Ứng dụng mô hình swat kết hợp dữ liệu mưa vệ tinh Đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông lam

Ứng dụng mô hình swat kết hợp dữ liệu mưa vệ tinh Đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông lam Ứng dụng mô hình swat kết hợp dữ liệu mưa vệ tinh Đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông lam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HD 1: TS NGUYỄN ANH ĐỨC

HD 2: PGS.TS TRẦN NGỌC ANH

Hà Nội – Năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn của học viên TS Nguyễn Anh Đức (Viện Khoa học tài nguyên nước, Bộ Tài nguyên và Môi trường), PGS.TS Trần Ngọc Anh (Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN) Hai thầy đã luôn hỗ trợ học viên, cung cấp kiến thức và hướng dẫn tận tâm trong suốt quá trình nghiên cứu Các lời khuyên và góp ý của hai thầy đã giúp học viên phát triển kỹ năng nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này

Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sự tư vấn và hỗ trợ tận tâm của các thầy cô Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, cán bộ phòng Địa lý Biển và hải đảo Viện Địa lý (Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam) luôn hỗ trợ giúp đỡ, tạo điều kiện cho học viên trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Trong nghiên cứu, luận văn đã sử dụng dữ liệu từ Đề tài: “Nghiên cứu tích hợp nguồn dữ liệu quan trắc mặt đất và vệ tinh trong đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực sông Lam” mã số QG.23.19 do TS Đặng Đình Khá chủ trì, học viên xin bày tỏ lòng biết ơn với sự hỗ trợ từ đề tài

Học viên xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè luôn động viên và hỗ trợ tinh thần trong suốt thời gian học tập Sự ủng hộ của bạn bè người thân đã giúp học viên vượt qua những khó khăn và tạo điều kiện thuận lợi để học viên tập trung vào nghiên cứu

Kiến thức của học viên còn nhiều hạn chế, việc hoàn thành luận văn này không tránh khỏi những sai sót Học viên xin kính mong sự đóng góp quý báu từ phía các thầy cô, cũng như sự đồng lòng hỗ trợ từ các bạn đồng nghiên cứu giúp học viên cải thiện và hoàn thiện hơn nữa bản luận văn này

Học viên xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2024

Học viên

Đặng Thị Hồng Nhung

1.1 Tổng quan lưu vực nghiên cứu 4

1.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên 4

1.1.2 Đặc điểm dân cư, kinh tế - xã hội 14

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đánh giá tài nguyên nước 15

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 15

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

1.3 Tổng quan về các nguồn dữ liệu mưa vệ tinh 19

1.4 Tiểu kết chương 1 21

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP VÀ DỮ LIỆU 23

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAT 23

2.2 Lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh 26

2.3.6 Dữ liệu mưa vệ tinh 34

2.4 Thiết lập mô hình SWAT cho lưu vực sông Lam 34

2.5 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 38

2.6 Tiểu kết chương 2 44

CHƯƠNG 3 - ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LAM 46

3.1 Đánh giá phân bố tổng lượng nước trên lưu vực sông Lam 46

3.2 Đánh giá xu thế biến đổi tổng lượng nước trên lưu vực sông Lam 50

3.3 Đánh giá biến đổi dòng chảy lũ, kiệt trên lưu vực sông Lam 54

3.4 Tiểu kết chương 3 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

PHỤ LỤC 66

Phụ lục 1 Kết quả mô hình với dữ liệu mưa trạm 66

Phụ lục 2 Kết quả mô hình với dữ liệu mưa CMORPH 71

Phụ lục 3 Kết quả mô hình với dữ liệu mưa GPM 76

Phụ lục 4 Kết quả mô hình với dữ liệu mưa CMORPH hiệu chỉnh 82

Phụ lục 5 Kết quả mô hình với dữ liệu mưa GPM hiệu chỉnh 87

Phụ lục 6 Kết quả mô hình với dữ liệu mưa tích hợp 92

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn 7

Bảng 1.2 Nhiệt độ không khí trung bình nhiều năm một số trạm trên lưu vực (˚C) [6] 8

Bảng 1.3 Tốc độ gió trung bình trên lưu vực sông Lam (m/s) [6] 9

Bảng 1.4 Đặc trưng độ ẩm trung bình tại một số trạm trên lưu vực sông Lam [6] 9

Bảng 1.5 Tổng lượng mưa tháng trung bình nhiều năm các trạm trên lưu vực (mm) 10

Bảng 2.1 Danh sách mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn 29

Bảng 2.2 Bảng thống kê các loại hình sử dụng đất lưu vực sông Lam 31

Bảng 2.3 Bảng thống kê các loại đất lưu vực sông Lam 32

Bảng 2.4 Bảng thông số kỹ thuật chủ yếu của các hồ chứa 33

Bảng 2.5 Các thông số sử dụng trong mô hình SWAT-CUP 38

Bảng 2.6 Chỉ tiêu đánh giá khả năng của mô hình [27] 40

Bảng 2.7 Bảng tổng hợp chỉ tiêu đánh giá sai số các trạm với 5 loại dữ liệu mưa 41

Bảng 2.8 Bộ thông số mô hình với 5 loại dữ liệu mưa 43

Bảng 2.9 Bảng tổng hợp chỉ tiêu đánh giá sai số các trạm với dữ liệu mưa tích hợp 44

Bảng 3.1 Tổng lượng mưa trung bình nhiều năm các trạm mưa trên lưu vực sông Lam 46 Bảng 3.2 Đặc trưng dòng chảy năm trên lưu vực sông Lam 48

Bảng 3.3 Lưu lượng dòng chảy trung bình năm tại các trạm thủy văn 53

Bảng 3.4 Đặc trưng dòng chảy mùa lũ trên lưu vực sông Lam 55

Bảng 3.5 Đặc trưng dòng chảy mùa kiệt trên lưu vực sông Lam 57

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Lam 4

Hình 1.2 Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Lam 8

Hình 1.3 Mạng lưới sông suối lưu vực sông Lam 12

Hình 1.4 Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Lam 13

Hình 2.1 Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất 24

Hình 2.2 Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy 25

Hình 2.3 Tiến trình mô phỏng của SWAT 26

Hình 2.4 Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực sông Lam 30

Hình 2.5 Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Lam 31

Hình 2.6 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Lam 32

Hình 2.7 Sơ đồ khối phương pháp luận của luận văn 35

Hình 2.8 Minh họa bản đồ kết quả phân chia tiểu lưu vực, vị trí các cửa ra, hồ chứa trong mô hình 36

Hình 2.9 Minh họa kết quả bước phân tích đơn vị thủy văn 37

Hình 2.10 Thiết lập các tùy chọn và chạy mô hình 37

Hình 2.11 Lưu lượng thực đo và mô phỏng trạm Mường Xén 40

Hình 2.12 Lưu lượng thực đo và mô phỏng trạm Nghĩa Khánh 40

Hình 2.13 Lưu lượng thực đo và mô phỏng trạm Dừa 41

Hình 2.14 Lưu lượng thực đo và mô phỏng trạm Sơn Diệm 41

Hình 2.15 Lưu lượng thực đo và mô phỏng trạm Hòa Duyệt 41

Hình 3.1 Bản đồ tổng lượng mưa trung bình nhiều năm các tiểu lưu vực 48

Hình 3.2 Bản đồ đẳng trị mô đun dòng chảy năm lưu vực sông Lam 49

Hình 3.3 Bản đồ dòng chảy mặt trung bình nhiều năm các tiểu lưu vực 50

Hình 3.4 Xu thế biến đổi tổng lượng mưa trung bình nhiều năm tại các trạm khí tượng trên lưu vực sông Lam 52

Hình 3.5 Xu thế biến đổi dòng chảy trung bình nhiều năm tại các trạm thủy văn trên lưu vực sông Lam 54

Hình 3.6 Biểu đồ thể hiện phần trăm tổng lượng dòng chảy mùa lũ, mùa kiệt so với tổng lượng dòng chảy cả năm 54

Hình 3.7 Biều đồ thể hiện tổng lượng mùa lũ từng năm tại các trạm thủy văn 56

Hình 3.8 Biều đồ thể hiện tổng lượng mùa kiệt từng năm tại các trạm thủy văn 58

BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT

SWAT Soil and Water Assessment Tool GIS Geographic Information Systems

GPM Global Precipitation Measurement TRMM Tropical Rainfall Measuring Mission GSMap Global Satellite Mapping of Precipition CMORPH Climate Prediction Center Morphing Technique CHIRPS Climate Hazards Group Infrared Precipitation

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết

Nước là một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng và không thể thiếu đối với cuộc sống Nước là yếu tố cơ bản để duy trì sự sống, con người cần nước để uống, nấu ăn, sinh hoạt hàng ngày và duy trì sức khỏe Tầm quan trọng của nước không chỉ giới hạn trong lĩnh vực sinh hoạt mà còn nhiều khía cạnh khác nhau của cuộc sống, kinh tế xã hội như: sản xuất nông nghiệp, quyết định sự tồn tại của các hệ thống sinh thái Sự phát triển năng lượng và công nghiệp cũng đòi hỏi sự sẵn có của tài nguyên nước Do ảnh hưởng bởi điều kiện khí hậu, nhu cầu sử dụng nước nên tài nguyên nước luôn thay đổi theo không gian và thời gian Việc đánh giá tài nguyên nước không chỉ là việc nghiên cứu và thu thập dữ liệu mà còn có ý nghĩa rất lớn trong các công tác quy hoạch, quản lý, bảo vệ và sử dụng tài nguyên nước một cách bền vững và hiệu quả Đối với con người việc đánh giá tài nguyên nước giúp xác định khả năng cung cấp nước cho cộng đồng Đối với nông nghiệp và sản xuất đánh giá tài nguyên nước giúp quản lý việc sử dụng nước trong nông nghiệp một cách bền vững, đảm bảo sự cân bằng giữa nhu cầu tưới tiêu, chế biến thực phẩm và bảo vệ môi trường Đối với hệ sinh thái việc đánh giá giúp dự đoán và quản lý tác động của các dự án công nghiệp đối với nguồn nước và môi trường Do đó, đánh giá tài nguyên nước là vô cùng quan trọng và cần thiết

Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới [1], đánh giá tài nguyên nước là xác định nguồn, mức độ, độ tin cậy và chất lượng của tài nguyên nước để sử dụng và kiểm soát và các hoạt động của con người ảnh hưởng đến tài nguyên nước Đánh giá tài nguyên nước cũng là nghiên cứu có hệ thống về hiện trạng và xu hướng tương lai về tài nguyên nước, đặc biệt tập trung vào các vấn đề liên quan đến tính sẵn có, khả năng tiếp cận và nhu cầu Như vậy, đánh giá tài nguyên nước bao gồm nhiều khía cạnh, trong luận văn này học viên chỉ đánh giá về mặt số lượng và chỉ đánh giá tài nguyên nước mặt trên lưu vực sông

Sông Lam hay còn có tên gọi khác là sông Cả, là một trong 2 con sông lớn nhất ở Bắc Trung Bộ Việt Nam Sông bắt nguồn từ vùng Nậm Cắn - Lào, phần chính chảy qua tỉnh Nghệ An, phần cuối hợp với sông La từ Hà Tĩnh và đổ ra biển tại cửa Hội Sông Lam đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế - xã hội của các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh

