Luận án tiến sĩ xây dựng mô hình tích hợp viễn thám và GIS xác định nguy cơ tai biến lũ quét lưu vực sông năng, tỉnh bắc kạn

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Như Ngà XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN Hà Nội - 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Như Ngà XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số: 62 44 02 14 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS, TS Nguyễn Ngọc Thạch PGS, TS Lã Văn Chú Hà Nội - 2017 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan là công trình nghiên cứu khoa học của riêng Các số liệu sử dụng phân tích luận án có ng̀n gốc rõ ràng Các kết quả nghiên cứu luận án là trung thực và chưa từng được công bố bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận án Lê Như Ngà LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com iv LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Đại học Q́c gia Hà Nội Có được luận án này, tác giả xin cảm ơn đến các thầy mơn, khoa, phịng chức đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS, TS Nguyễn Ngọc Thạch và PGS, TS Lã Văn Chú (tên khoa học: Lã Thanh Hà), người thầy đã định hướng khoa học và tận tình hướng dẫn hoàn thành luận án Xin chân thành cảm ơn Dự án “Tăng cường lực nghiên cứu, đào tạo viễn thám Hệ thông tin địa lý việc nghiên cứu, quản lý tai biến lũ lụt, lũ quét trượt lở đất, nghiên cứu điển hình Vĩnh Phúc Bắc Kạn” đã chia sẻ số liệu mưa, lũ quét, sử dụng đất, mưa và rừng; tài trợ chuyến thăm, trao đổi kinh nghiệm quản lý thiên tai lũ quét và trượt lở đất Ấn Độ; Cảm ơn Ban Chỉ huy Phịng chớng lụt bão và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Bắc Kạn và Đài KTTV Bắc Kạn đã cung cấp thông tin tình trạng lũ quét và mưa của vùng nghiên cứu Xin cảm ơn Viện Cơ học đã giúp đỡ và tài trợ phần kinh phí Ći cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân động viên, sát cánh bên quá trình thực luận án Nếu khơng có sự hướng dẫn và giúp đỡ trên, luận án này đã hoàn thành Một lần nữa, xin được cảm ơn vì tất cả! Tác giả luận án Lê Như Ngà LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xiv DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC xvi MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của nghiên cứu Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 Luận điểm bảo vệ Đóng góp của luận án Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Cơ sở tài liệu thực luận án Kết cấu của luận án Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm và phân loại lũ quét 1.2 Tổng quan mô hình, công cụ và phương pháp nghiên cứu lũ quét 11 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét thế giới 22 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét Việt Nam 27 1.5 Nghiên cứu lũ quét lưu vực sông Năng 36 1.6 Quan điểm, phương pháp và quy trình nghiên cứu của luận án 37 Tiểu kết chương 40 Chương MƠ HÌNH XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QT 41 2.1 Cơ sở hình thành lũ quét 41 2.2 Phương pháp SCS xác định mưa hiệu quả 42 2.3 Tính tốn Qmax TQmax 47 2.4 Phân tích GIS 51 2.5 Phân tích viễn thám 56 2.6 Xác định nguy lũ quét 58 2.7 Xây dựng phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét 65 2.8 So sánh mô hình lũ quét của luận án với các mô hình và phương pháp nghiên cứu lũ quét khác 67 Tiểu kết chương 67 Chương ĐẶC ĐIỂM LŨ QUÉT VÀ CÁC NHÂN TỐ HÌNH THÀNH LŨ QT LƯU VỰC SƠNG NĂNG, BẮC KẠN 69 3.1 Vị trí địa lý 69 3.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 70 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vi 3.3 Đặc điểm lũ quét 70 3.4 Đặc điểm điều kiện tự nhiên và ảnh hưởng tới lũ quét 75 Tiểu kết chương 102 Chương TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN 104 4.1 Tính tốn Qmax Tmax 104 4.2 Xác định vùng đồng ngập lụt 116 4.3 Tính tốn Qmax TQmax cho vùng đồng ngập lụt 118 4.4 Tính toán sớ nguy lũ quét (FFPI) 119 4.5 Kiểm chứng mô hình 119 4.6 Xác định nguy lũ quét 123 Tiểu kết chương 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 140 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ 