguyên trong lưu vực sông và phòng chống thiên tai một cách có hiệu quả

Phương pháp Viễn thám đã mang lại nhiều khả năng hữu hiệu trong thu thập dữ liệu tài nguyên môi trường nhằm theo dõi nguồn tài nguyên thiên nhiên và phát triển bền vững Dữ liệu có thể thu nhận được trên diện rộng nhằm quản lý tốt nhất nguồn tài nguyên và môi trường Trong giai đoạn hiện nay, sự kết hợp giữa phương pháp Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trở thành xu hướng đem lại nhiều lợi ích cho việc khai thác thông tin và phát triển chính công nghệ Viễn thám Kết hợp Viễn thám với hệ thống thông tin địa lý thực sự trở thành cần thiết để tiến hành phân tích xử lý thông tin đồng bộ cả về mặt định tính và định lượng, hỗ trợ ra quyết

định

Xuất phát từ chính yêu cầu thực tế, tôi lựa chọn đề tài “ ứng dụng viễn thám

và hệ thông tin địa lý (GIS) trong quản lý lưu vực sông ”

2 Đối tượng và phạm vi nghiờn cứu

2.1 Phạm vi nghiờn cứu

Lưu vực sụng là phần bề mặt, bao gồm cả độ dày tầng thổ nhưỡng, tập trung nước vào sụng Lưu vực sụng, do đú gồm phần tập trung nước mặt và phần tập trung nước dưới đất, lưu vực là một hệ sinh thái thể hiện đầy đủ những tương tác giữa nhiều yếu tố tự nhiên và xã hội Vùng đất cao, vùng ẩm thấp, các nhánh nhỏ đổ

về sông, hồ ao và suối là những yếu tố tự nhiên tiêu biểu ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng và khối lượng nước trong lưu vực Vỡ vậy quản lý lưu vực sụng đũi hỏi sự phối hợp tổng thể giữa sử dụng hợp lý nguồn tài nguyờn thiờn nhiờn (nước và đa dạng sinh học ven bờ), phũng chống lũ lụt, đỏnh giỏ chất lượng nước và quản lý hoạt động sản xuất của con người

Trờn cơ sở tỡm hiểu khả năng ứng dụng tư liệu viễn thỏm và GIS, đồ ỏn đi vào nghiờn cứu ỏp dụng cỏc mụ hỡnh đỏnh giỏ thủy văn, thủy lực đó được ỏp dụng trờn thế giới và một số phần mềm ứng dụng chiết tỏch cỏc thụng tin phục vụ xõy dựng cơ sở dữ liệu GIS quản lý lưu vực sụng (Mụ hỡnh MIKE, MIKE GIS, Tool

ArcSWAT – ARCGIS 9.3, bộ Mapping office, Mapinfo 11, ERDAS 9.1 và ENVI 4.7)

2 2 Đối tượng

Nghiên cứu lưu vực sông Nhuệ - Đáy đoạn chảy qua thành phố Hà Nội gồm xây dựng lớp phủ bề mặt, đánh giá chất lượng nước và phần lưu vực thuộc tỉnh Ninh Bình để thử nghiệm xây dựng bản đồ ngập lụt

3 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về lưu vực sông và quy định hiện hành về quản lý lưu vực sông;

- Nghiên cứu khả năng khai thác các thông tin từ tư liệu ảnh viễn thám để phục vụ công tác quản lý lưu vực sông ;

- Ứng dụng công nghệ GIS quản lý lưu vực sông Nhuệ - Đáy (sử dụng các phần mềm và modul tích hợp trên bộ phần mềm Arc View và ArcGIS 9.3)

4 Phương pháp nghiên cứu đề tài

- Phương pháp thống kê: thu thập, tổng hợp và xử lý các thông tin từ các tài liệu thu thập được

- Phương pháp viễn thám và GIS: thu nhận , xử lý, phân tích và tổng hợp các yếu tố thành phần liên quan đến vấn đề quản lý lưu vực sông

- Phương pháp phân tích: sử dụng các công cụ tiện ích của phần mềm để tiến hành phân tích đánh giá thông tin nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu thông tin hoàn chỉnh

- Phương pháp thực nghiệm: từ các cơ sở khoa học và lý xây dựng cơ sở dữ liệu GIS phục vụ quản lý lưu vực sông Nhuệ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

6 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, luận văn bao gồm 3 chương, được trình bày trong 115 trang với 52 hình minh họa và 8 bảng biểu

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Trường Xuân, cùng sự giúp đỡ của các cán bộ trung tâm Khí tượng – Thủy văn và các cán bộ thuộc trung tâm Giám sát tài nguyên và môi trường – trung tâm Viễn thám quốc gia

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN CHUNG

1.1.1 Khỏi niệm về quản lý lưu vực sụng

Quản lý lưu vực sông được hiểu là quá trình quản lý tài nguyên đa dạng, bao gồm sự tham gia của mọi người dân địa phương ở mọi ngành, mọi cấp nhằm xác

định rõ nguồn tài nguyên trong lưu vực, sử dụng chúng cho mục tiêu phát triển kinh

tế bền vững

Quản lý lưu vực sông phải dựa trên những nguyên tắc cơ bản sau:

- Quản lý lưu vực sông nhằm mục đích hài hoà các mục tiêu của các cơ quan

địa phương và Trung ương trong lưu vực, giúp họ có chiến lược quản lý hợp lý

- Quá trình ra quyết định thường cố gắng bao hàm đầy đủ các lĩnh vực liên quan và sử dụng kỹ năng “tìm tiếng nói chung” để xây dựng được kế hoạch đáp ứng yêu cầu của các bên liên quan

- Sử dụng thông tin khoa học và logic để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến

hệ sinh thái thuỷ sinh, hệ sinh thái trên cạn, sức khoẻ con người và các điều kiện kinh tế trong lưu vực

- Sử dụng các biện pháp tài chính phù hợp để chi phí được phân bổ cho các dự

án tương ứng với lợi ích thu được của chúng

- Cố gắng tạo ra khung thoả thuận liên ngành nhằm đảm bảo các kế hoạch sẽ

được thực hiện dựa vào cách tiếp cận và mong muốn của các bên liên quan chứ không phải dựa vào các luật lệ hay quy định

- Xây dựng các biện pháp và tiêu chuẩn rõ ràng để kiểm tra và đánh giá hiệu quả của việc quản lý lưu vực sông

Lưu vực sụng là phần bề mặt, bao gồm cả độ dày tầng thổ nhưỡng, tập trung nước vào sụng Lưu vực sụng, do đú gồm phần tập trung nước mặt và phần tập trung nước dưới đất, lưu vực là một hệ sinh thái thể hiện đầy đủ những tương tác giữa nhiều yếu tố tự nhiên và xã hội Vùng đất cao, vùng ẩm thấp, các nhánh nhỏ đổ

về sông, hồ ao và suối là những yếu tố tự nhiên tiêu biểu ảnh hưởng nhiều nhất đến chất lượng và khối lượng nước trong lưu vực Như vậy, chức năng và giá trị của chúng phải được đưa vào trong quá trình quản lý lưu vực sông Việc bảo tồn tốt khu

