(TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÍ) XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN

XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠNXÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠNXÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠNXÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠNXÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN

Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thống thông tin địa lý

Mã số: 62 44 76 01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÍ

Hà Nội, 2016

Luận án được hoàn thành tại Khoa Địa lý - Trường đại học Khoa

học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Nguyễn Ngọc Thạch

2 PGS.TS Lã Văn Chú

Phản biện 1:

Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm luận án tiến sĩ họp tại vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Lũ quét là thiên tai nguy hiểm chết người nhất [72] Lũ quét ở nước ta ngày càng gia tăng cả về tần suất xuất hiện và tính cực đoan, xảy ra hằng năm ở vùng núi, thượng nguồn, ở các lưu vực nhỏ và vừa, nơi thiếu nhiều dữ liệu và nghiên cứu [9, 35] Sông Năng là lưu vực nhỏ, đồi núi và thường xuyên xảy ra lũ quét gây thiệt hại lớn về người

và của [10-20] Hiện tại, độ tin cậy của dự báo, mô phỏng lũ quét vẫn chưa cao vì tính chất quá phức tạp của lũ quét Việc nâng cao chất lượng dữ liệu đầu vào, xây dựng và áp dụng các công cụ, mô hình mới được ưu tiên [69] Các mô hình định lượng thủy văn, thủy lực có độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi nhiều số liệu chi tiết và khó áp dụng cho vùng đồi núi Nước ta hiện nay, phương pháp phân tích đa biến được

áp dụng phổ biến vì đơn giản nhưng mang nhiều định tính và loại bỏ tính chất động của lũ quét Một mô hình định lượng nhờ sự tích hợp

và kế thừa những ưu điểm của GIS, viễn thám và thủy văn sẽ cho phép

mô phỏng được nguy cơ lũ quét chi tiết hơn và tin cậy hơn cho vùng núi cao và thiếu nhiều số liệu là khả thi và cần thiết

Từ yêu cầu thực tiễn đó luận án chọn đề tài nghiên cứu “Xây

dựng mô hình tích hợp viễn thám và GIS xác định nguy cơ lũ quét lưu vực sông Năng, Bắc Kạn”

2 Mục đích và nhiệm vụ

a) Mục đích: Xây dựng mô hình có khả năng xác định nguy cơ lũ

quét cho lưu vực sông vừa/nhỏ, vùng đồi núi, địa hình dốc, phức tạp, thiếu nhiều tài liệu hỗ trợ; Áp dụng mô hình để xác định được nguy cơ

lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn

b) Nhiệm vụ: Làm rõ khái niệm, nguyên nhân hình thành và phân

loại lũ quét; Nghiên cứu các công trình khoa học trong và ngoài nước

về lũ quét, từ đó đánh giá những hạn chế của các phương pháp, mô hình nghiên cứu đã có; đề xuất hướng nghiên cứu của luận án; Đánh giá, xác định các công cụ GIS, viễn thám và thủy văn áp dụng cho nghiên cứu lũ quét; Xây dựng mô hình xác định nguy cơ lũ quét; Ứng dụng mô hình để tính toán và xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu: Lũ quét và các nhân tố gây ra lũ quét

Tập trung vào một loại lũ quét điển hình ở nước ta - đó là lũ quét sườn

dốc và nghẽn dòng tự nhiên do mưa lớn

b) Phạm vi nghiên cứu: Các lưu vực sông vừa/nhỏ, vùng đồi núi

Áp dụng cho lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn

4 Đóng góp mới của luận án

- Đưa ra mô hình phân bố xác định nguy cơ lũ quét định tính bán định lượng trên cơ sở phân tích diễn biến đặc trưng thủy văn dưới sự

hỗ trợ của GIS và viễn thám

- Lượng hóa được mối quan hệ giữa lũ quét với các điều kiện tự nhiên, khí tượng - thủy văn lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn

- Trên cơ sở phương pháp, mô hình lũ quét mới đã xây dựng được các bản đồ mới về nguy cơ lũ quét cho lưu vực sông Năng, tỉnh

