Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ trong sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phát triển bền vững 461 KẾT HỢP DỮ LIỆU VỆ TINH TRỌNG LỰC VÀ THỦY VĂN BỀ MẶT ĐỂ THEO DÕI DIỄN[.]
KẾT HỢP DỮ LIỆU VỆ TINH TRỌNG LỰC VÀ THỦY VĂN BỀ MẶT ĐỂ THEO DÕI DIỄN BIẾN TRỮ LƯỢNG NƯỚC NGẦM TẠI KHU VỰC BẮC TRUNG BỘ Lê Tiến Duy, Trần Thành Lê, Hoàng Văn Tuấn, Lê Thị Liên, Lê Thị Hoa Huệ Trường Đại học Tài nguyên Mơi trường Hà Nội Tóm tắt Nhiệm vụ vệ tinh Phục hồi trọng lực thí nghiệm khí hậu (GRACE) áp dụng để xác định biến động trữ lượng nước (Terrestrial Water Storage - TWS), chủ yếu bao gồm nước ngầm (Ground Water - GW), nước mặt (Surface Water - SW), tức độ ẩm đất (Soil Moisture - SM) nước tuyết tương đương (Snow Water Equivalent - SWE) Để theo dõi biến động trữ lượng nước ngầm, nhóm tác giả xác định biến động trữ lượng nước (TWS) dựa vào liệu vệ tinh trọng lực GRACE Sau đó, tiến hành loại bỏ yếu tố nước mặt mơ theo mơ hình bề mặt đất Hệ thống đồng hóa liệu đất tồn cầu GLDAS (Global Land Data Assimilation System) Biến động trữ lượng nước (TWS) xác định từ sản phẩm GRACE (CSR, GFZ JPL) mơ hình GLDAS Phân tích số liệu cho thấy giải pháp thu thơng qua việc loại bỏ độ ẩm đất (SM) mô hình GLDAS có đủ sở Dựa quy trình xử lí liệu vệ tinh GRACE WeiFeng, sau đó, loại bỏ biến động liệu nước mặt từ NAOH mơ hình GLDAS, chúng tơi tiến hành ước tính biến động nước ngầm khu vực nghiên cứu, đồng thời, thu thập số liệu nước ngầm quan trắc chỗ tầng chứa nước không áp 03 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An Hà Tĩnh, đại diện cho khu vực nghiên cứu để theo dõi xu hướng tăng giảm mực nước ngầm, nhằm đưa kết luận dự báo cho toàn vùng Dựa xu hướng biến động trữ lượng nước hàng năm nước mặt CSR - Nước mặt, GFZ - Nước mặt, JPL - Nước mặt cho thấy, mơ hình CSR -Nước mặt phù hợp khu vực nghiên cứu Trên sở đó, kết luận biến động trữ lượng nước ngầm khu vực Bắc Trung Bộ có xu hướng giảm nhẹ: - 0,09 ± 0,25 cm, giai đoạn từ năm 2011 - 2017 Từ khóa: Vệ tinh Phục hồi trọng lực Thí nghiệm khí hậu; Hệ thống đồng hóa liệu đất tồn cầu; Tổng trữ lượng nước; Nước ngầm; Nước mặt; Độ ẩm đất Abstract Combining gravity satellite data and surface hydrology to monitor changes in groundwater reserves in the North central region The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission is applied to determine the variation of water storage (TWS), mainly consisting of groundwater (GW), surface water (SW), ie soil moisture (SM) and snow water equivalent (SWE) To monitor groundwater reserve fluctuations, we determine changes in terrestrial water storage (TWS) based on GRACE gravity satellite data, then proceed to remove surface water simulated by the Global Land Data Assimilation System model (GLDAS) Changes in terrestrial water storage were determined from GRACE products (CSR, GFZ, JPL) and GLDAS model, data analysis showed that the solution was obtained through