142 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO 143 PHỤ LỤC 150 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AHP AMS ANN ArcGIS ArcView GIS BH CN CSDL DEM DGN DN DSS ERDAS ESRI FFG FFPI GDP GIS HBV HECHMS, HECRAS IDW KTTV LANDSAT LiDAR LQ LBĐ MARINE MIKESHE MIKEBASIN MIKE2D,3D MODIS NASA Analytic Hierarchy Process – Quá trình phân tích phân cấp American Meteorological Society – Hội Khí tượng Mỹ Artificial Neural Network - Mạng trí tuệ nhân tạo Phần mềm GIS của ESRI, Mỹ Điều kiện bão hòa bề mặt trước Curve Numbers – Hệ sớ thủy văn thực nghiệm CN Cơ sở liệu Digital Elevation Model – Mô hình số độ cao Dạng format liệu GIS của phần mềm Bentley Microstation của Mỹ Digital Number – Giá trị lưu trữ điểm ảnh Decision Support System – Hệ thống hỗ trợ quyết định Phần mềm viễn thám của Lica, Thụy Sỹ Environmental Systems Research Institute – Viện Nghiên cứu các Hệ thống Môi trường, Mỹ Flash Flood Guidance – Hướng dẫn, cảnh báo lũ quét Flash Flood Potential Index – Chỉ số nguy lũ quét Gross Domestic Product – Tổng sản phẩm quốc nội Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý Phần mềm thủy văn, Viện Khí tượng - Thủy văn Thụy Điển Phần mềm thủy văn - thủy lực, Bộ Q́c phịng Mỹ Inverse Distance Weighting – Trọng sớ nghịch đảo khoảng cách Khí tượng thủy văn Ảnh vệ tinh phân giải trung bình cao của NASA, Mỹ Light Detection and Ranging - Ảnh địa hình công nghệ laser Lũ quét Lũ bùn đá Phần mềm thủy văn - thủy lực của Pháp Phần mềm thủy văn - thủy lực, Viện Thủy lực Đan Mạch Ảnh vệ tinh phân phải trung bình của NASA, Mỹ The National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ NDVI Normalized Difference Vegetation Index – Chỉ số thảm thực vật LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com viii NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration – Cơ quan Hải dương và Khí tượng Mỹ NRCS National Resources Conservation Service – Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên quốc gia Mỹ QuickBird Ảnh vệ tinh phân giải cao của DigitalGlobe, Mỹ RADAR Radio Detection and Ranging – Ảnh vệ tinh thu theo cơng nghệ sóng đa SCS Soil Conservation Services – Cơ quan Bảo tồn đất, Mỹ SOBEK Phần mềm thủy văn - thủy lực, Viện Nghiên cứu Delta Hà Lan SWAT Phần mềm thủy văn, Đại học Texas A&M Mỹ TOPMODEL Phần mềm thủy văn, Đại học Lancaster, Vương quốc Anh TRMM Tropical Rainfall Monitoring Mission – Vệ tinh quan trắc mưa nhiệt đới US NWS U.S National Weather Service – Cơ quan Khí tượng Q́c gia Mỹ USGS U.S Geological Survey – Cục Khảo sát Địa chất Mỹ VBA Visual basic application – Ứng dụng viết theo mã lệnh Visual basic VT Remote sensing – Viễn thám WorldView Ảnh vệ tinh phân phải cao của DigitalGlobe, Mỹ LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đờ tổng quát của phương pháp phân tích đa biến 17 Hình 1.2 Sơ đờ của mơ hình thủy văn – thủy lực [61] 19 Hình 1.3 Sơ đờ mơ hình lũ quét của NWS [47] 26 Hình 1.4 Quy trình tổng quát nghiên cứu của luận án 39 Hình 2.1 Sơ đờ tổng quát sở hình thành lũ quét 41 Hình 2.2 Tính chất thấm, giữ nước khác của lý đất [84] 43 Hình 2.3 NDVI rõ tính chất khác của lớp phủ rừng khu vực Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth và Landsat ETM) 45 Hình 2.4 Sơ đồ đường đẳng thời gian nước di chuyển tới cửa lưu vực 48 Hình 2.5 Biểu đờ quá trình lưu lượng theo thời gian cửa lưu vực 48 Hình 2.6 Sơ đờ tính lưu lượng theo phương pháp đường đẳng thời [75] 50 Hình 2.7 Biểu đờ mơ tả giá trị Qmax TQmax 51 Hình 2.8 Sơ đờ xây dựng liệu cho mô hình lũ quét 52 Hình 2.9 Dữ liệu địa hình dạng DEM 52 Hình 2.10 Hệ thớng sơng śi của lưu vực (Ng̀n: internet) 54 Hình 2.11 Các phụ lưu của lưu vực (Nguồn: internet) 54 Hình 2.12 Sơ đờ tổng quan phân tích viễn thám 57 Hình 2.13 Phân bớ mặt cắt dọc của lưu vực sông (Nguồn: internet) 59 Hình 2.14 Phân bớ mặt cắt ngang của sơng/śi hình chữ V (Ng̀n: internet) 60 Hình 2.15 Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ V thượng nguồn xã Nhạn Môn, Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth) 60 Hình 2.16 Phân bớ mặt cắt ngang của