Bắc Kạn

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

a) Ý nghĩa khoa học:

- Nghiên cứu này chứng minh được việc tích hợp GIS, viễn thám

để xác định nguy cơ lũ quét cho lưu vực nhỏ vùng đồi núi, địa hình phức tạp, thiếu tài liệu hỗ trợ là có cơ sở khoa học, phù hợp, khả thi và cải thiện được chất lượng kết quả

- Củng cố thêm vai trò quan trọng của viễn thám trong xây dựng

dữ liệu lớp phủ và NDVI trong bài toán lũ quét; Khẳng định được vai trò quan trọng và tính hiệu quả cao của GIS trong mô hình hóa bài toán thủy văn và lũ quét

b) Ý nghĩa thực tiễn:

- Cơ sở khoa học về lũ quét, mô hình lũ quét, kết quả mô phỏng

lũ quét của luận án là tài liệu tin cậy để tham khảo và có thể được áp dụng cho vùng nghiên cứu khác;

- Kết quả mô phỏng nguy cơ lũ quét là tài liệu tin cậy và có giá trị giúp cho quy hoạch, phân vùng kinh tế - xã hội, quản lý và giảm nhẹ thiên tai lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn

6 Phương pháp nghiên cứu

· Cơ sở khoa học và đặc trưng lũ quét, thủy văn;

· Các công cụ của GIS trong thủy văn, lũ quét;

· Các công cụ của Viễn thám trong thủy văn, lũ quét;

· Các ưu điểm và hạn chế của phương pháp nghiên cứu

lũ quét hiện tại.

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái niệm lũ quét

Khái niệm lũ quét chưa hoàn toàn thống nhất Dựa trên phạm vi

và đối tượng nghiên cứu, luận án sử dụng khái niệm: “Lũ quét là

những trận lũ lớn, xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn, có dòng chảy xiết, có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá lớn hơn nhiều mức lũ bình thường và thường xảy ra ở thượng nguồn khe, suối, sông và trên những lưu vực tương đối nhỏ nơi có tổ hợp các yếu tố bất lợi của điều kiện bề mặt và địa hình”

1.2 Phân loại lũ quét

Phân loại lũ quét còn nhiều khác biệt Dựa trên phạm vi và đối tượng nghiên cứu, luận án sử dụng phân loại lũ quét theo nguyên nhân

hình thành: (1) lũ quét nghẽn dòng, (2) lũ quét sườn dốc, (3) lũ quét

hỗn hợp và (4) lũ bùn đá Theo các nghiên cứu trước đây thì lũ quét ở

nước ta bao gồm cả 4 loại nêu trên, trong đó tần suất xuất hiện thì lũ quét sườn dốc trội hơn cả và tiếp theo là lũ quét nghẽn dòng [9] Theo thông tin của Đài KTTV Bắc Kạn thì trong phần lớn các trận lũ quét xảy ra trong vùng nghiên cứu thuộc loại lũ quét sườn dốc

Luận án sẽ không đi sâu vào nghiên cứu và mô phỏng loại 3 và 4

mà chỉ tập trung vào loại 1 và một phần của loại 2 là lũ quét nghẽn

dòng tự nhiên

1.3 Nghiên cứu lũ quét trên thế giới

1.3.1 Phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố

Còn được gọi là phương pháp phân tích đa biến, mô tả định tính nguy cơ lũ quét (FFPI) dựa trên những nhân tố chính như là độ dốc, lớp phủ bề mặt, sử dụng đất, loại và cấu tượng của đất [75]

FFPI được xác định bằng trung bình hóa số học có trọng số như công thức 1-1 [81]

FFPI=(w1*Sl+w2*LL+w3*So+w4*VD)/(w1+w2+w3+w4) (1-1) Trong đó, FFPI – chỉ số nguy cơ lũ quét, Sl – độ dốc, LL – lớp phủ/sử dụng đất, So – đất, VD – mật độ rừng và thực vật, và w1, w2, w3, và w4 - trọng số tương ứng của Sl, LL, So, và VD