Trên lưu vực sông đã có một số nghiên cứu tiêu biểu như: Đề tài “Nghiên cứu giải pháp

sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phòng tránh thiên tai lưu vực Sông Cả”

do Nguyễn Đăng Túc chủ trì [2] đã điều tra, đánh giá hiện trạng và diễn biến tài nguyên môi trường lưu vực Sông Cả, đề xuất các giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi

trường và phòng tránh thiên tai lưu vực Sông Cả Dự án “Điều tra đánh giá tài nguyên

nước lưu vực các sông biên giới Việt Nam - Lào thuộc lưu vực sông Mã, sông Cả” của

Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước quốc gia [3] đã phân tích, đánh giá hiện

trạng, diễn biến tài nguyên nước mặt trong vùng dự án theo không gian và thời gian bao gồm cả chất lượng và số lượng Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu trước đây đều dựa trên nguồn hữu hạn quan trắc tại các trạm trên mặt đất để đánh giá Số liệu mưa quan trắc chỉ phản ánh được một vị trí, chi phí đo đạc tốn kém và gặp nhiều khó khăn trong việc quan trắc tại những khu vực đồi núi, địa hình phức tạp hoặc những lưu vực sông xuyên quốc gia Trong khi hiện nay đã sẵn có một nguồn dữ liệu mưa vệ tinh và ảnh viễn thám cung cấp một cách nhanh chóng, miễn phí và toàn diện về mưa mà không bị giới hạn bởi địa hình hay lãnh thổ hỗ trợ cho công tác đánh giá tài nguyên nước, tăng cường độ chính xác cả trên không gian và thời gian, đặc biệt là ở các khu vực ít số liệu như ở tại lưu vực sông Lam Thêm vào đó, lưu vực sông Lam là lưu vực xuyên biên giới việc thu thập các số liệu mưa quan trắc phần thượng lưu gặp nhiều khó khăn do đó nghiên cứu sử dụng kết hợp dữ liệu mưa vệ tinh nhằm bổ khuyết cho phần thiếu số liệu khu vực phía Lào Do vậy, nghiên cứu

lựa chọn đề tài: “Ứng dụng mô hình SWAT kết hợp dữ liệu mưa vệ tinh đánh giá tài

nguyên nước lưu vực sông Lam” để phân tích lựa chọn mô hình, lựa chọn loại số liệu

mưa vệ tinh và ứng dụng để đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực sông Lam

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát: sử dụng số liệu mưa vệ tinh kết hợp với dữ liệu quan trắc tại các trạm quan trắc đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông Lam

Mục tiêu cụ thể:

- Nghiên cứu và làm chủ mô hình thủy văn thông số phân bố SWAT

- Khai thác, đánh giá dữ liệu mưa vệ tinh

- Ứng dụng mô hình SWAT sử dụng số liệu mưa vệ tinh kết hợp với dữ liệu quan trắc tại các trạm quan trắc đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông Lam: đánh giá phân bố tổng

lượng nước, xu thế biến đổi tổng lượng nước, biến đổi dòng chảy lũ, kiệt trên lưu vực 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: Đánh giá tài nguyên nước mặt bao gồm: phân bố tổng lượng nước, xu thế biến đổi tổng lượng nước và biến đổi dòng chảy lũ, kiệt

Phạm vi không gian: Lưu vực sông Lam (bao gồm cả phần lãnh thổ bên Lào)

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp thống kê, phân tích tổng hợp và kế thừa: Tổng hợp tài liệu, đánh giá

tổng quan các nghiên cứu liên quan ở trong nước và trên thế giới Kế thừa các tài liệu, dữ liệu liên quan, tổng hợp và phân tích chúng phục vụ việc xây dựng mô hình, hiệu chỉnh kiểm định mô hình thủy văn

Phương pháp mô hình hóa: Phương pháp này được thực hiện trên cơ sở tận dụng tối

đa sự phát triển của công nghệ thông tin trong lĩnh vực nghiên cứu phát triển mô hình thủy văn, cụ thể trong luận văn này học viên sử dụng mô hình SWAT đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực sông Lam

Phương pháp viễn thám và GIS: Giao diện mô hình SWAT tích hợp trong GIS tạo

thuận tiện cho việc định nghĩa lưu vực, cũng như thao tác, xử lý các dữ liệu không gian và dữ liệu dạng bảng liên quan Sử dụng phần mềm GIS nhằm số hoá, xử lý dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy văn thông số phân bố

5 Cấu trúc luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, danh mục bảng biểu, hình vẽ, danh mục các chữ viết tắt, luận văn gồm 3 chương chính:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Phương pháp và dữ liệu

- Chương 3: Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông Lam

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lưu vực nghiên cứu

1.1.1 Đặc điểm địa lý tự nhiên

1.1.1.1 Vị trí điạ lý

Lưu vực sông Lam là lưu vực lớn thứ hai thuộc vùng Bắc Trung bộ bắt nguồn từ vùng rừng núi của nước Cộng hòa dân chủ nhân dân Lào Toàn bộ lưu vực sông Lam nằm trên toạ độ địa lý từ: 18015' đến 20010'30'' vĩ độ Bắc, 103045'20'' đến 105015'20'' kinh độ Đông [4] Phía Bắc giáp lưu vực sông Chu, sông Bạng, phía Tây giáp lưu vực sông Mêkông, phía Nam giáp lưu vực sông Gianh, phía Đông giáp huyện Quỳnh Lưu, Yên Thành tỉnh Nghệ An, huyện Can Lộc, Thạch Hà tỉnh Hà Tĩnh và biển Đông (Hình 1.1)

Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Lam

Sông Lam có tổng chiều dài là 531 km với tổng diện tích lưu vực là 27.200 km2, phần chảy trên đất Việt Nam là 361 km, diện tích trên lãnh thổ Việt Nam là 17.730 km2 [4] Khi về tới Việt Nam, Sông Lam chủ yếu chảy qua các huyện tỉnh Nghệ An và một phần huyện Như Xuân tỉnh Thanh Hoá

1.1.1.2 Đặc điểm địa hình

Địa hình lưu vực sông Lam phát triển theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, nghiêng dần ra biển Phần ở địa phận Việt Nam hơn 80% diện tích là đồi núi Diện tích đất có độ dốc thoả mãn cho yêu cầu phát triển nông nghiệp chỉ chiếm 19% toàn vùng và 14% toàn lưu vực Dãy núi Phu Hoạt ở thượng nguồn sông Hiếu có đỉnh cao 2.452 m, thượng nguồn

sông Giăng, sông La là dãy núi Trường Sơn có độ cao trên 2.000 m, càng gần về phía Nam và Tây Nam núi đồi thấp dần xuống độ cao 1.300-1.800 m, đến vùng núi đồi Hà Tĩnh độ cao giảm còn 400-600 m Dải Trường Sơn và các dãy núi cao của 6 huyện miền núi Nghệ An đã hình thành một bức tường thành ngăn gió biển thổi vào đất Lào tạo nên sự khác biệt về chế độ khí hậu của hai nước

Địa hình sông Lam rất đa dạng, vùng đồi núi độ dốc lớn gây ra tình trạng tập trung nước nhanh dễ gây ra lũ lớn Lưu vực sông Lam có thể phân chia 3 dạng địa hình:

Vùng đồi núi cao: Bao gồm các huyện Kỳ Sơn, Con Cuông, Thanh Chương, Quế Phong, Quỳ Châu, Quỳ Hợp, Nghĩa Đàn, thị xã Nghĩa Đàn thuộc tỉnh Nghệ An và huyện Hương Sơn, Vũ Quang, Hương Khê thuộc tỉnh Hà Tĩnh Vùng có nhiều dãy núi đá vôi phát triển theo hướng Đông Bắc – Tây Nam Giữa những dãy núi là những nhánh sông lớn như Nậm Mô, Huổi Nguyên, sông Hiếu và sông Giăng

Vùng trung du: Bao gồm các huyện Anh Sơn, Tân Kỳ, Thanh Chương, Đô Lương thuộc tỉnh Nghệ An và huyện Đức Thọ, tỉnh Hà Tĩnh Độ cao địa hình dao động từ 300m đến 400m, phân bố khu vực hạ lưu của các nhánh sông Lam Vùng hạ lưu là nơi canh tác phát triển nông nghiệp khu vực, thường chịu ảnh hưởng của thời tiết, đặc biệt là các trận lũ lớn Mưa lũ làm đất bị xói mòn, rửa trôi mạnh, ảnh hưởng tới năng suất sản xuất nông nghiệp

Vùng đồng bằng: Bao gồm Thành phố Vinh, một phần các huyện Hưng Nguyên, Nam Đàn, Nghi Lộc thuộc tỉnh Nghệ An và một phần huyện Nghi Xuân, Hồng Lĩnh thuộc tỉnh Hà Tĩnh Cao độ bình quân từ 6-8m Khu vực này chịu ảnh hưởng của thuỷ triều, hiện tượng xâm nhập mặn phát triển mạnh về mùa khô, cách trạm mực nước Chợ Tràng về phía hạ lưu 2km [5]

1.1.1.3 Đặc điểm địa chất thổ nhưỡng

a) Đặc điểm địa chất

Trong vùng nghiên cứu xuất lộ gần như đầy đủ địa tầng địa chất có tuổi từ cổ đến trẻ Toàn bộ lưu vực sông Lam thuộc hai đới kiến tạo chính là đới kiến tạo sông Lam và đới oằn võng Sầm Nưa, ngoài ra còn có đới nâng Phu Hoạt

Về địa chất thủy văn, nước dưới đất trong vùng nghiên cứu có nhiều hạn chế, không phong phú Vấn đề này được giải thích trên cơ sở cấu tạo địa chất, đặc điểm địa mạo, điều kiện khí tượng thủy văn Trên toàn vùng nghiên cứu nhận thấy: các đất đá có khả năng chứa nước chiếm một khối lượng không lớn so với các loại đất đá thấm nước kém và chứa nước kém Mặt khác do địa hình vùng nghiên cứu bị phân cắt mạnh, sườn núi dốc, độ dốc lòng sông, suối lớn làm cho nước không có điều kiện tích tụ lại mà thoát nhanh ra các hệ thống sông suối lớn

Về khoáng sản, lưu vực sông Lam có cấu tạo địa chất rất phức tạp, các nham thạch có mặt đầy đủ các lớp tuổi từ cổ đến trẻ, tiếp theo là những hoạt động kiến tạo đã làm thay đổi các cơ cấu kiến trúc của nham thạch trong đó có mặt của các thành phần sa khoáng khác nhau Nhìn chung trong toàn vùng gặp rất nhiều loại sa khoáng từ đơn giản đến phức tạp, từ nham thạch rẻ tiền như vật liệu xây dựng cho đến những khoáng sản quý như vàng, rubi Các mỏ khoáng sản có giá trị như thiếc (Quỳ Hợp), sắt (Thạch Khê), rubi (Quỳ Châu), vàng gặp nhiều ở các thung lũng suối lớn [4]

b) Đặc điểm thổ nhưỡng Vùng đồng bằng sông Lam có các loại đất chủ yếu là đất phù sa và đất cát ven biển, đất bùn lầy, đất mặn và đất Feralitic điển hình nhiệt đới ẩm vùng đồi Đất đai vùng trung du khá đa dạng: Các loại đất chua, đất glay hoặc glay mạnh úng nước Ở vùng đồi chuyển tiếp từ đồng bằng lên núi, loại đất chủ yếu là Feralitic Do phải chịu ảnh hưởng tổng hợp của các nhân tố địa lý, địa hình, khí hậu, lớp phủ bề mặt nên đất ở vùng đồng bằng và trung du sông Lam được xếp vào loại kém màu mỡ [4]

