Chuyên đề cách xác định lưu vực sông

Báo cáo giới thiệu phương pháp xác định lưu vực sông một cách trực tiếp thông qua sự hỗ trợ của công cụ máy tính có thể trợ giúp người sử dụng thực hiện một cách nhanh nhất việc phân định ranh giới lưu vực sông tại bất kỳ vị trí nào trên lưu vực. Ngoài ra một số ứng dụng liên quan dựa trên kết quả phân tích trên cũng được giới thiệu Tác giả : Đỗ Đức Dũng

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

Chuyên đề PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯU VỰC SÔNG

TP Hồ Chí Minh, 11 – 2009

Cơ quan thực hiện: VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM Địa chỉ: 271/3, An Dương Vương, Quận 5, TPHCM

Điện thoại: (84-8) 835 0850, 835 4218 Fax:(84-8) 835 1721

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

Chuyên đề PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯU VỰC SÔNG

Người thực hiện: ThS NCS Đỗ Đức Dũng

TP Hồ Chí Minh, 11 – 2009

VIỆN QUY HOẠCH THỦY LỢI MIỀN NAM

271/3, An Dương Vương, Quận 5, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam

Điện thoại: (84-8) 835 085, 0835 4218 Fax:(84-8) 835 1721

M ụ c l ụ c

Mục lục 1

I GIỚI THIỆU CHUNG 1

II PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯU VỰC SÔNG 1

II.1 Một số khái niệm 1

II.2 Các đặc trưng hình học của lưu vực 3

II.3 Các phương pháp xác định lưu vực sông 5

II.3.1 Xác định lưu vực bằng bản đồ địa hình 5

II.3.2 Xác định lưu vực bằng bản đồ số GIS 6

III ỨNG DỤNG CÔNG CỤ GIS XÁC ĐỊNH LƯU VỰC SÔNG TẠI CÁC VỊ TRÍ TRÊN LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI 7

III.1 Tổng quan về lưu vực sông Đồng Nai 7

III.2 Xác định các lưu vực sông thuộc hệ thống lưu vực sông Đồng Nai 10

III.2.1 Mục đích 10

III.2.2 Nội dung thực hiện 10

III.2.3 Kết quả xác định ranh giới lưu vực sông 12

IV MỘT SỐ ỨNG DỤNG TIỀM TÀNG LIÊN QUAN ĐẾN XÁC ĐỊNH LƯU VỰC SÔNG 15

V KẾT LUẬN & KHUYẾN NGHỊ 17

VI TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

I GI Ớ I THI Ệ U CHUNG

Khi thực hiện bất kỳ nghiên cứu nào liên quan đến tài nguyên nước của lưu vực sông, đầu tiên cần xác định vị trí địa lý và ranh giới của lưu vực đó Xác định ranh giới lưu vực sông, về nguyên tắc, không quá khó khăn nhưng để công việc này thực hiện một cách nhanh chóng, có độ chính xác cao và đáp ứng được yêu cầu công việc một cách nhanh nhất là rất cần thiết, và cũng rất quan trọng Với yêu cầu đó, chuyên đề này giới thiệu phương pháp xác định lưu vực sông một cách trực tiếp thông qua sự hỗ trợ của công cụ máy tính có thể trợ giúp người sử dụng thực hiện một cách nhanh nhất việc phân định ranh giới lưu vực sông tại bất kỳ vị trí nào trên lưu vực Bên cạnh đó, một số nội dung liên quan đến nghiên cứu quản lý lưu vực sông trên cơ sở ứng dụng các kết quả từ việc xác định ranh giới lưu vực cũng sẽ được đề xuất

Với mục tiêu đó, các nội dung chính được trình bày trong chuyên đề gồm (1) phương pháp xác định lưu vực sông; và (2) ứng dụng xác định lưu vực sông tại một số vị trí trên lưu vực sông Đồng Nai; và (3) một số ứng dụng liên quan khác trên cơ sở xác định ranh giới lưu vực sông