Phương pháp này đơn giản nhưng độ tin cậy không cao, không quá phổ biến và chỉ áp dụng để bổ sung cho phương pháp thủy văn/thủy lực

1.3.2 Phương pháp thủy văn/thủy lực

Đặt và giải bài toán lũ quét theo cách tiếp cận thủy văn/thủy lực 1 hoặc 2 chiều thông qua mô hình số trị (phần mềm) dẫn nguồn từ phương trình Saint Venant/Navier-Stocks Mô hình thủy lực xác định được ranh giới và độ sâu ngập lụt Mô hình thủy văn cho kết quả lưu lượng tại các cửa ra của phụ lưu và là dữ liệu đầu vào cho mô hình thủy lực Phương pháp này sử dụng nhiều trên thế giới như Mỹ, Châu

Âu, Nhật Bản vì cho kết quả định lượng và tin cậy Đặc biệt, phương pháp thủy văn được áp dụng phổ biến trên thế giới trong các hệ thống cảnh báo vì chạy nhanh Nhưng, phương pháp này đòi hỏi nhiều số liệu chi tiết, thời gian tính toán lâu, xây dựng mô hình tốn kém và đôi

khi không thực hiện được đối với những khu vực có địa hình quá phức tạp vùng núi cao

1.3.3 Phương pháp và nghiên cứu khác

Các phương pháp khác cũng được sử dụng như thống kê cho mục đích dự báo lũ quét trung và dài hạn; xây dựng/gắn các thiết bị đo tự động dòng chảy trực tiếp trên các cầu bắc qua suối, vào các hòn đá trên sườn núi, trong các con suối cho mục đích cảnh báo sớm lũ quét trong trường hợp các mô hình cảnh báo sai [61]

1.4 Nghiên cứu lũ quét ở Việt Nam

1.4.1 Phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố

Phương pháp áp dụng ở Việt Nam tương tự như của nước ngoài nhưng thường có thêm nhân tố lượng mưa Mưa được sử dụng có thể

là mưa ngày lớn nhất, mưa trung bình ngày, mưa trung bình tháng, mưa trung bình năm

Phương pháp này được sử dụng rất phổ biến ở nước ta hiện nay

vì tính đơn giản và hiệu quả

1.4.2 Phương pháp thủy văn/thủy lực

Phương pháp này còn ít được sử dụng để nghiên cứu lũ quét ở nước ta vì phức tạp, tốn kém và đòi hỏi nhiều dữ liệu chi tiết Chỉ có một vài nghiên cứu, mô phỏng lại các trận lũ quét đã xảy ra ở phần thấp của lưu vực [8]

1.4.3 Phương pháp và nghiên cứu khác

Một số phương pháp khác cũng được nghiên cứu và áp dụng ở nước ta: phương pháp thống kê số lượng lớn lũ quét và lượng mưa tìm

ra quy luật, ngưỡng mưa gây ra lũ quét [1-4, 33, 34]; phương pháp mạng thần kinh nhân tạo [23]; phương pháp địa động lực [31]

1.5 Nghiên cứu lũ quét tại lưu vực sông Năng, Bắc Kạn

Cho đến nay chưa có một nghiên cứu chuyên biệt về lũ quét cho lưu vực sông Năng, Bắc Kạn Chỉ có một số nghiên cứu ở phạm vi không gian rộng hơn và bao trùm lưu vực Các nghiên cứu này đều áp dụng phương pháp thống kê để xác định nguyên nhân và ngưỡng mưa hình thành lũ quét và phương pháp phân tích và chồng xếp nhân tố để xây dựng bản đồ nguy cơ lũ quét [6]

Tiểu kết chương 1

Lũ quét ở nước ta và lưu vực sông Năng chủ yếu là lũ quét sườn dốc [9]; Có 2 phương pháp nghiên cứu phổ biến nhất hiện nay là phương pháp thủy văn/thủy lực và phân tích nhân tố để mô phỏng, xây dựng bản đồ nguy cơ, phân vùng lũ quét; Phương pháp nhân tố đơn

giản, khả thi cao nhưng mang nhiều định tính, triệt tiêu tính chất động

tự nhiên của lũ lụt Phương pháp thủy văn/thủy lực mang nhiều định lượng nhưng khó áp dụng, đòi hỏi nhiều thời gian và dữ liệu chi tiết