1.1.1.4 Thảm phủ thực vật

Lưu vực sông Lam có rừng tập trung chủ yếu thuộc lãnh thổ bên Lào, 6 huyện miền núi Nghệ An và hai huyện Hương Sơn, Hương Khê thuộc Hà Tĩnh Phần đầu nguồn bên Lào, do dân cư còn thưa thớt nên chưa bị chặt phá nhiều, điều này có tác động tích cực đến việc điều hòa dòng chảy phần thượng nguồn sông Lam

Trên địa phận Việt Nam, diện tích rừng bị giảm nhanh do tốc độ phát triển dân số cao ở miền núi, cùng với tập quán du canh du cư của đồng bào các dân tộc Năm 1943 có khoảng 1,2 triệu ha rừng, đến nay diện tích rừng chiếm khoảng 35,5% diện tích tự nhiên, so với diện tích đất của các huyện miền núi và Hương Khê, Hương Sơn thì diện tích đất có rừng chiếm đến 43% Diện tích rừng già và rừng trung bình toàn lưu vực phần Việt Nam chỉ còn chiếm khoảng 12 ÷14% [4]

1.1.1.5 Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn

Bảng 1.1, Hình 1.2 thể hiện thông tin các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Lam Theo Thông tư số 30/2018/TT- BTNMT ngày 26 tháng 12 năm 2018 ban hành Quy định kỹ thuật về quan trắc và cung cấp thông tin, dữ liệu khí tượng thủy văn đối với trạm khí tượng thủy văn chuyên dùng đã quy định mật độ trạm khí tượng thủy văn chuyên dùng trong một số trường hợp cụ thể như sau:

- Khoảng cách giữa các trạm đo mưa từ 10km đến 15km đối với một trong các vùng sau: đồi núi; sườn đón gió; tổng lượng mưa năm trung bình nhiều năm từ 1.600 mm trở lên; khu vực đô thị loại III trở lên

- Khoảng cách giữa các trạm đo mưa từ 15km đến 20km đối với vùng trung du, đồng bằng

- Phục vụ tính toán lượng nước đến hồ chứa: ở lưu vực sông, suối cung cấp nước cho hồ chứa có dung tích toàn bộ từ 500.000m3 trở lên thì bố trí từ 10km đến 15km một trạm đo mưa; ở các nhánh sông, suối chảy đến hồ chứa có diện tích lưu vực từ 100km2 trở lên thì bố trí một trạm quan trắc lưu lượng nước

- Quan trắc ở vườn quốc gia: mỗi vườn quốc gia bố trí tối thiểu một trạm khí tượng; tùy theo quy mô diện tích của vườn quốc gia có thể bố trí thêm trạm khí tượng nhưng bảo đảm khoảng cách giữa các trạm từ 25km đến 30km

So với quy định về mật độ lưới trạm bên trên, nhận thấy mật độ các trạm quan trắc phân bố không đồng đều: phần lớn tập trung tại nhánh sông La và phía hạ lưu lưu vực sông, phía trung lưu mật độ thưa hơn và phần thượng lưu phía Lào không thu thập được thông tin về các trạm quan trắc Số liệu quan trắc là vô cùng quan trọng trong các bài toán đánh giá tài nguyên nước, trong khi mật độ lưới trạm tại khu vực này còn thưa thớt do đó, đòi hỏi cần có phương pháp cải thiện chất lượng mưa khu vực sông Lam, đặc biệt phải có nguồn dữ liệu mưa đủ tin cậy để bổ khuyết cho khu vực thượng lưu đang thiếu số liệu quan trắc

Bảng 1.1 Danh sách mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn

1 Chu Lễ 18.22 - 105.70 Hương Thúy, Hương Khê, Hà Tĩnh KT 2 Con Cuông 19.07 - 104.85 Chi Khê, Con Cuông, Nghệ An KT 3 Cửa Hội 18.75 - 105.72 Nghi Xuân, Nghi Lộc, Nghệ An KT 4 Cửa Rào 19.28 - 104.42 Xá Lượng, Tương Dương, Nghệ An KT, TV 5 Dừa 18.98 - 105.03 Tường Sơn, Anh Sơn, Nghệ An KT, TV 6 Hòa Duyệt 18.38 - 105.60 Đức Liên, Vũ Quang, Hà Tĩnh KT, TV 7 Linh Cảm 18.53 - 105.55 Trường Sơn, Đức Thọ, Hà Tĩnh KT, TV 8 Mường Xén 19.41 - 104.12 Tà Cạ, Kỳ Sơn, Nghệ An KT, TV 9 Nam Đàn 18.70 - 105.48 Vân Diên, Nam Đàn, Nghệ An KT, TV 10 Nghĩa Khánh 19.43 - 105.33 Nghĩa Mai, Nghĩa Đàn, Nghệ An KT, TV 11 Quỳ Hợp 19.33 - 105.23 Thọ Hợp, Quỳ Hợp, Nghệ An KT 12 Sơn Diệm 18.51 - 105.36 Sơn Tây, Hương Sơn, Hà Tĩnh KT, TV 13 Yên Thượng 18.69 - 105.40 Thanh Hà, Thanh Chương, Nghệ An KT,TV 14 Quỳ Châu 19.55 - 105.12 Châu Hạnh, Quỳ Châu, Nghệ An KT

TT Tên trạm Tọa độ Vị trí Loại trạm

15 Đô Lương 18.9 - 105.28 Lưu Sơn, Đô Lương, Nghệ An KT 16 Tương Dương 19.28 - 104.43 Xá Lượng, Tương Dương, Nghệ An KT 17 Vinh 18.67 - 105.67 Cửa Nam, Vinh, Nghệ An KT

(Ghi chú: KT – Trạm khí tượng, TV – Trạm thủy văn)

Hình 1.2 Bản đồ mạng lưới trạm khí tượng thủy văn lưu vực sông Lam 1.1.1.6 Đặc điểm khí tượng thủy văn

a) Khí tượng ❖ Chế độ nhiệt Nhiệt độ trung bình nhiều năm dao động trong khoảng từ 22,5 ÷ 24˚C Chế độ nhiệt phân hóa rõ rệt theo hai mùa Mùa đông bắt đầu từ giữa tháng XI và kết thúc vào tháng III, nhiệt độ trung bình dao động trong khoảng từ 17,3 ÷ 21,5˚C Mùa hè bắt đầu khoảng giữa tháng IV và kết thúc vào khoảng tháng X, nhiệt độ trung bình trên 22,9 ÷ 29,3˚C

Bảng 1.2 Nhiệt độ không khí trung bình nhiều năm một số trạm trên lưu vực (˚C) [6]

TT Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII TB

1 Quỳ Châu 17,3 18,2 21,0 24,6 27,0 27,9 28,3 27,1 26,2 23,8 20,7 17,7 23,3 2 Quỳ Hợp 17,4 18,2 20,8 24,7 27,3 28,3 28,5 26,6 26,3 24,0 21,0 18,0 23,4 3 Tây Hiếu 17,1 17,8 20,5 24,2 27,3 28,4 29,1 27,6 26,0 23,8 21,0 17,8 23,4 4 Tương Dương 18,0 19,1 22,0 25,3 27,4 28,2 28,2 27,3 26,3 24,2 21,0 18,1 23,8

TT Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII TB

5 Quỳnh Lưu 17,5 17,9 20,2 23,8 27,3 29,0 29,3 28,3 26,8 24,5 21,5 18,6 23,7 6 Con Cuông 17,5 18,3 21,1 24,8 30,4 28,5 28,8 27,8 26,4 24,1 21,1 18,2 23,9 7 Đô Lương 17,7 18,3 20,7 24,3 27,5 28,9 29,1 28,0 26,5 24,3 21,4 18,6 23,8 8 Vinh 17,6 18,1 20,5 24,2 27,4 29,5 29,6 28,6 26,9 24,4 21,7 18,8 24,0 9 Hương Sơn 15,9 16,2 19,3 22,9 26,0 28,7 27,9 26,8 25,0 23,8 20,3 17,4 22,5 10 Hương Khê 17,6 18,3 21,1 24,6 27,7 28,9 29,2 28,0 26,1 23,8 20,9 18,3 23,7

❖ Gió Có hai loại gió chính trên lưu vực sông: gió mùa Đông và gió mùa Hè Vào mùa Đông hướng gió thịnh hành là hướng Tây Bắc - Đông Nam và gió Đông Bắc Tốc độ gió trung bình đạt 1,9 ÷ 3,0m/s Một năm có khoảng 3 - 4 đợt gió mùa gây lạnh trên lưu vực Gió mùa Hè có hướng thịnh hành là hướng Đông và Đông Nam, tốc độ trung bình đạt 1,5 ÷ 3m/s Giữa mùa Đông và mùa Hè có gió Tây và Tây Nam hoạt động Trên toàn lưu vực gió có tốc độ từ 2,0 ÷ 4,0m/s đặc trưng của gió này là khô, nóng, thổi theo từng đợt 5 - 7 ngày mà nhân dân thường gọi là gió Lào Một năm trên lưu vực có từ 5 - 7 đợt gió Tây và xuất hiện từ đầu tháng IV đến tháng VII

Bảng 1.3 Tốc độ gió trung bình trên lưu vực sông Lam (m/s) [6]

Trạm Đặc

trưng

Tháng

Năm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Trên lưu vực sông Lam, độ ẩm bình quân nhiều năm dao động từ 83 ÷ 88% Ở khu vực miền núi với độ cao trêm 500m, độ ẩm trung bình năm khoảng 87% Trong khi ở vùng đồng bằng ven biển độ ẩm trung bình năm từ 83 ÷ 84% Sự thay đổi độ ẩm phụ thuộc vào cao độ địa hình, địa hình càng thấp độ ẩm cảng giảm

Bảng 1.4 Đặc trưng độ ẩm trung bình tại một số trạm trên lưu vực sông Lam [6]

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII

Quỳnh Lưu 87,0 89,0 90,4 90,2 85,8 80,7 80,4 85,2 87,1 85,4 83,4 83,2 85,7 Vinh 89,9 91,5 91,3 88,9 82,1 75,5 73,7 79,8 86,4 87,6 86,5 86,1 84,9 Hương Khê 89,6 90,8 89,6 85,9 80,6 77,9 74,5 81,3 87,1 88,6 88,1 88,4 85,2 Hương Sơn 88,9 90,7 90,0 87,7 82,0 76,8 75,2 80,8 87,3 88,5 87,3 87,5 85,6

❖ Bốc hơi Lượng bốc hơi nước trên lưu vực sông Lam khoảng 940mm/năm Trạm Vinh đo theo thiết bị GGI - 3000 lượng bốc hơi bình quân năm đạt 954mm/năm Tại Quỳ Châu là 701mm/năm [6] Lượng bốc hơi năm bình quân nhỏ nhất đo được trên lưu vực sông Hiếu Khu vực đồng bằng có lượng bốc hơi bình quân năm nhỏ hơn miền núi nhưng phần trung lưu giữa lưu vực lại có lượng bốc hơi nhỏ hơn cả Lượng bốc hơi bình quân tháng lớn nhất vào tháng VII, do lúc này nhiệt độ cao kèm theo gió Lào phát triển Tháng có lượng bốc hơi nhỏ nhất vào tháng II