soil moisture removal (SM) in the GLDAS model is enough basis Based on WeiFeng’s GRACE satellite data processing process, then removing surface water data fluctuations from NAOH in the GLDAS model, we estimate groundwater fluctuations in the study area, and at the same time collect Collecting groundwater data for in situ monitoring in the unconfined aquifer in provinces of Thanh Hoa, Nghe An, Ha Tinh representing the study area to monitor the trend of increasing and decreasing groundwater level, for the purpose of providing forecast conclusions for the whole region Based on the annual trend of water reserve variation of Surface Water and Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 461 CSR - Surface Water, GFZ - Surface Water, JPL - Surface Water, the CSR - Surface Water model is the most suitable in the study area On that basis, it can be concluded that the fluctuation of groundwater reserves in the North Central region trends to decrease slightly: - 0.09 ± 0.25cm in the period from 2011 to 2017 Keywords: Gravity Recovery Satellite and Climate Experiment; Global Land Data Assimilation System; Total water reserves; Groundwater; Surface water; Soil moisture Đặt vấn đề Biến đổi khí hậu nguyên nhân khiến cho mối quan hệ yếu tố cân vốn có Điều mối đe dọa an ninh lương thực, chất lượng nguồn nước nguồn lượng Biến đổi khí hậu tượng mà người phủ nhận tác động hiển nhiên [1] Tài nguyên nước (TNN) là nguồn nước mà người sử dụng sử dụng vào mục đích khác nhau, nước dùng hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí và mơi trường, hầu hết hoạt động cần nước Vấn đề lớn với việc quản lý tài nguyên nước theo dõi, kiểm soát nguồn nước định kì Sự sụt giảm nguồn nước ngầm vơ hình hậu thường thể vào nhiều năm sau Dễ thấy rằng, mơ hình hạn hán gắn chặt với cạn kiện nước ngầm Nước bề mặt phục hồi sau có nhiều mưa lớn nhiều để phục hồi lượng nước bị hút khỏi tầng ngậm nước Sự suy giảm tài nguyên nước đất khu vực Bắc Trung Bộ vấn đề ban ngành quan tâm, khu vực có hai tầng chứa nước khai thác sử dụng, tầng chứa nước Holocen (qh) Pleistocen (qp) Xuất phát từ tầm quan trọng việc dự báo TNN, lựa chọn phương pháp sử dụng liệu vệ tinh Phục hồi trọng lực Thí nghiệm khí hậu (GRACE) Hệ thống đồng hóa liệu đất tồn cầu GLDAS để theo dõi biến động trữ lượng nước ngầm khu vực Bắc Trung Bộ Sứ mệnh GRACE bao gồm 02 vệ tinh thiết kế để lập đồ chuẩn xác biến đổi trọng trường Trái đất Hai vệ tinh giống hệt bay quỹ đạo cực, độ cao khoảng 500 km, phía Trái đất, đặt cách khoảng cách 220 km quỹ đạo Khoảng cách 02 vệ tinh đo liên tục GPS radar Dữ liệu GRACE sử dụng nghiên cứu bao gồm 60 dị thường TWS hàng tháng loại RL05, phát hành từ tháng 03 năm 2011 đến tháng 06 năm 2017, Trung tâm Nghiên cứu vũ trụ (Center for Space Research - CSR), Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Địa chất Đức (German Research Center for Geosciences - GFZ) từ Phịng thí nghiệm Động phản lực