Ứng dụng viễn thám và gis phân tích biến động không gian đô thị tại quận ngũ hành sơn thành phố đà nẵng để đánh giá ngập lụt đô thị

Mục tiêu cụ thể - Ứng dụng phương pháp viễn thám phân loại lớp phủ đô thị và từ đó xác định được các khu vực thay đổi do đô thị hóa bao gồm các khu dân cư mới, các hồ tự nhiên bị san lấp

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ TẠI QUẬN NGŨ HÀNH SƠN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ NGẬP LỤT ĐÔ THỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

Đà Nẵng, năm 2023

ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS PHÂN TÍCH BIẾN ĐỘNG KHÔNG GIAN ĐÔ THỊ TẠI QUẬN NGŨ HÀNH SƠN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG ĐỂ ĐÁNH GIÁ NGẬP LỤT ĐÔ THỊ

Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và môi trường Mã số: 8.85.01.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1 TS Trần Thị Ân

2 TS Kiều Thị Kính

Đà Nẵng, năm 2023

MỤC LỤC

Lời cam đoan Error! Bookmark not defined.Lời cảm ơn Error! Bookmark not defined.

Danh mục viết tắt vii

Danh mục bảng biểu viii

Danh mục hình ảnh ix

MỞ ĐẦU 1

1.Đặt vấn đề: 1

2.Mục tiêu đề tài 2

3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4.Phương pháp nghiên cứu: 3

5.Ý nghĩa đề tài 6

6.Cấu trúc của luận văn 6

CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7

1.1 Đô thị hóa và sự biến đổi không gian đô thị 7

1.1.1Đô thị hóa trên thế giới 7

1.1.2 Đô thị hóa ở Việt Nam 8

1.2 Tổng quan ứng dụng Viễn thám và GIS trong nghiên cứu đô thị hóa 11

1.2.1 Trên thế giới 11

1.2.2 Ở Việt Nam 12

1.3 Tổng quan về phương pháp viễn thám 13

1.3.1 Khái niệm viễn thám 13

1.3.2 Cơ sở vật lý của viễn thám 13

1.3.3 Các phương pháp xử lý ảnh viễn thám 16

1.4 Tổng quan mô hình quản lý nước mưa SWMM 18

1.4.1 Giới thiệu mô hình SWMM 18

1.4.2 Nguồn dữ liệu sử dụng 18

1.5 Tổng quan đô thị quận Ngũ Hành Sơn 19

1.6 Vấn đề đô thị hóa và ngập lụt đô thị 20

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Dữ liệu nghiên cứu và phân loại ảnh viễn thám bằng phương pháp phân loại có kiểm định 22

2.1.1 Dữ liệu nghiên cứu 22

2.1.3 Phân loại ảnh viễn thám thành lập bản đồ hiện trạng không gian đô thị 23

2.2 Phương pháp tính toán biến động 28

2.3 Phương pháp thực địa 29

2.4 Phương pháp mô hình hóa SWMM 30

2.4.1 Thành phần mô hình SWMM 30

2.4.2 Dữ liệu cho các lưu vực 32

2.5 Phương pháp phân tích tổng hợp 36

CHƯƠNG III KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 37

3.1 Kết quả phân loại lớp phủ đô thị quận Ngũ Hành Sơn 37

3.2 Biến động đô thị của quận Ngũ Hành Sơn và khả năng thích ứng với ngập lụt 40

3.2.1 Sự thay đổi không gian đô thị quận Ngũ Hành Sơn giai đoạn 2009 - 2022 40 3.2.2 Biến động đô thị quận Ngũ Hành Sơn giai đoạn 2009-2022 40

3.2.3 Khả năng thích ứng ngập lụt khi đô thị quận Ngũ Hành Sơn phát triển giai đoạn 2009-2022 42

3.3 Thí điểm đánh giá khả năng truyền tải của hệ thống thoát nước ở 2 lưu vực 42

3.3.1 Lưu vực khu dân cư An Thượng 1 42

3.3.2 Lưu vực khu dân cư hồ K20 47

3.4 Một số giải pháp thoát nước bền vững cho Ngũ Hành Sơn trong bối cảnh phát triển đô thị 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu

Bảng 1.1 Sự thay đổi dân số thế giới theo khu vực 8 Bảng 1.2 Danh sách top 10 thành phố có dân thành thị lớn nhất thế giới 8

Bảng 2.2 Ma trận biến động đô thị quận Ngũ Hành Sơn giai đoạn 2009

Bảng 2.4 Số liệu các hố ga (nút) của KDC An Thượng 1 32

Bảng 2.6 Số liệu cửa xả đổ ra của lưu vực KDC An Thượng 1 33

Bảng 3.1 Bảng thống kê diện tích các loại lớp phủ tại quận Ngũ Hành

Bảng 3.2 Kết quả đánh giá độ chính xác sau phân loại ảnh 39

DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu

Hình 1.1 Số lượng đô thị ở Việt Nam giai đoạn 2010-2020 9

Hình 1.3 Quang phổ điện từ và sự truyền qua khí quyển (hiệu

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình phân loại ảnh viễn thám 25 Hình 2.3 Kết quả phân loại mẫu các lớp phủ trên ảnh năm 2009 và

Hình 2.4 Quy trình phân loại ảnh viễn thám trên phần mềm

Hình 2.6 Lưu vực nghiên cứu Khu dân cư An Thượng 1 31 Hình 3.1 Bản đồ kết quả phân loại lớp phủ đô thị quận Ngũ Hành

Hình 3.2 Bản đồ kết quả phân loại lớp phủ đô thị quận Ngũ Hành

Hình 3.3 Vị trí các điểm lấy mẫu thực địa ở quận Ngũ Hành Sơn 39 Hình 3.4 Chuyển đổi diện tích lớp phủ đô thị quận Ngũ Hành Sơn

Hình 3.5 Bản đồ biến động đô thị quận Ngũ Hành Sơn giai đoạn

Hình 3.6 Tiêu chuẩn diện tích đất cây xanh sử dụng công cộng 42 Hình 3.7 Mô hình mô phỏng lưu vực khu dân cư An Thượng 1 43 Hình 3.8 Biểu đồ mưa ngày 14/10/2022 tại trạm đo mưa Suối Đá 43 Hình 3.9 Kết quả chạy mô hình SWMM với dữ liệu mưa

Hình 3.10 Biểu đồ mưa ngày 31/3/2022 tại trạm đo mưa CBM08 45 Hình 3.11 Kết quả chạy mô hình SWMM với dữ liệu mưa 31.3.2022 45 Hình 3.12 Mô hình mô phỏng khu dân cư An Thượng 1 năm 2009 46

Hình 3.13 Kết quả chạy mô hình SWMM với dữ liệu mưa 31.3.2022

Hình 3.14 Mô hình SWMM cho lưu vực khu dân cư hồ K20 48 Hình 3.15 Biểu đồ mưa ngày 14/10/2022 tại trạm đo mưa Hòa Hải 48 Hình 3.16 Kết quả chạy mô hình SWMM với dữ liệu mưa ngày

MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề:

Phát triển đô thị đang là vấn đề được quan tâm ở nhiều thành phố trên thế giới cũng như ở Việt Nam Tại thành phố Đà Nẵng, trong một thập kỷ qua, chúng ta đã chứng kiến sự phát triển đô thị với tốc độ rất nhanh và mạnh mẽ, gây nên những sự biến động về đất, về diện tích cây xanh và vùng nước mặt Điều này là một trong những nguyên nhân dẫn đến hiện tượng ngập lụt và mất cân bằng sinh thái Do đó cần có những nghiên cứu, đánh giá cụ thể để có tầm nhìn tổng quan trong phát triển và quy hoạch đô thị mang tính bền vững