❖ Mưa Mưa trên lưu vực sông Lam phân bố không đều theo không gian: - Vùng ít mưa nằm dọc theo thung lũng dòng chính sông Lam từ biên giới về Con Cuông có lượng mưa bình quân năm từ 1200 đến 1300 mm

- Vùng mưa trung bình nằm ở đồng bằng hạ du và lưu vực sông Hiếu (từ 1600 đến 2000 mm/năm)

- Vùng mưa lớn nằm ở thượng nguồn sông Hiếu, sông Giăng và sông La có lượng mưa lớn hơn 2000 mm/năm

Bảng 1.5 Tổng lượng mưa tháng trung bình nhiều năm các trạm trên lưu vực (mm)

Trạm I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Năm

b) Đặc điểm thủy văn ❖ Đặc điểm sông ngòi Hệ thống sông Lam có mật độ lưới sông là 0,6 km/km2, dòng chính sông Lam dài 531 km bắt nguồn từ các dãy núi cao thuộc tỉnh Xiêng Khoảng (Lào) có độ cao trên 2.000 m và chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam cho tới vị trí cách biển 40 km thì chuyển theo hướng Tây - Đông rồi đổ ra biển tại Cửa Hội Lòng chính sông Lam ổn định, ít bãi bồi, hệ số uốn khúc sông Lam là 1,74 Phần thượng nguồn trên đất Lào có độ dốc lòng sông lớn, khi đến Việt Nam thì độ dốc giảm nhiều Sông Lam có 44 phụ lưu cấp I (diện tích lưu vực từ 90 km2 trở lên) Trong đó đáng chú ý là sông Nậm Mô, sông Nậm Nơn, sông Hiếu, sông Giăng, sông La Các nhánh sông thường ngắn, bắt nguồn từ các tâm mưa lớn nên nước lũ tập trung nhanh Sông Lam có hai nhánh sông lớn nhất là sông Hiếu và sông La (gồm hai sông Ngàn Phố và Ngàn Sâu)

+ Sông Nậm Mô: dòng chính sông Nậm Mô bắt nguồn từ dãy Phu Săm Sum với độ cao 2.620 m thuộc tỉnh Xiêm Khoảng (CHDCND Lào), sông Nậm Mô nhập lưu vào sông Cả tại Cửa Rào Sông có chiều dài khoảng 160km, độ rộng lòng sông thay đổi từ 30m đến 35m, bãi bồi sông từ 5m đến 20m Khu vực có lượng mưa năm nhỏ, khoảng 1.200mm đến 1.300mm Diện tích lưu vực sông khoảng 3.970km2, chiếm 14,6% diện tích toàn lưu vực Tổng lượng dòng chảy sông Nậm Mô chiếm 9,3% tổng lượng dòng chảy năm trên toàn lưu vực

+ Sông Nậm Nơn: bắt nguồn từ Hủa Phăn, Lào chảy vào địa phận Việt Nam tại xã Keng Đu, huyện Kỳ Sơn, tỉnh Nghệ An và qua 7 xã thuộc huyện Tương Dương đến Cửa Rào hợp lưu với nhánh Nậm Mô đổ vào sông Lam Sông Nậm Nơn có chiểu dài khoảng 150 km, với diện tích lưu vực 3970 km2, độ dốc dòng sông 0,35%, độ rộng bình quân30÷35 m

+ Sông Hiếu: bắt nguồn từ độ cao 2.452m, đây là dãy núi Phu Hoạt thuộc huyện Quế Phong Lượng mưa khu vực thay đổi từ 1.500mm đến 2.200mm, tại huyện Quế Phong là 2.200mm, tại huyện Tân Kỳ ghi nhận lượng mưa đạt 1.500mm Sông Hiếu nhập lưu với sông Cả tại ngã ba cây Chanh Tổng diện tích lưu vực là 5.340 km2, chiều dài sông chính là 228 km, lưu vực có độ cao bình quân là 303 m, mật độ lưới sông 0,7 km/km2 Lòng sông Hiếu có đặc điểm hẹp và dốc, càng về hạ du sông càng mở rộng ít dốc hơn Sông Hiếu có các sông nhánh lớn như sông Chàng, sông Dinh, sông Sào đổ vào trung hạ lưu sông

+ Sông Giăng: sông có chiều dài 77km, bắt nguồn từ vùng núi cao thuộc dãy Trường Sơn Lượng mưa năm trung bình trên lưu vực là 2.200 mm Lòng sông hẹp, ngắn và dốc đổ vào sông Cả tại Thanh Tiến Trên sông có nhiều thác ghềnh, nhiều vị trí trên sông có khả năng xây dựng nhà máy thủy điện, hồ chứa, như Thác Muối

+ Sông La: là đoạn sông bắt đầu từ Linh Cảm đến Chợ Tràng, với diện tích lưu vực khoảng 3.210 km2, sông La gồm 2 nhánh sông lớn là sông Ngàn Phố và Ngàn Sâu

+ Sông Ngàn Phố: bắt đầu từ cửa khẩu Cầu Treo, sông có hướng dòng chảy Tây - Đông, sông có hướng trùng với dòng chính sông Lam, lòng sông mở rộng từ thượng nguồn đến Linh Cảm, độ rộng lòng sông thay đổi từ 200m đến 500m, mặt nước trung bình vào mùa kiệt là 120m, về mùa lũ là 800m Từ thượng nguồn đến cửa sông diện tích lưu vực khoảng 1.350km2, diện tích đồi núi chiếm khoảng 60%

+ Sông Ngàn Sâu: bắt nguồn từ dãy núi thuộc huyện Tuyên Hoá, Quảng Bình, sông chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, sông có nhiều nhánh nhỏ, nhập lưu điển hình là sông Tiêm, sông Ngàn Trươi Lưu vực sông Ngàn Sâu phát triển lệch về phía Tây Sông Ngàn Sâu nhập vào sông La tại Linh Cảm Sông có chiều dài khoảng 102 km với diện tích lưu vực 1.860 km2

Sông Ngàn Sâu nằm trong vùng có lượng mưa lớn, vì vậy có nhiều nhánh suối nhỏ nhập lưu Chiều rộng đáy sông từ Chúc A tới phà Địa Lợi mùa kiệt từ 60 – 80 m, mùa lũ từ 300 - 400 m [5]

Hình 1.3 Mạng lưới sông suối lưu vực sông Lam

Hình 1.4 Sơ đồ thủy lực hệ thống sông Lam

❖ Đặc điểm dòng chảy Mùa kiệt tại trạm thủy văn Yên Thượng kéo dài 7 tháng (XII - VI) Mùa lũ sông Lam (Yên Thượng) kéo dài 5 tháng (VII - XI) Tại Yên Thượng dòng chảy bình quân tháng nhỏ nhất xấp xỉ 1/4 dòng chảy năm và 1/10 dòng chảy tháng lớn nhất

Tổng lượng dòng chảy năm của sông Lam là 23,5 tỷ m3 [4] trong đó có 20,5 tỷ m3hay 87% tổng lượng dòng chảy năm được hình thành trên lãnh thổ Việt nam Số còn lại

3.0 tỷ m3 (13%) từ nước bạn Lào chảy vào

Dòng chảy kiệt: Mùa kiệt trên lưu vực từ tháng I - VIII, nhưng do có lũ tiểu mãn nên ở đây có hai thời kỳ kiệt là tháng III tháng IV và tháng VII, tháng VIII Tháng III, IV là tháng kiệt nhất trong năm

Dòng chảy lũ: Trên lưu vực có 2 thời kỳ lũ tiểu mãn vào tháng V, VI và lũ chính vụ tháng IX - XI Thời kỳ xuất hiện lũ chính vụ trên các nhánh sông khác nhau Phía dòng chính lũ bắt đầu từ tháng VI kết thúc vào tháng X, XI Phía sông La lũ từ tháng VIII và kết thúc vào tháng XII Lũ trên sông Lam kéo dài từ tháng VI - XII Lũ trên các nhánh sông Lam không bao giờ xuất hiện đồng thời, nhất là các con lũ lớn Lũ nhánh sông Hiếu, sông Lam thường xuất hiện lũ kép, sông Giăng, sông La lại xuất hiện lũ đơn [5]

1.1.2 Đặc điểm dân cư, kinh tế - xã hội

1.1.2.1 Dân cư

Dân số trung bình năm 2022 của tỉnh Hà Tĩnh ước tính 1.317.254 người [7], tăng 3.198 người so với năm 2021 (tăng 0,24%) Trong đó: dân số thành thị 293.726 người; dân số nông thôn 1.023.528 người

Dân số trung bình năm 2022 của tỉnh Nghệ An là 3.419.989 người [8], tăng 10.177 người so với năm 2021 (tăng 0,24%) Dân số thành thị là 530.452 người, dân số nông thôn là 2.889.537 người

1.1.2.2 Kinh tế - xã hội

❖ Tỉnh Hà Tĩnh

Tăng trưởng kinh tế đóng vai trò đặc biệt quan trọng, không chỉ tạo nên nền tảng vững chắc cho ổn định kinh tế vĩ mô mà còn bảo đảm việc làm, thu nhập, tạo nguồn lực thực hiện các chính sách an sinh, phúc lợi xã hội, củng cố quốc phòng, an ninh

Năm 2022, quy mô GRDP theo giá hiện hành đạt 91.910,65 tỷ đồng; GRDP bình quân đầu người đạt 69,77 triệu đồng, tương đương hơn 2.918 USD, tăng gần 66 USD so với năm 2021 Cơ cấu kinh tế tiếp tục chuyển dịch theo hướng tích cực, tăng dần tỷ trọng khu vực dịch vụ, giảm dần tỷ trọng khu vực nông, lâm nghiệp và thủy sản Năm 2022, khu vực nông, lâm nghiệp, thủy sản chiếm 15,23%, giảm 0,47 điểm % so với năm 2021; khu vực công nghiệp - xây dựng chiếm 39,82%, giảm 3,47 điểm %; khu vực dịch vụ chiếm 34,95%, tăng 2,67 điểm %; khu vực thuế sản phẩm trừ trợ cấp sản phẩm chiếm 10,0% tăng 1,27 điểm % [7]

❖ Tỉnh Nghệ An

Tổng sản phẩm trong tỉnh (GRDP) sơ bộ năm 2022 theo giá so sánh 2010 tăng 8,78% so với năm 2021, trong đó: Khu vực nông, lâm nghiệp và thủy sản tăng 4,21%, đóng góp

0,91 điểm phần trăm; khu vực công nghiệp và xây dựng tăng 10,30%, đóng góp 3,22 điểm phần trăm; khu vục dịch vụ tăng 10,86%, đóng góp 4,55 điểm phần trăm và thuế sản phẩm trừ trợ cấp sản phẩm tăng 1,97%, đóng góp 0,10 điểm phần trăm vào mức tăng trưởng chung [8]

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về đánh giá tài nguyên nước

Trong luật Tài nguyên nước của nước Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam đã quy định tài nguyên nước bao gồm: nguồn nước mặt, nước dưới đất, nước mưa và nước biển thuộc lãnh thổ của nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam [9] Trong luận văn, chỉ xem xét và tính toán đến số lượng nước mặt