NASA (Jet Propulsion Laboratory - JPL) cung cấp Theo số nghiên cứu gần chứng minh rằng, mơ hình GLDAS phù hợp mơ hình thủy văn khác ước lượng GRACE-GLDAS tương ứng tốt với ước lượng từ việc theo dõi giếng quan trắc [2, 3, 4] Vì vậy, nghiên cứu này, sử dụng mô hình GLDAS kết hợp với liệu vệ tinh 03 tổ chức CSR, GFZ JPL để theo dõi diễn biến trữ lượng nước ngầm cho tỉnh khu vực Bắc Trung Bộ Cơ sở lí thuyết phương pháp nghiên cứu 2.1 Giới thiệu phạm vi nghiên cứu Bắc Trung Bộ là phần phía Bắc của Trung Bộ, kéo dài từ tỉnh Thanh Hóa đến phía Bắc của đèo Hải Vân, vùng kinh tế trọng điểm miền Trung Với vị trí địa lý sau: phía Bắc giáp 462 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững Trung du miền núi Bắc Bộ, Đồng Sơng Hồng; phía Nam giáp Duyên hải Nam Trung Bộ; phía Tây giáp dãy Trường Sơn Lào; phía Đơng Biển Đơng (Vịnh Bắc Bộ) Khu vực bao gồm Trung du miền núi, địa hình phân dị phức tạp, thời tiết khắc nghiệt, nhiều biến động Phạm vi nghiên cứu bao gồm 06 tỉnh: Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, giới hạn từ 16 đến 20.75 vĩ độ Bắc từ 103.75 đến 108.25 kinh độ Đơng (Hình 1) Hình 1: Sơ đồ khu vực Bắc Trung Bộ 2.2 Cơ sở lí thuyết phương pháp nghiên cứu Vệ tinh Phục hồi Trọng lực Thí nghiệm Khí hậu (GRACE) áp dụng để theo dõi diễn biến thay đổi tổng lượng nước (TWS), chủ yếu bao gồm nước ngầm, độ ẩm đất tuyết [5] ∆TWS = ∆GW + ∆SM + ∆SWE (1) Khu vực nghiên cứu khơng có tuyết nên phương trình (1) viết lại: ∆TWS = ∆GW + ∆SM (2) Trong đó: ∆GW thay đổi nước ngầm; ∆TWS thay đổi tổng lượng nước; ∆SM thay đổi độ ẩm đất Trong đó, biến thể từ SM mơ từ mơ hình thủy văn bề mặt đất Do đó, ước tính thay đổi mực nước ngầm cách loại bỏ biến thể nước mặt khỏi tổng lượng nước có nguồn gốc từ GRACE 2.2.1 Thu thập xử lý liệu GRACE Dữ liệu GRACE sử dụng để ước tính TWS nghiên cứu bao gồm 60 trường trọng lực Release (RL05) hàng tháng, từ tháng năm 2011 đến tháng năm 2017, cung cấp Trung tâm Nghiên cứu Không gian (CSR), Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Địa chất Đức (GFZ) từ Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực NASA (JPL) Kết TWS có 16 tháng bị thiếu liệu quản lý pin (tháng 06/2011; 05/2012; 10/2012; 03/2013; 08/2013; 09/2013; 02/2014; 07/2014; 12/2014; 06/2015; 10/2015; 11/2015; 04/2016; 09/2016; 10/2016; 02/2017) xác định phép nội suy tuyến tính Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 463 Dựa nghiên cứu Cheng Tapley, đề xuất thay hệ số C20 ước tính từ giải pháp định vị Laser vệ tinh (SLR), đó, giá trị thu từ quan sát GRACE có độ không đảm bảo so với giá trị SLR [6], thay đổi theo mùa sóng hài hình cầu bậc đại diện cho biến thể Geocenter Earth, không cung cấp riêng GRACE Sử dụng lọc Gaussian với bán kính làm mịn 300 km lọc tương quan “P2M5” (đối với hệ số hài hình cầu bậc trở lên, đa thức bậc lắp vào cặp chẵn sau đa thức phù hợp loại bỏ khỏi hệ số, tương tự áp dụng với cặp lẻ) để giảm thiểu ảnh hưởng lỗi “sọc” [7, 8, 9] Sau xử lý có liên quan, mơ hình tính tốn lưu trữ nước cạn (EWH) tính theo [10, 11] (3) Trong đó: : Khối lượng riêng trung bình Trái đất (5517 kg/m3); : Khối lượng riêng nước (giả định 1000 kg / m3); : Diện tích góc vùng; kl: Hệ số love number bậc l, đại diện cho phản ứng Trái đất tải trọng bề mặt thu [12]; : Là hệ số hài hình cầu mơ tả hình dạng khu vực; W tương ứng với toán tử làm trơn Gaussian; : Là phần dư hệ số điều hịa hình cầu trường trọng lực, đó, giá trị trung bình dài hạn bị loại bỏ Tồn q trình xử lý liệu GRACE áp dụng theo quy trình FengWei chạy phần mềm Matlab 2.2.2 Dữ liệu thủy văn bề mặt Được phát triển chung Trung tâm bay vũ trụ Goddard NASA (GSFC) Trung tâm Dự báo Môi trường Đại dương Quốc gia (NOAA) (NCEP), GLDAS trình bày biến thể địa hình gần thời gian thực tối ưu hóa cung cấp thơng tin lượng độ ẩm đất bề mặt toàn cầu Sự phát triển mơ hình thủy văn bề mặt đất giúp thu phân bố theo thời gian không gian biến thể độ ẩm quy mô lớn Trong nghiên cứu này, sử dụng độ ẩm đất trung bình tương đương từ mơ hình GLDAS toàn cầu, sau lọc liệu độ ẩm đất phần mềm Panoply, thu liệu nước mặt tháng 06 tỉnh Bắc Trung Bộ Kết thảo luận 3.1 Các biến thể lưu trữ nước cạn Vì biến thể tích trữ nước có tín hiệu theo mùa nên phân tích hồi quy đa tuyến tính áp dụng để kiểm tra biến thiên theo thời gian đại lượng thủy văn, chẳng hạn TWS ước tính Do đó, chuỗi thời gian định, mơ hình sử dụng cơng việc tính đến [16]: 464 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững (4) Trong đó: t thời gian; a số; , liên quan đến biên độ, pha tần số; k đại diện cho bậc sóng hài hòa (k = k = tương ứng với thành phần hàng năm nửa năm tương ứng); thay đổi lại liệu, chủ yếu nhiễu với số tín hiệu dư Quan sát Hình Bảng 1, mơ hình từ GRACE GLDAS có biên độ rõ rệt, theo chu kì hàng năm, trữ lượng nước thường tăng cao vào tháng 8, 9, 10 giảm thấp vào tháng 02, 3, Duy có mơ hình GLDAS thể dị thường khác biệt vào thời điểm cuối năm 2016, thời điểm lũ lụt diễn cực mạnh tỉnh Bắc Trung Bộ Hình 2: Biến động trữ nước có nguồn gốc từ GRACE (từ tổ chức CSR, GFZ JPL) từ mơ hình GLDAS khu vực Bắc Trung Bộ Bảng Biên độ xu hướng hàng năm trữ lượng nước ước tính từ liệu vệ tinh trọng lực GRACE Nước mặt từ mô hình GLDAS Biến số CSR GFZ JPL Nước mặt Biên độ hàng năm (cm) 7,42 ± 0,62 6,1 ± 0,71 5,91 ± 0,59 4,01 ± 0,52 Xu hướng (cm) -0,15 ± 0,24 -0,18 ± 0,28 -0,05 ± 0,23 -0,06 ± 0,2 RMSD (cm) 1,93 2,21 1,84 1,6 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 465 Hình 3: Biến động mực nước ngầm xu hướng hàng năm ước tín sau loại bỏ biến động Nước mặt từ liệu vệ tinh GRACE - CSR Hình 4: Biến động mực nước ngầm xu hướng hàng năm ước tính sau loại bỏ biến động Nước mặt từ liệu vệ tinh GRACE - GFZ Hình 5: Biến động mực nước ngầm xu hướng hàng năm ước tính sau loại bỏ biến động nước mặt từ liệu vệ tinh GRACE - JPL 466 Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững Bảng Biên độ xu