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong quản lý tài nguyên, giám sát môi trường là một hướng mới Dữ liệu viễn thám với tính chất đa thời gian, phủ trùm diện tích rộng, đã cho phép con người có thể cập nhật thông tin, tiến hành nghiên cứu một cách nhanh chóng, hiệu quả, tiết kiệm được thời gian và công sức Hơn nữa, khi đánh giá biến động không gian đô thị thì phương pháp viễn thám ngày càng tỏ ra ưu thế bởi khả năng cập nhật thông tin và phân tích biến động một cách nhanh chóng Phương pháp này đã được ứng dụng từ rất lâu trên thế giới, những năm 1960 trong thành lập các bản đồ đất và bản đồ lớp phủ bề mặt Tuy nhiên, ở Việt Nam phương pháp này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi, và việc tiến hành thành lập bản đồ, quy hoạch chủ yếu vẫn theo phương pháp truyền thống, tức là dựa vào các số liệu kiểm kê của viện quy hoạch, của trung tâm hạ tầng đô thị Ảnh viễn thám có ưu điểm là có thể giải quyết được các công việc mà thông thường quan sát trên mặt đất rất khó khăn, hơn nữa phân tích ảnh để thành lập bản đồ vùng đô thị nhanh hơn và rẻ hơn rất nhiều so với quan sát ngoài thực địa[1] Đà Nẵng là trung tâm chính trị – kinh tế – xã hội của khu vực miền Trung – Tây Nguyên, là thành phố biển phát triển năng động của cả nước Diện mạo của thành phố cũng đã thay đổi rất nhiều theo hướng đô thị hoá văn minh, hiện đại hơn So với thời điểm năm 1997, không gian đô thị được mở rộng gấp hơn 3,5 lần, từ một đô thị chỉ có 360 đường phố, hiện nay Đà Nẵng đã có hơn 2300 con đường với 9 chiếc cầu bắc qua sông nối liền hai bờ Đông – Tây Tuy nhiên, với đặc điểm địa hình thành phố ven biển tiếp giáp với vùng đồi núi phía Tây, đồng thời nằm trong vùng hạ lưu của hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn, Đà Nẵng thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai trong đó ngập lụt xảy ra hàng năm và gây thiệt hại lớn về kinh tế - xã hội cho Thành phố[2] Thống kê của Ban chỉ đạo ứng phó với thiên tai và tìm kiếm cứu nạn TP Đà Nẵng cho thấy, năm 1998 đến năm 2020, mưa lũ ở Đà Nẵng đã làm 205 người chết và 237 người bị thương, 15.633 hộ bị sập và 130.861 căn nhà bị phá hủy, thiệt hại về kinh tế hơn 9.700 tỷ đồng Gần đây nhất là cơn bão số 5 ngày 14 tháng 10 năm 2022 với lượng mưa phổ biến lên đến gần 800mm, gây ngập lụt toàn thành phố Đà Nẵng, làm 4 người chết, thiệt hại kinh tế lên đến 1.486,5 tỷ đồng (theo văn phòng UBND Thành phố)

Ngập lụt đã trở thành thiên tai gây thiệt hại nặng nề nhất cho Thành phố những năm qua Quá trình phát triển đô thị của TP Đà Nẵng đặt ra yêu cầu phải giải quyết tốt vấn đề ngập lụt, đặc biệt là tình trạng ngập cục bộ do mưa tại các vùng đô thị

Dưới sức ép của gia tăng dân số và phát triển kinh tế xã hội, quá trình đô thị hóa của Đà Nẵng đã chuyển dịch dần về vùng Đông Nam thành phố là quận Ngũ Hành Sơn Với tỉ lệ đô thị hóa quận Ngũ Hành Sơn rất cao (theo phòng quản lý đô thị quận Ngũ Hành Sơn giai đoạn này đạt tỉ lệ đô thị hóa khoảng 90 - 93%), trong giai đoạn từ năm 2009 đến 2022 làm cho diện tích cây xanh, đất trống, mặt nước, các bề mặt thấm nước tự nhiên giảm đi rất nhiều Điều này ảnh hưởng đến khả năng thoát nước mặt Vì vậy, việc tìm hiểu mối liên hệ giữa biến động đô thị và các vùng ngập úng, dự báo xu thế phát triển tầm nhìn 10 năm trở lên là cần thiết cho các nhà quy hoạch cũng như việc quản lý, giám sát các khu đô thị đang là vấn đề cấp bách cần được thực hiện, nhằm thông tin chính xác và cập nhật về tình trạng, xu hướng của các hệ sinh thái đô thị giúp các nhà quản lý theo dõi biến động và đề ra chiến lược để phát triển bền vững và cải thiện cuộc sống của cư dân đô thị

Xuất phát từ cơ sở lý luận và thực tiễn trên tôi tiến hành chọn đề tài: “Ứng dụng viễn thám và GIS phân tích biến động không gian đô thị tại quận Ngũ Hành Sơn thành phố Đà Nẵng để đánh giá ngập lụt đô thị”

2 Mục tiêu đề tài

a Mục tiêu tổng quát

Phân tích được sự biến động không gian đô thị của quận Ngũ Hành Sơn trong giai đoạn 2009 - 2022 để đánh giá khả năng ngập lụt đô thị, từ đó có những giải pháp thoát nước bền vững phục vụ công tác quản lý và quy hoạch đô thị

b Mục tiêu cụ thể

- Ứng dụng phương pháp viễn thám phân loại lớp phủ đô thị và từ đó xác định được các khu vực thay đổi do đô thị hóa bao gồm các khu dân cư mới, các hồ tự nhiên bị san lấp trong giai đoạn từ 2009 – 2022

- Ứng dụng mô hình SWMM kết hợp dữ liệu khí tượng thủy văn và dữ liệu hệ thống thoát nước để đánh giá được khả năng ngập lụt đô thị tại một số vùng thuộc quận Ngũ Hành Sơn, từ đó xác định được nguyên nhân ngập úng

- Phân tích mối quan hệ giữa biến động đô thị và tình trạng ngập lụt đô thị, từ đó có những đề xuất, giải pháp thoát nước bền vững cho khu vực nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là không gian đô thị và tình trạng ngập lụt đô thị liên quan đến sự thay đổi không gian đô thị

b Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi không gian: Toàn bộ quận Ngũ Hành Sơn thành phố Đà Nẵng gồm 4 phường: Mỹ An, Khuê Mỹ, Hòa Hải và Hòa Quý

- Phạm vi thời gian: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 12 năm từ 2009 đến 2022

4 Phương pháp nghiên cứu:

* Phương pháp thu thập và hồi cứu số liệu: số liệu về đặc điểm tự nhiên, kinh tế-xã hội vùng nghiên cứu Thu thập các số liệu về điều kiện tự nhiên (thổ nhưỡng, địa hình, khí hậu, thủy văn), hiện trạng đô thị, tình hình kinh tế - xã hội (dân số, lao động, ngành nghề) có ảnh hưởng đến quá trình đô thị hóa, nhu cầu sử dụng đất trong khu vực nghiên cứu Thu thập các vị trí ngập úng do mưa, cơ sở dữ liệu hệ thống thoát nước quận Ngũ Hành Sơn qua các báo cáo của Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng

Tư liệu về ảnh viễn thám: để thực hiện nghiên cứu, đề tài này sử dụng ảnh Rapid Eye 2009 có độ phân giải 5 mét và ảnh Planet Scope 2022 có độ phân giải 3 mét

* Phương pháp viễn thám:

- Sau khi tải dữ liệu ảnh Rapid Eye 2009 có độ phân giải 5 mét và ảnh Planet Scope 2022 có độ phân giải 3 mét trên trang https://www.planet.com, phương pháp viễn thám được áp dụng bao gồm:

- Tiền xử lý ảnh vệ tinh: loại bỏ các ảnh hưởng của mây và điều kiện khí quyển, điều chỉnh hệ tọa độ, đưa về cùng độ phân giải, nắn chỉnh hình học ảnh, ghép, cắt các ảnh để tạo dữ liệu khu vực nghiên cứu

- Với sự hỗ trợ của phần mềm ứng dụng GIS (GRASS GIS, QGIS), đề tài đã tiến hành phân loại lớp phủ mặt đất từ dữ liệu ảnh vệ tinh bằng thuật toán phân loại có kiểm định Dựa trên đặc trưng phản xạ phổ của các loại đối tượng kết hợp căn cứ vào bản đồ hiện trạng sử dụng đất Thành phố Đà Nẵng năm 2010, bốn loại lớp phủ chính được xác định, đó là: 1) đất xây dựng: bao gồm nhà cửa, đường giao thông, các khu công nghiệp với bề mặt là bê tông nên còn gọi là mặt không thấm; 2) Đất thực vật: bao gồm rừng, đất trồng lúa - hoa màu, cây xanh công cộng; 3) Mặt nước: gồm các khu vực sông, hồ, ao; 4) Đất trống: khu vực đất trống: gồm các khu vực đất trống, đồi trọc, đất ao hồ bị san lấp hoặc các khu vực giải tỏa chưa được xây dựng