Đánh giá tài nguyên nước là quá trình phân tích và xác định các đặc điểm, số lượng, chất lượng và tính sẵn có của nước trong một khu vực cụ thể Quá trình này giúp hiểu rõ hơn về tình trạng hiện tại của tài nguyên nước và xây dựng các kế hoạch quản lý hiệu quả Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới [1], Đánh giá tài nguyên nước (WRA) là "xác định

các nguồn, mức độ, độ tin cậy và chất lượng tài nguyên nước để sử dụng và kiểm soát

chúng" (1) và các hoạt động của con người ảnh hưởng đến các tài nguyên đó (2) Đây cũng là "nghiên cứu có hệ thống về hiện trạng và xu hướng tương lai trong cả tài nguyên nước và dịch vụ cấp nước, đặc biệt tập trung vào các vấn đề liên quan đến tính sẵn có, khả năng tiếp cận và nhu cầu" (3) Đánh giá tài nguyên nước là một thành phần quan trọng của quản lý tổng hợp tài nguyên nước và là điều kiện tiên quyết để phát triển bền vững

Có thể thấy đánh giá tài nguyên nước bao gồm nhiều khía cạnh, trong luận văn chỉ đánh giá về mặt số lượng, đánh giá nước mặt và đánh giá theo ba khía cạnh: phân bố tổng lượng theo không gian, xu thế biến đổi trữ lượng và xu thế biến đổi dòng chảy lũ, kiệt trên lưu vực sông Lam (không xét đến tác động của biến đổi khí hậu, hoạt động phát triển kinh tế xã hội, chất lượng nước)

1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Tài nguyên nước rất quan trọng đối với sự sống và phát triển của mọi quốc gia trên thế giới Theo Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO), đánh giá tài nguyên nước (WRA) là một phần quan trọng trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước và là điều kiện kiên quyết để phát triển bền vững Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều nhà khoa học nghiên cứu đánh giá tài nguyên nước với cách nhìn riêng và bằng nhiều phương pháp khác nhau Một số nghiên cứu tiêu biểu như:

“Đánh giá tài nguyên nước và tiềm năng nước sử dụng được trên thế giới”

(Assessment of Water Resources and Water Availability in the World) thuộc chương trình “Đánh giá toàn diện tài nguyên nước ngọt của thế giới” (Comprehensive Assessment of the freshwater resources of the world) do giáo sư I.A.Shiklomanov, Viện thuỷ văn Liên

bang Nga thực hiện năm 1997 [29] Nghiên cứu dựa trên số liệu quan trắc của 2400 trạm khí tượng thuỷ văn với thời gian quan trắc từ 5 đến 178 năm trên toàn thế giới, tác giả đã đưa ra đánh giá về mặt tổng lượng nước trên trái đất, hệ số biến động của tổng lượng nước cũng như tiềm năng nước sẵn có theo các lục địa Nghiên cứu cũng đưa ra các dạng phân bố trong năm, xu thế biến đổi của tổng lượng tài nguyên nước trong thời kỳ nhiều năm của một số khu vực và lưu vực điển hình

Nghiên cứu “Đánh giá tài nguyên nước ở quy mô lưu vực sông lớn, áp dụng trường hợp các lưu vực sông lớn ở Madagascar” của Rakotoarimanana Zy Harifidy [30] đã chứng

minh sự cần thiết của việc đánh giá tài nguyên nước quy mô lưu vực sông lớn ở Madagascar Nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá một cách có hệ thống về đánh giá tài nguyên nước ở quy mô các lưu vực sông lớn Từ đó chứng minh sự cần thiết của việc đánh giá tài nguyên nước trên các lưu vực sông lớn ở Madagascar Nghiên cứu sử dụng 2 mô hình GCM, mô hình SWAT và áp dụng các phương pháp tiếp cận liên lưu vực để đánh giá tài nguyên nước Kết luận rằng sự kết hợp giữa SWAT, GCM và các phương pháp tiếp cận liên lưu vực có thể được áp dụng một cách rộng rãi để đánh giá tài nguyên nước ở quy mô lưu vực lớn Đánh giá này có thể mang lại lợi ích cho các nhà khoa học và chuyên gia về nước

“Đánh giá tài nguyên nước trong lưu vực sông bằng mô hình AVSWAT” của Aavudai

Anandhi [31] đã chỉ rõ các bước cơ bản để đánh giá tài nguyên nước, vai trò của GIS trong việc đánh giá tài nguyên nước Trong nghiên cứu áp dụng đánh giá tài nguyên nước cho lưu vực sông Malaprabha, thượng nguồn của hồ chứa Malaprabha Ngoài việc điều tra, đánh giá tài nguyên nước của các tiểu lưu vực nghiên cứu còn phát triển để dự đoán tác động của các biện pháp quản lý đất đai đối với sự dịch chuyển nước của trầm tích và sản lượng hóa chất nông nghiệp

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến tài nguyên nước như: Đề tài khoa

học “Nghiên cứu đánh giá tác động của các công trình trên dòng chính và giải pháp quản

lý sử dụng hiệu quả tài nguyên nước mặt lưu vực sông Hương” do PGS.TS Nguyễn Quang

Trung – Viện khoa học Thủy lợi Việt Nam làm chủ nhiệm [10] Đề tài nghiên cứu này thực hiện nhằm đánh giá tác động của các công trình trên dòng chính sông Hương, điều kiện thủy văn thuỷ lực và tài nguyên nước vùng hạ du… để làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp giảm thiểu tác động tiêu cực, bảo đảm phát triển bền vững trên lưu vực Từ những đánh giá khảo sát đó đưa ra các đề xuất, giải pháp công trình và phi công trình để khai thác, sử dụng hiệu quả hơn tài nguyên mặt nước cho các ngành kinh tế- xã hội và phòng tránh suy thoái nguồn nước và các hệ sinh thái then chốt trên lưu vực sông Hương

Chương trình nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước “Cân bằng bảo vệ và sử dụng có

hiệu quả nguồn nước quốc gia”, mã số KC12 đã tiến hành thống kê, đánh giá tài nguyên

nước của các hệ thống sông, các vùng kinh tế và toàn lãnh thổ nước ta trên cơ sở số liệu đo đạc, điều tra về tài nguyên nước mặt và tài nguyên nước dưới đất tính đến năm 1990; tiến hành tính toán cân bằng nước cho các vùng trong giai đoạn hiện trạng (năm 1990) và các thời kỳ tương lai (năm 2000, 2010, 2040); Các chỉ tiêu tài nguyên nước được đánh giá cũng bao gồm các chỉ tiêu về lượng nước (tổng lượng dòng chảy năm trung bình thời kỳ nhiều năm (1961 - 1990) của các hệ thống sông/sông, các vùng và cả nước, dòng chảy mùa lũ/mùa cạn và lưu lượng lũ lớn nhất thời kỳ quan trắc và lũ lịch sử theo số liệu điều tra)

Dự án “Tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước và các biện pháp thích ứng - Lưu vực Vu Gia - Thu Bồn” do Trung tâm nghiên cứu thuỷ văn và tài nguyên nước

chủ trì Đề tài đã phân tích, đánh giá các kịch bản biến đổi khí hậu ảnh hưởng đến tài

nguyên nước cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn Đề tài “Quy hoạch phát triển và bảo vệ

Tài nguyên nước Lưu vực Vu Gia - Thu Bồn” do Viện Quy hoạch thủy lợi chủ trì đã xây

dựng kế hoạch phát triển và bảo vệ nguồn nước nhằm phục vụ cho yêu cầu phát triển các ngành kinh tế khác từ đó đưa ra được các sơ đồ khai thác nguồn nước nhằm đáp ứng các nhu cầu dùng nước của các ngành và hạn chế ảnh hưởng bất lợi của nước nhằm đảm bảo phát triển bền vững lưu vực

Nghiên cứu: “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tài nguyên nước khu vực thượng

nguồn đầm Thị Nại phục vụ phát triển bền vững tỉnh Bình Định” của tác giả Nguyễn Hồng

Quân [11] Nghiên cứu đã chỉ ra vai trò quan trọng của dòng chảy thượng lưu đầm Thị Nại trong việc phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Bình Định Sử dụng mô hình SWAT để đánh giá lưu lượng trên toàn lưu vực, đánh giá tiềm năng nguồn nước của lưu vực góp phần đảm bảo công tác quy hoạch tài nguyên nước phục vụ nhu cầu phát triển bền vững trong tương lai

Đề tài “Nghiên cứu giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên, bảo vệ môi trường và phòng

tránh thiên tai lưu vực Sông Cả” do Nguyễn Đăng Túc chủ trì [2] đã điều tra, đánh giá

hiện trạng và diễn biến tài nguyên, môi trường lưu vực Sông Cả Đề tài đã đưa ra một số kết luận: do khai thác, sử dụng tài nguyên chưa hợp lý đã làm biến động mạnh các dạng tài nguyên đất, nước, sinh vật và khoáng sản Cụ thể, tài nguyên đất trên lưu vực Sông Cả có tiềm năng rất lớn với 2.251.461,2 ha đất tự nhiên, nhưng đang thoái hoá và ô nhiễm mạnh Tài nguyên nước trên lưu vực sông Cả rất phong phú với tổng lượng dòng chảy trung bình năm khoảng 26,8.109m3, nhưng do khai thác, sử dụng các hồ chứa nước trên thượng nguồn và sử dụng nước trong sản xuất công nghiệp, trong sinh hoạt nhân sinh chưa hợp lý đã làm cho vùng đồng bằng trũng, đồng bằng ven biển bị xâm nhập mặn và môi trường nước ở những vùng xung quanh nhà máy, khu vực khai thác khoáng sản, bệnh viện, đô thị bị ô nhiễm Từ việc đánh giá trên đề tài đã đề xuất một số giải pháp khai thác, sử dụng hợp lý

tài nguyên, bảo vệ môi trường và phòng tránh thiên tai lưu vực sông Cả

Dự án “Điều tra đánh giá tài nguyên nước lưu vực các sông biên giới Việt Nam - Lào

thuộc lưu vực sông Mã, sông Cả” của Trung tâm Quy hoạch và Điều tra tài nguyên nước

quốc gia [3] đã phân tích, đánh giá hiện trạng, diễn biến tài nguyên nước mặt theo không gian và thời gian bao gồm cả chất lượng và số lượng Trong đó, tính toán chi tiết theo từng lưu vực để đảm bảo tính hệ thống và tính đến từng đơn vị hành chính để phục vụ cho công tác quản lý Đo đạc, xác định lượng nước trên dòng chính sông Mã, sông Cả ra vào lãnh thổ Việt Nam, có ý nghĩa to lớn trong việc khai thác, sử dụng dòng sông và nguồn nước của các sông quốc tế tại Việt Nam Đánh giá khả năng khai thác sử dụng tài nguyên nước mặt trên toàn vùng dự án phục vụ đắc lực cho công tác quản lý, xây dựng kế hoạch phát triển kinh tế xã hội, ổn định dân cư Xác định các vấn đề nổi cộm và đề xuất các giải pháp quản lý, bảo vệ và khai thác tài nguyên nước mặt khu vực biên giới Việt Nam - Lào hiện nay Đây là một dự án nghiên cứu về tài nguyên nước khá toàn diện, có ý nghĩa lớn cả về mặt khoa học và thực tiễn