Luận án sẽ giải quyết các vấn đề cơ bản sau:

- Nghiên cứu, lựa chọn và áp dụng mô hình thủy văn đã được đơn giản hóa có thể giải được bằng phương pháp số học bản đồ trong GIS

- Nghiên cứu, lựa chọn và áp dụng các hàm/công cụ GIS để giải bài toán thủy văn

- Nghiên cứu và xây dựng bản đồ lớp phủ từ ảnh vệ tinh Landsat; nghiên cứu và áp dụng chỉ số thảm thực vật (NDVI) từ ảnh vệ tinh Landsat để chi tiết hóa và nâng cao chất lượng dữ liệu lớp phủ

- Xây dựng mô hình phân bố (distributed model) từ việc tích hợp GIS, viễn thám và thủy văn có thể mô phỏng lũ quét cho vùng núi, đầu nguồn lưu vực nước ta, nơi có địa hình phức tạp và thường xảy ra lũ quét sườn dốc

- Áp dụng mô hình lũ quét để mô phỏng thử cho khu vực lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn

Chương 2 MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT

2.1 Cơ sở hình thành lũ quét

Độ ẩm bề mặt Lớp phủ bề mặt

Độ dốc suối, sông Diện tích mặt cắt suối, sông

Khả năng tải

của suối, sông

Suối, sông bị quá tải?

Hình 2-1 Sơ đồ tổng quát cơ sở hình thành lũ quét

2.2 Phương pháp SCS xác định mưa hiệu quả

2.2.1 Mưa hiệu quả

Mưa hiệu quả là lượng mưa còn lại tại bề mặt đất sau khi trừ đi các tổn thất do bốc hơi, bề mặt lớp phủ và lớp đất mặt giữ lại và đi vào tầng nước ngầm Mưa hiệu quả quyết định dòng chảy mặt và lũ lụt trên sông suối và có thể là toàn bộ lưu vực

2.2.2 Quan hệ giữa đất và dòng chảy mặt

Lớp đất mặt có tác động trực tiếp đến mưa hiệu quả Mỗi loại đất

có tính chất cơ lý, cấu trúc, thành phần khác nhau và do vậy có tính chất thẩm thấu cũng khách nhau Đất được phân thành 4 nhóm (A, B,

C và D) theo tính chất thủy văn theo NRSC [81]

2.2.3 Quan hệ giữa lớp phủ bề mặt, sử dụng đất và dòng chảy mặt:

Tính chất thủy văn của lớp phủ không chỉ phụ thuộc loại lớp phủ, tính chất sử dụng mà còn phụ thuộc vào mật độ, cấu trúc và tính chất của thực vật, cây cối Tính chất này phần nào được phản ánh bằng chỉ

số NDVI, lượng diệp lục của thực vật Những nơi có NVDI cao là nơi

có rừng rậm, xanh tốt và có khả năng lưu trữ nước mưa và cản trở dòng chảy mặt hiệu quả Ngược lại, những nơi có NDVI thấp thường đất trống, bụi cây thưa thớt, khu dân cư, công trình xây dựng và ít có khả năng lưu trữ nước mưa và cản trở dòng chảy mặt

2.2.4 Phương pháp SCS tính dòng chảy mặt:

SCS-CN là phương pháp thực nghiệm, tính mưa hiệu quả thông qua giá trị CN [78] Tại mỗi ô lưới hay tiểu lưu vực, ứng với mỗi loại lớp phủ/sử dụng đất và loại đất sẽ xác định được một giá trị CN tương ứng theo Khi có được CN thì dòng chảy mặt Q sẽ được xác định:

(2-2)