- Xây dựng bản đồ hiện trạng lớp phủ đô thị quận Ngũ Hành Sơn năm 2009 và 2022

* Phương pháp tính toán biến động: các kết quả phân loại ảnh được chuyển thành các lớp dữ liệu trong GIS Phương pháp chồng xếp bản đồ và tính toán biến động dựa vào bộ công cụ phân tích không gian trong GIS để xây dựng bản đồ biến động không gian đô thị quận Ngũ Hành Sơn giai đoạn 2009 – 2022

* Phương pháp mô hình hóa: ứng dụng mô hình thủy lực SWMM với các lớp dữ liệu đầu vào bao gồm: dữ liệu địa hình, mưa, dòng chảy, hệ thống thoát nước Kết quả chạy mô hình SWMM sẽ xác định được các khu vực có nguy cơ ngập lụt cao tại quận Ngũ Hành Sơn, cùng với dữ liệu mô phỏng độ sâu ngập tại một số tuyến phố trong khu

vực Dữ liệu mô phỏng này được so sánh với dữ liệu điều tra thực địa về ngập lụt trong một số trận mưa lớn tại khu vực nghiên cứu để kiểm chứng độ chính xác của mô hình

* Phương pháp thực địa: phương pháp khảo sát thực địa được tiến hành nhằm phục vụ cho việc: kiểm chứng kết quả phân loại ảnh vệ tinh bằng cách tính hệ số kappa và kiểm chứng kết quả mô phỏng ngập lụt từ mô hình SWMM

* Phương pháp phân tích tổng hợp: kết quả phân tích ảnh vệ tinh Planet được so sánh với kết quả đánh giá ngập lụt cho quận Ngũ Hành Sơn bằng mô hình SWMM để đánh giá ảnh hưởng của sự biến động không gian đô thị đến các vùng nhạy cảm cao với tình trạng ngập lụt Từ đó, đề tài phân tích và đề xuất các giải pháp thoát nước bền vững cho khu vực nghiên cứu

5 Ý nghĩa đề tài

a Ý nghĩa khoa học

Đề tài đánh giá được sự tác động của phát triển đô thị đến khả năng ngập lụt đô thị của của quận Ngũ Hành Sơn thành phố Đà Nẵng, đề xuất các mô hình thoát nước bền vững phù hợp với hiện trạng của khu vực Đồng thời, nghiên cứu sẽ là tiền đề để các nhà khoa học mở rộng nghiên cứu cho toàn thành phố Đà Nẵng

b Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học, cơ sở dữ liệu để cơ quan chức năng (Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng - Sở Xây dựng) sử dụng trong quản lý thoát nước mặt cũng như trong quy hoạch đô thị Dùng xác định nguyên nhân gây ngập úng cục bộ với chi phí thấp, thời gian ngắn

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm có: - Mở đầu

- Chương 1 Tổng quan các vấn đề nghiên cứu - Chương 2 Phương pháp nghiên cứu

- Chương 3 Kết quả nghiên cứu và thảo luận - Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đô thị hóa và sự biến đổi không gian đô thị

1.1.1 Đô thị hóa trên thế giới

Đô thị hóa được hiểu là quá trình mở rộng của đô thị, tính theo tỷ lệ phần trăm giữa diện tích hoặc số dân đô thị trên tổng diện tích hoặc số dân của một khu vực hoặc vùng Bên cạnh đó, đô thị hóa còn được hiểu là quá trình phát triển rộng rãi lối sống thành thị thể hiện qua các mặt: chất lượng cuộc sống, dân số, mật độ dân số… [3]

Đô thị hóa là xu hướng tất yếu của sự phát triển và luôn được kiểm soát bởi chính phủ của các quốc gia trên thế giới Hiện nay, thế giới đang chứng kiến sự bùng nổ đô thị, bằng chứng là từ những năm 1950 - 1955 chỉ có 33,7% dân số thế giới sống tại khu vực đô thị nhưng cho tới năm 2020 con số này đã lên 56,2% Như vậy, theo Liên hợp quốc, mỗi ngày có thêm 200.000 người trở thành cư dân đô thị tức là tương đương mỗi ngày có thêm một đô thị như là Besanco hay Santander được thành lập Năm 1960 toàn Thế giới mới chỉ có 15 đến 20 đô thị có quy mô dân số trên 2 triệu người thì đến năm 2020 đạt tới 500 thành phố và hiện nay có tới 2/3 số đô thị lớn nằm ở các quốc gia đang phát triển, đặc biệt có 37 thành phố được xem là siêu đô thị Siêu đô thị là một thuật ngữ để chỉ các khu vực đô thị có dân số hơn 10 triệu Một số tài liệu cũng định nghĩa một siêu đô thị là khu đô thị có mật độ tối thiểu 2000 người/km2 Một siêu đô thị có thể là một vùng đô thị biệt lập hoặc hai hay nhiều đô thị nằm gần nhau, như Thượng Hải, Tokyo, NewYork, London, Bangkok, Paris, Delhi, [4]

Tốc độ đô thị hóa toàn cầu cũng đang đặc biệt gia tăng trong thời gian trở lại đây, nhất là Bắc Mỹ, Mỹ Latinh và Caribe, Châu Á Đến năm 2020, đã có khoảng 4.4 tỷ người là dân cư đô thị trong tổng số dân trên trái đất là 7.7 tỷ, tương đương tổng số dân trên toàn thế giới vào những năm 1975-1980 Theo báo cáo của Liên hiệp quốc đến năm 2050 dân số thế giới dự kiến tăng thêm 2 tỷ người và 68% dân số của Trái đất sẽ sống ở các khu vực đô thị Mức tăng trưởng này sẽ diễn ra ở các nước đang phát triển Bảng 1.1 dưới đây thể hiện sự thay đổi dân số theo khu vực và phần trăm dân thành thị tại các khu vực được xây dựng dựa trên cơ sở dữ liệu của phòng Kinh tế Xã hội Liên hiệp quốc

Bảng 1.1 Sự thay đổi dân số thế giới theo khu vực

Nguồn: https://danso.org

Những năm gần đây, sự thay đổi dân số tại các thành phố đã phát triển lâu đời và các thành phố đang phát triển tương đối lớn, hầu hết các thành phố phát triển đều ít tăng dân số hơn các thành phố đang phát triển Dưới đây là bảng danh sách top 10 thành phố có “dân thành thị” lớn nhất thế giới tính đến năm 2020 theo Liên hiệp Quốc

Bảng 1.2 Danh sách top 10 thành phố có dân thành thị lớn nhất thế giới

Hạng Thành phố Quốc gia Dân số (triệu người)

1.1.2 Đô thị hóa ở Việt Nam

Theo luật Quy hoạch đô thị số 30/2009/QH12 “Đô thị là khu vực dân cư sinh sống có mật độ cao và chủ yếu hoạt động trong lĩnh vực kinh tế phi nông nghiệp, là trung tâm chính trị, hành chính, kinh tế, văn hóa hoặc chuyên ngành, có vai trò thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia hoặc một vùng lãnh thổ, một địa

phương, bao gồm nội thành, ngoại thành của thành phố, nội thị, ngoại thị của thị xã, thị trấn” Hiện nay, theo báo cáo của Ngân hàng Thế giới cho thấy, kể từ khi đổi mới vào năm 1986, dân số đô thị Việt Nam đã bắt đầu tăng nhanh, và Việt Nam cũng đang ở giai đoạn trung gian với tốc độ đô thị hóa như hiện nay So với năm 1990, cả nước chỉ có 500 đô thị thì đến năm 2020 con số này đã lên tới 862 đô thị Hiện tại dân số đô thị Việt Nam chiếm 37,1% trong tổng số dân toàn quốc năm 2021 là 98,51 triệu người Hình 1.1 dưới đây là biểu đồ thể hiện sự gia tăng số lượng đô thị từ năm 2010 đến năm 2020 của Việt Nam [5]