Ngoài các nghiên cứu liên quan đến tài nguyên nước, còn có một số nghiên cứu sử

dụng dữ liệu mưa vệ tinh để giải quyết các bài toán như: “Đánh giá khả năng sử dụng các

sản phẩm mưa vệ tinh để mô phỏng dòng chảy bằng mô hình thủy văn” [12] mục đích của

nghiên cứu này là đánh giá khả năng sử dụng các sản phẩm mưa vệ tinh (MSWEP, TMPA 3B42, TMPA 3B42RT, PERSIANN CDR, PERSIANN RT) để mô phỏng dòng chảy trong mô hình thủy văn SWAT tại lưu vực Nông Sơn, tỉnh Quảng Nam Kết quả phân tích chỉ ra rằng sai số của các sản phẩm mưa vệ tinh so với mưa trạm đo là khá lớn, và theo đó gây ra

sai số trong kết quả mô phỏng dòng chảy Nghiên cứu “Nghiên cứu ứng dụng số liệu mưa

vệ tinh mô phỏng lũ khu vực trung lưu sông Mã” [13] nghiên cứu sử dụng mô hình thủy

văn IFAS của Viện nghiên cứu công chính Nhật PWRI tính toán mô phỏng dòng chảy với nguồn dữ liệu đầu vào mô hình là mưa thực đo và sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP_NRT Kết quả tính toán cho thấy với mạng lưới trạm thưa thớt, việc mô phỏng dòng chảy lũ cho các vị trí khu vực trung và thượng lưu sông Mã là không tốt với cả hai nguồn số liệu mưa thực đo và mưa vệ tinh Khi so sánh các kết quả tính toán, một số trường hợp việc sử dụng mưa vệ tinh cho kết quả khả quan hơn khi sử dụng mưa thực đo

Từ các nghiên cứu trên, nhận thấy việc đánh giá tài nguyên nước cũng đã rất phổ biến Tuy nhiên, đa số các nghiên cứu đều sử dụng số liệu mưa quan trắc để đánh giá trong khi mưa quan trắc phân bố không đều, chi phí để đo đạc, bảo trì cao, những nơi địa hình trắc trở khó tiếp cận Mưa vệ tinh cung cấp thông tin một cách nhanh chóng, toàn diện về mưa trên toàn bộ vùng lãnh thổ mà không bị giới hạn bởi địa hình hay vấn đề liên quan đến biên giới hơn thế nữa mưa vệ tinh lại dễ dàng khai thác miễn phí Đã có một vài nghiên cứu sử dụng số liệu mưa vệ tinh nhưng chủ yếu tính toán và dự báo dòng chảy trên các lưu

vực sông Thêm vào đó, các nghiên cứu này chỉ sử dụng số liệu mưa vệ tinh đơn lẻ không kết hợp hay hiệu chỉnh với dữ liệu quan trắc (do mưa vệ tinh chứa nhiều tiềm ẩn sai số như: thiết bị thu nhận, các thuật toán ước lượng của mỗi lượng mưa là khác nhau) vì thế ảnh hưởng đến kết quả tính toán Từ những nhận định trên kết hợp lưu vực sông Lam là lưu vực sông xuyên biên giới việc thu thập số liệu quan trắc thượng nguồn phía Lào là vô cùng khó khăn Do đó, lựa chọn kết hợp dữ liệu mưa vệ tinh nhằm bổ khuyết phần dữ liệu quan trắc chưa thu thập được khu vực thượng nguồn

1.3 Tổng quan về các nguồn dữ liệu mưa vệ tinh

Số liệu mưa vệ tinh là các dữ liệu về lượng mưa được thu thập và đo lường bởi các vệ tinh thông qua các cảm biến vi sóng thụ động, radar chủ động và cảm biến hồng ngoại Mưa vệ tinh là nguồn dữ liệu vệ tinh quan sát trái đất đang được sử dụng trong nhiều nghiên cứu, ứng dụng để giải quyết các vấn đề về môi trường, kinh tế trong khu vực và toàn cầu Dữ liệu vệ tinh hoặc hình ảnh vệ tinh được hiểu là thông tin về Trái đất và các hành tinh khác trong không gian, được thu thập bởi các vệ tinh nhân tạo trên quỹ đạo của chúng

Mưa vệ tinh là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu về khí tượng học và khí hậu Nó cung cấp thông tin quý báu về lượng mưa, phạm vi mưa, và tính chất của mưa trên toàn cầu Dữ liệu mưa vệ tinh được thu thập và phân tích từ các vệ tinh quan sát trái đất và các hệ thống thiết bị vệ tinh liên quan Có nhiều loại mưa vệ tinh khác nhau được sử dụng để quan sát và đo lường mưa trên trái đất, mỗi loại có đặc điểm và ứng dụng riêng biệt [14]

❖ Mưa GPM

Nhiệm vụ đo mưa toàn cầu (Global Precipitation Measurement, GPM) được phát triển tiếp nối nhiệm vụ TRMM IMERG (Intergrated Multi-satellitE Retrievals for GPM - tổng hợp từ nhiều nguồn vệ tinh cho GPM) là sản phẩm mưa của GPM Mưa GPM IMERG được tính dựa trên nhiều cảm biến vi sóng từ hệ thống vệ tinh GPM và phổ hồng ngoại quan sát từ vệ tinh địa tĩnh Mưa GPM IMERG cũng cung cấp hai sản phẩm - thời gian thực và nghiên cứu Dữ liệu mưa GPM có độ phân giải theo không gian là 0,1˚ và độ phân giải thời gian khác nhau bao gồm: 30 phút, 1 ngày, tháng, thời gian có dữ liệu từ năm 2000 đến nay [15]

❖ Mưa CHIRPS

Dữ liệu lượng mưa CHIRPS là bộ dữ liệu lượng mưa toàn cầu có từ năm 1981 đến nay là bộ dữ liệu mưa với trên 30 năm dữ liệu, độ bao phủ gần như toàn cầu Kéo dài 50˚S - 50˚N (và tất cả kinh độ) CHIRPS là sản phẩm kết hợp giữa dữ liệu từ trạm khí tượng quan sát theo thời gian thực với dữ liệu vệ tinh hồng ngoại để tạo chuỗi thời gian mưa cho

phân tích xu hướng và theo dõi hạn ngắn theo mùa Dữ liệu có độ phân giải không gian 0,05˚, độ phân giải thời gian là 1 ngày cung cấp số liệu mưa hàng ngày Kể từ ngày 12/2/2015, phiên bản CHIRPS 2.0 đã hoàn thiện và sẵn sàng công bố để mọi người có thể tải xuống và sử dụng cho các mục đích khác nhau [16]

❖ Mưa GSMaP

Global Satellite Mapping of Precipitation (Bản đồ hoá giáng thuỷ vệ tinh toàn cầu) được phát triển bởi JST (Cơ quan khoa học và công nghệ Nhật Bản) và JAXA (Cơ quan thám hiểm không gian Nhật Bản) GSMaP là chương trình sử dụng vệ tinh toàn cầu có độ phân giải cao dựa trên bản đồ lượng mưa cũng như TRMM và một số sản phẩm khác GSMaP ước tính tỉ lệ mưa từ các cảm biến vi sóng thụ động bằng cách sử dụng một thuật toán cơ bản kết hợp với các quan sát của vệ tinh TRMM Các thuật toán ban đầu của GSMaP bao gồm hai phần: mưa /không mưa có phân loại tại mỗi điểm ảnh Trên quy mô thời gian hàng giờ GSMaP ước tính và hiển thị tương đối cao khi lượng mưa lớn và thiệt hại xảy ra Các số liệu lượng mưa sẽ được hiển thị vào các giờ 00h, 06h, 12h, 18h theo múi giờ quốc tế Các tính năng chính của thuật toán GSMaP là sử dụng các thuộc tính khác nhau có nguồn gốc từ TRMM_PR Trung tâm nghiên cứu quan sát trái đất, Cơ quan Thám hiểm Không gian Nhật Bản (JAXA / EORC) cung cấp số liệu lượng mưa toàn cầu trên cơ sở thời gian thực bằng cách sử dụng các thuật toán MW-IR kết hợp với TRMM TMI, Aqua AMSR-E, DMSP SSM/I, SSMIS và dữ liệu GEO IR Dữ liệu mưa GSMaP có độ phân giải theo không gian là 0,1˚ và độ phân giải thời gian 1h, số liệu có từ năm 2000 đến nay [14]

❖ Mưa CMORPH

Mưa CMORPH được tạo bởi cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia Mỹ (NOAA) và trung tâm dự báo khí hậu Mưa CMORPH được ước tính dựa trên dữ liệu ảnh vệ tinh có độ phân giải cao theo thời gian của vệ tinh địa tĩnh và độ phân giải cao theo không gian của vệ tinh tầng thấp quy đạo cực Hiện nay, sản phẩm mưa CMORPH có 3 độ phân giải theo không gian và thời gian khác nhau bao gồm: CMORPH: 8km - 30 phút, 0,25˚ - 3 giờ và 0,25˚ - 1 ngày Với sản phẩm CMORPH (0,25˚ - 1 ngày) lại có 2 phiên bản CMORPH_RAW và CMORPH_CRT, trong đó sản phẩm CMORPH_CRT đã được hiệu chỉnh lại với dữ liệu mưa quan trắc mặt đất từ CPC (Guo et al 2015) [14]

❖ Mưa TRMM

Vệ tinh TRMM được phóng tháng 11/1997 với mục tiêu thu thập dữ liệu về sự di chuyển giữa nhiệt và hơi nước giữa đại dương và khí quyển TRMM thuộc dự án của NASA, đo đạc lượng mưa vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới của trái đất Nó cung cấp dữ liệu dùng cho thử nghiệm các mô hình khí hậu và sự liên quan của chúng

TRMM được trang bị 3 công cụ chính, trong đó mới nhất là Radar đo lượng mưa được thiết kế để cung cấp những bản đồ 3D về cấu trúc bão do Cơ quan Quốc gia phát triển không gian của Nhật Bản (NASA) xây dựng

Việc sử dụng các quan trắc, số liệu vệ tinh để ước lượng mưa, đặc biệt là mưa nhiệt đới, từ các quan trắc vệ tinh bằng cách sử dụng các loại ảnh khác nhau nhờ ảnh thị phổ, hồng ngoại và các đo đạc vi sóng thụ động Những ước lượng này có thể sử dụng ngay trong nghiệp vụ dự báo của các dự báo viên, đồng thời còn được sử dụng vào mô hình dự báo thời tiết số trị, vào các nghiên cứu khí hậu, nhằm hoàn thiện phân tích và dự báo mưa nhiệt đới và các tham số khác liên quan với nó Thời gian đầu người ta chỉ sử dụng ảnh hồng ngoại (10,7μm) để ước lượng mưa Phương pháp này dựa vào một giả thiết là lượng mưa tỷ lệ nghịch với nhiệt độ của đỉnh mây Khái niệm này được áp dụng đặc biệt cho mây đối lưu Khi nhiệt độ đỉnh mây càng lạnh thì chứng tỏ mây phát triển càng cao, những dòng thăng trong nó càng mạnh, lượng nước khả giáng càng lớn và do đó lượng mưa rơi xuống được bề mặt sẽ càng nhiều Nhiều cơ quan nghiệp vụ đã áp dụng giả thiết này vào việc xây dựng phương pháp ước lượng mưa dựa vào nhiệt độ đỉnh mây Song kết quả thu được có khu vực khá phù hợp trong khoảng thời gian nào đó, nhưng trong khoảng thời gian khác lại không phù hợp; hoặc với khu vực này thì khá tốt, nhưng nhiều khu vực khác sai số lại khá lớn