II.1 M ộ t s ố khái ni ệ m

Nước trên bề mặt đất theo quy luật chung đều chảy từ nơi cao xuống nơi thấp, lâu ngày các đường chảy tạo thành sông suối Mỗi một dòng sông đều có phần diện tích hứng và tập trung nước gọi là lưu vực sông

Một lưu vực sông là vùng địa lý được giới hạn bởi đường chia nước (hay còn gọi là đường phân thủy) trên mặt và dưới đất Đường chia nước trên mặt (hay còn gọi

là đường phân nước mặt) là đường nối các đỉnh cao của địa hình Nước từ đỉnh cao

chuyển động theo hướng dốc của địa hình để xuống chân dốc là các suối nhỏ rồi tập trung đến các nhánh sông lớn hơn chảy về biển Cứ thế chúng tạo thành mạng lưới sông Trên lưu vực sông, ngoài các diện tích đất trên cạn còn có các phần chứa nước trong lòng sông, hồ và các vùng đất ngập nước theo từng thời kỳ Tất cả phần bề mặt lưu vực cả

trên cạn và dưới nước là môi trường cho các loài sinh sống Đường chia nước dưới đất

(hay còn gọi đường phân nước ngầm) là đường giới hạn trong lòng đất mà theo đó

nước ngầm chảy về hai phía đối lập nhau Đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm nhìn chung là không trùng nhau, do đó sẽ có hiện tượng nước từ lưu vực này chuyển sang lưu vực khác Sự khác nhau là do cấu tạo và phân bố địa chất khác nhau Đặc biệt, với các lưu vực sông nằm trên vùng đá vôi thường xuất hiện hiện tượng kaster, tức dòng chảy ngầm từ lưu vực này chuyển sang lưu vực khác, thậm chí dòng chảy mặt

- Vùng thượng lưu của sông thường là các vùng cao với địa hình dốc, chia cắt

phức tạp Đây là nơi khởi nguồn của các dòng sông và bề mặt thường bao phủ bằng những cánh rừng được ví như những “kho nước xanh” có vai trò điều hòa dòng chảy, làm giảm dòng chảy đỉnh lũ và tăng lượng dòng chảy mùa cạn cho khu vực hạ lưu

- Vùng trung lưu các con sông thường là vùng đồi núi hoặc cao nguyên có địa

hình thấp và thoải hơn, là vùng trung gian chuyển nước xuống vùng hạ lưu Tại vùng trung lưu, các con sông thường có độ dốc nhỏ hơn, lòng sông bắt đầu mở rộng ra và bắt đầu có bãi, đáy sông có nhiều cát mịn Các bãi ven sông thường có nguy cơ bị ngập nước tạo thành các bãi chứa lũ tạm thời

- Hạ lưu sông là vùng thấp nhất của lưu vực sông, phần lớn là đất bồi tụ lâu năm

có thể tạo nên các vùng đồng bằng rộng Nhìn chung các sông khi chảy đến hạ lưu thì mặt cắt sông mở rộng, sông thường phân thành nhiều nhánh đổ ra biển Sông ở hạ lưu thường có độ dốc nhỏ, dòng bùn cát chủ yếu ở đáy sông là cát mịn và bùn Do mặt cắt sông mở rộng nên tốc độ nước giảm nhỏ khiến cho quá trình bồi lắng là chủ yếu, còn xói

lở chỉ xảy ra trong mùa lũ tại một số điểm nhất định Tại hạ lưu gần biển các sông thường dễ bị phân nhánh, lòng sông biến dạng uốn khúc theo hình sin và thường có sự biến đổi về hình thái dưới tác động

của quá trình bồi xói liên tục

Lưu vực sông là một hệ

thống mở và luôn tương tác với

tầng khí quyển bên trên thông qua

hoạt động của hoàn lưu khí quyển

và chu trình thuỷ văn, nhờ đó hàng

năm lưu vực sông đều nhận được

một lượng nước đến từ mưa để sử

dụng cho các nhu cầu của con

người và duy trì hệ sinh thái

Có nhiều khái niệm khác

nhau về lưu vực sông, dưới đây là một số định nghĩa có thể tham khảo:

- Phần diện tích mặt đất giới hạn bởi đường phân thủy, trên đó nước chảy vào một con sông hay một hệ thống sông nào đó gọi là lưu vực Phần diện tích từ đó nước

Hình 2: Sơ đồ mô tả lưu vực sông

mặt và nước ngầm tập trung vào một hệ thống được gọi là diện tích tập trung nước của

- Một lưu vực sông là diện tích đất được giới hạn bởi đường phân thủy mà trên

đó tất cả nước sẽ tập trung chảy ra một cửa duy nhất Lưu vực sông cũng được gọi là diện tích lưu vực Các cạnh của một lưu vực sông được gọi là đầu nguồn, ở phía bên kia đường phân thủy, sẽ có một lưu vực sông khác

Tóm lại, lưu vực sông vùng đất mà tất cả lượng mưa rơi trên đó đều tập trung về một sông hoặc suối Lưu vực sông

được giới hạn bằng các đường chia

nước Lưu vực sông được gọi là

lưu vực kín khi có đường chia

nước mặt và đường chia nước

ngầm trùng nhau; nếu không trùng

nhau thì gọi là lưu vực hở Trong

thực tế tính toán rất khó có thể xác

định chính xác đường phân nước

ngầm nên thường coi là trùng với

đường phân nước mặt Lưu vực

tương tự là lưu vực có cùng điều

kiện hình thành dòng chảy với lưu

vực nghiên cứu

II.2 Các đặ c tr ư ng hình h ọ c c ủ a l ư u v ự c

1 Diện tích lưu vực F (km 2 ): là diện tích hứng nước mưa tính đến một vị trí nào

đó của sông Diện tích lưu vực được giới hạn bởi đường phân nước càng lớn thì nguồn cung cấp nước cho sông càng lớn

2 Chiều dài lưu vực L(km): là khoảng cách theo đường gấp khúc qua các điểm

giữa của đoạn thẳng cắt ngang qua lưu vực và vuông góc với hướng dòng chảy đi từ nguồn nước Trong thực tế lấy chiều dài sông chính là chiều dài lưu vực

3 Chiều rộng lưu vực B (km): được xác định theo công thức: B=F/L Chiều

rộng lưu vực sông không cố định mà thay đổi theo chiều dài sông Sự thay đổi của nó ảnh hưởng đến sự tập trung nước trong sông

4 Độ cao bình quân lưu vực H bq (m): ảnh hưởng đến điều kiện thủy văn khí

hậu Độ cao bình quân của lưu vực có ảnh hưởng rất lớn tới các nhân tố khí hậu, đặc biệt

là đối với các lưu vực rộng lớn

bq n

i i

f h H

Trong đó: h i - cao trình bình quân giữa hai đường đồng mức

f i - diện tích giữa hai đường đồng mức

n - là số mảnh diện tích

5 Độ dốc trung bình lưu vực (Jtb): ảnh hưởng rất quan trọng tới quá trình tập

trung dòng chảy, sự tạo thành lũ và tính chất lũ trong lưu vực Lưu vực càng dốc thì dòng chảy tập trung càng nhanh và lũ lên càng nhanh

1

1

n i i n i i

Trong đó: l i - khoảng cách bình quân giữa hai đường đồng mức bằng nhau

∆h- chênh lệch cao độ giữa hai đường đồng mức (trên bản đồ địa hình

thường có giá trị như nhau đối với mọi đường đồng mức)

(km km/ ): mật độ lưới sông bằng tổng chiều dài của tất

cả các sông suối trên lưu vực chia cho diện tích của nó, được tính như sau:

i L D

F

=∑

Sông suối càng dày mật độ lưới sông càng lớn Những vùng có nguồn nước phong phú thì D thường có giá trị lớn Một số phân cấp mật độ lưới sông:

- Cấp 1: D = 1,5 – 2,0 Mật độ sông, suối rất dày

- Cấp 2: D = 1,0 – 1,5 Mật độ sông, suối dày

Hình 3: Ví dụ về xác định đường ranh giới lưu vực sông trên bản đồ giấy 1/250.000

- Cấp 3: D = 0,5 – 1,0 Mật độ sông, suối tương đối dày

- Cấp 4: D < 0,5 Mật độ sông, suối thưa

Hiện nay, có 2 phương pháp xác định lưu vực sông như sau:

o Phương pháp cổ điển: Sử dụng bản đồ địa hình in trên giấy;

o Phương pháp kỹ thuật số: Sử dụng công cụ hỗ trợ của hệ thống thông tin địa

lý GIS với bản đồ kỹ thuật số

Trước khi có các công cụ hỗ trợ trên máy tính thì phương pháp xác định lưu vực sông phổ biến là sử dụng bản đồ cao độ địa hình, tạo các đường đồng cao độ, sau đó khoanh lưu vực theo những cao độ lớn nhất trên khu vực nghiên cứu

Phương pháp xác định đường phân thuỷ (ranh giới) lưu vực sông trên bản đồ địa hình được thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: Xác định vị trí cần nghiên cứu trên sông (Vị trí A trên trong Hình 3)

- Bước 2: Xác định đường chia nước lưu vực (Xem Hình 3) Việc xác định này thực hiện bằng cách nối các điểm cao độ cao nhất trong khu vực Công việc xác định ranh giới lưu vực sông trên thực tế thường chịu ảnh hưởng bởi kinh nghiệm và tính chủ quan của người thực hiện, và mất khá nhiều thời gian

- Bước 3: Sau khi xác định được đường chia nước lưu vực, việc tiếp theo là xác định diện tích lưu vực và các đặc trưng cần thiết khác Diện tích lưu vực thường được

Hình 4: Hướng dòng chảy trong mô hình dòng chảy 8 hướng

thực hiện bằng phương pháp đếm ô vuông hoặc dùng máy đo diện tích chạy theo đường phân nước được xác định trên bản đồ địa hình Để đảm bảo độ chính xác người ta thường dùng các bản đồ địa hình tỉ lệ lớn 1/5.000, 1/10.000, 1/25.000 hay lớn hơn, tuỳ yêu cầu

về độ chính xác

Phương pháp này có một số ưu, nhược điểm sau:

- Ưu điểm: Được thực hiện khá đơn giản, không cần các thiết bị máy tính; Có thể tổng quan hóa lưu vực trên bản đồ giấy

- Nhược điểm: Mất nhiều thời gian để khoanh lưu vực, tính diện tích lưu vực hoặc độ dốc Bên cạnh đó, việc xác định lưu vực sông bằng phương pháp này phụ thuộc nhiều vào các yếu tố chủ quan khi tiến hành công việc trên bản đồ Độ chính xác của lưu vực phụ thuộc rất lớn vào trình độ và kinh nghiệm của người thực hiện Phương pháp này không linh hoạt khi cần có sự thay đổi về vị trí,

Công cụ hiệu quả nhất hiện nay hỗ trợ việc xác định ranh giới lưu vực sông bất

kỳ là sử dụng công nghệ GIS bao gồm các phương pháp tính, các phần mềm chuyên dụng, và cơ sở dữ liệu bản đồ số (bao gồm bản đồ dưới dạng vector (dạng điểm, đường,

và vùng) hay dưới dạng raster (dạng ô lưới))