ẩm thấp và các sông nhánh là điều cơ bản qui hoạch lưu vực

Trong lưu vực thường có nhiều nhóm dân cư (những người cư trú hoặc trực tiếp sử dụng tài nguyên); mọi hoạt động của họ dĩ nhiên sẽ trực tiếp ảnh hưởng đến nguồn nước trong lưu vực Ví dụ những dân cư trong lưu vực là: nông dân, dân thành thị và các hoạt động dịch vụ, các tổ chức xã hội bao gồm cả chính phủ và phi chính phủ và nhiều cơ quan khác Quá trình qui hoạch quản lý lưu vực sông cần phải hiểu những nhu cầu cũng như tác động của cư dân lên tài nguyên trong lưu vực và đề ra hướng quản lý và sử dụng đúng nguồn tài nguyên đó cho sự phát triển bền vững Nhằm quản lý lưu vực sông có hiệu quả, các kế hoạch hoạt động cần được lập

ra dưới góc độ có xem xét toàn diện mọi nguyên tắc, mục tiêu, hệ quả cuối cùng trong toàn lưu vực Muốn cho quá trình này được tuân thủ, từng bước thực hiện phải

được xác định rõ và chi tiết theo những qui định chung cho mọi kế hoạch nhằm quản lý lưu vực sông Một điều dĩ nhiên là phải có sự tham gia của các cấp trên từ trung ương và theo luật định Nhà nước

Quản lý lưu vực sông thể hiện rõ ràng nhất mối quan hệ khăng khít giữa đất

và nước trong lưu vực Ta nhìn nhận mối quan hệ tương tác này như việc cân nhắc mọi yếu tố ảnh hưởng đến nguồn tài nguyên nước trong lưu vực Mọi quyết định nhằm quản lý tốt nguồn nước cốt yếu là phát triển bền vững môi trường tự nhiên xã hội Sự nhận dạng mối liên kết giữa các hoạt động công, nông, ngư nghiệp, dịch vụ… đều góp phần vào quá trình quản lý tốt lưu vực

1.1.2 Một số nội dung chớnh trong quản lý lưu vực sụng

Để đảm bảo đạt được mục tiờu của cụng tỏc quản lý, nội dung của QLLVS bao gồm:

(1) Xõy dựng thể chế và chớnh sỏch trong cụng tỏc QHLVS

+ Xõy dựng khung tổ chức quản lý và năng lực quản lý lưu vực sụng;

+ Cơ chế và chớnh sỏch quản lý, bảo vệ cỏc tài nguyờn thiờn nhiờn trờn lưu vực, nguyờn tắc xử lý cỏc vi phạm;

+ Cơ chế và chớnh sỏch kinh tế, tài chớnh trong khai thỏc và sử dụng cỏc nguồn tài nguyờn thiờn nhiờn trong lưu vực sụng;

+ Cỏc nguyờn tắc giải quyết mõu thuẫn trong khai thỏc và sử dụng cỏc nguồn tài nguyờn thiờn nhiờn trong lưu vực sụng

(2) Kiểm kờ, đỏnh giỏ hiện trạng cỏc dạng tài nguyờn thiờn nhiờn về lượng và chất, sự thay đổi của chỳng theo thời gian và khụng gian;

(3) Đỏnh giỏ hiện trạng khai thỏc và bảo vệ cỏc tài nguyờn thiờn nhiờn;

(4) Xõy dựng chiến lược khai thỏc và bảo vệ cỏc tài nguyờn thiờn nhiờn Lập qui hoạch, kế hoạch (dài hạn, trung hạn, ngắn hạn) và cỏc chương trỡnh, dự ỏn cụ thể để khai thỏc, sử dụng hợp lý tài nguyờn thiờn nhiờn trờn lưu vực sụng;

(5) Theo dừi, giỏm sỏt việc thực hiện cỏc chương trỡnh, dự ỏn liờn quan đến khai thỏc, sử dụng tài nguyờn thiờn nhiờn trong lưu vực sụng

(6) Bảo vệ môi trường nước

(7) Phòng chống thiên tai

(8) Quản lý sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên thiên nhiên

1.1.3 Tỡnh hỡnh nghiờn cứu nước ngoài

Các mô hình quản lý lưu vực sông ban đầu chỉ thể hiện chủ yếu mối quan hệ giữa mưa, lượng bốc hơi và dòng chảy Những ứng dụng viễn thám trong quản lý lưu vực sông đầu tiên là vấn đề theo dõi hạn chế tình trạng lũ lụt trong lưu vực được nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới Với sự phát triển của công nghiệp hoá và đô thị hoá, môi trường nước trên sông bị ảnh hưởng nhiều, kèm theo sự thay đổi của lớp phủ bề mặt và hiện trạng sử dụng đất hai bên bờ sông, dòng chảy trên sông cũng có nhiều biến động nhất định Do vậy, mô hình quản lý lưu vực sông càng đòi hỏi nhiều thông tin cập nhật về thành phần hoá học nước, tình hình sử dụng đất và hiểm họa xói mòn đất hai bên lưu vực sông

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã thực hiện việc quản lý khai thác, sử dụng tài nguyên và bảo vệ môi trường theo mô hình quản lý tài nguyên nước theo lưu vực sông, đây là mô hình quản lý tiên tiến nhằm đạt được hiệu quả khai thác tài nguyên một cách tốt nhất mà vẫn có thể duy trì và bảo vệ bền vững môi trường

- Tại Mỹ để quản lý chất lượng nước sông (lưu vực sông Minnesota) các nhà quản lý cho rằng: vấn đề ô nhiễm của sông Minnesota không thể giải quyết triệt để nếu chỉ quan tâm đến việc kiểm soát nguồn nước thải tập trung mà bỏ qua nguồn nước thải phân tán

- Tại Brazil, để phục hồi chất lượng nước sông Tiete, tháng 9 năm 1991 chính phủ Brazil đã triển khai dự án làm sạch sông, hồ chứa trong lưu vực sông Một trong những nhiệm vụ quan trọng là kiểm soát rác thải từ hoạt động công nghiệp

- Tại Trung Quốc, trong vài năm gần đây ngày càng có nhiều dấu hiệu cho thấy sự không bền vững trong sử dụng tài nguyên nước và các hệ sinh thái tại các lưu vực sông Nhận thức được vấn đề này, Uỷ ban Hợp tác quốc tế về Môi trường và Phát triển Trung Quốc (CCICED) đã đề xuất áp dụng quản lý tổng hợp lưu vực sông tại Trung Quốc dựa trên cách tiếp cận hệ sinh thái

- Mô hình tổ chức quản lý tài nguyên nước của lưu vực sông Châu Giang (miền nam Trung Quốc)

- Mô hình tổ chức quản lý lưu vực sông Georga (Canada) Đây là mô hình quản lý lưu vực sông theo liên ngành, có sự tham gian chặt chẽ của các bên

- Mô hình tổ chức quản lý lưu vực sông Seine (Pháp) Cơ cấu tổ chức quản lý lưu vực sông Seine là mô hình quản lý tài nguyên nước khá hoàn thiện (quản lý đến từng tiểu lưu vực sông của hệ thống sông Seine) với sự tham gia chặt chẽ của các ngành, các địa phương và cộng đồng dân cư trong lưu vực