sơng/śi hình chữ U (Ng̀n: internet) 61 Hình 2.17 Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ U xã Xuân La, Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth) 61 Hình 2.18 Sơ đờ mơ hình chờng ghép các tham số thủy văn xác định nguy lũ quét 62 Hình 2.19 Sơ đờ khới phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét 66 Hình 2.20 Một phần đoạn lệnh chương trình phân tích thủy văn GIS lũ quét môi trường ArcGIS 66 Hình 3.1 Khu vực nghiên cứu (lưu vực sơng Năng, tỉnh Bắc Kạn) 69 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com x Hình 3.2 Vết tích trận lũ quét ngày 31/7/2010 xã Mỹ Phương, huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn [35] 73 Hình 3.3 Xuất lũ quét theo tháng lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [15-26, 35] 74 Hình 3.4 Vị trí xảy lũ quét lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [15-26, 35] 75 Hình 3.5 Địa hình và mạng lưới thủy văn khu vực nghiên cứu dạng 3D 76 Hình 3.6 Phổ độ cao lưu vực sơng Năng 77 Hình 3.7 Phổ độ dớc lưu vực sơng Năng 77 Hình 3.8 Độ dớc trung bình của phụ lưu, lưu vực sông Năng 78 Hình 3.9 Dân cư và hoạt động nông nghiệp đoạn suối cấp 3, sông Năng thuộc xã Bằng Thành, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth) 83 Hình 3.10 Dân cư và hoạt động nông nghiệp đoạn suối cấp 1, sông Chu Hương thuộc xã Mỹ Hương, Ba Bể (Nguồn: Google Earth) 84 Hình 3.11 Dân cư đoạn sông Năng thuộc xã Bộc Bố, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth) 84 Hình 3.12 Dân cư và hoạt động nơng nghiệp đoạn hạ lưu sông Năng thuộc xã Thượng Giáo, Ba Bể (Nguồn: Google Earth) 85 Hình 3.13 Một đoạn sông Năng thuộc xã An Thắng, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth) 85 Hình 3.14 Mặt cắt ngang lịng sơng Năng trạm thủy văn Đầu Đẳng (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 86 Hình 3.15 Lưu lượng trung bình tháng trạm thủy văn Đầu Đẳng, năm 1972-1976 (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 87 Hình 3.16 Hình dạng phụ lưu xảy lũ quét lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [35] 88 Hình 3.17 Tổng lượng bốc năm (2006-2009), trạm Chợ Rã, Bắc Kạn (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 90 Hình 3.18 Tổng lượng bốc trung bình ngày (mm) theo tháng (2004-2009), trạm Chợ Rã, Bắc Kạn (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) 90 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 165 Hình 5.12 Đất nông nghiệp thể màu đất đỏ ba gian và màu lơ tím, rừng màu xanh đất thổ cư xác định được (tổ hợp Red=b7, Green=b4, Blue=b2) + Kiểm chứng kết quả: Kiểm chứng độ xác liệu lớp phủ dựa 38 điểm mẫu phân bố theo lưới ô vuông phủ khắp toàn vùng nghiên cứu (Hình 5.13) Dữ liệu lớp phủ thời kỳ 1971-1976 được so sánh với các điểm mẫu lấy từ bản đồ tin tức của Quân đội Mỹ Kết quả của 38 điểm mẫu (rừng: 33 điểm, nông nghiệp: điểm và đất trống: điểm) là tương đối tốt với 87% số điểm đúng, đất trớng bị lẫn sang các loại khác và có độ tin cậy thấp đạt 50% (xem Bảng 5.6) Dữ liệu lớp phủ thời kỳ 2007-2012 được so sánh với các điểm mẫu lấy từ bản đồ sử dụng đất Kết quả của 38 điểm mẫu (rừng: 27 điểm, nông nghiệp: điểm và đất trống: điểm) là tương đối tốt với 84% số điểm đúng, đất trớng bị lẫn sang các loại khác và có độ tin cậy thấp đạt 50% (xem Bảng 5.7) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 166 Hình 5.13 Sơ đồ điểm lấy mẫu để kiểm chứng kết quả xây dựng lớp phủ Bảng 5.6 Kết quả so sánh lớp phủ thời kỳ 1971-1976 và bản đồ tin tức Trống Mặt nước Dân cư/cơng trình Nơng nghiệp Rừng Lớp phủ từ ảnh Landsat Lớp phủ từ bản đồ tin tức Rừng 30 Nông nghiệp Dân cư/cơng trình Mặt nước Trớng 1 Chính xác (%) 90,9 100,0 50,0 Bảng 5.7 Kết quả so sánh lớp phủ thời kỳ 1971-1976 và bản đồ sử dụng đất 2010 Trống Mặt nước Dân cư/cơng trình Nơng nghiệp Rừng Lớp phủ từ ảnh Landsat LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lớp phủ từ bản đồ sử dụng đất 167 Rừng Nông nghiệp Dân cư/công trình Mặt nước Trớng Chính xác (%) 26 96,3 66,7 1 - - 50,0 Phụ luc Mã lệnh chương trình thủy văn GIS lũ quét Const tiP As Integer = 'time interval in minutes for processing Public R(1 To 500, To 2) As Double ' rain each hour in mm Public Rm(1 To 50000) As Double ' ratio of rain each time interval over the total rain Public Rd As Integer 'rain duration in hour Public totalR As Double 'total rain in mm Public QZonalTable(1 To 50000) As Double 'discharge of zonal statistics by time interval (m) Public Qoutlet(1 To 50000) As Double 'discharge at the outlet of each basin Sub Time_of_Concentration() 'INPUT: 'fdr: flow direction grid 'ie: excess rainfall intensity grid (m/s) 'n: manning roughness coefficient grid 'cn: CN grid 's: slope grid (m/m) 'gc: channel grid (1, nodata) 'go: overland grid (1, nodata) 'c: cathment grid (1, nodata) 'cw: channel width (m) 'L: distance travel (m) 'TotalR: total rain (mm) 'Rd: rain duration (h) 'A: area of pixel size (m2) 'B: channel width (m) 'CNTypye: CN type ' Dim B, Mc, CNc As Double Dim CNType As Integer Const A As Double = 10000 rainFileName = "D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m\Mua\Mua_11_T6_1973.txt" QOutletTxtFileName = "D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m\Mua\Q_11_T6_1973.txt" B=1 CNType = 'CN type, R5day=50.2 Mc = 'manning coif CNc = 'CN coif 'not yet completed RainFReading (rainFileName) 'read the rain data file rainConvert 'rain converting 'ie: excess rainfall intensity grid (m/s) Dim Ie As IRaster ' Flow direction raster object Dim fdr As IRasterDataset Set fdr = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m", "fdr.img") ' Manning raster object Dim n As IRasterDataset Set n = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\CN", "Manning_02.img") ' CN LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 168 Dim CN As IRasterDataset Set CN = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\CN", "CN.img") ' Manning raster object Dim S As IRasterDataset Set S = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m", "Slope_smoothed.img") ' Chanel raster object Dim gc As IRasterDataset Set gc = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m", "Channel.img") ' Chanel width raster object Dim cw As IRasterDataset Set cw = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m", "ChannelWidth.img") ' Overland raster object Dim go As IRasterDataset Set go = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m", "Overland.img") ' Overland raster object Dim c As IRasterDataset Set c = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m", "Catchment.img") ' Distance travel raster object Dim L As IRasterDataset Set L = OpenRasterDataset("D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m", "L.img") ' 'OUTPUT: -'Tc: time of concentration grid (minutes) 'cTc: comulative time of concentration grid (minutes) 'ti: time interval (minutes) Dim Tc As IRaster Dim cTc As IRaster 'Const ti As Integer = 10 ' 'BEGIN -'Get the focused map from MapDocument Dim pMxDoc As IMxDocument Set pMxDoc = ThisDocument Dim pMap As IMap Set pMap = pMxDoc.FocusMap 'Create a RasterMapAlgebraOp operator Dim pMapAlgebraOp As IMapAlgebraOp Set pMapAlgebraOp = New RasterMapAlgebraOp Dim MAString As String 'map alregra string 'Set analysis environment Dim pEnv As IRasterAnalysisEnvironment Set pEnv = pMapAlgebraOp 'Set cellsize pEnv.SetCellSize esriRasterEnvValue, 100 'Set output extent to Catchment grid Dim pExt As IEnvelope Set pExt = New Envelope Dim pRP As IRasterProps Dim PR As IRaster Set PR = c.CreateDefaultRaster Set pRP = PR pEnv.SetExtent esriRasterEnvValue, pRP.Extent ' Set the mask environment Set pEnv.Mask = c 'Set output workspace Dim pWS As IWorkspace Dim pWSF As IWorkspaceFactory LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 169 Set pWSF = New RasterWorkspaceFactory Set pWS = pWSF.OpenFromFile("d:\temp", 0) Set pEnv.OutWorkspace = pWS 'Calculate the excess rainfall intensity grid Dim Qin As Double 'in Inch Dim Pin As Double 'in Inch Const in2mm As Double = 25.4 'convert from Inch to mm Const in2m As Double = 0.0254 'convert from Inch to mm 'temporary outputs Dim pOutRaster1 As