Kỹ Thuật - Công Nghệ - Công nghệ - Môi trường - Công nghệ thông tin BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ HÙNG CHIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIÁM SÁT SỰ BỐC - THOÁT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ Mã số: 9.520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, 2022 Công trình được hoàn thành tại Bộ môn Đo ảnh và Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học 1. PGS.TS Trần Xuân Trường, Trường Đại học Mỏ - Địa chất. 2. PGS. TS Doãn Hà Phong, Viện Khoa học khí tượng thủy văn và biến đổi khí hậu. Phản biện 1: PGS.TS Trần Vân Anh Phản biện 2: TS Chu Hải Tùng Phản biện 3: PGS. TS Trịnh Lê Hùng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi ……giờ…..ngày….tháng…...năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội hoặc Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Bốc hơi nước E (Evaporation) là sự trở lại của hơi nước vào trong khí quyển thông qua sự khuếch tán của các phân tử nước từ đất, thảm thực vật, khối nước và các bề mặt ẩm ướt khác. Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi là sự thoát hơi nước của thực vật. Tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước. Thực tiễn đã có nhiều mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước khác nhau đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam. Mỗi mô hình đều có những ưu, nhược điểm và phù hợp với các điều kiện địa hình, khí hậu và thực trạng bề mặt lớp phủ. Việc lựa chọn mô hình để ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ cho khu vực cụ thể cần căn cứ vào yêu cầu dữ liệu đầu vào của các mô hình, tính ưu việt của các mô hình đó và phù hợp về trình độ khoa học công nghệ hiện tại. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Lựa chọn, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế (ETa) phù hợp với điề u kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam. - Xây dựng được quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ với các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắ c Việt Nam. 3. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án: bốc thoát hơi nước của bề mặt lớp phủ; ảnh vệ tinh Landsat 8; mô hình SEBAL; mô hình Priestley - Taylor; năng lượng bức xạ ròng mặt trời và các tham số đượ c tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8. 4. Phạm vi nghiên cứu + Về không gian: Nghiên cứu được tiến hành thực nghiệm tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việ t Nam; + Về thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số a, b của mô hình Priestley-Taylor từ chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2015-2021. Thực nghiệm ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại thời điểm ngày 0172015, ngày 0462017 và ngày 1882021; + Về dữ liệu ảnh vệ tinh: Nghiên cứu được thực nghiệm với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8. 5. Nội dung nghiên cứu của luận án - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, tổng hợp công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, các mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh; - Cơ sở khoa học của việc ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh; - Mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước với các tham số phù hợp với điều kiện điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hoà Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam; - Xây dựng quy trình giám sát lượng bốc, thoát hơi nước bề mặt lớp phủ sử dụng kết hợp mô hình viễ n thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor; - Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợ p mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine; - Xác định lượng bốc, thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor với hệ số tuyến tính a, b tính từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp cho 2 các thời điểm ngày 0172015, ngày 0462017 và ngày 1882021, so sánh đánh giá kết quả với lượng bốc thoát hơi nước từ các trạm khí tượng thuỷ văn. 6. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp, phương pháp phân tích, tổng hợp số liệu, phương pháp viễ n thám, phương pháp thực nghiệm, phương pháp so sánh, phương pháp mô hình hóa. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Có thể sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor để xác định lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việ t Nam với điều kiện địa hình chia cắt mạnh, nhiều tiểu vùng khí hậu, chênh cao lớn và bề mặt lớp phủ với nhiề u các trạng thái cây trồng khác nhau. Các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ (năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày Rnd, nhiệt độ bề mặt Ts, nhiệt hóa hơi tiềm ẩn λ, hằng số Psychrometric γ, độ dốc đườ ng cong áp suất hơi nước bão hòa của không khí Δ) được tính trực tiếp từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM mà không cần sử dụng số liệu khí tượng đo trực tiếp. Tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ tin học, tự động hóa trong việc ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước của bề mặt lớp phủ. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án là tư liệu về lý thuyết và thực nghiệm việc sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao từ DEM để chiết xuất, tính toán các tham số phục vụ tính lượng bốc thoát hơi nướ c từ bề mặt lớp phủ. Giúp cho các cơ quan quản lý về nông, lâm nghiệp, tài nguyên môi trường sử dụng nguồn nước một cách hiệu quả, phòng tránh giảm nhẹ các thiệt hại do hạn hán, cháy rừng trong sản xuấ t nông, lâm nghiệp. Kết quả nghiên cứu của luận án đã khẳng định tính hiệu quả, khả thi của việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, rút ngắn thời gian ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước tại tỉ nh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam và có thể ứng dụng rộng rãi cho các khu vực khác tại Việt Nam, mở rộ ng các ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, thủy lợi, quản lý nguồn nước. 8. Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Giá trị của các tham số năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày (Rnd), nhiệt ẩ n quá trình bốc thoát hơi nước (λ), hằng số Psychrometric (γ), độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa (Δ) đượ c tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao (DEM) có thể thay thế các tham số đượ c tính từ dữ liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm khí tượng, thủy văn phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam. Luận điểm 2: Hệ số tuyến tính a, b của mô hình Priestley - Taylor được xác định bằng phương pháp thực nghiệm từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm khí tượng thuỷ văn. Các tham số đượ c tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao (DEM) sử d ụng trong mô hình, quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ đã đề xuất hoàn toàn phù hợp và đảm bảo độ chính xác với điều kiện địa hình, khí hậu, bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam. 9. Những điểm mới của luận án - Đề xuất được hệ số a, b của mô hình Priestley - Taylor phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ với nhiều các trạ ng thái cây trồng khác nhau của khu vực Tây Bắc Việt Nam. 3 - Đề xuất được mô hình, qui trình và xây dựng được chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước lớp phủ bề mặt từ các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ DEM phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam không cần sử dụng số liệu từ các trạm quan trắc khí tượng thủy văn. 10. Cấu trúc của luận án Cấu trúc luận án gồm phần mở đầu, 03 chương nội dung và kết luận kiến nghị. Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nội dung chương 1 trình bày các vấn đề khái niệm cơ bản bốc thoát hơi nước, các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh, tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ, đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu và xác định các vấn đề cần thảo luận phát triển trong luận án. 1.1. Các khái niệm bốc thoát hơi nước 1.1.1 Bốc hơi nước (E) Bốc hơi nước E (Evaporation) là quá trình mà nước lỏng được chuy ển thành hơi nước (hóa hơi) và được loại bỏ khỏi bề mặt, là công đoạn đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể l ỏng thành hơi nước trong khí quyển. Nguyên nhân chính của sự bốc hơi nước là sự chênh lệch về áp suất hơi nước ở bề mặ t và áp suất của khí quyển xung quanh. Nước bốc hơi từ nhiều loại bề mặt, chẳng hạn như hồ, sông, vỉa hè, đấ t trống và thảm thực vật. Tuy nhiên, sự bốc hơi phổ biến nhất được dùng để nói tới sự mất nước từ các bề mặ t của khối nước, đất trống hay từ các đối tượng không có sự sống khác (Allen và cộng sự 1990). 1.1.2 Thoát hơi nước (T) Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó. Quá trình thoát hơi xảy ra bên trong thân, lá do sự trao đổi hơi với khí quyển được điều khiển bởi lỗ khí khổng của lá. Gần như toàn bộ lượng nước do cây trồng hấp thụ sẽ bị mất đi do thoát hơi nước và chỉ một phần nhỏ được sử dụng trong cây sinh trưởng phát triển. Do đó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi là sự thoát hơi nước của thực vật, tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990). 1.1.3. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration) Sự bốc hơi và thoát hơi nước xảy ra đồng thời và không có cách nào dễ dàng để phân biệt giữa hai quá trình. Ngoài lượng nước sẵn có trong lớp đất mặt, sự bốc hơi từ đất trồng trọt chủ yếu được xác định bởi phần bức xạ mặt trời đến bề mặt đất. Tỷ lệ này giảm dần trong thời kỳ sinh trưởng khi cây trồng phát triển và tán cây che phủ ngày càng nhiều diện tích mặt đất. Khi cây trồng còn nhỏ, nước bị mất chủ yếu do bốc hơi từ đất, giai đoạn cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt che phủ hoàn toàn bề mặt đất, khi đó quá trình thoát hơi nước là nguồn chính trong quá trình bốc thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990). 1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi là năng lượng bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí, nhiệt độ, vận tốc gió và thực vật bề mặt lớp phủ. 1.1.8. Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation) Lượng thoát hơi nước qua lá trong quá trình phát triển của cây trồng cộng với lượng bốc hơi nước qua mặt thoáng trong thời kỳ đó (Allen và cộng sự 1990). 4 1.1.9. Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước Mô hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước: là sự ước tính, theo dõi, quan sát lượng bốc thoát hơi nước có tính chủ động, thường xuyên, liên tục theo một quy trình, mô hình đã được xây dựng sẵn. Quy trình, mô hình được xây dựng dựa trên việc đề xuất có chủ định của các yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng bốc thoát hơi nước. 1.2. Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng 1.2.1. Các phương pháp đo trực tiếp Phương pháp quan trắc bốc hơi bằng ống Piche là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, nội dung phương pháp được mô tả như sau: Ống bốc hơi Piche là một ống thủy tinh dài từ 17 đến 30cm, đường kính 1 cm, có khắc vạch, một đầu kín, một đầu hở được đậy bằng một mặt giấy xốp tròn mầu trắng có nẹp kim loại để giữ. Phương pháp thủy tiêu kế (Lysimeter) là một thiết bị dùng để xác định giá trị bốc thoát hơi tham chiếu (ET0 ) của một cây trồng theo một điều kiện tưới chủ động. Bằng cách đo thể tích nước hay trọng lượng ta có thể xác định lượng bốc thoát hơi dựa vào phương trình cân bằng nước. 1.2.2. Các mô hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models) 1.2.2.1. Mô hình Makkink Năm 1957 mô hình Makkink đã được đề xuất và sử dụng rộng rãi cho đến ngày nay do đã giảm bớt một số các thông số đo ngoại nghiệp mà phương pháp FAO Penman đang sử dụng. 1.2.2.2. Mô hình Priestley-Taylor Năm 1972, Priestley - Taylor đề xuất mô hình tính l ượng bốc thoát hơi nước từ năng lượng bức xạ mặt trời Mô hình Priestley-Taylor là mô hình tính lượng bốc thoát hơi nước được dùng khá phổ biến trên thế giới.