* Hệ thống mô hình GIBSI

Mô hình dòng chảy phân tán gắn kết với dữ liệu viễn thám và hệ thông tin địa

lý Hydrotel đã thể hiện được tính năng cơ học và mô phỏng lại dòng chảy trên sông

Từ những kết hợp của mô hình Hydrotel với công thức mất đất USLE của

Wischmeier & Smith – 1978, các nhà khoa học của Viện nghiên cứu môi trường nước và đất (INRS - EAU) thuộc trường Tổng hợp Quebec, Canada đã xây dựng phần mềm GIBSI mang tính quản lý tổng hợp lưu vực cao ở đây bao gồm cả những yếu tố tự nhiên và xã hội có ảnh hưởng đến môi trường nước và đất trong lưu vực

Hệ thống mô hình GIBSI là một hệ thống mô hình tổng hợp chạy trên máy PC cho các kết quả kiểm tra tác động của nông nghiệp, công nghiệp, quản lý nước cả về lượng và chất GIBSI có một ngân hàng dữ liệu (bao gồm cả các số liệu và các đặc trưng) về thuỷ văn, xói mòn đất, lan truyền hoá chất trong nông nghiệp và mô hình chất lượng nước và các thông số cơ bản của hệ thống Mô hình GIBSI cũng có một

hệ thống thông tin địa lý GIS và phần mềm quản lý các dữ liệu có liên quan

Hệ thống mô hình GIBSI được áp dụng cho các lưu vực ở Canada có hệ sinh thái và tình hình phát triển công nghiệp, nông nghiệp, đô thị phức tạp như lưu vực

nghiệp 17.2%, bụi rậm 15.3%, đô thị 3.1%, mặt nước 1.2% diện tích lưu vực và dân

số 180.000 người Kết quả mô phỏng theo các kịch bản phát triển cho thấy các hoạt

động chặt phá rừng làm cho lũ mùa xuân đến sớm hơn và nhiều nước hơn so với các lưu vực đối chứng Kịch bản mô phỏng xử lý nước thải làm cho số lượng Coliform giảm dần và bền vững, lượng Phosphone cũng giảm Mô hình GIBSI cho khả năng

dự báo các tác động của công nghiệp, rừng, đô thị, các dự án nông nghiệp đối với môi trường tự nhiên

* Chương trỡnh Sử dụng nước (Water Utilisation Project) (Uỷ hội sụng Mờ Kụng)

Mụ hỡnh lưu vực và xõy dựng hệ thống cơ sở dữ liệu là một hợp phần của Chương trỡnh Sử dụng Nước của Uỷ hội sụng Mờ Kụng Kết quả chủ yếu của dự ỏn này là “Hệ thống Hỗ trợ ra Quyết định, (DSF)”, trong đú bao gồm hệ thống cơ sở

dữ liệu, bộ mụ hỡnh lưu vực và cỏc cụng cụ đỏnh giỏ tỏc động Khi hoàn thiện WUP DSF sẽ được sử dụng để hỗ trợ trong việc xõy dựng cỏc nguyờn tắc phõn bổ nguồn nước giữa cỏc nước trong lưu vực sụng Mờ Kụng và hỗ trợ ra quyết định cho cụng

tác quản lý lưu vực sông thông qua các đánh giá về ảnh hưởng của các kịch bản phát triển đến tài nguyên môi trường

Ba mô hình con trong Bộ mô hình lưu vực bao gồm:

- Mô hình thuỷ văn (mưa - dòng chảy) (SWAT) cung cấp chuỗi dòng chảy đầu

ra tại các nút trong hệ thống Các số liệu này sẽ được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy của lưu vực và các công tác quản lý môi trường, các kịch bản phát triển nguồn nước và các tiêu chuẩn vận hành

- Mô hình mô phỏng nguồn nước lưu vực (IQQM), mô phỏng các công trình thuỷ điện, tưới, chuyển nước và thu nước Sử dụng các chuỗi số liệu mô phỏng và thực đo trong một hệ thống tổng thể với các kịch bản khác nhau để đưa ra một biện pháp tối ưu và dễ vận hành

- Mô hình thuỷ động lực học (ISIS) mô phỏng chế độ thuỷ văn, thuỷ lực vùng

hồ Tonle Sap và hạ lưu Kratie

* Mô hình đánh giá tổng hợp các nguồn thải tập trung và không tập trung

(Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources (BASINS)

Mô hình BASIN được xây dựng bởi Văn phòng Bảo vệ Môi trường (Hoa Kỳ) Mô hình được xây dựng để đưa ra một công cụ đánh giá tốt hơn và tổng hợp hơn các nguồn phát thải tập trung và không tập trung trong công tác quản lý chất lượng nước trên lưu vực Đây là một mô hình hệ thống phân tích môi trường đa mục tiêu, có khả năng ứng dụng cho một quốc gia, một vùng để thực hiện các nghiên cứu về nước bao gồm cả lượng và chất trên lưu vực Mô hình được xây dựng để đáp ứng 3 mục tiêu:

· Thuận tiện trong công tác kiểm soát thông tin môi trường;

· Hỗ trợ công tác phân tích hệ thống môi trường;

· Cung cấp hệ thống các phương án quản lý lưu vực;

Mô hình BASINS là một công cụ hữu ích trong công tác nghiên cứu về chất

và lượng nước Với nhiều mô đun thành phần trong hệ thống, thời gian tính toán được rút ngắn hơn, nhiều vấn đề được giải quyết hơn và các thông tin được quản lý hiệu quả hơn trong mô hình

Một hệ thống thông tin địa lý (GIS) cung cấp một khung làm việc thuận tiện cho mô hình GIS tổ chức các thông tin về không gian và có thể biểu diễn dưới dạng các bản đồ, bảng biểu hay hình vẽ GIS đưa ra một kỹ thuật phân tích thông tin cảnh quan và biểu thị các mối quan hệ Với việc sử dụng GIS, mô hình BASINS thuận tiện hơn trong việc biểu thị và tổ hợp các thông tin (sử dụng đất, lưu lượng các nguồn thải, lượng nước hồi quy, ) tại bất kỳ một vị trí nào

Mô hình BASINS bao gồm các mô hình thành phần sau:

- Các mô hình trong sông:

· QUAL2E, phiên bản 3.2, là mô hình chất lượng nước

- Các mô hình lưu vực:

· WinHSPF là một mô hình lưu vực dùng để xác định nồng độ các chất thải từ

các nguồn thải tập trung và không tập trung trong sông

· SWAT là một mô hình dựa trên cơ sở vật lý được xây dựng để dự đoán ảnh

hưởng của các hoạt động sử dụng đất trên lưu vực đến chế độ dòng chảy, xác định lượng bùn cát và các các chất hoá học dùng trong nông nghiệp trên toàn lưu vực

- Các mô hình lan truyền:

· PLOAD, là một mô hình lan truyền chất ô nhiễm, PLOAD xác định các nguồn thải không tập trung trung bình trong một khoảng thời gian nhất định

Các chức năng của mô hình BASINS cho phép người sử dụng có thể trình diễn, xuất dữ liệu và thực hiện các phân tích theo các mục tiêu khác nhau