Hình 1.1 Số lượng đô thị ở Việt Nam giai đoạn 2010-2020

Đô thị Việt Nam có kết cấu điển hình là đô thị lõi được bao quanh bởi các vùng ngoại vi [6], điển hình như ở miền Bắc, có Hà Nội và các vùng lân cận, ở Miền Nam có thành phố Hồ Chí Minh và các vùng lân cận, ở Miền Trung có thành phố Đà Nẵng và các vùng lân cận Sự phân bố theo không gian thể hiện chi tiết trong hình 1.2

Hình 1.2 Vị trí 3 thành phố lớn của Việt Nam

Tốc độ đô thị hóa nhanh đã và đang tác động tích cực đến phát triển kinh tế - xã hội của nước ta như góp phần tăng trưởng kinh tế, phát triển loại hình du lịch đô thị, cải thiện tình trạng đói nghèo Tuy nhiên, bên cạnh những mặt tích cực này thì quá trình độ thị hóa có thể tạo ra những thách thức, hệ lụy lớn cho phát triển bền vững nếu không có quy hoạch khoa học cũng như tầm nhìn xa và rộng

Trước tiên đó là ảnh hưởng đáng kể đến môi trường Việc đô thị hóa diễn ra với quy mô ngày càng nhanh chóng đã làm gia tăng ô nhiễm, nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện và nước thải công nghiệp không được xử lý, hệ thống thoát nước không được tốt Thêm vào đó, ô nhiễm không khí cũng ngày càng tồi tệ gây hại cho sức khỏe cộng đồng và môi trường Nguyên nhân xuất phát được cho là từ chính sự bùng nổ các hoạt động xây dựng, phá dỡ các công trình; khí xả thải từ các phương tiện giao thông cơ giới; việc đốt rơm, rạ của người dân; khói bụi từ các khu vực sản xuất vùng lân cận Hiện Việt Nam đang đứng trong top 10 nước ô nhiễm không khí ở châu Á[7] Đáng chú ý, vào một số thời điểm, tổng lượng bụi ở 2 thành phố lớn của Việt Nam là Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh liên tục tăng cao khiến chỉ số chất lượng không khí (AQI) luôn ở mức báo động Bên cạnh đó, đô thị Việt Nam còn đang phải đối mặt với các vấn đề biến đổi khí hậu Bão, lũ lụt và nước biển dâng đang tác động đến phát triển hệ thống đô thị ven biển và vùng Đồng bằng sông Cửu Long với 138 đô thị có nguy cơ ngập cao, trong đó có 24 đô thị thuộc 15 tỉnh có nguy cơ ngập nặng đến rất nặng Biến đổi khí hậu gây mưa lớn, lũ quét, sạt lở đất tác động đến phát triển hệ thống đô thị

miền núi và Tây Nguyên với 143 đô thị có nguy cơ chịu ảnh hưởng, trong đó có 17 đô thị có khả năng chịu ảnh hưởng rất mạnh[8] Đô thị hóa còn làm mất đi lớp phủ thực vật và các bề mặt thấm nước tự nhiên, từ đó dẫn đến tình trạng ngập lụt đô thị ngày càng trở nên trầm trọng TP Hồ Chí Minh, Hà Nội, TP Huế và TP Đà Nẵng đều đã trải qua những trận ngập lụt lịch sử do mưa lớn Bên cạnh việc làm mất các mặt phủ thấm nước, đô thị hóa còn làm biến mất các dòng chảy tự nhiên, lưu vực bị chia cắt hình thành các lưu vực mới Một điều khá quan trọng là đô thị hóa tạo ra dòng chảy tràn lớn hơn rất nhiều so với trước đây Thay thế kênh rạch bằng cách cống hóa là một trong những nguyên nhân hủy hoại dòng chảy tự nhiên lớn, gây tác động đến nước

Đô thị hóa nhanh với sức ép gia tăng dân số còn kéo theo cơ sở hạ tầng bị quá tải Các điều kiện về kết cấu hạ tầng như nhà ở, trường học, bệnh viện, điện, nước, đường phố, không đáp ứng kịp nhu cầu của người dân sống tại đô thị Ngoài ra, vấn đề sử dụng đất (phần lớn là đất nông nghiệp) khi thực hiện đô thị hóa hiện đang là mặt trái của quá trình này Một bộ phận không nhỏ nông dân ngoại thành bị mất đất canh tác phải chuyển đổi nghề nghiệp Theo thống kê của Bộ Lao động, Thương binh và Xã hội, Việt Nam đã mất 73.000 ha đất canh tác hàng năm do đô thị hóa, ảnh hưởng đến cuộc sống của 2,5 triệu nông dân; diện tích trồng lúa giảm 6% chủ yếu là do công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh chóng Diện tích đất được giao để sản xuất lúa gạo dự kiến giảm gần 10% vào năm 2030 Trong khi đó, để thu hút đầu tư, các địa phương ồ ạt mở khu công nghiệp mà phần lớn là lấy đất nông nghiệp Đất mới chuyển đổi này lại bị sử dụng lãng phí do thiếu quy hoạch đồng bộ, tỷ lệ lấp đầy nhiều khu công nghiệp rất thấp, gây lãng phí lớn

Như thế ta thấy rằng tốc độ đô thị hóa đang diễn ra rất mạnh ở Việt Nam, trong đó nhanh nhất là 3 thành phố lớn nhất là Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh và thành phố Đà Nẵng Riêng thành phố Đà Nẵng thì chủ yếu trong giai đoạn những năm 90 trở lại đây

1.2 Tổng quan ứng dụng Viễn thám và GIS trong nghiên cứu đô thị hóa

1.2.1 Trên thế giới

Quá trình đô thị hóa mạnh mẽ cùng với việc gia tăng dân số đã dẫn tới sự thay đổi lớn trong hiện trạng sử dụng đất ở hầu hết các nước trên thế giới làm cho việc theo dõi thường xuyên trở nên khó khăn khi mà công tác cập nhập sử dụng đất chỉ được thực hiện 5 năm một lần [9] Mặt khác, việc vẽ bản đồ, thống kê các dữ liệu kinh tế xã hội, dữ liệu về khí tượng thủy văn, biến đổi khí hậu, các tài liệu hiện trạng, quy hoạch cơ sở hạ tầng hiện có để đánh giá quá trình đô thị hóa với các yếu tố tác động đến nó là nhiệm vụ hết sức phức tạp Vì vậy để có dữ liệu kịp thời trên diện rộng người ta thường sử dụng các vệ tinh quan sát Trái Đất và hiện nay có nhiều vệ tinh đang hoạt động và cung cấp một lượng lớn dữ liệu ảnh viễn thám cho việc theo dõi lớp phủ Các dữ liệu này có tính năng đa phổ và có độ phân giải không gian khác nhau phù hợp cho nghiên cứu đô thị ở nhiều tỉ lệ và quy mô thời gian, không gian Để phân tích sự phát triển

đô thị theo thời gian và không gian, giải pháp để thực hiện các công việc này là GIS Theo định nghĩa tổng quát Burrought 1986 "GIS như là một tập hợp các công cụ cho việc thu nhập, lưu trữ, thể hiện và chuyển đổi các dữ liệu mang tính chất không gian từ thế giới thực để giải quyết các bài toán ứng dụng phục vụ các mục đích cụ thể "

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng đã dẫn tới việc mất đất nông nghiệp diễn ra trên toàn thế giới Ở Hoa Kì, ứng dụng này được bắt đầu từ năm 1976 Tại các quốc gia Châu Âu như Pháp, Hà Lan, Đức, hướng nghiên cứu này cũng trở nên phổ biến trong các thập niên 80, 90 của thế kỉ 20 và hiện nay đang phát triển mạnh Ngày nay, các nước Châu Á và Châu Phi cũng bắt đầu đi sâu vào nghiên cứu hiện trạng sử dụng đất và lớp phủ mặt đất, các bề mặt không thấm bằng công nghệ viễn thám và GIS, như: Barnes và nnk, 2001; Sun và nnk, 2017 Xu hướng sử dụng ảnh viễn thám và GIS vào đánh giá, nghiên cứu quá trình đô thị hóa ở các quốc gia đang được thực hiện nhiều và phổ biến hiện nay

Như vậy, tại các quốc gia phát triển mạnh như Mỹ, Pháp và các nước phát triển trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng GIS và viễn thám để nghiên cứu, đánh giá tác động của sự thay đổi lớp phủ bề mặt đất