IRaster Dim pOutRaster2 As IRaster Dim pOutRaster3 As IRaster Dim pOutRaster4 As IRaster Dim pOutRaster5 As IRaster Dim pOutRaster6 As IRaster Dim pOutRaster7 As IRaster Dim pOutRaster8 As IRaster Dim cn1 As IRaster Dim cn2 As IRaster Dim oV As IRaster Dim cV As IRaster Dim Q As IRaster Dim pOutRasLayer As IRasterLayer ' Create the RasterHydrologyOp object Dim pHydrologyOp As IHydrologyOp Set pHydrologyOp = New RasterHydrologyOp 'excess rainfall in meter 'change the CN value pMapAlgebraOp.BindRaster CN, "CN" Set cn1 = pMapAlgebraOp.Execute("[CN] * " & CNc) 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster cn1 'pOutRasLayer.Name = "cn_1" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Bind a Check for ACM condition pMapAlgebraOp.BindRaster cn1, "cn1" Select Case CNType Case Set cn2 = pMapAlgebraOp.Execute("(4.2 * [cn1]) / (10 - 0.058 * [cn1])") Case Set cn2 = pMapAlgebraOp.Execute("[cn1]") Case Set cn2 = pMapAlgebraOp.Execute("(23 * [cn1]) / (10 + 0.13 * [cn1])") End Select 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster cn2 'pOutRasLayer.Name = "cn_2" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Bind a raster pMapAlgebraOp.BindRaster cn2, "cn2" Set pOutRaster1 = pMapAlgebraOp.Execute("(1000 - 10 * [cn2]) / [cn2]") 'S = (1000 - 10 * CN) / CN 'Bind a raster pMapAlgebraOp.BindRaster pOutRaster1, "S" 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster pOutRaster1 'pOutRasLayer.Name = "S2" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 170 'convert rain in mm to inch Pin = totalR / in2mm 'for Io (Initial abstraction > 0) 'Qin = ((Pin - 0.2 * S) ^ 2) / (Pin + 0.8 * S) MAString = "Pow(" & Pin & " - 0.3 * [S], 2) / (" & Pin & " + 0.7 * [S])" 'for Io (Initial abstraction = 0) 'Qin = ((Pin) ^ 2) / (Pin + S) 'MAString = "(" & Pin & " * " & Pin & ") / (" & Pin & " + [S])" Set pOutRaster2 = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Bind a raster pMapAlgebraOp.BindRaster pOutRaster2, "inR" MAString = "(" & in2m & " * [inR])" Set pOutRaster3 = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'check for P>=0.2S pMapAlgebraOp.BindRaster pOutRaster3, "P1" MAString = "CON(" & Pin & " >= 0.3 * [S], [P1], 0)" Set pOutRaster4 = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Dim pOutRasLayer As IRasterLayer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster pOutRaster4 'pOutRasLayer.Name = "P2" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'excess rainfall intensity m/s 'Bind a raster pMapAlgebraOp.BindRaster pOutRaster4, "P" MAString = "([P] / 3600 / " & Rd & ")" Set Ie = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster Ie 'pOutRasLayer.Name = "Ie" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Calculate the accumulative excess rainfall intensity grid 'Bind a raster pMapAlgebraOp.BindRaster Ie, "Ie" MAString = "(" & A & " * [Ie])" Set pOutRaster5 = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) ' calculate the accumulative discharge Set Q = pHydrologyOp.FlowAccumulation(fdr, pOutRaster5) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster Q 'pOutRasLayer.Name = "Q" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Calculate the overland velocity 'Dim ov As IRaster 'Bind rasters pMapAlgebraOp.BindRaster L, "L" pMapAlgebraOp.BindRaster n, "n" pMapAlgebraOp.BindRaster S, "S" 'MAString = "(Pow([Ie] * [L], 0.4) * Pow([S], 0.3) / Pow([n], 0.6))" MAString = "Pow([Ie] * [L], 0.4) * Pow([S], 0.3) / Pow([n] * " & Mc & ", 0.6)" Set oV = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 171 'pOutRasLayer.CreateFromRaster pOutRaster1 'pOutRasLayer.Name = "Vo" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Calculate the channel velocity ' Set Spatial Reference for raster property ' Define Spatial Reference Dim pPrj As ISpatialReference Dim pSRS As ISpatialReferenceFactory2 Set pSRS = New SpatialReferenceEnvironment Dim pRasProp As IRasterProps Set pPrj = pSRS.CreateSpatialReference(3405) Set pRasProp = Q pRasProp.SpatialReference = pPrj 'Bind a raster pMapAlgebraOp.BindRaster