Từ năm 1994 một thế hệ cảm biến kế mới của vệ tinh địa tĩnh đã được đưa vào đo đạc bức xạ khí quyển trên 18 kênh của dải hồng ngoại và vi sóng, vì thế nó cho ta khả năng nghiên cứu đại dương và các hiện tượng khí tượng mà các thế hệ vệ tinh địa tĩnh trước đây không thể làm được Các kênh vi sóng thụ động đo cảm biến được chính lượng nước có khả năng rơi xuống ở trong mây, chứ không dựa vào nhiệt độ đỉnh mây Như ta đã biết, ngoài các ảnh vệ tinh cơ bản người ta còn sử dụng hệ quét nhanh và hệ AMSU để thu thập và trích xuất ra nhiều tham số khác của khí quyển, gọi là các sản phẩm ảnh (Derived Product Images-DPI) Ngày nay ước lượng các tham số khí quyển, như nhiệt độ, độ ẩm, gió và khí áp, bằng thông tin vệ tinh đã đạt được độ chính xác hết sức khả quan và nhờ đó mà ước lượng mưa cũng từng bước được hoàn thiện [14]

Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các vệ tinh đo mưa với độ che phủ gần như toàn cầu, độ phân giải theo thời gian và không gian tương đối tốt có thể bổ khuyết cho vùng thiếu số liệu quan trắc Tuy nhiên, việc sử dụng các sản phẩm mưa vệ tinh làm đầu vào cho các mô hình vẫn còn hạn chế do sai số của các sản phẩm mưa (thiết bị thu nhận, thuật toán ước tính lượng mưa…) do đó cần cải thiện độ chính xác của các sản phẩm mưa vệ tinh

1.4 Tiểu kết chương 1

Trong chương 1 luận văn đã nêu ra được:

(1) Tổng quan lưu vực sông Lam: đặc điểm địa lý tự nhiên (vị trí địa lý, đặc điểm địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn), đặc điểm dân cư, kinh tế - xã hội Dựa trên các thông tin tại phần tổng quan có thể thấy đây là lưu vực có nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và có vai trò đặc biệt quan trọng cho phát triển kinh tế xã hội và quốc phòng an ninh do đó, việc lựa chọn lưu vực sông Lam để nghiên cứu là cần thiết

(2) Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đánh giá tài nguyên nước Nhận thấy, các nghiên cứu về đánh giá tài nguyên nước cũng rất phổ biến cả thế giới và trong nước tuy nhiên các nghiên cứu chủ yếu sử dụng số liệu mưa quan trắc để đánh giá Mưa quan trắc có nhược điểm phân bố không đều, chỉ cung cấp thông tin tại 1 vị trí, khó tiếp cận tại những khu vực địa hình hiểm trở và khu vực xuyên biên giới, trong khi mưa vệ tinh được cung cấp miễn phí, nhanh chóng toàn diện mà không bị giới hạn bởi địa hình hay lãnh thổ Mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng do đó kết hợp mưa mặt đất và mưa vệ tinh để cải thiện độ chính xác của kết quả

(3) Tổng quan về các nguồn dữ liệu mưa vệ tinh: GPM, CHIRPS, GSMaP, CMORPH, TRMM Với sự phát triển của khoa học công nghệ, các sản phẩm mưa vệ tinh ngày càng phát triển, độ phân giải ngày càng chi tiết,chính xác hơn có thể sử dụng bổ khuyết cho những khu vực mật độ trạm quan trắc thưa thớt hoặc thiếu số liệu quan trắc Trong luận văn học viên lựa chọn dùng số liệu mưa GPM IMERG và mưa CMORPH Dựa trên mật độ trạm quan trắc mặt đất và độ phân giải thời gian của dữ liệu hiện có trên lưu vực, nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa GPM IMERG-F có độ phân giải không gian 0,1˚ và mưa

CMORPH có độ phân giải phù hợp là 1 ngày/0.25˚ để tiến hành đánh giá và hiệu chỉnh

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP VÀ DỮ LIỆU 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAT

SWAT là mô hình thủy văn bán phân bố [17], có giao diện tích hợp trong GIS tạo điều kiện thuận lợi cho việc định nghĩa lưu vực, cũng như việc thao tác xử lý các dữ liệu không gian Có khả năng tính toán tài nguyên nước phân bố theo không gian và thời gian trên các lưu vực lớn mà không tốn nhiều thời gian và tài nguyên máy tính Thêm vào đó có thể mô phỏng tác động của việc thay đổi dữ liệu đầu vào như: sử dụng đất… Dựa trên mục tiêu “đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông Lam” luận văn sẽ sử dụng mô hình SWAT

❖ Tổng quan về mô hình SWAT

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS - Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA - United States Department of Agriculture) và giáo sư Srinivasan thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ [17]

SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực Mô hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng nguồn tài nguyên đất của đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ mất rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên với việc sử dụng các phương trình tương quan, hồi quy để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu vào (Sử dụng đất/thảm thực vật, đất, địa hình và khí hậu) và thông số đầu ra (lưu lượng dòng chảy, bồi lắng, … ), SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mô hình trước đó là khi mô phỏng SWAT sẽ phân chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ chi tiết mô phỏng về mặt không gian

Mô hình SWAT sẽ trực tiếp tính toán các quá trình tự nhiên liên quan tới chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng,… dựa vào các thông số dữ liệu đầu vào Do vậy mô hình còn có khả năng dự báo thông qua việc thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí sử dụng đất, khí hậu, thực vật…) đều định lượng được những tác động của sự thay đổi đến dòng chảy ra của các lưu vực hoặc các thông số khác; có hiệu quả cao, có thể tính toán và mô phỏng trên lưu vực rộng lớn hoặc hỗ trợ ra quyết định đối với những chiến lược quản lí đa dạng, phức tạp với sự đầu tư kinh tế và thời gian thấp; cho phép người sử dụng nghiên cứu những tác động trong thời gian dài Nhiều

vấn đề hiện nay được SWAT xem xét không những lưu lượng dòng, đỉnh lũ mà còn đến như sự tích lũy chất ô nhiễm và những ảnh hưởng đến vùng hạ lưu Trên các lưu vực sông Việt Nam đã có nhiều nghiên cứu sử dụng các mô hình khác nhau để tính toán, đánh giá tài nguyên nước như MIKEBASIN [18] [19], HEC-HMS [20],MIKE [21] nhưng hầu các mô hình thường không đi kèm các công cụ hiệu chỉnh, kiểm định một cách tự động để tăng độ tin cậy Mô hình SWAT được sử dụng phổ biến hơn với ưu điểm cung cấp công cụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định một cách tự động SWAT-CUP, nhằm rút gọn thời gian nhưng vẫn mang lại tính chính xác và hiệu quả cho người sử dụng [17]

❖ Nguyên lý mô phỏng SWAT

Mô hình này chia dòng chảy thành 3 pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và pha trong sông Việc mô tả các quá trình thuỷ văn được chia làm hai phần chính: phần thứ nhất là pha lưu vực với chu trình thuỷ văn dùng để kiểm soát khối lượng nước, bùn cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các lòng dẫn chính của mỗi lưu vực Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ trong hệ thống lòng dẫn và tới mặt cắt cửa ra của lưu vực

- Pha đất của chu trình thủy văn (Hình 2.1): kiểm soát lượng nước, phù sa, dinh dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính

Hình 2.1 Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất

- Pha nước của chu trình thủy văn (Hình 2.2): kiểm soát quá trình di chuyển của dòng nước, quá trình bồi lắng, v.v…diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa ra

Hình 2.2 Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy

Pha đất của chu trình thủy văn SWAT mô hình hóa chu trình nước dựa trên cơ sở

phương trình cân bằng nước sau:

𝑆𝑊𝑡 = 𝑆𝑊𝑜+ ∑(𝑅𝑑𝑎𝑦− 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓− 𝐸𝑎− 𝑤𝑠𝑒𝑒𝑝 − 𝑄𝑔𝑤)

𝑡

𝑖=1Trong đó:

- SWt: lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O) - SWo: lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm H2O) - t: thời gian (ngày)

- Rday: lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm H2O) - Qsurf: lượng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i (mm H2O) - Ea: lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H2O)

- wseep: lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm H2O) - Qgw: lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H2O)

Quá trình chia nhỏ lưu vực thành các tiểu lưu vực và HRUs (các đơn vị thủy văn) làm cho việc mô tả cân bằng nước thêm độ chính xác và tốt hơn

❖ Tiến trình mô phỏng SWAT

Mô hình SWAT đòi hỏi rất nhiều dữ liệu đầu vào khác nhau Tuy nhiên, không phải tất cả dữ liệu đầu vào đều bắt buộc mà tùy thuộc vào từng nghiên cứu cụ thể, có thể bỏ qua một số dữ liệu không cần thiết Nhìn chung, quá trình thiết lập mô hình SWAT cho bất kỳ ứng dụng nào đều có dạng như Hình 2.3, bao gồm sáu bước: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) phân

định lưu vực, (3) định nghĩa đơn vị thủy văn, (4) nhập dữ liệu đầu vào, (5) chạy mô hình, (6) hiệu chỉnh, kiểm định mô hình Trong khuôn khổ của luận văn này, tiến trình mô phỏng dòng chảy trong SWAT được thực hiện dưới sự hỗ trợ của phần mở rộng ArcSWAT 2012 chạy trên phần mềm ArcGIS 10.0/10.1 [17]

Hình 2.3 Tiến trình mô phỏng của SWAT

2.2 Lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh

Dữ liệu mưa vệ tinh ngày nay đã được áp dụng trong nhiều nghiên cứu về dòng chảy trên các lưu vực sông, đặc biệt là vấn đề quản lý nguồn nước xuyên biên giới Một số nghiên cứu tại Việt Nam đã tiến hành đánh giá các dữ liệu mưa vệ tinh trên một số lưu vực

như: “Nghiên cứu đánh giá và so sánh các dữ liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao lưu vực

sông Cả” nghiên cứu này đã đánh giá, phân tích và so sánh giữa các dữ liệu mưa vệ tinh

độ phân giải cao là GPM, TRMM, CHIRPS, CMORPH với dữ liệu mưa tại các trạm đo mưa (giai đoạn 2015-2017) trên toàn lưu vực sông Cả Nghiên cứu đã chỉ ra mưa CHIRPS và mưa GPM khá tốt khi thể hiện phân bố mưa ở khu vực đồng bằng, duyên hải [22]

“Nghiên cứu đánh giá sản phẩm mưa từ nhiệm vụ đo mưa toàn cầu (GPM) cho miền Bắc Việt Nam” Nguyễn Lương Bằng (Đại học Thủy lợi) nghiên cứu đã tiến hành đánh giá chất

lượng số liệu mưa GPM cho miền Bắc Việt Nam và so sánh số liệu mưa vệ tinh GPM với 68 trạm đo mưa mặt đất giai đoạn 2010-2012 Kết quả cho thấy sản phẩm mưa GPM có

thể được dùng để đánh giá tài nguyên nước mưa cho miền Bắc Việt Nam [15] “Đánh giá

chất lượng mưa vệ tinh CMORPH trên lưu vực sông Lam” của TS Trịnh Minh Ngọc phân

tích đánh giá chất lượng dữ liệu mưa vệ tinh CMORPH trong thời gian 23 năm 2022) trên lưu vực sông Lam Nghiên cứu sử dụng chuỗi dữ liệu thực đo từ 17 trạm mưa để so sánh Phân tích các kết quả, nghiên cứu cho thấy sản phẩm mưa CMORPH có xu thế