hướng biến động trữ lượng nước vệ tinh trọng lực GRACE nước mặt từ mơ hình thủy văn GLDAS - NAOH Biến số CSR - Nước mặt GFZ - Nước mặt JPL - Nước mặt Biên độ hàng năm (cm) 3,41 ± 0,64 2,09 ± 0,72 1,9 ± 0,64 Xu hướng (cm) -0,09 ± 0,25 -0,12 ± 0,28 0,02 ± 0,25 RMSD (cm) 1,97 2,25 2,0 Sau loại bỏ liệu nước mặt từ mơ hình GRACE, nhóm tác giả nhận thấy nước ngầm khu vực có xu hướng giảm, có số liệu tính theo JPL có dấu hiệu tăng nhẹ (Bảng 2) Quan sát Bảng Hình 3, 4, cho thấy, mơ hình CSR - Nước mặt có độ lệch chuẩn biên độ lỗi trung bình bình phương (RMSD) hay độ lệch chuẩn phần dư bé, điều chứng tỏ mơ hình CSR - SM phù hợp 03 mơ hình Tuy nhiên, để có số liệu kiểm chứng kết nghiên cứu, nhóm tác giả tiến hành thu thập số liệu quan trắc nước ngầm 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An Hà Tĩnh với thời gian quan trắc từ tháng năm 2011 đến tháng năm 2017 3.2 Phân tích so sánh biến thể nước ngầm Số liệu quan trắc nước ngầm 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An Hà Tĩnh, thời gian quan trắc từ tháng năm 2011 đến tháng năm 2017 (đây khoảng thời gian địa điểm thu thập liệu từ giếng quan trắc chỗ, địa phương khác hầu hết đến năm 2018 xây dựng giếng quan trắc) 21 20.5 20 Lat 19.5 19 18.5 18 17.5 103.5 104 104.5 105 Long 105.5 106 106.5 107 Tồn vị trí giếng xác định nằm 08 lưới, kích thước 0,25 × 0,25 độ, với tổng số 18 giếng quan trắc, số liệu thống kê theo độ cao mực nước trung bình ô lưới tầng chứa nước không áp (qh) (Hình 6) Hình 6: Sơ đồ khu vực 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An Hà Tĩnh (bao quanh đường cong màu xanh) phân bố giếng quan trắc nước ngầm (chấm đỏ) Các hình chữ nhật màu đen đại diện cho lưới có độ rộng kinh độ vĩ độ (0,250 × 0,250) Quan sát Hình nhóm tác giả nhận thấy, biến động nước ngầm hàng năm tầng chứa nước không áp khu vực 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An Hà Tĩnh có xu hướng giảm (- 0,53 ± 0,18 cm) Nếu nhìn vào kết quả, ước tính biến động vùng Bắc Trung Bộ là: - 0,09 ± 0,25 cm (Bảng Hình 3) lí giải tương đồng xu hướng giảm nhẹ hàng năm sở địa hình 03 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An Hà Tĩnh - đại diện cho vùng Bắc Trung Bộ Nghiên cứu chuyển giao, ứng dụng khoa học công nghệ sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường phát triển bền vững 467 ... liệu vệ tinh 03 tổ chức CSR, GFZ JPL để theo dõi diễn biến trữ lượng nước ngầm cho tỉnh khu vực Bắc Trung Bộ Cơ sở lí thuyết phương pháp nghiên cứu 2.1 Giới thiệu phạm vi nghiên cứu Bắc Trung Bộ? ?là... trọng việc dự báo TNN, lựa chọn phương pháp sử dụng liệu vệ tinh Phục hồi trọng lực Thí nghiệm khí hậu (GRACE) Hệ thống đồng hóa liệu đất toàn cầu GLDAS để theo dõi biến động trữ lượng nước ngầm. .. mực nước ngầm xu hướng hàng năm ước tính sau loại bỏ biến động Nước mặt từ liệu vệ tinh GRACE - GFZ Hình 5: Biến động mực nước ngầm xu hướng hàng năm ước tính sau loại bỏ biến động nước mặt từ liệu