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT LÊ HÙNG CHIẾN NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIÁM SÁT SỰ BỐC - THỐT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH Ngành: KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA - BẢN ĐỒ Mã số: 9.520503 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, 2022 Cơng trình hồn thành Bộ mơn Đo ảnh Viễn thám, Khoa Trắc địa - Bản đồ Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Người hướng dẫn khoa học PGS.TS Trần Xuân Trường, Trường Đại học Mỏ - Địa chất PGS TS Doãn Hà Phong, Viện Khoa học khí tượng thủy văn biến đổi khí hậu Phản biện 1: PGS.TS Trần Vân Anh Phản biện 2: TS Chu Hải Tùng Phản biện 3: PGS TS Trịnh Lê Hùng Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi ……giờ… ngày….tháng… năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Quốc Gia, Hà Nội Thư viện Trường Đại học Mỏ - Địa chất MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Bốc nước E (Evaporation) trở lại nước vào khí thơng qua khuếch tán phân tử nước từ đất, thảm thực vật, khối nước bề mặt ẩm ướt khác Thoát T (Transpiration) tượng nước khơng khí từ bề mặt lá, thân phản ứng sinh lý trồng để chống lại khơ hạn xung quanh nó, nước từ thảm thực vật gọi thoát nước thực vật Tổng lượng nước qua khuếch tán phân tử nước vào khí thường gọi thoát nước Thực tiễn có nhiều mơ hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước khác áp dụng giới Việt Nam Mỗi mô hình có ưu, nhược điểm phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu thực trạng bề mặt lớp phủ Việc lựa chọn mơ hình để ước tính, giám sát lượng bốc nước từ bề mặt lớp phủ cho khu vực cụ thể cần vào yêu cầu liệu đầu vào mơ hình, tính ưu việt mơ hình phù hợp trình độ khoa học công nghệ Mục tiêu nghiên cứu - Lựa chọn, đề xuất mơ hình ước tính lượng bốc nước thực tế (ETa) phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam - Xây dựng quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước bề mặt lớp phủ với tham số tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat kết hợp thông tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài luận án: bốc thoát nước bề mặt lớp phủ; ảnh vệ tinh Landsat 8; mơ hình SEBAL; mơ hình Priestley - Taylor; lượng xạ ròng mặt trời tham số tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat Phạm vi nghiên cứu + Về không gian: Nghiên cứu tiến hành thực nghiệm tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam; + Về thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số a, b mơ hình Priestley-Taylor từ chuỗi liệu khí tượng giai đoạn 2015-2021 Thực nghiệm ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ thời điểm ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021; + Về liệu ảnh vệ tinh: Nghiên cứu thực nghiệm với liệu ảnh vệ tinh Landsat Nội dung nghiên cứu luận án - Tổng quan vấn đề nghiên cứu, tổng hợp cơng trình nghiên cứu ngồi nước, mơ hình ước tính lượng bốc nước từ liệu khí tượng liệu ảnh vệ tinh; - Cơ sở khoa học việc ước tính, giám sát lượng bốc nước từ liệu ảnh vệ tinh; - Mơ hình ước tính, giám sát lượng bốc nước với tham số phù hợp với điều kiện điều kiện địa hình, khí hậu bề mặt lớp phủ tỉnh Hồ Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam; - Xây dựng quy trình giám sát lượng bốc, thoát nước bề mặt lớp phủ sử dụng kết hợp mơ hình viễn thám SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley-Taylor; - Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước thực tế sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley-Taylor Google Earth Engine; - Xác định lượng bốc, thoát nước thực tế sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley-Taylor với hệ số tuyến tính a, b tính từ chuỗi liệu khí tượng đo trực tiếp cho thời điểm ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021, so sánh đánh giá kết với lượng bốc thoát nước từ trạm khí tượng thuỷ văn Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp, phương pháp phân tích, tổng hợp số liệu, phương pháp viễn thám, phương pháp thực nghiệm, phương pháp so sánh, phương pháp mơ hình hóa Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Có thể sử dụng kết hợp mơ hình viễn thám SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley-Taylor để xác định lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam với điều kiện địa hình chia cắt mạnh, nhiều tiểu vùng khí hậu, chênh cao lớn bề mặt lớp phủ với nhiều trạng thái trồng khác Các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thoát nước từ bề mặt lớp phủ (năng lượng xạ rịng trung bình ngày Rnd, nhiệt độ bề mặt Ts, nhiệt hóa tiềm ẩn λ, số Psychrometric γ, độ dốc đường cong áp suất nước bão hịa khơng khí Δ) tính trực tiếp từ ảnh vệ tinh Landsat thông tin độ cao từ DEM mà không cần sử dụng số liệu khí tượng đo trực tiếp Tạo sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ tin học, tự động hóa việc ước tính, giám sát lượng bốc nước bề mặt lớp phủ Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án tư liệu lý thuyết thực nghiệm việc sử dụng ảnh vệ tinh Landsat kết hợp thông tin độ cao từ DEM để chiết xuất, tính tốn tham số phục vụ tính lượng bốc thoát nước từ bề mặt lớp phủ Giúp cho quan quản lý nông, lâm nghiệp, tài nguyên môi trường sử dụng nguồn nước cách hiệu quả, phòng tránh giảm nhẹ thiệt hại hạn hán, cháy rừng sản xuất nông, lâm nghiệp Kết nghiên cứu luận án khẳng định tính hiệu quả, khả thi việc sử dụng liệu ảnh vệ tinh Landsat nhằm nâng cao hiệu kinh tế, rút ngắn thời gian ước tính, giám sát lượng bốc nước tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam ứng dụng rộng rãi cho khu vực khác Việt Nam, mở rộng ứng dụng lĩnh vực nông nghiệp, thủy lợi, quản lý nguồn nước Luận điểm bảo vệ Luận điểm 1: Giá trị tham số lượng xạ ròng trung bình ngày (Rnd), nhiệt ẩn q trình bốc nước (λ), số Psychrometric (γ), độ dốc đường cong áp suất nước bão hịa (Δ) tính tốn từ liệu ảnh vệ tinh Landsat mô hình số độ cao (DEM) thay