1.2.2 Ở Việt Nam

Quá trình đô thị hóa là xu thế tất yếu của bất kỳ quốc gia nào do tiến trình của sản xuất xã hội Lịch sử phát triển của hầu hết các quốc gia văn minh đi trước cho thấy, sự tiến bộ của trình độ sản xuất tỉ lệ thuận với quá trình đô thị hóa nông thôn: vùng nông thôn trở thành các đô thị; người nông dân (sản xuất các sản phẩm nông nghiệp) trở thành người công nhân (sản xuất các sản phẩm công nghiệp), tại Việt Nam cũng vậy

Tốc độ công nghiệp hóa và đô thị hóa nhanh ở Việt Nam từ đầu những năm 1990 đã dẫn đến việc thu hồi một phần lớn diện tích đất nông nghiệp, từ năm 2001 - 2005 có 500.000 ha đất nông nghiệp đã được chuyển thành đất đô thị và đất công nghiệp, riêng năm 2007 mất 120.000 ha đất nông nghiệp[10], tính đến cuối năm 2018, nước ta có tổng diện tích đất nông nghiệp là 272.894.000 ha[11]

Sự phát triển nhanh ở khu vực đô thị ảnh hưởng trực tiếp tới sự chuyển đổi đất nông nghiệp sang đất đô thị và đất công nghiệp ở các thành phố lớn như Hà Nội, Hồ Chí Minh, Đà Nẵng Đến nay, diện tích đô thị thành phố Đà Nẵng đã lên tới hơn 20.000ha, gấp 4 lần diện tích cũ ban đầu khi Đà Nẵng trở thành đơn vị hành chính trực thuộc Trung ương năm 1997[12]

Các tác giả Trần Thị Ân và Vũ Anh Tuân sử dụng phương pháp phân loại dựa trên đối tượng ảnh Viễn thám mà cụ thể là ảnh Landsat TM và ETM cho thấy sự mở rộng diện tích đất xây dựng của thành phố Đà Nẵng ở các quận phía nam và phía đông của thành phố như các quận Hải Châu, Thanh Khê và Ngũ Hành Sơn trong thời kỳ 1990 - 2007[10] Đặng Trung Tú và nnk (2015) đã sử dụng ảnh Landsat đa thời gian nghiên cứu diễn biến đô thị hóa của thành phố Đà Nẵng phục vụ quy hoạch bảo vệ môi

trường đô thị (Đặng Trung Tú, Trương Quang Hải, Nguyễn Thị Thu Hà và Nguyễn Thị Mai Ngân (2015), Sử dụng ảnh Landsat đa thời gian nghiên cứu diễn biến đô thị hóa của thành phố Đà Nẵng phục vụ quy hoạch bảo vệ môi trường đô thị) Nghiên cứu đã cho thấy rõ sự chuyển đổi mạnh mẽ không gian đô thị TP Đà Nẵng từ diện tích cây xanh sang diện tích nhà ở và đất xây dựng, đặc biệt là vào giai đoạn 2005 - 2010 Phạm Bách Việt, 2008 Sử dụng kỹ thuật viễn thám và GIS xác định xu hướng phát triển không gian đô thị thành phố Hồ Chí Minh Tạp chí Khoa học Trái đất & Môi trường, Tập 13, Số M1, 2010, 14 - 25, tác giả cũng dùng dữ liệu ảnh quang học Landsat để phân loại ảnh các lớp phủ bề mặt để dự đoán xu thế phát triển không gian đô thị ở thành phố Hồ Chí Minh sẽ như thế nào Trần Thị Vân, 2011 Ứng dụng viễn thám và GIS giám sát đô thị hóa Thành phố Hồ Chí Minh thể hiện qua các mặt không thấm Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 14, số M1 – 2011, 65 - 77, tác giả đã sử dụng phần mềm ENVI và Arc GIS giải đoán ảnh vệ tinh Landsat để theo dõi quá trình đô thị hóa ở thành phố Hồ Chí Minh trong thời gian rất dài từ năm 1989 – 2019 thông qua các bề mặt không thấm

Tại Việt Nam, hầu hết các nhà nghiên cứu cũng đã ứng dụng GIS và viễn thám để phân tích, đánh giá các biến động lớp phủ mặt đất Tuy nhiên các kết quả này chủ yếu sử dụng cho mục đích sử dụng đất, rất ít nghiên cứu áp dụng sự biến động lớp phủ mặt đất vào nghiên cứu ngập lụt cũng như đánh giá sự ảnh hưởng đến ngập lụt đô thị

1.3 Tổng quan về phương pháp viễn thám

1.3.1 Khái niệm viễn thám

Viễn thám là phương pháp sử dụng bức xạ điện tử như một phương tiện nghiên cứu, điều tra, đo đạc những thuộc tính cơ bản của các hiện tượng, đối tượng mà không cần tiếp xúc trực tiếp

1.3.2 Cơ sở vật lý của viễn thám

Viễn thám nghiên cứu đối tượng bằng giải đoán và tách lọc thông tin từ dữ liệu ảnh chụp hàng không hoặc bằng việc giải đoán ảnh vệ tinh dạng số Các dữ liệu dưới dạng ảnh chụp và ảnh số được thu nhận dựa trên việc ghi nhận năng lượng bức xạ và sóng phản hồi Năng lượng phổ dưới dạng sóng điện từ, nằm trên các dải phổ khác nhau, cùng cho thông tin về một vật thể từ nhiều góc độ sẽ góp phần giải đoán đối tượng một cách chính xác hơn

Đối với các hệ thống viễn thám, đặc điểm quan trọng là bước sóng hoặc dải bước sóng, còn được gọi là dải quang phổ (spectral band) được sử dụng trong quá trình trong quá trình thu nhận ảnh, các hệ thống viễn thám thụ động thường chỉ thu nhận được dải quang phổ nằm trong cửa sổ khí quyển (atmospheric windows) nghĩa là không bị hấp thụ hoặc ít bị hấp thụ bởi khí quyển gồm quang phổ khả kiến và hồng ngoại nằm trong khoảng 0,4 - 2,5 µm (hệ thống viễn thám quang học), bước sóng nhiệt, radio và vi sóng thụ động (microwave)[13] Các ảnh viễn thám có thể được thu thập từ nền tảng vệ tinh hay máy bay dựa trên các sensor và các thiết bị hỗ trợ khác

với mục đích cuối cùng là phân loại thông tin chi tiết nhất đối với các đối tượng nghiên cứu Độ phân giải sensor (độ phân giải ảnh) bao gồm độ phân giải phổ và độ phân giải không gian, có ảnh hưởng quyết định đến khả năng phân loại chi tiết đối tượng nghiên cứu phụ thuộc vào đặc điểm và nhiệm vụ của hệ thống viễn thám

Hình 1.3 Quang phổ điện từ và sự truyền qua khí quyển (hiệu chỉnh từ Albertz, 2007)

Độ phân giải không gian (spatial resolution) thường được biểu thị bằng chiều dài (theo đơn vị mét) theo đơn vị không gian nhỏ nhất trong ảnh (pixel), độ phân giải không gian phụ thuộc loại sensor và xác định độ phân giải ảnh Các sensor giám sát trái đất bao phủ một ngưỡng rộng của độ phân giải không gian với kích cỡ pixel của ảnh từ 0,5 - 4 m là độ phân giải cao bao phủ diện tích nghiên cứu nhỏ như Quickbird, IKONOS, Workview 2, 3, SPOT 5, GeoEye; ngưỡng từ 10 - 50 m là độ phân giải trung bình như Landsat TM, ETM và OLI, Sentinel 2, các sensor hướng đến cho ứng dụng quy mô toàn cầu thường có pixel từ 200 - 1.000 m như MODIS, và những sensor ứng dụng cho khí quyển thường có độ phân giải rất thấp từ 10 - 50 km như METEOSAT-8 Trong khi đó, độ phân giải phổ (spectral resolution) tương ứng với số lượng và băng thông của kênh phổ của cung cấp bởi các sensor, thông thường số lượng kênh phổ càng nhiều và kênh phổ càng hẹp có khả năng cung cấp tốt hơn sự phân loại đối tượng Các sensor có vài kênh phổ (3 - 10) như Landsat, Sentinel 2 thường được gọi sensor đa phổ (Multispectral sensor), các sensor siêu phổ có 100 - 200 kênh phổ hẹp (Hyperspectral sensor) như Hyperion với 242 kênh phổ từ 0,4 - 2,5 µm và độ phân giải không gian 30 m; AVIRIS có 224 kênh phổ, CASI với với 288 kênh phổ từ 0,43 đến 0,87 μm Bên cạnh độ phân giải phổ và độ phân giải không gian, độ phân giải thời gian (temporal resolution) đóng vai trò quan trọng để phát hiện các thay đổi ngắn hạn Độ phân giải thời gian nghĩa là tầng suất quan sát lặp lại của sensor, các sensor với độ phân giải thời gian cao sẽ có độ phận giải không gian thấp đồng nghĩa với việc thu

nhận ảnh bao trùm với khu vực rộng lớn Độ phân giải không gian của các vệ tinh khí tượng thường 15 - 30 phút, của Landsat 8 OLI là 17 ngày, của Sentinel 2 từ 2 - 5 ngày