Mụ hỡnh BASINS được sử dụng rộng rói ở Mỹ, nú thuận tiện trong việc lưu trữ và phõn tớch cỏc thụng tin mụi trường, và cú thể sử dụng như là một cụng cụ hỗ trợ ra quyết định trong quỏ trỡnh xõy dựng khung quản lý lưu vực

1.1.4.Tỡnh hỡnh nghiờn cứu trong nước

Trong sự phát triển của công nghệ tin học, 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 tổng hợp môi trường lưu vực sông thực sự trở thành nhu cầu cấp thiết ở Việt Nam trong nhiều năm qua Những dữ liệu đầu ra ở dạng số lưu trong các phần mềm máy tính khác nhau, khi được tích hợp trong một mô hình toán học chung sẽ giúp ích nhiều cho việc lưu trữ và quản lý, tiến tới những khả năng dự báo nguy cơ tai biến và hạn chế những ô nhiễm môi trường nước và đất tại lưu vực sông Lưu vực sông Nhuệ -

Đáy thời gian qua có nhiều vấn đề môi trường kêu cứu do tình trạng ô nhiễm của chất thải công nghiệp và sinh hoạt 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 tại đây Nhiều đề tài cấp quốc gia được tiến hành trên bình diện rộng thuộc 6 tỉnh của lưu vực sông Nhuệ - Đáy nhằm theo dõi, giảm thiểu và ngăn chặn sự ô nhiễm môi trường nước, môi trường đất trong lưu vực

đòi hỏi sự nghiên cứu sâu về khả năng ứng dụng công nghệ mới cho truy cập, quản

lý, theo dõi và đánh giá dự báo những biến động xấu trong tương lai Việc ứng dụng một mô hình quản lý tổng thể có sự tham gia của dữ liệu viễn thám giúp ích nhiều cho khả năng dự báo và hạn chế các tác động gây ô nhiễm sau này

Vấn đề ứng dụng tư liệu viễn thám cũng như các mô hình đánh giá phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường lưu vực sông đã được nhiều nhà khoa học trong nước quan tâm và triển khai nghiên cứu Có thể kể ra một số công trình tiêu biểu sau:

- 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 í) Các mục tiêu chính của đề tài:

+ Phát triển việc tích hợp các dạng dữ liệu viễn thám với các thông tin về điều kiện tự nhiên, xã hội khác trong quan trắc bảo vệ môi trường lưu vực sông nhờ các mô hình toán học và hệ thống thông tin địa lý, tiến tới quản lý tổng hợp môi trường nước và đất trong lưu vực

+ Ứng dụng chu trình công nghệ tích hợp thông tin cho lưu vực sông Nhuệ

- 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 môi trường lưu vực sông, nghiên cứu cũng đã lựa chọn các chỉ tiêu, thiết kế khung hệ thống thông tin quản lý môi trường lưu vực sông Nhuệ - Đáy Các mục tiêu chính của đề tài:

+ Xây dựng cơ chế, chính sách, tổ chức quản lý tổng hợp và bảo vệ môi trường lưu vực sông

+ Quy hoạch môi trường

+ Khai thác, sử dụng hợp lý và bảo vệ các hệ sinh thái Khai thác, sử dụng hợp

lý và bảo vệ các thành phần tài nguyên và môi trường của lưu vực sông

+ Ngăn ngừa, kiểm soát và xử lý ô nhiễm, suy thoái nguồn nước

+ Xây dựng hệ thống quan trắc, giám sát môi trường

+ Xây dựng hệ thống thông tin dữ liệu phục vụ quản lý và bảo vệ môi trường lưu vực sông

+ Nghiên cứu, áp dụng khoa học kỹ thuật

+…

- Một đề tài khác của Cục Bảo vệ môi trường đã tiến hành: “ Cơ sở khoa học

và thực tiễn đề xuất các giải pháp bảo vệ môi trường theo lưu vực sông” Một số

nội dung chính của đề tài:

+ Quản lý nước thải

+ Theo dõi, đánh giá số lượng, thành phần, mức độ nguy hại của chất thải rắn, khí thải và nước thải

- Nghiờn cứu xõy dựng khung hỗ trợ ra quyết định trong quản lý tài nguyờn

nước lưu vực sụng Cả (Chủ nhiệm TS Hoàng Minh Tuyển)

Mục tiờu của đề tài: xõy dựng khung hỗ trợ ra quyết định cho lưu vực sụng

Cả nhằm đúng gúp một cơ sở khoa học cho việc quản lý tài nguyờn nước theo lưu vực sụng phục vụ cú hiệu quả trong việc quy hoạch và quản lý tổng hợp tài nguyờn nước

Để đỏp ứng mục tiờu đề ra, đề tài dự định ỏp dụng cỏc mụ hỡnh thuỷ văn - thuỷ lực sau:

- Mụ hỡnh thuỷ văn (SWAT)

- Mụ hỡnh quản lý sử dụng nước (IQQM)

-Mụ hỡnh thủy lực (ISSI)

Xõy dựng cụng nghệ tớnh toỏn và dự bỏo lũ lớn trờn hệ thống sụng Hồng -

phỏp để xõy dựng cụng nghệ hoàn chỉnh cho tớnh toỏn dự bỏo lũ tỏc nghiệp cho toàn

hệ thống sụng Hồng - Thỏi Bỡnh, trong khuụn khổ đề tài đó tiến hành nghiờn cứu ỏp dụng mụ hỡnh MIKE 11 để tớnh toỏn dự bỏo lũ trờn toàn hệ thống sụng Hồng và sụng Thỏi Bỡnh Từ năm 2003, cỏc chuyờn gia của Viện Khớ tượng Thuỷ văn đó tiến hành dự bỏo thử nghiệm cho hệ thống sụng Hồng - Thỏi Bỡnh, kết quả dự bỏo được đỏnh giỏ cao

Ngoài ra cũn nhiều cỏc đề tài, dự ỏn khỏc cú liờn quan đến vấn để quản lý tổng hợp tài nguyờn nước ở Việt Nam Cỏc đề tài, dự ỏn này đều xõy dựng và ứng dụng cỏc bộ mụ hỡnh toỏn như là một cụng cụ hỗ trợ trong việc nghiờn cứu, đỏnh giỏ cỏc phương ỏn quản lý lưu vực khỏc nhau, từ đú đưa ra cỏc quyết định đỳng đắn,

cú cơ sở khoa học trong việc xõy dựng quy hoạch quản lý tổng hợp tài nguyờn nước lưu vực sụng

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 đưa ra các kế hoạch hành động và quản lý tổng hợp tài nguyên nước Trong báo cáo này, chỉ trình bày tóm tắt về một số mô hình hiện

đã và đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới trong công tác quản lý tổng hợp lưu vực sông Để xây dựng một chiến lược quản lý tổng hợp tài nguyên nước cho một lưu vực sông cụ thể, phải tuỳ thuộc vào điều kiện của lưu vực cũng như các vấn đề

về nước của từng lưu vực mà có những lựa chọn mô hình phù hợp

Tóm lại:

Trên thế giới đã ứng dụng viễn thám và GIS trong phòng chống thiên tai, bảo

vệ môi trường nước, đánh giá tài nguyên thiên nhiên… Trong đó chủ yếu sử dụng các mô hình quản lý lưu vực sông kết hợp tư liệu viễn thám nhằm quản lý, theo dõi trên diện rộng