tham số tính từ liệu khí tượng đo trực tiếp trạm khí tượng, thủy văn phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc nước bề mặt lớp phủ tỉnh Hịa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam Luận điểm 2: Hệ số tuyến tính a, b mơ hình Priestley - Taylor xác định phương pháp thực nghiệm từ chuỗi liệu khí tượng đo trực tiếp trạm khí tượng thuỷ văn Các tham số tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat mơ hình số độ cao (DEM) sử dụng mơ hình, quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước bề mặt lớp phủ đề xuất hoàn tồn phù hợp đảm bảo độ xác với điều kiện địa hình, khí hậu, bề mặt lớp phủ tỉnh Hịa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam Những điểm luận án - Đề xuất hệ số a, b mơ hình Priestley - Taylor phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu bề mặt lớp phủ với nhiều trạng thái trồng khác khu vực Tây Bắc Việt Nam - Đề xuất mơ hình, qui trình xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước lớp phủ bề mặt từ tham số tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat thơng tin độ cao từ DEM phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu bề mặt lớp phủ tỉnh Hịa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam khơng cần sử dụng số liệu từ trạm quan trắc khí tượng thủy văn 10 Cấu trúc luận án Cấu trúc luận án gồm phần mở đầu, 03 chương nội dung kết luận kiến nghị Chương TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Nội dung chương trình bày vấn đề khái niệm bốc nước, phương pháp mơ hình ước tính lượng bốc nước bề mặt lớp phủ từ liệu khí tượng liệu ảnh vệ tinh, tổng quan cơng trình nghiên cứu ngồi nước liên quan đến ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ, đánh giá chung kết nghiên cứu xác định vấn đề cần thảo luận phát triển luận án 1.1 Các khái niệm bốc thoát nước 1.1.1 Bốc nước (E) Bốc nước E (Evaporation) trình mà nước lỏng chuyển thành nước (hóa hơi) loại bỏ khỏi bề mặt, cơng đoạn vịng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành nước khí Nguyên nhân bốc nước chênh lệch áp suất nước bề mặt áp suất khí xung quanh Nước bốc từ nhiều loại bề mặt, chẳng hạn hồ, sông, vỉa hè, đất trống thảm thực vật Tuy nhiên, bốc phổ biến dùng để nói tới nước từ bề mặt khối nước, đất trống hay từ đối tượng khơng có sống khác (Allen cộng 1990) 1.1.2 Thoát nước (T) Thoát T (Transpiration) tượng nước thoát khơng khí từ bề mặt lá, thân phản ứng sinh lý trồng để chống lại khơ hạn xung quanh Q trình xảy bên thân, trao đổi với khí điều khiển lỗ khí khổng Gần tồn lượng nước trồng hấp thụ bị thoát nước phần nhỏ sử dụng sinh trưởng phát triển Do đó, nước từ thảm thực vật gọi thoát nước thực vật, tổng lượng nước qua khuếch tán phân tử nước vào khí thường gọi nước (Allen cộng 1990) 1.1.3 Bốc thoát nước ET (Evaporation Transpiration) Sự bốc nước xảy đồng thời khơng có cách dễ dàng để phân biệt hai trình Ngồi lượng nước sẵn có lớp đất mặt, bốc từ đất trồng trọt chủ yếu xác định phần xạ mặt trời đến bề mặt đất Tỷ lệ giảm dần thời kỳ sinh trưởng trồng phát triển tán che phủ ngày nhiều diện tích mặt đất Khi trồng nhỏ, nước bị chủ yếu bốc từ đất, giai đoạn trồng sinh trưởng phát triển tốt che phủ hoàn toàn bề mặt đất, q trình nước nguồn q trình bốc nước (Allen cộng 1990) 1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến bốc thoát nước Các yếu tố ảnh hưởng đến bốc lượng xạ mặt trời, độ ẩm khơng khí, nhiệt độ, vận tốc gió thực vật bề mặt lớp phủ 1.1.8 Lượng bốc thoát thực tế ET (Actual evapotransporation) Lượng thoát nước qua trình phát triển trồng cộng với lượng bốc nước qua mặt thống thời kỳ (Allen cộng 1990) 1.1.9 Mơ hình ước tính giám sát lượng bốc nước Mơ hình ước tính giám sát lượng bốc nước: ước tính, theo dõi, quan sát lượng bốc nước có tính chủ động, thường xun, liên tục theo quy trình, mơ hình xây dựng sẵn Quy trình, mơ hình xây dựng dựa việc đề xuất có chủ định yếu tố ảnh hưởng đến lượng bốc thoát nước 1.2 Phương pháp xác lượng bốc thoát nước sử dụng liệu khí tượng 1.2.1 Các phương pháp đo trực tiếp Phương pháp quan trắc bốc ống Piche phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, nội dung phương pháp mô tả sau: Ống bốc Piche ống thủy tinh dài từ 17 đến 30cm, đường kính cm, có khắc vạch, đầu kín, đầu hở đậy mặt giấy xốp trịn mầu trắng có nẹp kim loại để giữ Phương pháp thủy tiêu kế (Lysimeter) thiết bị dùng để xác định giá trị bốc thoát tham chiếu (ET0) trồng theo điều kiện tưới chủ động Bằng cách đo thể tích nước hay trọng lượng ta xác định lượng bốc dựa vào phương trình cân nước 1.2.2 Các mơ hình sử dụng lượng xạ mặt trời (radiaton-based models) 1.2.2.1 Mơ hình Makkink Năm 1957 mơ hình Makkink đề xuất sử dụng rộng rãi ngày giảm bớt số thông số đo ngoại nghiệp mà phương pháp FAO Penman sử dụng 1.2.2.2 Mơ hình Priestley-Taylor Năm 1972, Priestley - Taylor đề xuất mơ hình tính lượng bốc nước từ lượng xạ mặt trời Mơ hình Priestley-Taylor mơ hình tính lượng bốc nước dùng phổ biến giới ∆ 𝑅𝑛 𝐸𝑇𝑎 = 𝑎 ∆ − 𝛾 𝜆 + 𝑏 (1.3) Ưu điểm mơ hình cho độ xác tính toán lượng bốc thoát nước cao, yêu cầu số liệu đầu vào ít, dễ tính tốn 1.2.3 Các mơ hình kết hợp (combined models) 1.2.3.1 Mơ hình Penman Năm 1948, Penman đề xuất mơ hình tính toán lượng bốc nước phương pháp kết hợp phương pháp cân lượng xạ mặt trời phương pháp chuyển đổi khối lượng 1.2.3.2 Mô hình Penman-Monteith Năm 1965, Monteith phát triển mơ hình Penman 1948 thành mơ hình tính lượng bốc thoát nước áp dụng cho khu vực có diện tích lớn 1.2.3.3 Mơ hình FAO 56 Penman – Monteith Mơ hình FAO 56 Penman – Monteith nằm nhóm mơ hình kết hợp mơ hình xác để xác định lượng bốc thoát nước thời gian khác 𝐸𝑇 0,48∆(𝑅𝑛 − 𝐺) + 𝛾 = 𝑇 + 273 900 𝑢2(𝑒𝑠 − 𝑒𝑎) (1.7) ∆ + 𝛾(1 + 0,3𝑢2) 1.3 Các mơ hình xác ước tính lượng bốc nước từ liệu ảnh vệ tinh Cân lượng bề mặt đất EB (Energy Balance), mơ hình sử dụng phản xạ, xạ bề mặt lớp phủ ảnh vệ tinh dải phổ nhìn thấy cận hồng ngoại phổ điện từ, nhiệt độ bề mặt từ kênh ảnh nhiệt hồng ngoại Phản xạ dựa hệ số trồng (Kc) phương pháp