Viễn thám thường được sử dụng 4 tính chất cơ bản của bức xạ điện từ, đó là tần số hay bước sóng, sóng lan truyền, biên độ và mặt phẳng phân cực để thu nhận thông tin từ các đối tượng Tùy thuộc vào bước sóng điện từ phản xạ hay bức xạ từ các vật thể được thu nhận bởi bộ cảm biến sẽ tạo ra các ảnh viễn thám có màu sắc khác nhau

Thể hiện màu tư liệu ảnh vệ tinh giữ vai trò rất quan trọng trong việc giải đoán ảnh bằng mắt, nếu ảnh đa phổ gồm 3 kênh được ghi nhận tương ứng cùng vùng phổ của đỏ, lục và xanh chàm sẽ cho phép tái tạo màu tự nhiên trên màn hình hiển thị ảnh Ví dụ, lá cây sẽ có màu lục trên ảnh như sự cảm nhận của con người ngoài thực tế, vì chất diệp lục hấp thụ ánh sáng có bước sóng lục Ngược lại, nếu thông tin ghi nhận trên vùng phổ thông không nhìn thấy (sóng hồng ngoại) sự tổ hợp màu với kênh phổ hồng ngoại sẽ không cho màu tự nhiên, trường hợp này được gọi là tổ hợp màu hồng ngoại Trên tổ hợp màu này, các đối tượng được thể hiện trên film hồng ngoại Ảnh viễn thám sẽ cung cấp thông tin về các vật thể tương ứng với năng lương bức xạ với từng bước sóng do bộ cảm biến nhận được trong dải phổ đã xác định Các đặc trưng này của vật thể thường gọi là đặc trưng phổ

Phản xạ phổ ứng với từng lớp phủ mặt đất cho thấy có sự khác nhau do sự tương tác giữa các bức xạ điện từ và vật thể, điều này cho phép viễn thám có thể xác định hoặc phân tích được đặc điểm của lớp phủ thông qua việc đo lường phản xạ phổ Hình 1.4 cho thấy phản xạ phổ ứng với 1 số lớp phủ đặc trưng của mặt đất (trục ngang thể hiện bước sóng, trục đứng thể hiện phần trăm năng lượng điện từ phản xạ)

Hình 1.4 Dải tần số được sử dụng trong viễn thám

1.3.3 Các phương pháp xử lý ảnh viễn thám

Truy cập dữ liệu và hiện ảnh: là bước chuyển từ dữ liệu gốc thu được trên vệ tinh sang dữ liệu dạng số lưu trữ trong phòng thí nghiệm Hiệu chỉnh tọa độ

Tăng cường chất lượng ảnh: là bước cần thiết nhằm hoàn thiện ảnh dùng cho giải đoán bằng mắt và xử lý số Kỹ thuật tăng cường chất lượng giúp cho việc thể hiện các yếu tố trên ảnh rõ ràng hơn

Giải đoán ảnh và phân loại đối tượng: đây là bước định tính hóa các đối tượng trong xử lý ảnh số Trong quá trình này, từng phần tử ảnh được tính toán, phân loại vào phạm trù thông tin và như vậy ảnh được biến thành một ma trận các phạm trù thông tin theo quy ước của các nhà chuyên môn Sau quá trình giải đoán bằng mắt hoặc xử lý số các thông tin cơ bản được chuyển sang dạng bản đồ và thể hiện lại bằng công nghệ biên tập bản đồ chuyên đề.Bao gồm các quá trình như chỉnh lý dữ liệu, nắn chỉnh hình học: đây là phương pháp quan trọng trong quy trình thành lập bản đồ vì nó ảnh hưởng đến độ chính xác của bản đồ sau khi được số hóa dự trên nền ảnh, sau đó tiến hành vector hóa ảnh đã được phân loại: là quá trình biến đổi dữ liệu raster thành dữ liệu raster Dữ liệu sau các quá trình phân tích, đưa lên nền bản đồ, chuyển đổi dữ liệu thì được tiến hành sắp xếp lại đối tượng theo mục tiêu của bản đồ cần thành lập, tiến hành sửa chửa, biên vẽ lại bản đồ theo yêu cầu của bản đồ như chỉnh tỷ lệ, tọa độ Và cuối cùng là kiểm tra hoàn tất và tiến hành in bản đồ

Hình 1.5 Các bước xử lý ảnh viễn thám

Số hóa bản đồ vào hệ thông tin địa lý

Chuyển ảnh đã phân loại sang hệ thông tin địa lý ở dạng raster

Giải đoán bằng mắt theo phương pháp thông thường

Đưa lên bản đồ nền và hoàn thiện bản đồ tác giả

Phân loại ảnh theo mẫu đã lựa chọn

Vector ảnh đã phân loại trong phần mềm của hệ thông tin địa lý

Tiến hành sắp xếp lại đối tượng theo mục tiêu thành lập bản đồ

Sửa lại bản đồ theo yêu cầu và tiêu chuẩn

In bản đồ

1.4 Tổng quan mô hình quản lý nước mưa SWMM

1.4.1 Giới thiệu mô hình SWMM

Mô hình quản lý nước mưa SWMM (Storm Water Management Model) là mô hình động lực học mô phỏng mưa - dòng chảy cho các khu vực đô thị cả về chất và lượng, và tính toán quá trình chảy tràn từ mỗi lưu vực bộ phận đến cửa nhận nước của nó Mô hình này do Metcalf và Eddy xây dựng năm 1971, là sản phẩm của 1 hợp đồng kinh tế giữa trường Đại học Florida và tổ chức bảo vệ môi trường Hoa kỳ EPA (The U.S.Environment Protection Agency)

Mô hình SWMM là một mô hình toán học toàn diện, dùng để mô phỏng khối lượng và tính chất dòng chảy đô thị do mưa và hệ thống cống thoát nước thải chung Mọi vấn đề về thuỷ văn đô thị và chu kỳ chất lượng đều được mô phỏng, bao gồm dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm, vận chuyển qua mạng lưới hệ thống tiêu thoát nước, hồ chứa và khu xử lý[14]

Trong đề tài chỉ ứng dụng 1 module phổ biến hiện nay của mô hình SWMM là module RUNOFF Mô hình RUNOFF mô phỏng quá trình mưa - dòng chảy ở các tiểu lưu vực riêng biệt trong đô thị Các tiểu lưu vực trong phạm vi module RUNOFF tương ứng trực tiếp với các tiểu lưu vực được xác định cho đô thị quận Ngũ Hành Sơn Số liệu đầu vào là hệ thống tiêu thoát nước mương hở và đường ống, bao gồm tất cả các đường cống, mương thoát nước do mưa, mực nước triều và dòng chảy sông, biển

1.4.2 Nguồn dữ liệu sử dụng

- Dữ liệu khí tượng thủy văn: trong đề tài chỉ quan tâm đến số liệu mưa, còn các số liệu khác như độ ẩm, bốc hơi, nhiệt độ ít ảnh hưởng đến hiện tượng ngập úng do mưa nên không đề cập đến Dữ liệu mưa được lấy từ số liệu thực tế tại các trạm đo mưa trên địa bàn quận Ngũ Hành Sơn từ tháng 3 năm 2022 đến tháng 12 năm 2022