Tại Việt Nam cũng có một số nghiên cứu khoa học về quản lý lưu vực sông nhưng chủ yếu là đề xuất về xây dựng hệ thống thông tin và chuẩn dữ liệu Những nghiên cứu mang tính thực nghiệm chủ yếu là sử dụng tư liệu viễn thám và GIS để giám sát biến động sử dụng đất, tính toán và dự báo lũ trong lưu vực sông…, mà chưa có hệ thống thông tin thống nhất chung cho các ngành, các địa phương Tư liệu viễn thám cũng được sử dụng nhiều trong việc giám sát và đánh giá tài nguyên nhưng chưa được sử dụng nhiều trong các mô hình quản lý lưu vực sông

1.2 Tổng quan về viễn thám

1.2.1 Những khái niệm cơ bản về viễn thám

Viễn thám là một ngành khoa học và công nghệ giúp cho việc xác định, đo đạc hoặc phân tích các tính chất của các vật thể quan sát mà không cần tiếp xúc trực tiếp với chúng

Sóng điện từ hoặc được phản xạ hoặc được bức xạ từ vật thể thường là nguồn tài liệu chủ yếu trong viễn thám Những năng lượng từ trường, trọng trường cũng có thể được sử dụng

Thiết bị dùng để cảm nhận sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ vật thể được gọi là bộ cảm

Phương tiện dùng để mang các bộ cảm gọi là vật mang, gồm khí cầu, máy bay, vệ tinh nhân tạo, tàu vũ trụ

Viễn thám có thể phân loại làm 3 loại cơ bản theo bước sóng sử dụng:

- Viễn thám trong dải sóng nhìn thấy và hồng ngoại

- Viễn thám hồng ngoại nhiệt

- Viễn thám siêu cao tần

Figure Source: http://observe.ivv.nasa.gov/nasa/education/reference/reflect/ir.html

Hình 1 1 Các kênh phổ sử dụng trong viễn thám

Nguồn năng lượng chính sử dụng trong nhóm thứ nhất là bức xạ mặt trời Mặt trời cung cấp một bức xạ có bước sóng ưu thế 500µm Tư liệu viễn thám trong dải sóng nhìn thấy phụ thuộc vào phản xạ từ bề mặt vật thể và bề mặt trái đất Vì vậy, các thông tin về vật thể có thể được xác định từ các phổ phản xạ Tuy nhiên, radar sử dụng tia laser là trường hợp ngoại lệ không sử dụng năng lượng mặt trời Nguồn năng lượng sử dụng trong nhóm thứ hai là bức xạ nhiệt do chính vật thể sản sinh ra Mỗi vật thể trong nhiệt độ bình thường đều phát ra một bức xạ có đỉnh tại bước sóng 10.000µm

Trong viễn thỏm siờu cao tần người ta sử dụng hai loại kỹ thuật chủ động và

bị động Viễn thỏm siờu cao tần bị động thỡ bức xạ siờu cao tần do chớnh vật thể phỏt ra được ghi lại, cũn trong viễn thỏm siờu cao tần chủ động lại thu những bức xạ tỏn xạ hoặc phản xạ từ vật thể

Hỡnh 1 2.- Nguyờn lý thu nhận hỡnh ảnh trong viễn thỏm

1.2.3 Một số nội dung quản lý tổng hợp lưu vực sông có thể áp dụng công nghệ Viễn thám

Trong nhiều thập kỉ qua, phương pháp Viễn thám đã mang lại nhiều khả năng hữu hiệu trong thu thập dữ liệu tài nguyên môi trường nhằm theo dõi nguồn tài nguyên thiên nhiên và phát triển bền vững Dữ liệu có thể thu nhận được trên diện rộng nhằm quản lý tốt nhất nguồn tài nguyên và môi trường Việc ứng dụng tư liệu Viễn thám ở từng mức độ chính xác cần thiết có thể dùng từ ảnh máy bay, ảnh vệ tinh có độ phân giải từ thấp đến cao Quá trình giải đoán ảnh và đưa thông tin về nhiều dạng chuyên đề khác nhau để tiếp nhận và sử dụng thường được tiến hành trong sự phối hợp hài hoà giữa các phương pháp giải đoán bằng mắt và xử lý số Trong giai đoạn hiện nay, sự kết hợp giữa phương pháp Viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trở thành xu hướng đem lại nhiều lợi ích cho việc khai thác thông tin và phát triển chính công nghệ Viễn thám Kết hợp Viễn thám với hệ thống thông tin địa lý thực sự trở thành cần thiết để tiến hành phân tích xử lý thông tin

đồng bộ cả về mặt định tính và định lượng

Trong lĩnh vực quản lý môi trường, công nghệ Viễn thám được coi như một công cụ quan trắc hữu ích nhằm theo dõi những biến động của môi trường theo thời gian Phát hiện kịp thời những ảnh hưởng bất lợi của các hiện tượng thiên nhiên và tác động của con người lên sự phát triển bền vững Những hiện tượng thiên nhiên

được quan trắc là:

- Theo dõi những diễn biến lũ lụt và đánh giá ảnh hưởng của chúng, đồng thời

đề xuất các biện pháp dự báo và phòng tránh hiệu quả

- Quan trắc đánh giá tai biến môi trường như sạt lở đất, ô nhiễm nước hoặc xói mòn đất, thoái hoá đất, sa mạc hoá

- Quan trắc đánh giá những diễn biến của hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ mặt đất trên quan điểm khai thác tài nguyên có lợi về mặt kinh tế và môi trường

- Đánh giá việc khai thác và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên

Ngoài ra, những hiện tượng biến đổi trong thiên nhiên có tính chất toàn cầu hoặc trên diện rộng như suy giảm diện tích rừng, sa mạc hoá, thay đổi nhiệt độ bề mặt nước biển, một số hiện tượng ô nhiễm có tính chất liên lục địa cũng thường

được quan trắc và xử lý bằng công nghệ Viễn thám

Để quản lý nguồn tài nguyên thiên nhiên và đưa ra những quyết định trong việc khai thác hợp lý có hiệu quả nguồn tài nguyên này cần phải thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất và bản đồ thực phủ Tại Việt Nam cũng như trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề này

Những biến động về lớp phủ mặt đất trên diện rộng như toàn cầu hoặc liên lục

địa chỉ có thể thực hiện được bằng tư liệu Viễn thám Trong đa số các nghiên cứu này thường sử dụng công thức tính chỉ số thực vật chuẩn (Vegetation Index NDVI) như sau [6]:

Trong đó: Nir là phản xạ trong vùng cận hồng ngoại

Red là phản xạ trong vùng sóng đỏ

Trong nghiên cứu những biến động về lớp phủ mặt đất, các phạm trù đa phổ và

đặc biệt là dạng ảnh đa thời gian được sử dụng một cách phổ biến nhằm khai thác diện thay đổi theo thời gian và đánh giá về mức độ ảnh hưởng trên nhiều qui mô

khác nhau Thông thường việc đồng bộ của các tư liệu ảnh và tổ hợp màu sẽ đưa ra

được một cách khách quan nhất về sự biến động và tốc độ biến động của đối tượng Trong quản lý lưu vực sông, viễn thám được sử dụng để điều tra hiện trạng lớp phủ mặt đất, thành lập bản đồ hiện trạng sử dụng đất nhằm tính toán hệ số lớp phủ mặt đất

đưa vào mô hình toán học

Có nhiều quan điểm đánh giá khác nhau về tốc độ đô thị hoá Trong một số trường hợp, các nhà xã hội học chọn tỷ lệ phần trăm dân số đô thị trong tổng dân số như một chỉ số chính Các nhà kiến trúc xây dựng lại quan tâm đến không gian xây dựng với kết cấu của nhà được xây và một số yếu tố của hạ tầng cơ sở Trong lĩnh vực Viễn thám, sự mở rộng không gian chung của khu xây dựng thường được quan tâm nhiều hơn cả Không gian xây dựng được chiết xuất từ ảnh đa phổ bằng các dạng tỷ số băng hoặc nhiều công thức toán học khác

Chỉ số đô thị (UI) trong Viễn thám có thể được thực hiện theo công thức thực nghiệm sau (đối với ảnh LANDSAT - TM):

Những ứng dụng của Viễn thám và GIS trong phòng chống thiên tai cho lưu vực sông chủ yếu liên quan đến lũ lụt Hiện nay cũng có một số nghiên cứu về hiện

tượng lũ lụt nhưng đối với cả lưu vực sông trong mối quan hệ quản lý tổng hợp thì

chưa có nghiên cứu nào

Có rất nhiều ứng dụng của Viễn thám trong nghiên cứu thủy văn, từ đơn giản

đến phức tạp Dưới đây giới thiệu về một số ứng dụng chính

* Nghiên cứu tổng hợp lưu vực sông:

Một số lưu vực được chia thành những lớp khác nhau về chế độ thủy văn, sự phân chia đó phụ thuộc vào các lớp thông tin của mặt đệm như: thủy văn và thổ nhưỡng Thông qua sự phân tích ảnh và từ đó hệ số dòng chảy cho mỗi lớp tương ứng có thể tính toán được Khi liên hệ với một số tài liệu thủy văn, những yếu tố của dòng chảy có liên quan đến từng vùng khác nhau của khu vực có thể được tách ra từ tư liệu viễn thám

Theo tính toán của cơ quan nghiên cứu đất của Mỹ trị số thực nghiệm của

đường cong dòng chảy (Curve Number(CN)) được tính trên cơ sở phân tích tư liệu viễn thám và trị số này có liên quan đến lượng mưa và hệ số lưu vực Hệ số lưu vực

được coi như hệ số dòng chảy, nó thể hiện tiềm năng dòng chảy của tập hợp lớp phủ

đất và thực vật

Nhiều nhà nghiên cứu đã thử nghiệm xác định hệ số CN bằng việc sử dụng tư liệu viễn thám, hệ số đó kí hiệu là CNs Ragan và Jacson, năm 1980 đã phân tích tư liệu thổ nhưỡng và so sánh với hệ số lớp phủ thực vật của lưu vực Blanchard năm

1974 đã so sánh độ phản xạ phổ của lưu vực bằng tỷ số của band 5/band 7 để tính giá trị CNs Khi so sánh sự thay đổi của độ che phủ thực vật có thể dự báo được tổng lượng nước chảy trên lưu vực

* Nghiên cứu dòng chảy sông:

Những đặc trưng của sông có thể đo trên tư liệu viễn thám (thông thường ảnh máy bay sẽ có độ chính xác phù hợp với tỷ lệ lớn), ở đây có thể sử dụng mô hình số

địa hình với độ chính xác cần thiết để tính toán các thông số đặc trưng hình thái của lưu vực sông Các thông số trắc lượng hình thái được đo và tính là: độ dài sông suối,

độ rộng lòng sông, độ dốc lưu vực, hệ số phân nhánh, hệ số uốn khúc, độ nhám của mặt đệm, tốc độ của dòng chảy…

Trong trường hợp có các trạm đo trên sông, có thể đối chiếu các tư liệu thực

tế với tư liệu viễn thám, sử dụng đường cong phân phối nước mặt theo mặt cắt để tính toán, có thể xác định đựợc lưu lượng dòng chảy trên sông

* Nghiên cứu cân bằng nước của lưu vực:

Việc nghiên cứu cân bằng nước trên các lưu vực cho phép xác định quá trình

động lực thủy văn diễn ra trên phạm vi khu vực Một số nội dung cần nghiên cứu để tính cân bằng nước là: lượng mưa, lượng dòng chảy mặt, độ ẩm đất, dòng chảy sông suối,

Mỗi một thông số của phương trình cân bằng nước có thể được tính toán qua thực nghiệm, đối chiếu với thông số trên tư liệu viễn thám, từ đó có thể tính toán cho toàn bộ lưu vực sông

* Tính toán lượng dòng chảy rắn:

Một trong những thí nghiệm được áp dụng trong xử lý ảnh Landsat là tính toán hệ số phổ (CHromaticity Coeficents) với các band 4,5, 6 để từ đó tính được lượng dòng chảy rắn cho một lưu vực

Viễn thám là một phương pháp nghiên cứu hữu hiệu trong thủy văn Tuy nhiên để thực hiện được các nội dung nói trên cần thiết phải sử dụng nhiều nguồn tư liệu, kết hợp nhiều nguồn thông tin bổ sung Các tư liệu viễn thám bao gồm cả dải sóng nhìn thấy, cận hồng ngoại, hồng ngoại và cả sóng rađa Tư liệu bao gồm cả ảnh máy bay

và ảnh vệ tinh các loại, với nhiều thời kỳ chụp khác nhau Trong quá trình phân tích,

xử lý tư liệu viễn thám, cần kết hợp nhuần nhuyễn với kiến thức thủy văn, kiến thức

địa lý và thực nghiệm có như vậy kết quả mới bảo đảm mức độ chính xác, sát với thực tiễn, dần dần từ định tính có thể tiến tới định lượng hóa các kết quả tính toán

1.3 Tổng quan về hệ thụng tin địa lý (GIS)

1.3.1.Khỏi niệm về hệ thụng tin địa lý

“GIS là tổ hợp của 4 hợp phần cú quan hệ thống nhất, liờn quan chặt chẽ với nhau là phần cứng, phần mềm, dữ liệu địa lý và tổ chức con người được hoạt động đồng bộ nhằm thu thập, lưu trữ, quản lý, truy cập, phõn tớch và Mụ hỡnh húa

và hiển thị cỏc dữ liệu định vị theo tọa độ Trỏi đất và cỏc dữ liệu thuộc tớnh nhằm thỏa mún cỏc yờu cầu thực tế”

Phần mềm là hợp phần giúp thực hiện các chức năng cơ bản của hệ thông tin địa lý, bao gồm :

- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau

- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính

- Phân tích, biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng không gian và thời gian

- Hiển thị và trình bày thông tin dưới dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau

Dữ liệu là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống thông tin địa lý Dữ liệu được chia thành hai loại là dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính, được lưu trữ và quản lý trong một cơ sở dữ liệu (databases)