Hiện nay, có nhiều phần mềm GIS được ứng dụng rộng rãi như MapInfo, Arcview GIS, ArcGIS, Map Windows, Để kết hợp việc xác định ranh giới lưu vực với phân tích, đánh giá, và tính toán các đặc trưng lưu vực sông nhiều công cụ được xây dựng và nhúng kết vào các phần mềm này Một trong những các công cụ điển hình về xác định lưu vực sông được nhiều người biết đến đó là Hydrologic Modeling (v 1.1), AVSWAT (ArcView SWAT) được viết bằng ngôn ngữ Avenue Script trong Arcview GIS 3.2; AV-ThreshR (1999-2000) (NWS-HRL); HEC-GeoHMS (ESRI, HEC) kết hợp HECPrepro (Univ of Texas at Austin) và Watershed Delineator (ESRI, TNRCC), Ngoài ra, có khá nhiều các công cụ, đoạn chương trình được chia sẻ miễn phí trên mạng internet có thể sử dụng cho việc xác định lưu vực sông

Để xác định lưu

vực sông một cách tự

động, hầu hết các công

cụ được xây dựng dựa

trên lý thuyết "mô hình

dòng chảy 8 hướng"

(D8 flow direction

model) [TK 5] Mô hình

này dựa trên lý thuyết là dòng chảy tại một ô lưới (grid) sẽ chảy đến 1 trong 8 hướng xung quanh ô lưới đó, được thể hiện trong Hình 4

Các công cụ xác định ranh giới lưu vực sông chỉ khác nhau về mức độ sử dụng thể hiện qua các đặc tính của công cụ như (1) tính linh động trong xác định lưu vực, (2) tốc độ tính toán nhanh chậm, (3) việc tính toán các đặc trưng lưu vực, (4) cách thức lưu giữ, liên kết thông tin, và (5) cách thức sử dụng và kết nối các đặc trưng của lưu vực sông với các công cụ khác bên ngoài

Các bước cơ bản để xác định lưu vực sông một cách tự động dựa trên bản đồ số dưới dạng raster (ô lưới) như sau:

- Bước 1: Chuẩn bị số liệu cao độ số DEM

- Bước 2: Xử lý số liệu cao độ số (Xử lý số liệu cao độ -Fill DEM)

- Bước 3: Tính toán xác định hướng dòng chảy theo mô hình 8 hướng trên (Flow Direction)

- Bước 4: Xác định liên kết hướng dòng chảy giữa các ô lưới (Flow Accumulation)

- Bước 5: Xác định lưu vực sông và tính toán các đặc trưng của nó

Phương pháp xác định ranh giới lưu vực sông bằng ứng dụng công nghệ GIS trên bản đồ số có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp xác định bằng bản đồ giấy địa hình lưu vực sông Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ GIS không chỉ dừng lại ở việc xác định ranh giới lưu vực sông mà nó còn có thể phát huy được các chức năng của công cụ máy tính như liên kết, tự động hóa, cải tiến tốc độ tính toán, ứng dụng

mở rộng trong tính toán xử lý phía sau đó

Trên cơ sở các nội dung nêu trên, phần tiếp theo của chuyên đề sẽ trình bày ứng dụng công cụ GIS nhỏ để xác định lưu vực sông tại một số tuyến trên lưu vực sông Đồng Nai

III.1 T ổ ng quan v ề l ư u v ự c sông Đồ ng Nai

Lưu vực sông Đồng Nai và vùng phụ cận nằm trong khoảng 10o20’ – 12o20’ vĩ

độ Bắc, 105o45’ – 109o15’ kinh độ Đông; giáp với Cam Pu Chia ở phía Tây với đường biên dài 684 km, Bắc giáp Khánh Hòa, Nam giáp tỉnh Tiền Giang và Đông giáp biển Đông với đường bờ biển dài 450 km Chiều dài nhất của lưu vực là 360 km kể từ bờ sông Vàm Cỏ đến ranh giới Khánh Hòa và chiều rộng rộng nhất là 200 km kể từ biển đến ranh giới Cam Pu Chia Lưu vực sông Đồng Nai nằm trên vùng đất liên quan đến các tỉnh Đắc