xác định lượng bốc thoát nước tham chiếu ET0, hệ số trồng Kc liên quan đến số thực vật bắt nguồn từ giá trị phản xạ tán 1.3.1 Mơ hình cân lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance Algorithms for Land) Ngun lý mơ hình SEBAL (Bastiaanssen cộng 1998) sử dụng phương trình cân lượng bề mặt đất Lượng bốc thoát nước ET tính tốn từ ảnh vệ tinh liệu khí tượng Ảnh vệ tinh cung cấp thơng tin khoảng thời gian tức thời, mơ hình SEBAL tính lượng bốc nước tức thời thời điểm chụp ảnh Mơ hình SEBAL tính toán lượng bốc thoát nước cho vùng phẳng, khu vực nơng nghiệp với độ xác tin cậy 1.3.2 Mơ hình số cân lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index) Bản chất mơ hình số cân lượng bề mặt dựa tương phản vùng ẩm ướt vùng khô, (Choudhury Menenti 1993) đề xuất mơ hình SEBI để tính tốn lượng bốc nước từ vùng nhỏ dễ bay 1.3.3 Mơ hình Hệ thống cân lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance System) Một mơ hình tiếng hệ thống cân lượng bề mặt (SEBS), (Su 2002, 2001, 2005, Su cộng 2003) thiết kế sửa đổi từ mơ hình SEBI cho việc ước tính cân lượng bề mặt sử dụng liệu viễn thám, đặt tên SEBS 1.3.4 Mơ hình số cân lượng xạ bề mặt đơn giản S-SEBI (Simplified Surface Energy Balance Index) Một phương pháp nhận từ đơn giản hóa mơ hình số cân lượng bề mặt (SEBI), gọi mơ hình số cân lượng bề mặt đơn giản (S-SEBI), phát triển để tính thơng lượng nhiệt bề mặt từ liệu viễn thám (Roerink cộng 2000) Tương phản bề mặt (albedo) độ phụ thuộc lớn phản xạ nhiệt độ bề mặt nhỏ với vùng khô ẩm, sở phương pháp để phân vùng lượng sẵn có thành lượng nhiệt hợp lý lượng nhiệt ẩn 1.4 Các kết nghiên cứu giới liên quan đến đề tài Tổng hợp kết nghiên cứu công bố tạp chí khoa học giới khẳng định khả ứng dụng công nghệ viễn thám việc ước tính lượng bốc nước từ bề mặt lớp phủ hoàn toàn khả thi Phương pháp viễn thám thay phương pháp truyền thống điều kiện địa hình, khí hậu tương đồng tồn khu vực đặc biệt thích hợp với bề mặt lớp phủ trồng sản xuất nông nghiệp, phương pháp viễn thám phù hợp với vùng khơng thể bố trí trạm đo đạc trực tiếp liệu khí tượng ngoại nghiệp Ngồi ra, kết nghiên cứu (Ghaderi cộng 2020), (Bruno cộng 2018), (Cha cộng 2020) việc ứng dụng tư liệu ảnh vệ tinh kết hợp với mơ hình sử dụng liệu khí tượng cho kết ước tính lượng bốc nước với kết xác hơn, phù hợp với khu vực có địa hình phức tạp, chênh cao lớn, chia cắt mạnh có nhiều tiểu vùng khí hậu bề mặt lớp phủ khơng đồng 1.5 Các kết nghiên cứu nước liên quan đến lĩnh vực đề tài Tổng hợp kết nghiên cứu cho thấy phương pháp ước tính lượng bốc nước mà nghiên cứu đề xuất, tiếp cận Fao 56 - Penman – Monteith, Markkink, Preistley - Taylor, mô hình viễn thám S-SEBI Dữ liệu viễn thám chủ yếu ảnh Modis ảnh Landsat 7, chưa có nhiều nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp ảnh vệ tinh mơ hình sử dụng liệu khí tượng Các nghiên cứu sử dụng tham số a, b mơ hình đề xuất thử nghiệm hệ số a, b theo trường hợp khác nhau, mà chưa có sở khoa học để đề xuất hệ số a, b phù hợp mơ hình đặc biệt nghiên cứu thử nghiệm cho khu vực có điều kiện địa hình chia cắt, nhiều tiểu vùng khí hậu, chênh cao lớn, bề mặt lớp phủ với nhiều trạng thái trồng khác Đây khoảng trống để đề tài luận án tiếp cận nghiên cứu xác định lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ cho khu vực Tây Bắc Việt Nam 1.6 Đánh giá chung phương pháp mơ hình ước tính lượng bốc nước từ bề mặt lớp phủ Đối với mơ hình sử dụng liệu khí tượng để xác định lượng bốc nước tham chiếu (ET0) phần lớn nghiên cứu tiếp cận phương trình FAO 56 - Penman- Monteith Để xác định lượng bốc thoát nước thực tế ETa, nghiên cứu tập trung vào mơ hình Priestley – Taylor mơ hình Markkink Khẳng định tính ưu việt việc ứng dụng cơng nghệ ảnh vệ tinh việc xác định lượng bốc thoát nước cho khu vực rộng lớn điều kiện thiếu số liệu khí tượng đo trực tiếp với chi phí thấp hiệu kinh tế cao Thực tế, giới Việt Nam có phương pháp mơ hình sử dụng liệu ảnh vệ tinh để ước tính lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu kết hợp mơ hình viễn thám mơ hình sử dụng liệu khí tượng việc xác định lượng bốc nước bề mặt lớp phủ Chính vậy, cần có nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mơ hình việc ước tính, giám sát lượng bốc nước cho khu vực có điều kiện địa hình, khí hậu, trạng lớp phủ cụ thể 1.7 Một số vấn đề thảo luận phát triển luận án Thực nghiệm xác định hệ số a, b mơ hình Priestley – Taylor phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu, bề mặt lớp phủ tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam Xây dựng quy trình ước tính lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley-Taylor với hệ số tuyến tính xác định thực nghiệm Thực nghiệm xác định lượng bốc thoát nước thực tế ETa bề mặt lớp phủ sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley-Taylor cho thời điểm khác tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam Chương CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ ƯỚC TÍNH, GIÁM SÁT LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC BỀ MẶT LỚP PHỦ Nội dung chương trình bày khái qt về cơng nghệ viễn thám, đặc điểm vai trò khả ứng dụng ảnh vệ tinh Landsat 8, sở khoa học việc sử dụng liệu ảnh vệ tinh tính tốn tham số phục vụ ước tính giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ Cơ sở khoa học việc xác định hệ số tuyến tính a, b mơ hình Priestley-Taylor phù hợp với điều kiện địa hình khí hậu khu vực Tây Bắc Xây dựng quy trình, chương trình ước tính giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL mơ hình Priestley-Taylor 2.1 Khái quát viễn thám 2.2 Đặc điểm ảnh vệ tinh Landsat Vệ tinh Landsat Mỹ phóng thành cơng lên quỹ đạo vào ngày 11/02/2013 với tên gọi đầy đủ Landsat Data Continuity Mission (LDCM) 2.3 Vai trò liệu ảnh vệ tinh Landsat việc chiết xuất, tính tốn tham số phục vụ ước tính lượng bốc thoát nước Các giá trị (Rnd – Năng lượng xạ ròng mặt trời đến bề mặt đất (MJ/m2/ngày); Δ – Độ dốc đường cong áp suất nước bão hịa khơng khí (kPa/0C), γ – Hằng số Psychrometric (kPa/0C), λ - Giá trị nhiệt tiềm ẩn q trình bốc nước (MJ/kg)) phục vụ tính tốn lượng bốc nước theo mơ hình Priestley – Taylor hàm tham số tính tốn từ liệu ảnh vệ tinh Landsat 2.4 Khả ứng dụng liệu ảnh vệ tinh Landsat việc ước tính lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ Giá trị lượng xạ ròng hiệu số xạ mặt trời tới bề mặt đất lượng xạ, phản xạ, phát xạ từ bề mặt đất trở khí Rn = RS↓ - α RS↓ + RL↓ - RL↑ - (1-εo)RL↓ (2.1) 2.4.1 Tính giá trị lượng xạ ròng mặt trời (Rn) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat Ảnh viễn thám Landsat (DN) Bức xạ phổ Chỉ số thực vật (NDVI) kênh ảnh Lλ (Spectran Chỉ số (SAVI) Chỉ số diện tích (LAI) F05 radiance) F01 Hệ số phát xạ bề mặt Nhiệt độ bề mặt TS Hệ số phản xạ εNB ε0 (Surface (Surface kênh ảnh 𝜌λ emissivities) F06 temperature) F07 (Reflectivity) F02 Suất phân sai đỉnh khí αtoa (Albedo- top of atmosphere) F03 Suất phân sai bề Tia tới sóng ngắn Tia phát xạ sóng Tia tới sóng dài mặt α (surface 𝑅𝑆↓ (Incoming dài 𝑅𝐿↑ (Out going 𝑅𝐿↓ (Incoming shortwave) albedo) F04 longwave) F08 longwave) 𝑅𝑛𝑖 = (1 − 𝛼)𝑅𝑆↓ + 𝑅𝐿↓ − 𝑅𝐿↑ − (1 − 𝜀0)𝑅𝐿↓ F09 Tính giá trị lượng xạ rịng trung bình ngày Rnd F10 Hình 2.1 Sơ đồ tính tốn xạ rịng hấp thụ mặt đất Rn theo mơ hình SEBAL 2.4.2 Xác định giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước λ từ liệu ảnh vệ tinh Landsat Theo Allen cộng 1998, tiêu chuẩn FAO 56 giá trị nhiệt ẩn trình bốc thoát nước (λ) lượng cần thiết để thay đổi đơn vị khối lượng nước từ thể lỏng thành q trình có áp suất không đổi nhiệt độ không đổi 2.4.3 Xác định số Psychrometric (γ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình số độ cao DEM Theo Allen cộng 1998, số Psychrometric tính tốn thơng qua hàm Fi tham số sau: γ = Fi (P, Cp, ε, λ) (2.3) Trong đó: P – Áp suất khí (kPa); Cp – Giá trị nhiệt dung riêng áp suất không đổi (Cp = 1,013 10-3 (MJ/kg/0C)); ε – Tỷ lệ khối lượng phân tử nước/khơng khí khơ (ε = 0,622); λ - Giá trị nhiệt ẩn trình bốc thoát nước (MJ/kg) 2.4.4 Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat xác định giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) Để tính lượng bốc nước, trước hết cần phải xác định độ dốc đường cong (góc dốc) đồ thị thể quan hệ áp suất bão hịa nhiệt độ (∆) 2.5 Tính giá trị tham số từ ảnh vệ tinh Landsat thơng tin độ cao phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát nước bề mặt lớp phủ 2.5.1 Tính giá trị lượng xạ rịng Rni từ ảnh vệ tinh Landsat theo mơ hình SEBAL Các bước chiết xuát lượng xạ ròng từ ảnh vệ tinh Landsat thực theo sơ đồ hình 2.6 2.5.2 Tính giá trị xạ rịng trung bình ngày Rnd từ Rni tính từ ảnh vệ tinh Landsat Sau tính lượng xạ rịng thời điểm i (Rni) từ ảnh vệ tinh Landsat từ mô hình SEBAL u cầu đặt phải tính lượng xạ rịng trung bình theo ngày từ lượng xạ ròng thời điểm i 𝑅𝑛𝑖 = 𝑅𝑛,𝑚𝑎𝑥 𝑠𝑖𝑛(𝜋𝑡/𝑁) (2.22) 2.5.3 Tính xạ rịng trung bình ngày Rnd từ số liệu khí tượng đo trực tiếp trạm quan trắc theo mô hình FAO 56 – Penman - Monteith Allen cộng 1998, đề xuất cơng thức tính lượng xạ ròng theo ngày dựa số liệu đo đạc trực tiếp trạm quan trắc khí tượng thủy văn sau: Rnd = Rns – Rnl (2.29) Trong đó: Rns – Bức xạ rịng sóng ngắn mặt trời (MJ/m2/ ngày); Rns – Bức xạ rịng sóng dài mặt trời (MJ/m2/ ngày) 2.5.4 Tính giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước (λ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat Giá trị nhiệt ẩn trình bốc nước (λ) tính cho pixel ảnh theo công thức sau: λ = 2.501 – 0.002361ˣTs (2.36) 2.5.5 Tính giá trị số Psychrometric (γ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat thông tin độ cao từ DEM Hằng số Psychrometric tính tốn thơng qua tiêu chuẩn FAO 56 Penman - Monteith sau: 𝛾 = 𝐶𝑝 𝑃 (2.37) 𝜀 𝜆 2.5.6 Tính giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) từ liệu ảnh vệ tinh Landsat Giá trị độ dốc đường cong áp suất nước bão hòa ∆ phụ thuộc vào tham số nhiệt độ khơng khí, tiêu chuẩn FAO 56 Penman - Monteith xác định độ dốc đường cong áp suất nước bão hòa cơng thức sử dụng nhiệt độ khơng khí sau: (2.39) 4098 [0,6108 𝐸𝑋𝑃 ( 17,27 𝑇𝑆 )] 𝑇𝑎 + 237,3 𝛥 = (𝑇𝑆 + 237,3)2 10 Ảnh vệ tinh Landsat (DN) Bức xạ phổ kênh Chỉ số thực vật (NDVI) Nhiệt độ bề mặt TS ảnh Lλ (Spectran radiance) Chỉ số (SAVI) (Surface temperature) Chỉ số diện tích (LAI) B1 B6 B3 Hệ số phản xạ kênh ảnh 𝜌λ (Reflectivity) Hệ số phát xạ bề mặt εNB ε0 (Surface B2 emissivities) Suất phân sai đỉnh khí B5 αtoa (Albedo-top of atmosphere) B4 Tia tới sóng ngắn Suất phân sai bề Tia phát xạ sóng dài Tia tới sóng dài 𝑅𝐿↓ 𝑅𝑆↓ (Incoming mặt α (Surface 𝑅𝐿↑ (Out going (Incoming shortwave) longwave) longwave) albedo) B9 B10 B7 B8 Tính lượng xạ rịng thời điểm i (Rni) SEBAL B11 Tính lượng xạ rịng trung bình Thông tin độ cao từ ngày (Rnd) B12 DEM Tính lượng bốc thoát nước thực tế Nhiệt ẩn bốc thoát ETa theo mơ hình Priestley – Taylor nước (λ) (a,b xác định thực nghiệm) B14 Hằng số Psychrometric (γ) Độ dốc đường cong áp suất nước bão hòa (Δ) B13 Biên tập đồ bốc thoát nước thực tế ETa B15 Hình 2.2 Quy trình ước tính, giám sát lượng bốc nước thực tế ETa theo mơ hình Priestley - Taylor từ liệu ảnh vệ tinh Landsat thông tin độ cao từ DEM 2.8 Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL mơ hình Priestley-Taylor Google Earth Engine Google Earth Engine (GEE) tảng dựa kỹ thuật điện tốn đám mây để phân tích khơng gian địa lý quy mơ tồn cầu GEE mang đến khả tính tốn khổng lồ Google để giải nhiều vấn 11 đề xã hội bao gồm phá rừng, hạn hán, thảm họa, bệnh tật, an ninh lương thực, quản lý nước, giám sát khí hậu bảo vệ mơi trường Chương KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN Nội dung chương trình bày khái quát điều kiện tự nhiên, trạng đất đai, bề mặt lớp phủ, liệu khí tượng, ảnh vệ tinh tỉnh Hịa Bình phục vụ nghiên cứu Thực nghiệm xác định hệ số tuyến tính mơ hình Priestley-Taylor từ chuỗi liệu khí tượng đo trực tiếp trạm khí tượng Hịa Bình, Sơn La Thực nghiệm ước tính xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc nước thực tế