Q, "Q" MAString = "[Ie] + [Q]" Set pOutRaster6 = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Bind rasters pMapAlgebraOp.BindRaster pOutRaster6, "Q1" pMapAlgebraOp.BindRaster cw, "B" pMapAlgebraOp.BindRaster n, "n" pMapAlgebraOp.BindRaster S, "S" MAString = "(Pow([S], 0.3) * Pow([Q1], 0.4) / Pow(0.005 * " & Mc & ", 0.6) / Pow(" & B & ", 0.4))" Set cV = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster pOutRaster 'pOutRasLayer.Name = "Vc" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Combine the channel and overland velocity grids 'Bind rasters pMapAlgebraOp.BindRaster oV, "Vo" pMapAlgebraOp.BindRaster cV, "Vc" pMapAlgebraOp.BindRaster go, "go" pMapAlgebraOp.BindRaster gc, "gc" MAString = "CON(IsNull([go]), [Vc], [Vo])" Set pOutRaster7 = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster pOutRaster6 'pOutRasLayer.Name = "Combined velocity" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Calculate the time of concentration 'Bind rasters pMapAlgebraOp.BindRaster pOutRaster7, "V" pMapAlgebraOp.BindRaster L, "L" MAString = "[L] / [V] / 60 / " & tiP Set Tc = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster Tc 'pOutRasLayer.Name = "Time of concentration" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'Calculate the cumulative time of concentration Set pOutRaster8 = pHydrologyOp.FlowLength(fdr, True, Tc) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 172 'Bind rasters pMapAlgebraOp.BindRaster pOutRaster8, "ctc1" MAString = "Int(con([ctc1] < 2500,[ctc1]))" Set cTc = pMapAlgebraOp.Execute(MAString) 'Add output into ArcMap as a raster layer 'Set pOutRasLayer = New RasterLayer 'pOutRasLayer.CreateFromRaster cTc 'pOutRasLayer.Name = "CTC10minutes" 'pMap.AddLayer pOutRasLayer 'End of Calculate the cumulative time of concentration 'Zonal statistical analysis as table ' Create the RasterZonalOp object Dim pZonalOp As IZonalOp Set pZonalOp = New RasterZonalOp ' Declare the input zone raster object Dim pZoneRaster As IGeoDataset ' Calls function to open a raster dataset from disk 'Set pZoneRaster = OpenRasterDataset("D:\SpatialData", "zoneraster") Set pZoneRaster = cTc ' Declare the input value raster object Dim pValueRaster As IGeoDataset ' Calls function to open a raster dataset from disk 'Set pValueRaster = OpenRasterDataset("D:\SpatialData", "valueraster") Set pValueRaster = pOutRaster5 ' Declare the output table object Dim pOutputTable As ITable ' Calls the method Set pOutputTable = pZonalOp.zonalStatisticsAsTable(pZoneRaster, pValueRaster, True) 'convert the Table to array FieldIndex = pOutputTable.FindField("SUM") 'get field index of SUM in the zonaltable rCount = pOutputTable.RowCount(Nothing) 'get the number of row of the zonal table Dim pRow As IRow For i = To rCount Set pRow = pOutputTable.GetRow(i) 'Get a row from the table QZonalTable(i) = pRow.Value(FieldIndex) ' Get value of the given index Next 'End of zonal statistical analysis as table 'Hydrograph building HydroGraph (rCount) 'End of hydrogrph building 'Save the Hydrogrph to a text file 'Const QOutletTxtFileName As String = "D:\10_PhD\Working\GIS\ArcHydro_100m\Mua\Q_17_T6_1972.txt" 'Dim intFileNum As Integer 'intFileNum = FreeFile Open QOutletTxtFileName For Output As #20 Dim txtLine As String For i = To rCount 'txtLine = Format(Qoutlet(i), "#.##") Write #20, Qoutlet(i) 'txtLine LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 173 Next Close #20 'End of Save the Hydrogrph to a text file 'END -End Sub Private Function OpenRasterDataset(sDir As String, sFile As String) As IRasterDataset '========================================= 'Open the raster dataset with the given name '========================================== 'sDir is the directory the file resides 'sFile is the filename Dim pWsFact As IWorkspaceFactory Dim pWS As IRasterWorkspace Dim pRasterDataset As IRasterDataset 'Open the workspace Set pWsFact = New RasterWorkspaceFactory Set pWS = pWsFact.OpenFromFile(sDir, 0) 'Open the raster dataset Set pRasterDataset = pWS.OpenRasterDataset(sFile) 