- Dữ liệu hạ tầng thoát nước: hệ thống thoát nước đô thị Ngũ Hành Sơn là hệ thống thoát nước chung, nước mưa và nước thải cùng đi trong một hệ thống cống, được trích lập từ cơ sở dữ liệu của Công ty Thoát nước và Xử lý nước thải Đà Nẵng Số lượng các công trình được đưa vào bài toán mô phỏng như sau:

+ Cống thoát nước: bao gồm các loại cống có kích thước từ 600mm đến 3000mm với số lượng tùy theo lưu vực

+ Cửa xả gồm 1 cửa đổ ra sông hoặc biển; + Hồ điều tiết nước mưa: 1 hồ

+ Cửa thu nước: tùy theo lưu vực

Các tiểu lưu vực thoát nước được xây dựng trên mô hình SWMM được phân theo đúng thiết kế tiểu lưu vực ban đầu của hạ tầng thoát nước đô thị thực tế Diện tích, độ dốc, hướng thoát nước của lưu vực được tham khảo trong cơ sở dữ liệu thoát nước Ngũ Hành Sơn Tỉ lệ diện tích không thấm được xác định theo thực tế xây dựng

1.5 Tổng quan đô thị quận Ngũ Hành Sơn

Quận Ngũ Hành Sơn được chính thức thành lập theo Nghị định số 07/NĐ-CP ngày 23 tháng 01 năm 1997 của Chính phủ và Quyết định số 181/QĐ-UB ngày 27 tháng 01 năm 1997 của UBND Lâm thời thành phố Đà Nẵng trên cơ sở phường Bắc Mỹ An của thành phố Đà Nẵng cũ và 2 xã Hòa Hải, Hòa Quý của huyện Hòa Vang Hiện nay quận Ngũ Hành Sơn có 4 phường: Mỹ An, Khuê Mỹ, Hòa Hải và phường Hòa Quý

Quận Ngũ Hành Sơn nằm phía Đông Nam thành phố Đà Nẵng, phía đông giáp biển Đông, phía tây giáp quận Cẩm Lệ, tây nam giáp huyện Hòa Vang, phía nam giáp thị xã Điện Bàn tỉnh Quảng Nam, phía bắc giáp quận Sơn Trà, tây bắc giáp quận Hải Châu Diện tích tự nhiên của quận là 3.911,7818 ha, với dân số tính đến ngày 09 tháng 3 năm 2022 là 97.635 người[15], địa hình của quận tương đối bằng phẳng, đất đai khá đồng nhất về tính chất lí - hóa học, cấu tạo địa chất chủ yếu là cát; nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa nên chế độ nhiệt, lượng mưa, độ ẩm tương đối thuận lợi cho sự phát triển sản xuất cây lương thực và thực phẩm, nhiệt độ trung bình: 25,90C/năm, quanh năm nắng lắm mưa nhiều (Theo số liệu của Trạm XLNT Ngũ Hành Sơn đo được, năm 2020 có tổng 34 trận mưa, với tổng lưu lượng mưa 2566 mm, riêng ngày 25/11/2020 là 701 mm[16], chịu ảnh hưởng trực tiếp của gió mùa Đông Bắc và Tây Bắc khu vực Duyên hải miền Trung và các cơn bão đổ vào

Quận Ngũ Hành Sơn có xuất phát điểm là một vùng nông thôn – nông nghiệp, cơ sở hạ tầng còn thấp kém, nền kinh tế phần lớn còn sản xuất nông nghiệp thuần túy, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp nhỏ lẻ Đến năm 2020 cơ cấu kinh tế của quận đã chuyển dịch mạnh mẽ theo đúng định hướng với tỷ trọng dịch vụ, du lịch, thương mại chiếm 81,98% và nông nghiệp - thủy sản chỉ chiếm 0,81%[17]

Từ năm 2009 đến năm 2022, quận Ngũ Hành Sơn chuyển động thành đô thị lớn với những dự án, công trình xây dựng hạ tầng quy mô lớn tại đây như: Bệnh viện Phụ sản và Nhi, làng Đại học, khu đô thị FPT, làng biệt thự ven sông Cổ Cò, khu phố An Thượng, khu dân cư Nam Việt Á, các biệt thự, khu nghỉ dưỡng dọc ven biển,…phát triển với tốc độ nhanh chóng

Hình 1.6 Sơ đồ khu vực nghiên cứu quận Ngũ Hành Sơn, TP Đà Nẵng

1.6 Vấn đề đô thị hóa và ngập lụt đô thị

Với ban đầu chỉ có phường Mỹ An là trung tâm phát triển của quận với cơ sở hạ tầng kỹ thuật đầy đủ, các phường khác như Khuê Mỹ, Hòa Hải, Hòa Quý thì thuần túy nông nghiệp và đánh bắt thủy sản thì đến nay quá trình đô thị hóa đã được ngày càng mở rộng ra tất cả các phường trên địa bàn quận

Việc mở rộng đô thị hóa này đã làm thay đổi mô hình sử dụng đất, sự tăng trưởng kinh tế, đời sống người dân được nâng cao, tăng trưởng mật độ dân số, loại bỏ mặt đất tự nhiên, cây xanh, kênh mương ao hồ Thay vào đó là các công trình xây dựng giao thông, các tòa nhà cao tầng, các khu dân cư đông đúc với hạ tầng kỹ thuật hiện đại Những thay đổi này làm thay đổi suất phản chiếu của bề mặt tự nhiên và thoát nước tự nhiên Cấu trúc bêtông xi măng cũng thay đổi nhiệt dẫn Sự xây dựng các tòa nhà cao ốc và các khu resort ven biển dẫn đến hạn chế thông gió, lấn chiếm diện tích ranh giới của biển, thiếu tiếp xúc của ánh sáng mặt trời thích hợp ảnh hưởng đến sức khỏe người dân Mặt khác, đất được phủ bêtông, xi măng hay nhựa đường làm giảm tối đa sự trao đổi giữa môi trường đất và các yếu tố tự nhiên Tính thấm nước, độ xốp, sự trao đổi không khí không còn nữa Đặc biệt địa hình quận có hai bên là bên biển, bên sông nên việc phát khiển, khai thác các quỹ đất hai bên này đã ảnh hưởng tới hệ sinh thái ven biển, ven sông và các vùng đất ngập nước Chu trình nước tự nhiên bị ảnh hưởng nhiều ở quá trình thấm, dòng chảy tự nhiên và tăng cường quá trình bốc hơi Hệ thống nước sông rạch được thay bằng cống rãnh hoặc kênh đào, hệ thống nước ngầm cũng bị khai thác tối đa và có thể có nhiều nơi bị ô nhiễm hoặc sụt lún

Quận Ngũ Hành Sơn có đặc thù trải dài theo hướng bắc nam, một bên biển, một bên sông nên hầu hết hệ thống thu gom nước mưa đều đổ ra các cửa xả nằm trên tuyến sông Hàn và biển Đông Vì vậy mức độ ngập lụt xảy ra do mưa lớn thấp, chủ yếu là do lũ tràn về, và cũng chỉ ngập trong các khu dân cư cũ, chỉnh trang hạ tầng kỹ thuật và tái định cư tại chỗ Tuy nhiên vẫn còn có những vị trí ngập do khớp nối hạ tầng không đồng bộ, thấp trũng

Trong trận lũ lịch sử của thành phố Đà Nẵng vào ngày 14/10/2022, trên lưu vực thoát nước Ngũ Hành Sơn cũng bị ngập và nặng nề nhất vẫn là khu dân cư bị thấp trũng, chưa được đầu tư cơ sở hạ tầng kỹ thuật thoát nước như tổ 62 - 63 Bình Kỳ phường Hòa Quý, tổ 13 - 15 phường Hòa Hải, phía sau lưng đường Nguyễn Duy Trinh phường Hòa Hải Tuy nhiên, trên các lưu vực có hệ thống thoát nước, mức độ bị ảnh hưởng của ngập lụt thấp, chiều sâu ngập trung bình 0.3 - 0.5m và rút nước sau ngừng mưa 30 phút