bề mặt lớp phủ tỉnh Hòa Bình sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley-Taylor với hệ số a, b xác định từ thực nghiệm thời điểm ngày 01/7/2015 ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 3.1 Điều kiện tự nhiên tỉnh Hịa Bình 3.1.1 Vị trí địa lý Hịa Bình tỉnh miền núi thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam vị trí địa lý tỉnh nằm khoảng 20°19' - 21°08' vĩ độ Bắc, 104°40' - 105°48' kinh độ Đông tiếp giáp với vùng đồng sông Hồng Hình 3.1 Vị trí địa lý tỉnh Hịa Bình 3.1.5 Thực trạng cấu tài nguyên đất tỉnh Hòa Bình Theo số liệu thống kê UBND tỉnh Hịa Bình năm 2019 diện tích tự nhiên tồn tỉnh 459.062 ha; 12 BIỂU ĐỒ CƠ CẤU LOẠI ĐẤT TỈNH HÒA BÌNH NĂM 2019 Đất chưa sử dụng Đất phi nông nghiệp 4,15% 11,52% Đất nông nghiệp 84,33% Biểu đồ 3.1: Cơ cấu loại đất tỉnh Hịa Bình năm 2019 3.1.6 Tài ngun nước 3.2 Dữ liệu phục vụ nghiên cứu 3.2.1 Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình số độ cao DEM (SRTM) Ảnh vệ tinh Landsat chụp ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 sử dụng hệ tọa độ WGS- 84, múi chiếu 6o cắt theo ranh giới hành tỉnh Hịa Bình Mơ hình số độ cao DEM (SRTM) độ phẩn giải 30m theo ranh giới hành tỉnh Hịa Bình 3.2.2 Dữ liệu khí tượng Dữ liệu (độ ẩm, vận tốc gió, nhiệt độ, số nắng thực, lượng bốc thoát nước thực tế) 08 trạm quan trắc khí tượng thủy văn tỉnh Hịa Bình 03 trạm khí tượng tỉnh Sơn La ngày 01/7/2015, ngày 15/6/2016, ngày 04/6/2017, ngày 25/7/2018, ngày 09/7/2019, ngày 07/7/2020 ngày 18/8/2021 phục vụ nghiên cứu Hình 3.2 Vị trí trạm khí tượng, thủy văn thuộc Đài khí tượng thủy văn tỉnh Hịa Bình, Sơn La 13 3.3 Thực nghiệm xác định hệ số a, b mơ hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam từ liệu quan trắc khí tượng, thủy văn tỉnh Hịa Bình 3.3.1 Kết tính giá trị lượng xạ ròng Rnd từ liệu khí tượng, thủy văn đo trực tiếp trạm khí tượng thủy văn Hịa Bình theo mơ hình FAO 56 Sử dụng cơng thức tính mơ hình FAO 56 liệu trạm khí tượng thủy văn (Nhiệt độ, Độ ẩm, Giờ nắng thực, Vận tốc gió) tính lượng xạ rịng trung bình cho ngày tương ứng Bảng 3.1 Kết tính lượng xạ rịng trung bình từ liệu khí tượng theo mơ hình FAO 56 Tên trạm Kết tính giá trị lượng xạ rịng trung bình ngày (MJ/m2/ngày) 1/7/2015 15/6/2016 4/6/2017 25/7/2018 9/7/2019 7/7/2020 18/8/2021 Khí tượng Hịa Bình 17,780 17,507 17,552 9,870 11,049 16,761 16,626 Khí tượng Mai Châu 16,791 15,693 16,220 7,842 10,483 14,766 14,189 Khí tượng Kim Bơi 16,699 15,411 16,982 10,962 10,328 16,216 16,407 Khí tượng Chi Nê 17,213 15,720 18,659 11,101 10,033 15,573 15,958 Khí tượng Lạc Sơn 16,775 16,192 16,012 10,199 9,363 16,001 15,621 Thủy văn HịaBình 17,622 17,260 17,606 10,053 11,020 16,658 16,459 Khí tượng Phù Yên 16,890 16,663 17,677 12,153 10,127 16,248 17,497 Khí tượng Mộc Châu 17,724 16,527 17,259 10,070 8,167 15,607 15,227 3.3.2 Kết tính giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước (λ), số Psychrometric (γ), độ dốc đường cong áp suất nước bão hòa (Δ) từ liệu khí tượng thủy văn đo trực tiếp trạm khí tượng thủy văn Hịa Bình theo mơ hình FAO 56 3.3.2.1 Giá trị nhiệt ẩn trình bốc nước (λ) Bảng 3.21 Kết tính giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước (λ) theo mơ hình FAO 56 Kết tính giá trị nhiệt ẩn trình bốc nước λ (MJ/kg) Tên trạm 15/6/201 4/6/2017 25/7/201 9/7/2019 7/7/202 18/8/2021 1/7/2015 Khí tượng Hịa Bình 2,45951 2,45921 2,45850 2,46647 2,46092 2,46275 2,46452 Khí tượng Mai Châu 2,46346 2,46387 2,46246 2,46759 2,46458 2,46287 2,46452 Khí tượng Kim Bơi 2,46210 2,46281 2,46063 2,46777 2,46311 2,46381 2,46517 Khí tượng Chi Nê 2,45956 2,46210 2,45974 2,46600 2,46246 2,46316 2,46618 Khí tượng Lạc Sơn 2,46275 2,46181 2,46128 2,46677 2,46305 2,46316 2,46635 Thủy văn HịaBình 2,45980 2,45951 2,45880 2,46682 2,46057 2,46287 2,46470 Khí tượng Phù Yên 2,46104 2,46311 2,46010 2,46653 2,46151 2,46576 2,46358 Khí tượng Mộc Châu 2,46907 2,46806 2,46694 2,46989 2,47037 2,46682 2,47019 3.3.2.2 Kết tính giá trị số Psychrometric (γ) Bảng 3.32 Kết tính giá trị số Psychrometric (γ) theo mơ hình FAO 56 Tên trạm 1/7/2015 Kết tính giá trị số Psychrometric γ (Kpa/0C) 18/8/2021 15/6/2016 4/6/2017 25/7/2018 9/7/2019 7/7/2020 Khí tượng Hịa Bình 0,06690 0,06691 0,06693 0,06671 0,06686 0,06681 0,06676 Khí tượng Mai Châu 0,06569 0,06568 0,06571 0,06558 0,06566 0,06570 0,06566 Khí tượng Kim Bôi 0,06653 0,06651 0,06657 0,06638 0,06650 0,06648 0,06645 14 Khí tượng Chi Nê 0,06699 0,06692 0,06698 0,06681 0,06691 0,06689 0,06681 Khí tượng Lạc Sơn 0,06667 0,06669 0,06671 0,06656 0,06666 0,06666 0,06657 Thủy văn HịaBình 0,06689 0,06690 0,06692 0,06670 0,06687 0,06681 0,06676 Khí tượng Phù Yên 0,06572 0,06567 0,06575 0,06558 0,06571 0,06560 0,06566 Khí tượng Mộc Châu 0,05958 0,05960 0,05963 0,05956 0,05955 0,05963 0,05955 3.3.2.3 Tính giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) Bảng 3.43 Kết tính giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) theo mơ hình FAO 56 Tên trạm Kết tính giá trị độ dốc đường cong áp suất nước bão hòa Δ (Kpa/0C) 1/7/2015 15/6/2016 4/6/2017 25/7/2018 9/7/2019 7/7/2020 18/8/2021 Khí tượng Hịa Bình 0,31300 0,31676 0,32595 0,23440 0,29544 0,27399 0,25449 Khí tượng Mai Châu 0,26605 0,26150 0,27736 0,22345 0,25386 0,27266 0,25449 Khí tượng Kim Bơi 0,28145 0,27333 0,29903 0,22176 0,27000 0,26215 0,24764 Khí tượng Chi Nê 0,31225 0,28145 0,31001 0,23915 0,27736 0,26934 0,23736 Khí tượng Lạc Sơn 0,27399 0,28490 0,29119 0,23148 0,27066 0,26934 0,23558 Thủy văn HịaBình 0,30927 0,31300 0,32210 0,23089 0,29975 0,27266 0,25261 Khí tượng Phù Yên 0,29402 0,27000 0,30558 0,23381 0,28838 0,24155 0,26474 Khí tượng Mộc Châu 0,20969 0,21897 0,22974 0,20231 0,19819 0,23089 0,19972 3.3.3 Kết tính hệ số a, b mơ hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình, khí hậu tỉnh Hịa Bình thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam từ liệu quan trắc khí tượng thủy văn 3.3.3.1 Kết xác định hệ số a, b mơ hình Priestley-Taylor Bảng 3.54 Kết tính hệ số