'Return Set OpenRasterDataset = pRasterDataset 'free the objects Set pWsFact = Nothing Set pWS = Nothing Set pRasterDataset = Nothing End Function Private Sub RainFReading(strFileName As String) '========================================= 'Reading rain data from a Txt file '========================================== Dim strR() As String Dim intFileNum As Integer Dim intCount As Integer Dim strRecordData As String Dim strScores() As String intFileNum = FreeFile i=1 totalR = Open strFileName For Input As #intFileNum Input #intFileNum, strRecordData Do Until EOF(intFileNum) Or intCount > 2500 Input #intFileNum, strRecordData strR() = Split(strRecordData, " ") R(i, 1) = strR(0) R(i, 2) = strR(1) i=i+1 totalR = totalR + Val(strR(1)) Loop Close #intFileNum Rd = i - End Sub Private Sub rainConvert() '========================================= 'convert Rain from each hour (R) to each time interval (Rm) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 174 'Rm: ratio of rain each time interval over the total rain '========================================== 'Rm() = stepCount = 60 / tiP k=0 For i = To Rd 'rA = R(i, 2) / stepCount = R(i, 2) For j = To stepCount k=k+1 Rm(k) = / (totalR / Rd) 'Rm(k) = k Next Next End Sub Private Sub HydroGraph(tiCount As Integer) '========================================= 'building hydrograph 'tiCount: number of time interval (tiP) '========================================== k=0 For i = To tiCount k=k+1 h=0 g=k+1 Qin = For j = To k h=h+1 g=g-1 'Qin = Qin + tiP * 60 * (QZonalTable(h) * Rm(g)) Qin = Qin + (QZonalTable(h) * Rm(g)) Next Qoutlet(i) = Qin Next End Sub LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 175 Phụ lục Xây dựng mưa tần suất Mưa trận sử dụng để xác định nguy lũ quét cho vùng nghiên cứu theo kịch bản tần suất là các trận mưa giả định được xây dựng dựa vào liệu mưa trận quá khứ và phương pháp cực trị thống kê và gồm phần: lượng mưa và phân bố mưa + Phân bố mưa: Sử dụng liệu mưa trận của các trận mưa quá khứ, đặc biệt là các trận mưa đã gây lũ quét lưu vực nghiên cứu để xác định phân bố mưa cho các trận mưa giả định Việc chọn diễn biến mưa trận kịch bản tần suất theo trung bình của các trận mưa cực đại quá khứ hay trung bình của các trận mưa đã gây lũ quét gần không diễn tả được cường độ mưa cực đại đột biến cách xác nhất Do vậy, trận mưa gây lũ quét lịch sử và diển hình nhất tổng lượng mưa phân bố mưa theo được chọn để đại diện cho các trận mưa kịch bản tần suất là trận mưa 23/7/1986 Hình 5.14 Hình 5.14 Quá trình trận mưa ngày 23/7/1986 (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) + Lượng mưa: Sử dụng liệu mưa trận cực đại năm của 48 năm (từ năm 1965 đến 2012) trạm Chợ Rã, phương pháp thống kê và hàm phân bố thống kê GEV (Generalized Extreme Value mô tả các công thức (5.30 5.31)) để xác định lượng mưa trận kịch bản tần suất f(x) = {1  exp(−(1 + kz)−1/k )(1 + kx)−1−1/k , k ≠ exp(−z − exp(−z)), k=0 (5.30) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 176 exp(−(1 + kz)−1/k ), k ≠ (5.31) exp(−z − exp(−z)), k=0 Trong đó, x – biến số, f(x) – hàm mật độ xác suất, F(x) – hàm phân phối xác suất, z = F(x) = { (x-µ)/, k – tham sớ hình dạng,  - tham sớ tỷ lệ và µ - tham sớ vị trí Kết quả mưa tần suất thu được Bảng 4.1, trang 105 Hình 5.15 Chợ Rã, Bắc Kạn 450 GEV (0.025, 37.506, 115.43) Đo đạc 400 350 Lượng mưa (mm) 300 250 200 150 100 50 10 100 1000 Tr (năm) Hình 5.15 Biểu đờ tần suất mưa trận, Chợ Rã, Bắc Kạn Phụ lục Hiệu chỉnh mơ hình thủy văn GIS Mục đích của hiệu chỉnh mô hình là xác định tham số CN và Manning phù hợp ô lưới cho lưu vực sông Năngbằng cách mô lưu lượng trạm Đầu Đẳng từ liệu mưa thực đo và so sánh với liệu lưu lượng đo đạc sơ đồ Hình 5.16 Đã sử dụng trận mưa điển hình (có cường độ tương đới lớn, phân bố mưa rõ ràng) để hiệu chỉnh chương trình Bộ tham số CN và Manning từ nghiên cứu trước [76], [86] được tham khảo giá trị ban đầu (xem Bảng 2.3, trang 47 và Bảng 2.4, trang 47) Tham số CN và Manning được điều chỉnh để kết quả mô gần với liệu đo đạc Kết quả so sánh các