(2000-thiên thấp khoảng 20% so với mưa trạm, phân bố mưa theo không gian phản ánh tốt, tổng lượng mưa theo tháng tương quan khá tốt với mưa trạm [23]… Các nghiên cứu trên đều cho thấy hai loại mưa vệ tinh GPM và CMORPH là hai loại mưa vệ tinh có thể sử dụng để nghiên cứu bổ sung cho những vùng có nguồn dữ liệu quan trắc mặt đất còn hạn chế Do đó, trong luận văn học viên sử dụng hai loại mưa vệ tinh: mưa GPM và mưa CMORPH để đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông Lam

CMORPH là dữ liệu mưa được phát triển bởi Trung tâm Dự báo Khí hậu (Climate Prediction Center) của cơ quan Khí tượng Quốc gia Hoa Kỳ để ước tính mưa toàn cầu dựa trên dữ liệu vệ tinh Mưa CMORPH sử dụng kỹ thuật “Morphing” để kết hợp tạo ra các phân tích lượng mưa toàn cầu ở độ phân giải không gian và thời gian rất cao Kỹ thuật này sử dụng các ước tính lượng mưa đã được bắt nguồn từ các thu nhận vi sóng vệ tinh quỹ đạo thấp, và các thông tin của chúng được truyền qua không gian và được thu nhận hoàn toàn bởi các dải sóng hồng ngoại từ các vệ tinh địa tĩnh Dữ liệu mưa CMORPH có 3 sản phẩm mưa với độ phân giải theo không gian và thời gian khác nhau bao gồm: 30 phút/8 km, 3 giờ/0,25° và 1 ngày/0,25°, thời gian có dữ liệu từ năm 1998 đến nay

Nhiệm vụ đo mưa toàn cầu (Global Precipitation Measurement, GPM) được phát triển tiếp nối nhiệm vụ TRMM IMERG (Intergrated Multi-satellitE Retrievals for GPM - tổng hợp từ nhiều nguồn vệ tinh cho GPM) là sản phẩm mưa của GPM Mưa GPM IMERG được tính dựa trên nhiều cảm biến vi sóng từ hệ thống vệ tinh GPM và phổ hồng ngoại quan sát từ vệ tinh địa tĩnh Mưa GPM IMERG cũng cung cấp hai sản phẩm - thời gian thực và nghiên cứu Dữ liệu mưa GPM IMERG có độ phân giải theo không gian là 0,1˚ và độ phân giải thời gian khác nhau bao gồm: 30 phút, 1 ngày, tháng, thời gian có dữ liệu từ năm 2000 đến nay

Trong luận văn học viên lựa chọn dùng số liệu mưa GPM IMERG và mưa CMORPH Dựa trên mật độ trạm quan trắc mặt đất và độ phân giải thời gian của dữ liệu hiện có trên lưu vực, nghiên cứu đã chọn dữ liệu mưa GPM IMERG-F có độ phân giải không gian 0,1˚ và mưa CMORPH có độ phân giải phù hợp là 1 ngày/0.25˚ để tiến hành đánh giá và hiệu chỉnh

Mỗi nguồn dữ liệu mưa lại có ưu điểm và nhược điểm khác nhau Mưa vệ tinh cung cấp thông tin một cách nhanh chóng, toàn diện về mưa trên toàn bộ vùng lãnh thổ mà không bị giới hạn bởi địa hình hay vấn đề liên quan đến biên giới hơn thế nữa mưa vệ tinh lại dễ dàng khai thác miễn phí Trong khi đó, mưa mặt đất lại phân bố không đều và chỉ cung cấp thông tin quan trắc về mưa tại một vị trí, những nơi địa hình trắc trở khó tiếp cận để đo mưa và chi phí cao Kết hợp thông tin từ cả hai nguồn mưa giúp cải thiện độ chính xác của mưa hơn, đặc biệt tại những vùng có địa hình phức tạp và những vùng xuyên biên giới (không thể khai thác dữ liệu mưa trạm) Do đó, việc lựa chọn các sản phẩm mưa vệ tinh và

hiệu chỉnh mưa vệ tinh theo mưa quan trắc có vai trò quan trọng khi sử dụng trong các mô hình thủy văn

Đã có nhiều nghiên cứu sử dụng các phương pháp khác nhau để hiệu chỉnh dữ liệu mưa vệ tinh như phương pháp hiệu chỉnh biến đổi sai số phân vị, phương pháp phân tích hồi quy, chuyển đổi năng lượng phi tuyến… Các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, sử dụng các phương pháp hiệu chỉnh cho thấy sai số của mưa giảm đi đáng kể so với trước khi hiệu chỉnh

Phương pháp hiệu chỉnh sai số biến đổi phân vị (Quantile Mapping - QM) là một kỹ thuật thống kê bằng cách khớp các hàm phân phối tích lũy CDF (Cumulative distribution function) của dữ liệu mưa quan trắc và từng ô lưới của mưa vệ tinh Các hàm phân bố tích lũy theo kinh nghiệm CDF được tính toán cho các điểm ảnh vệ tinh và dữ liệu mưa quan trắc Đường CDF của mưa vệ tinh sau đó được điều chỉnh để khớp với đường CDF của dữ liệu mưa quan trắc Việc điều chỉnh này thường được thực hiện bằng cách ánh xạ từng giá trị của dữ liệu mưa vệ tinh tới giá trị tương ứng trong đường CDF của dữ liệu mưa quan trắc Do sự khác giữa độ phân giải của dữ liệu mưa quan trắc và dữ liệu mưa vệ tinh, nên đã có nhiều cách tiếp cận khác nhau khi đã xây dựng đường CDF cho dữ liệu quan trắc và vệ tinh

Trong luận văn này sẽ kế thừa bộ dữ liệu mưa vệ tinh đã được hiệu chỉnh theo phương pháp QM của Đề tài: “Nghiên cứu tích hợp nguồn dữ liệu quan trắc mặt đất và vệ tinh trong đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực sông Lam” mã số QG.23.19 do TS Đặng Đình Khá chủ trì Phương pháp QM được sử dụng trên nguồn số liệu có độ phân giải 1˚ để hiệu chỉnh dữ liệu mưa vệ tinh GPM IMERG và CMORPH bằng dữ liệu mưa quan trắc Các hàm phân phối tích lũy CDF (CDF: Cumulative distribution function) được xây dựng theo từng tháng cho mưa quan trắc và từng ô lưới cho mưa vệ tinh Sau đó, sử dụng phương pháp đa giác Thiesen để xác định vùng khống chế của từng trạm mưa quan trắc Những đường CDF của ô lưới mưa nào nằm trong vùng của đa giác Thiesen sẽ khớp với CDF của trạm quan trắc đó Quy trình này không chỉ điều chỉnh giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và phân vị của dữ liệu vệ tinh mà còn duy trì lượng mưa cực lớn [32]

Thuật toán QM được thiết lập dựa trên nghiên cứu của Cannon et al (2015) [33] được thể hiện trong công thức bên dưới:

𝑃𝐵𝐶 = 𝐹𝐺−1 {𝐹𝑆(𝑃𝑆)} Trong đó:

𝐹𝐺−1 là hàm ngịch đảo của đường CDF theo tháng dữ liệu mưa trạm FS là hàm CDF của dữ liệu mưa vệ tinh

PBC là dữ liệu sau khi đã hiệu chỉnh

Ps là dữ liệu mưa vệ tinh Dùng phương pháp hiệu chỉnh sai số biến đổi phân vị để hiệu chỉnh mưa vệ tinh theo mưa mặt đất Việc kết hợp thông tin từ mưa vệ tinh và mưa mặt đất là một phương pháp hiệu quả để cung cấp thông tin chính xác và toàn diện về mưa từ đó giúp cải thiện và tối ưu mô hình hơn

2.3 Dữ liệu sử dụng

Mô hình SWAT là một mô hình tổng quát do đó đòi hỏi một số lượng lớn dữ liệu để chạy mô hình Số liệu đầu vào của mô hình bao gồm cả số liệu không gian và số liệu thuộc tính Các bản đồ được sử dụng để tính toán bao gồm: bản đồ DEM lưu vực sông Lam, bản đồ sử dụng đất, bản đồ thổ nhưỡng, mạng lưới sông suối và hệ thống trạm khí tượng thủy văn Các số liệu thuộc tính bao gồm: tọa độ các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực, số liệu khí tượng thủy văn gồm lượng mưa ngày, nhiệt độ cao nhất, nhiệt độ thấp nhất và số liệu lưu lượng dòng chảy phục vụ hiệu chỉnh, kiểm định mô hình Ngoài ra luận văn có sử dụng số liệu mưa vệ tinh kết hợp để phục vụ đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực sông Lam

2.3.1 Số liệu quan trắc

Trong luận văn này, học viên thu thập vị trị địa lý, số liệu mưa ngày của 17 trạm đo mưa, số liệu nhiệt độ của 5 trạm khí tượng và số liệu lưu lượng của 5 trạm thủy văn trên lưu vực sông Lam Tất cả các số liệu trên đều liên tục, chất lượng tài liệu tốt, tin cậy có thể phục vụ cho tính toán mô hình Chi tiết các trạm thu thập số liệu, yếu tố thu thập và thời gian thu thập tại bảng bên dưới

Bảng 2.1 Danh sách mạng lưới trạm khí tượng, thủy văn

TT Tên trạm Loại

trạm

Yếu tố thu thập

Thời gian TT Tên trạm

Loại trạm

Yếu tố thu thập

Thời gian

2022

2000-13 Yên Thượng KT X

2022

TT Tên trạm Loại

trạm

Yếu tố thu thập

Thời gian TT Tên trạm

Loại trạm

Yếu tố thu thập

Thời gian

Hình 2.4 Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực sông Lam

2.3.3 Dữ liệu sử dụng đất

Dữ liệu sử dụng đất trên lưu vực sông Lam được thu thập từ Bộ Tài nguyên và Môi trường đối với phần diện tích thuộc Việt Nam, phần diện tích thuộc Lào được thu thập từ

Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp (https://www.fao.org/) Dữ liệu sử dụng đất sau đó được đưa về đúng hệ tọa độ và phân loại lại theo các loại cây trồng/thực phủ quy định trong SWAT Trong khu vực nghiên cứu có các loại hình sử dụng đất chính như: đất rừng tự nhiên, hỗn hợp, đất trồng lúa… đất rừng tự nhiên là chiếm diện tích lớn nhất

Bảng 2.2 Bảng thống kê các loại hình sử dụng đất lưu vực sông Lam

thập dữ liệu được đưa về đúng hệ tọa độ và được mã hóa theo quy định của SWAT Việc chuyển đổi sẽ dựa trên cơ giới đặc trưng của đất, các loại đất trong khu vực nghiên cứu bao gồm: đất xám bạc màu, đất núi đá, đất khô hạn…

Bảng 2.3 Bảng thống kê các loại đất lưu vực sông Lam