a, b mơ hình Priestley – Taylor phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu tỉnh Hịa Bình thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam 01/7/2015 Kết tính hệ số a, b mơ hình Priestley - Taylor theo chuỗi thời điểm Trung bình 15/6/2016 4/6/2017 25/7/2018 9/7/2019 07/7/2020 18/8/2021 a b a b a b a b a b a b a b a b 0,795 -0,087 0,771 -0,118 0,862 0,123 0,767 -0,081 0,835 -0,171 0,782 0,123 0,730 0,029 0,792 -0,026 3.3.3.2 Kết kiểm chứng xác định hệ số a, b mơ hình Priestley-Taylor Bảng 3.65 Kết kiểm chứng xác định hệ số a, b mơ hình Priestley – Taylor Kết kiểm chứng trạm (mm/ngày) Tên trạm 01/7/2015 15/6/2016 4/6/2017 25/7/2018 9/7/2019 07/7/2020 18/8/2021 Thủy văn ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ ETa_ Hưng Thi Đo Ktra Đo Ktra Đo Ktra Đo Ktra Đo Ktra Đo Ktra Đo Ktra Thủy văn Lâm Sơn 7,0 7,0 6,3 6,3 8,0 8,3 4,9 4,5 3,5 4,2 7,1 6,5 7,1 6,6 Khí tượng Bắc Yên 6,8 7,2 6,5 6,3 9,2 8,6 4,8 4,4 5,1 4,4 6,8 6,4 6,2 6,6 7,2 7,3 7,1 6,8 7,1 8,1 4,7 4,8 3,1 3,9 7,8 6,7 6,5 6,5 15 3.4 Thực nghiệm tính lượng bốc thoát nước thực tế từ bề mặt lớp phủ tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với liệu ảnh vệ tinh Landsat mơ hình Priestley – Taylor với hệ số a, b xác định thực nghiệm 3.4.1 Kết tính giá trị lượng xạ rịng trung bình ngày Rnd từ liệu ảnh vệ tinh Landsat (Rnd _VT) Năng lượng xạ rịng trung bình ngày tính tồn tỉnh Hịa Bình từ liệu ảnh vệ tinh Landsat ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 thể hình sau: 1,71 22,19 1,95 21,94 1,83 20,74 (MJ/m2/ngày) (MJ/m2/ngày) (MJ/m2/ngày) Giá trị lượng xạ ròng Giá trị lượng xạ ròng Giá trị lượng xạ ròng hấp thụ bề mặt đất Rnd hấp thụ bề mặt đất Rnd hấp thụ bề mặt đất Rnd (MJ/m2/ngày) tính từ ảnh vệ tinh (MJ/m2/ngày) tính từ ảnh vệ tinh (MJ/m2/ngày) tính từ ảnh vệ tinh Landsat ngày 01/7/2015 Landsat ngày 04/6/2017 Landsat ngày 18/8/2021 Hình 3.3 Kết tính lượng xạ ròng hấp thụ bề mặt đất trung bình ngày tồn tỉnh Hịa Bình (Rnd) 3.4.2 So sánh kết tính giá trị xạ rịng trung bình ngày theo mơ hình FAO 56 (Rnd_FAO) lượng xạ rịng trung bình ngày tính từ ảnh vệ tinh Landsat (Rnd_VT) Kết tính cho thấy thời điểm ngày 01/7/2015 chênh lệch trung bình giá trị Rnd gữa mơ hình FAO 56 mơ hình viễn thám 1,313 (MJ/m2/ngày) tương ứng 8,07%, sai số trung phương ± 1,773 MJ/m2/ngày Tại thời điểm ngày 04/6/2017 chênh lệch trung bình giá trị Rnd gữa mơ hình FAO 56 mơ hình viễn thám 0,938 (MJ/m2/ngày) tương ứng 6,60% Sai số trung phương ± 1,444 MJ/m2/ngày Tại thời điểm ngày 18/8/2021 chênh lệch trung bình giá trị Rnd gữa mơ hình FAO 56 mơ hình viễn thám 1,243 (MJ/m2/ngày) tương ứng 8,81% Sai số trung phương ± 1,449 MJ/m2/ngày 16 3.4.3 Kết tính giá trị nhiệt ẩn q trình bốc nước (λ) với tham số nhiệt độ bề mặt tính từ ảnh Landsat Sử dụng công thức (2.36) tính giá trị nhiệt tiềm ẩn q trình bốc nước tỉnh Hịa Bình với tham số nhiệt độ tính từ ảnh vệ tinh Landsat ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 kết sau: 2,441 (MJ/kg) 2,479 2,453 2,490 2,423 2,485 (MJ/kg) (MJ/kg) Giá trị nhiệt tiềm ẩn trình Giá trị nhiệt tiềm ẩn trình Giá trị nhiệt tiềm ẩn trình bốc nước λ (MJ/kg) tính bốc nước λ (MJ/kg) bốc thoát nước λ (MJ/kg) từ ảnh vệ tinh Landsat ngày tính từ ảnh vệ tinh Landsat tính từ ảnh vệ tinh Landsat 01/7/2015 ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 Hình 3.4 Kết tính giá trị nhiệt ẩn q trình bốc thoát nước (λ) ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 17 Bảng 3.7 Bảng kết tính giá trị nhiệt ẩn trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 Giá trị nhiệt ẩn λ Giá trị nhiệt ẩn λ Giá trị nhiệt ẩn λ TT Tên trạm ngày 01/7/2015 ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 (MJ/kg) (MJ/kg) (MJ/kg) Khí tượng Hịa Bình 2,46369 2,46843 2,46328 Khí tượng Mai Châu 2,46398 2,47023 2,46082 Khí tượng Kim Bôi 2,46234 2,46741 2,46354 Khí tượng Chi Nê 2,46432 2,46989 2,46481 Khí tượng Lạc Sơn 2,46284 2,47281 2,46273 Thủy văn Hịa bình 2,46369 2,46843 2,46328 Thủy văn Hưng Thi 2,46330 2,47077 2,46324 Thủy văn Lâm Sơn 2,46323 2,47250 2,46169 3.4.4 Kết tính giá trị số Psychrometric (γ) với giá trị độ cao chiết xuất từ DEM liệu ảnh vệ tinh Landsat Sử dụng công thức (2.37), (2.38) để tính giá trị số Psychrometric với giá trị độ cao chiết xuất từ DEM giá trị nhiệt tiềm ẩn q trình bốc nước tính mục 3.5.3 cho ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 Kết tính số Psychrometric thể hình sau: 0,05567 0,06724 0,05552 0,06700 0,05572 0,06709 18 Giá trị số Psychrometric γ Giá trị số Psychrometric γ Giá trị số Psychrometric γ tính theo giá trị độ cao chiết xuất tính theo giá trị độ cao chiết xuất tính theo giá trị độ cao chiết xuất từ DEM ảnh vệ tinh Landsat từ DEM ảnh vệ tinh Landsat từ DEM ảnh vệ tinh Landsat ngày 01/7/2015 ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 Hình 3.5 Kết tính giá trị số Psychrometric (γ) ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017, ngày 18/8/2021 Bảng 3.8 Bảng kết tính giá trị số Psychrometric (γ) trạm quan trắc khí tượng, thủy văn ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 Hằng số Hằng số Hằng số TT Tên trạm Psychrometric γ Psychrometric γ Psychrometric γ ngày 01/7/2015 ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 (kPa/0C) (kPa/0C) (kPa/0C) Khí tượng Hịa Bình 0,06650 0,06638 0,06652 Khí tượng Mai Châu 0,06415 0,06399 0,06424 Khí tượng Kim Bôi 0,06655 0,06641 0,06652 Khí tượng Chi Nê 0,06693 0,06678 0,06692 Khí tượng Lạc Sơn 0,06673 0,06646 0,06673 Thủy văn Hịa bình 0,06650 0,06638 0,06652 Thủy văn Hưng Thi 0,06685 0,06665 0,06685 Thủy văn Lâm Sơn 0,06530 0,06505 0,06534 3.4.5 Kết tính giá trị độ dốc đường cong áp suất bão hòa (Δ) với tham số nhiệt độ bề mặt tính từ ảnh vệ tinh Landsat Sử dụng công thức (2.39) để tính độ dốc đường cong áp suất nước bão hòa với giá trị nhiệt độ bề mặt tính từ ảnh vệ tinh Landsat ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 ngày 18/8/2021 Kết tính thể hình sau: 0,1344 0,4886 0,0779 0,3908 0,1009 0,4881