Hình 1 4 Dữ liệu GIS

Dữ liệu trong HTTÐL có thể có hai dạng cấu trúc sau:

- Cấu trúc raster: Ðây là dạng cấu trúc mà trong đó đối tượng được thể hiện thành một mảng gồm các pixel và mỗi pixel đều mang giá trị thông số đặc trưng cho đối tượng (J.Star, estes, 1990) Nó thường có hai kiểu cấu trúc là cấu trúc mảng và cấu trúc phân cấp

- Cấu trúc vector: Cấu trúc vector là dạng cấu trúc dựa trên các điểm có toạ độ

để biểu diễn các đối tượng thông qua điểm, đường và vùng với yếu tố căn bản là điểm Trong đó đường là tập hợp các điểm và vùng là các đường khép kín (Malé,

1977, Peucker and Chrisman, 1975 Peuquet, 1977) Có các dạng cấu trúc vector khác nhau: cấu trúc toàn vùng, cấu trúc cung nút, cấu trúc quan hệ

Véctơ (vector) Ma trận (raster)

- Thuận tiện mô tả các đối tượng có

ranh giới chính xác (ví dụ: đơn vị hành

chính, hay các khoanh vi chính xác như

đất đai đô thị, )

- Thuận tiện với các dữ liệu có ranh giới ít chính xác hơn, các dữ liệu mà giá trị thay đổi theo quãng đường (như độ cao, tiếng ồn )

Hiện nay, các chuẩn về cơ sở dữ liệu đã được Bộ Tài nguyên và Môi trường phổ biến ở Việt Nam dần dần thống nhất theo các chuẩn trên thế giới (như ISO/TC

211 DIS 19115)

1.3.3.So sánh GIS với các công nghệ khác

GIS nổi bật nhê chức năng phân tích không gian

* So sánh GIS với đồ họa trợ giúp bằng máy tính (Computer aided design – CAD):

- Giống nhau: GIS cũng cần phải kèm theo các chức năng đồ họa trợ giúp bằng máy tính để vẽ các đối tượng không gian

- Khác nhau: GIS rất chú trọng đến thông tin thuộc tính– cái mà có thể không nhìn thấy Thuộc tính này lại rất có ích trong phân tích dữ liệu và sẽ cũng được biểu diễn đồ hoạ nhê chức năng thành lập bản đồ của GIS

* So sánh cơ sở dữ liệu của GIS với các cơ sở dữ liệu khác:

- Giống: Giống các hệ cơ sở dữ liệu khác: là tập hợp thông tin được tổ chức để

* So sánh giữa bản đồ (được hiểu là bản đồ trợ giúp bằng máy tính - aided mapping CAM) và GIS:

Computer Giống: Cùng có một hệ thống thông tin có thể hiển thị bằng các bản đồ, có các phép chiếu và có các thông tin thuộc tính cùng chức năng thành lập bản đồ

- Khác: GIS có khả năng xây dựng mối liên hệ không gian giữa các thực thể (topology), có khả năng phân tích không gian mạnh

* So sánh giữa viễn thám và GIS:

- Giống: GIS và viễn thám cùng là thông tin địa lý, có cùng nguyên lý về bản đồ GIS và viễn thám kết hợp mật thiết với nhau đến mức người ta xây dựng hệ thống thông tin địa lý luôn luôn sử dụng viễn thám và những dữ liệu từ viễn thám thường được tích hợp vào GIS

- Khác: Viễn thám là một khoa học công nghệ cho phép thu thập thông tin từ xa

về các vật thể trên bề mặt trái đất; sản phẩm là các bản đồ ảnh, thông tin thu được từ giải đoán ảnh Đương nhiên là GIS có thông tin đa dạng hơn, bao gồm các đối tượng không gian, thông tin về đối tượng, các thông tin kinh tế - xã hội

* GIS là một công nghệ giao thoa với nhiều loại hình công nghệ khác Ở GIS có tin học, thiết bị, cơ sở dữ liệu, đồ hoạ, bản đồ, và đặc biệt là có phân tích không gian

- một chức năng tạo nên bản sắc của GIS Do sự trợ giúp hiệu quả nên GIS được coi như là một công cụ trợ giúp ra quyết định

Các lớp dữ liệu mô tả thế giới thực

Hình 1 5 Phân tích lớp thông tin trong Mô hình chồng xếp GIS

Chương 2 - ứng dụng công nghệ Viễn thám và

GIS trong quản lí lưu vực sông

Quản lý lưu vực sông có rất nhiều nội dung trong đó có một số nội dung có thể

áp dụng được công nghệ Viễn thám và GIS:

- Quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên

- Bảo vệ môi trường nước

- Phòng chống thiên tai

 Quản lý sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên: Để có thể quản lý tốt các nguồn tài nguyên trong lưu vực sông như tài nguyên đất, tài nguyên nước, cần có

đầy đủ các loại bản đồ cần thiết như bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ lớp phủ

 Bảo vệ môi trường nước:

Phải đánh giá được tác động của con người đối với hệ sinh thái và hậu quả của

nó đối với lưu vực Trên thế giới, đã có nhiều nước và nhiều tổ chức nghiên cứu xây dựng các mô hình hay hệ thống mô hình có khả năng đánh giá các tác động của con người đến hệ sinh thái nói chung và môi trường nước nói riêng Nhưng tại Việt Nam chưa có áp dụng công nghệ Viễn thám và GIS cho lĩnh vực bảo vệ môi trường nước

 Phòng chống thiên tai:

Phòng chống thiên tai trong lưu vực sông tại Việt Nam chủ yếu liên quan đến

lũ lụt Cần thiết lập các bản đồ xác định khả năng ngập, đánh giá được mức độ thiết hại của lũ gây ra Qua đó đưa ra các biện pháp phòng chống hiệu quả

2.1 Một số khái niệm về các loại bản đồ phục vụ phòng chống ngập lụt trong lưu vực sông

Từ trước đến nay việc xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt ở Việt Nam thiếu rất nhiều các tư liệu mang tính thời sự và cũng chưa có các phương pháp tốt để thực hiện Việc xây dựng bản đồ nguy cơ ngập lụt ở nước ta trong thời gian rất ngắn,

đảm bảo độ chính xác cao đang là yêu cầu cấp bách và cần nghiên cứu, xây dựng

phương pháp mới để thành lập bản đồ nguy cơ ngập lụt, dự báo, giám sát lũ lụt một cách nhanh chóng và thuận tiện

Bản đồ nguy cơ ngập lụt là một hình thức biểu thị một cách trực quan và để sử dụng được thuận lợi các kết quả phân tích nguy cơ lũ lụt trong một vùng nào đó Trong quản lý lũ lụt tại Việt Nam hiện tại phổ biến 4 loại tài liệu bản đồ sau

đây:

1-Bản đồ hiện trạng ngập lụt: Là loại bản đồ ngập vẽ lại một trận lụt đã qua

Phương pháp thường dùng hiện nay để lập bản đồ ngập lụt là:

- Dựa trên các vết lũ lớn nhất đã khảo sát được để lập bản đồ ngập sau đó dựa vào DEM để xác định bản đồ diện ngập và độ sâu ngập cho toàn khu vực