Hình 5.17 đến 5.20 tổng hợp Bảng 5.6 Kết quả thu được tham số Manning (Bảng 4.2 Hình 4.3, trang 107) CN (Bảng 4.3, trang 108 Hình 4.5, trang 110) lưu vực sơng Năng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 177 CN Mạng lưới sơng Manning Mưa Chạy chương trình Hiệu chỉnh tham số CN, Manning Biểu đồ lưu lượng trạm Đầu đẳng mô Biểu đồ lưu lượng trạm Đầu đẳng đo đạc So sánh Chưa tốt Tốt Kết thúc Hình 5.16 Sơ đờ hiệu chỉnh chương trình phân tích thủy văn GIS lũ quét - Trận mưa 17-20/6/1972: lưu lượng tổng cộng là 128mm, mưa cực đại vào lúc 19-20h sau thời điểm bắt đầu là 18h, ngày 17 với lưu lượng là 29,8mm Tổng lượng mưa ngày trước là 16mm và BH-I được chọn Kết quả so sánh tính toán và thực đo lưu lượng Hình 5.17 120.0 35.0 Mưa 30.0 Thực đo Tính tốn 25.0 Q (m3/s) 80.0 20.0 60.0 15.0 40.0 R (mm/giờ) 100.0 10.0 20.0 5.0 0.0 0.0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 Thời gian (giờ) Hình 5.17 Quá trình lưu lượng trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 17-20/6/1972 (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) - Trận mưa 8-15/6/1973: lưu lượng tổng cộng là 177,4mm, mưa cực đại vào lúc 1-2h ngày 11/6 sau thời điểm bắt đầu là 73h với lưu lượng 45,6mm Tổng lượng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 178 mưa ngày trước là 22,3mm BH-I được chọn Kết quả so sánh tính toán và thực đo lưu lượng Hình 5.18 250.0 50.0 Mưa 45.0 Thực đo 200.0 40.0 Tính tốn 30.0 25.0 100.0 20.0 R (mm/giờ) Q (m3/s) 35.0 150.0 15.0 50.0 10.0 5.0 0.0 0.0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Thời gian (giờ) Hình 5.18 Quá trình lưu lượng trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 8-15/6/1973 (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) - Trận mưa 10/6/1973: trận mưa rào kéo dài vòng 5h với lưu lượng tổng cộng là 35,4mm, mưa cực đại thời điểm bắt đầu với lưu lượng là 25,9mm Tổng lượng mưa ngày trước 8mm BH-I được chọn Kết quả so sánh tính toán và thực đo lưu lượng Hình 5.19 60.0 30.0 Mưa Thực đo 50.0 25.0 40.0 20.0 30.0 15.0 20.0 10.0 10.0 5.0 0.0 R (mm/giờ) Q (m3/s) Tính tốn 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Thời gian (giờ) Hình 5.19 Quá trình lưu lượng trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 10/8/1974 (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) - Trận mưa 5-9/5/1975: lưu lượng tổng cộng là 108mm, mưa cực đại vào lúc 1920h ngày 9/5 sau thời điểm bắt đầu là 96h với lưu lượng là 18,5mm Tổng lượng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 179 mưa ngày trước là 18,3mm BH-I được chọn Kết quả so sánh tính tốn thực đo lưu lượng Hình 5.20 250.0 20.0 Mưa 18.0 Thực đo 200.0 16.0 Tính tốn 12.0 100.0 8.0 10.0 R (mm/giờ) Q (m3/s) 14.0 150.0 6.0 50.0 4.0 2.0 0.0 0.0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Thời gian (giờ) Hình 5.20 Quá trình lưu lượng trạm Đầu Đẳng đối với trận mưa ngày 5-9/5/1975 (Ng̀n: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường) Bảng 5.8 So sánh Q tính toán và đo đạc trạm Đầu Đẳng Đo đạc Tổng Q Tính tốn – Đo đạc tính (%) toán (triệu Qmax TQmax Tổng Q m3 ) Qmax TQmax Qmax TQmax Tổng Q đo đạc (triệu m3 ) 17-20/6/1972 104,0 94,0 100,6 97,0 34,39 37,02 -3,3 3,2 7,6 8-15/6/1973 223,7 151,0 220,5 149,0 112,46 119,32 -1,4 -1,3 6,1 10/8/1974 41,7 17,5 48,5 17,0 6,14 5,51 16,3 -2,9 -10,2 5-9/5/1975 194,0 121,0 195,5 129,0 56,55 61,16 0,7 6,6 9,9 Tính tốn Trận mưa Các hình từ 5.17 đến 5.20 Bảng 5.20 kết quả mô là khá phù hợp với số liệu thực đo trình, đỉnh lũ và tổng lưu lượng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Như Ngà XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và... thiết lý luận và thực tiễn đó, đề tài ? ?Xây dựng mơ hình tích hợp viễn thám GIS xác định nguy tai biến lũ quét lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn? ?? được chọn làm đề tài luận án tiến sĩ, chuyên... luanvanchat@agmail.com - Xác định được các đặc tính lũ quét, nguy? ?n nhân gây lũ quét xây dựng được tập bản đồ nguy lũ quét theo tần suất mưa và bản đồ nguy lũ quét tổng hợp cho lưu vực sông Năng, tỷ