CHƯƠNG II

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Trong chương này, tác giả trình bày các phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn: phương pháp phân loại ảnh vệ tinh và thực nghiệm phân loại ảnh vệ tinh quận Ngũ Hành Sơn, phân tích biến động không gian đô thị quận Ngũ Hành Sơn sử dụng ảnh viễn thám và GIS, phương pháp mô hình hóa “SWMM” để chạy thử nghiệm mô hình ngập lụt, phương pháp phân tích tổng hợp để đánh giá vấn đề đô thị hóa gây ảnh hưởng như thế nào đến ngập lụt

2.1 Dữ liệu nghiên cứu và phân loại ảnh viễn thám bằng phương pháp phân loại có kiểm định

2.1.1 Dữ liệu nghiên cứu

Trong luận văn, ảnh vệ tinh RapidEye có độ phân giải 5 mét của năm 2009 và ảnh Planet Scope có độ phân giải 3 mét của năm 2022 đã được thu nhận và sử dụng cho nghiên cứu Cả hai dữ liệu ảnh vệ tinh này đều được cung cấp miễn phí bởi công ty Planet thông qua chương trình “Education and Research Program”

UTM Zone 49N

Dữ liệu ảnh sử dụng trong luận văn

2009 Rapid Eye 5m

Đặc điểm của ảnh vệ tinh

Tên ảnh Kênh Bước sóng (µm) Độ phân giải không gian (m)

Ảnh Rapid Eye Ngũ Hành Sơn năm 2009 (tổ hợp màu kênh Red, Green,

Blue.)

Ảnh Planet Scope Ngũ Hành Sơn năm 2022 (tổ hợp màu kênh Red, Green, Blue)

Hình 2.1 Ảnh tổ hợp màu năm 2009 và năm 2022 của Ngũ Hành Sơn

2.1.3 Phân loại ảnh viễn thám thành lập bản đồ hiện trạng không gian đô thị

2.1.3.1 Lựa chọn hệ thống phân loại

Phân loại ảnh viễn thám dựa trên cách nhận biết các nhóm pixel có đặc trưng phổ tương tự nhau để quyết định các dạng che phủ khác nhau Có nhiều phương pháp phân loại ảnh số khác nhau Các phương pháp phân loại thường căn cứ vào các giá trị thống kê khác nhau

Phân loại ảnh dựa trên pixel sử dụng thông tin quang phổ để tạo ra một ảnh và phân loại mỗi một pixel dựa trên đặc điểm vùng quang phổ của nó Kết quả phân loại là tất cả các pixel có đặc điểm quang phổ tương tự nhau trong một ảnh được gán cho một giá trị cụ thể Có 2 phương pháp dùng để sử dụng phân loại: Phân loại có kiểm định và phân loại không kiểm định

Việc xác định đối tượng mẫu để phân loại trong ảnh viễn thám để xây dựng bản đồ lớp phủ là công việc đầu tiên và rất quan trọng Thiết lập chú giải không chỉ dựa vào các đối tượng nhìn thấy trên ảnh mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như: độ phân giải, thời gian chụp, độ phủ mây, và kiến thức hiểu biết thực tế về địa phương

Với nguồn dữ liệu hiện có và kiến thức về thực tế tại địa phương, tác giả đã xây dựng hệ thống phân loại lớp phủ đô thị cho quận Ngũ Hành Sơn như bảng chú giải 2.1

4 Thực vật

Đất nông nghiệp, rừng

2.1.3.2 Quy trình phân loại

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình phân loại ảnh viễn thám

Bước1: Đưa tất cả các ảnh và bản đồ hành chính quận Ngũ Hành Sơn về cùng một hệ tọa độ WGS84/ UTM Zone 49N

Bước 2: Cắt ảnh vệ tinh theo khu vực nghiên cứu là quận Ngũ Hành Sơn

Bước 3: Dựa vào dấu hiệu nhận biết các đối tượng để phân loại chúng theo bảng chú giải, dựa vào hình ảnh từng ảnh viễn thám, tác giả thực hiện quá trình chọn mẫu cho từng pixel hoặc nhóm pixel trên từng ảnh

Cắt ảnh theo ranh giới khu vực nghiên cứu

Từ các tài liệu tác giả tham khảo thêm, những hiểu biết chung về quận Ngũ Hành Sơn, tác giả đã xác định và chiết xuất các đối tượng: Đất xây dựng hay đất đô thị, đất mặt nước, đất trống và thực vật ở trên ảnh vệ tinh

- Mặt nước (mã đất = 1): có cấu trúc mịn, thường, màu xanh sáng Bao gồm các ao, hồ, sông, kênh, nuôi trồng thủy sản và mặt nước chuyên dung

- Đất xây dựng hay đất đô thị (mã đất = 2): có cấu trúc tương đối đồng nhất, thể hiện rất rõ trong ảnh bằng các pixel có hình dáng ô, cấu trúc thô nhám, gồm nhà cửa, đường xá, khu công nghiệp, và phân bố tập trung chủ yếu ở trung tâm các phường

- Đất trống(mã đất = 3): đất xói mòn trơ sỏi đá, đất có dự án xây dựng nhưng chưa xây dựng, ruộng lúa, đất trồng cây hằng năm hoặc đất trồng cây lâu năm

- Thực vật (mã đất = 4): rừng sản xuất, rừng phòng hộ, đất có rừng, bụi rậm, đất có cây xanh bao phủ

Kết thúc việc chọn mẫu trên các ảnh viễn thám, ta có kết quả phân loại mẫu của các lớp phủ bề mặt đô thị quận Ngũ Hành Sơn như hình 2.3

Hình 2.3 Kết quả phân loại mẫu các lớp phủ trên ảnh năm 2009 và 2022 của quận Ngũ Hành Sơn

2.1.3.3 Phân loại ảnh viễn thám trên phần mềm GRASS GIS

Trong đề tài nghiên cứu, tác giả chọn phương pháp phân loại có kiểm định (Supervise Classification) Là phân chia một cách có kiểm định các giá trị DN của các pixel ảnh theo từng nhóm đơn vị lớp phủ mặt đất bằng việc sử dụng máy tính và các thuật toán Để thực hiện được việc phân loại này, ta phải tìm được tính chất phổ đặc trưng cho từng đối tượng lớp phủ mặt đất và đặt tên cho chúng Công việc xác định chìa khóa phân tích phổ được gọi là tạo các vùng mẫu (trainning areas) Từ các vùng này, các pixel khác trong toàn ảnh sẽ được xem xét và sắp xếp theo nguyên tắc “giống

nhất” (Look most like) để đưa về nhóm các đối tượng đã được đặt tên Trong quá trình phân loại này, tác giả chọn kiểu phân loại theo nguyên tắc xác suất giống nhau nhất (Maximum likelihood classified) Đây là cách phân loại hay được sử dụng, có độ chính xác cao

Sau khi chọn tập dữ liệu mẫu, quá trình phân loại ảnh vệ tinh thành lập bản đồ hiện trạng không gian đô thị tại từng thời điểm được thực hiện thông qua công cụ “Imagery” trong phần mềm GRASS GIS với thuật toán phân loại có kiểm định

Maximum Likelihood Classification (lệnh i.maxlik) Quy trình thực hiện phân loại ảnh

vệ tinh bằng phần mềm GRASS GIS được thể hiện qua sơ đồ hình 2.4

Hình 2.4 Quy trình phân loại ảnh viễn thám trên phần mềm GRASS GIS

2.2 Phương pháp tính toán biến động

Nghiên cứu sự biến động theo thời gian (Mutiltemporal changes) là một hướng nghiên cứu cần thiết cho nhiều lĩnh vực điều tra, quản lý tài nguyên, môi trường

Có 4 phương pháp tạo ảnh biến động khi nghiên cứu sự biến động: Từ ảnh gốc theo từng band phổ, từ ảnh chỉ số thực vật, từ ảnh biến động thành phần chính, từ ảnh đa phân loại Ở đây, tác giả dùng phương pháp từ ảnh đa phân loại Các ảnh lớp phủ đô thị quận Ngũ Hành Sơn năm 2009 và năm 2022 đã được thực hiện phân loại trên cùng hệ thống phân loại, và cùng phương pháp phân loại trên cùng phần mềm phân loại

Từ kết quả phân tích không gian đô thị năm 2009 và năm 2022, tác giả tiến hành phân tích biến động đô thị trong giai đoạn 2009 - 2022 trên phần mềm GRASS GIS