- Nếu thiếu các vết lũ (thực tế là phổ biến vì diện ngập các lưu vực sông lại quá lớn ) phương pháp phổ biến là dùng mô hình thuỷ văn, thuỷ lực để mô phỏng lại

lũ đã tràn qua, căn cứ vào các vết lũ đo đạc thực địa để hiệu chỉnh và khôi phục cao

độ các vết lũ để cung cấp dữ liệu cho DEM

2- Bản đồ dự báo ngập lụt: Là loại bản đồ dự báo ngập lụt khi chưa diễn ra

lụt Loại sản phẩm này rất cần trong thực tế phòng tránh lũ ở Việt Nam và cả trên thế giới Phương pháp thành lập phù hợp nhất là sử dụng mô hình thuỷ lực để tính toán, mô phỏng Cách thực hiện là phải dự báo lượng mưa ở các trạm đo trong lưu vực và tính toán dòng chảy trong mạng sông-ruộng để xác định mực nước, độ sâu các vị trí

3- Bản đồ ngập lụt thiết kế: Là loại bản đồ dùng cho thiết kế công trình ứng

với từng chu kỳ tái hiện (100, 50, 20, 10, 5 năm) Bản đồ này được tính toán từ trận mưa thiết kế của từng trạm đo mưa từ chuỗi tài liệu thực đo Phương pháp xây dựng bản đồ này hiện nay là sử dụng mô hình thuỷ lực Đối với bản đồ nguy cơ ngập theo tần suất và các cấp báo động lũ thì phương pháp tính toán thuỷ lực là công cụ được sử dụng nhiều nhất

Với các phương pháp trên, độ chính xác phụ thuộc vào số lượng các vết lũ, mức chi tiết của bản đồ nền địa hình và đặc điểm thuỷ văn, thuỷ lực của lưu vực sông

Mức độ chính xác chủ yếu được đánh giá qua kiểm tra thực địa - một công việc rất mất nhiều thời gian, tiền bạc nên nhiều khi cũng không được xem xét kỹ

4- Bản đồ hiện trạng ngập được thành lập với việc sử dụng ảnh viễn thám:

Thực chất đây là bản đồ ngập hiện trạng vì chỉ chụp được hình ảnh vùng ngập lụt vào thời điểm chụp ảnh

Tuy nhiên, việc lập bản đồ ngập lụt ở Việt Nam hiện nay còn nhiều bất cập trong việc thu thập đủ số liệu, thiếu bản đồ địa hình tỷ lệ lớn và cập nhật hiện trạng

và chưa có công nghệ so sánh từ ảnh viễn thám để so sánh, hiệu chỉnh

Quản lý ngập lụt bao gồm cả công việc chuẩn bị trước ngập lụt xảy ra, trong quá trình ngập lụt và sau khi ngập lụt đã diễn ra Phục vụ cho quản lý ngập lụt một cách hiệu quả đòi hỏi nhiều loại bản đồ khác nhau Trong việc ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý trong quản lý ngập lụt, hiện nay thường quan tâm sản xuất các loại bản đồ chuyên đề sau:

-Bản đồ khả năng ngập: là loại bản đồ được tính toán, thành lập từ mô hình số

độ cao hoặc sử dụng mô hình thuỷ lực Trên bản đồ này thể hiện các vùng có thể ngập nước theo dòng chảy khi xảy ra lũ lụt

-Bản đồ tổn thương ngập lụt: là loại bản đồ khu vực nghiên cứu, trên đó thể

hiện tất cả các đối tượng địa hình, giao thông, dân cư, kinh tế-xã hội chịu tác động

dễ bị tổn thương khi lũ xảy ra

-Bản đồ nguy cơ ngập lụt: là bản đồ kết quả tích hợp của bản đồ tổn thương và

bản đồ khả năng ngập lụt được chạy từ các mô hình dự báo hoặc từ các vết lũ lịch

sử Bản đồ này cho thấy các vùng có nguy cơ ngập lụt cao khi xảy ra lũ lụt và các

đối tượng dễ bị tổn thương, bị chịu tác động của ngập lụt cần được bảo vệ hoặc có biện pháp phòng tránh tổn thương

Trên đây là các bản đồ chuyên đề phục vụ khâu chuẩn bị ứng phó trước khi ngập lụt xảy ra Khi ngập lụt đã và đang xảy ra, cần sản xuất và cung cấp nhanh

chóng bản đồ hiện trạng ngập lụt phục vụ nắm bắt tình hình ngập, đánh giá sơ bộ

tình trạng thiệt hại và để lập kế hoạch ứng cứu Vì vậy rất cần thiết tiến hành nghiên

cứu công nghệ thành lập nhanh bản đồ hiện trạng ngập lụt sử dụng ảnh viễn thám, nhất là ảnh radar vì loại ảnh này ít chịu ảnh hưởng của mây hay xảy ra khi mưa bão ngập lụt

Sau khi ngập lụt đã xảy ra, cần cung cấp nhanh chóng bản đồ hiện trạng sau

lụt để tiến hành đánh giá tổn thất, lập kế hoạch ứng cứu và chỉ đạo ứng cứu phục

hồi, khắc phục hậu quả của lũ lụt

Một đặc điểm quan trọng của các loại bản đồ phục vụ quản lý ngập lụt là đòi hỏi quy trình cung cấp nhanh sản phẩm, diện bao quát trên vùng rộng lớn Để đáp ứng những đòi hỏi cơ bản này thì công nghệ viễn thám và GIS tỏ ra phù hợp hơn cả

và phát huy được các thế mạnh của công nghệ mới, cung cấp thông tin nhanh, chính xác và tổng thể trên diện rộng

2.2 ứng dụng mô hình số độ cao trong quản lý lưu vực sông

2.2.1 Tư liệu mô hình số SRTM

Dữ liệu Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) là dạng tệp dữ liệu về độ

Nam) Dạng dữ liệu này được xây dựng và phân phối bởi các hãng NASA, USGS và NGA (Cơ quan dữ liệu Địa lý số Quốc gia, một bộ phận của Bộ Quốc phong Hoa Kỳ (DoD) Dữ liệu được thu nhận bởi bộ cảm sóng giao thoa radar được gắn trên tàu con thoi Shuttle trong vòng 14 ngày tháng 2 năm 2000 Dữ liệu là cơ sở tiệm cận

đến độ chênh cao địa hình mặt đất Đây là dữ liệu sử dụng công nghệ radar độ mở tổng hợp giao thoa (IFSAR)

Dữ liệu độ cao của bề mặt đất được tính toán thông qua sự lệch pha giữa các tín hiệu radar phản xạ thu được bởi hai vị trí anten gần nhau Hai ảnh radar được thu

đồng thời từ hai anten được đặt ở hai đầu của một “ cạnh đáy” Thiết bị của SRTM bao gồm hai anten, theo đó anten chính được gắn trên tàu con thoi Endeavour là một anten có chức năng vừa thu vừa phát tín hiệu, anten còn lại đặt ở đầu kia của cạnh

đáy và chỉ có chức năng thu Anten chính liên tục phát tín hiệu xuống bề mặt đất Tín hiệu phản xạ từ bề mặt đất được cả hai anten thu lại Khoảng cách giữa hai anten