S P

S P

P e

8.0

)2.0

1000

S CN



Trong đó, Q – tổng lưu lượng cho toàn lưu vực hoặc 1 pixel (mm3

hoặc m3); A – diện tích lưu vực hoặc 1 pixel (mm2 hoặc m2); P e –

lượng mưa hiệu quả (mm); P – lượng mưa (mm); S – khả năng lưu trữ

cực đại của bề mặt (mm)

2.3 Tính toán Q max và T Qmax

2.3.1 Phương pháp đường đẳng thời

Phương pháp được được sử dụng tính toán và xây dựng đường quá trình lưu lượng Lượng mưa hiệu quả sinh ra dòng chảy mặt sẽ chảy tràn trên bề mặt và/hoặc trong kênh và sẽ mất một khoảng thời gian nhất định để di chuyển ra tới điểm cuối của lưu vực Lưu lượng tại cửa ra tại từng thời điểm được xác định theo công thức (2-6)

(2-6) Trong đó, Qi – lưu lượng tại cửa ra tại thời điểm i (m3/s), Pi – lưu lượng mưa hiệu quả tại thời điểm i (m/s), Ai – diện tích giữa 2 đường đẳng thời gian tại điểm i (m2), i và k – các số tự nhiên

Hình 2-2 Sơ đồ tính lưu lượng theo phương pháp đường đẳng thời

2.3.2 Xác định Qmax và TQmax

Qmax là lưu lượng cực đại tại mỗi ô lưới hoặc tiểu lưu vực xảy ra trong mỗi trận mưa, nó quyết định đến việc hình thành và cường độ lũ quét Qmax càng lớn thì nguy cơ và cường độ lũ quét càng lớn và ngược lại TQmax - khoảng thời gian xảy ra Qmax so với mưa cực đại

TQmax càng nhỏ thì tính bất ngờ càng cao và khó ứng phó, có nghĩa là rủi ro càng lớn và ngược lại Tmax là một tham số để phân biệt lũ quét

ở thượng nguồn và lũ lụt thông thường ở hạ lưu Các nghiên cứu đã

chỉ ra rằng với lũ quét thì TQmax chỉ là vài giờ nhưng với lũ lụt ở hạ lưu thì TQmax có thể là vài ngày, thậm chí là tuần

Hình 2-3 Biểu đồ mô tả Qmax và TQmax

2.4 Phân tích GIS

GIS được thực hiện chính các chồng xếp, phân tích trong phương pháp đường đẳng thời ở mục 2.3.2, xây dựng các dữ liệu đầu vào thủy văn (độ dốc, hướng dòng chảy, dòng chảy tích lũy, hệ thống sông suối, phụ lưu) được xây dựng như sơ đồ ở Hình 2-4 và chiết xuất vùng đất thấp dễ ngập lụt như công thức 2-14

Hình 2-4 Sơ đồ xây dựng dữ liệu thủy văn

Chỉ số ẩm ướt địa hình (TWI) được xác định bằng GIS từ DEM theo công thức (2-14)

(2-14) Trong đó, TWI - chỉ số ẩm ướt địa hình của pixel, a - diện tích tiểu lưu vực cung cấp nước cho pixel đó trên mỗi đơn vị chiều dài vuông góc với dòng chảy (m2/m), và β - độ dốc của pixel (radian)

Hình 2-5 Sơ đồ tổng quan phân tích viễn thám

2.6 Xác định nguy cơ lũ quét

2.6.1 Đặc điểm chính của lũ quét

Các nghiên cứu trước đây đều chỉ ra đặc điểm chung của lũ quét:

- Trận lũ lớn: trận lũ có lưu lượng Q lớn tới rất lớn, lớn hơn rất nhiều lần so với lưu lượng lũ bình thường;

- Xảy ra bất ngờ, tồn tại trong một thời gian ngắn: trận lũ có thời gian lưu lượng đạt đỉnh rất nhanh và thời gian duy trì đỉnh lũ cũng rất ngắn so với lũ thông thường;

- Có dòng chảy xiết, có hàm lượng chất rắn cao và có sức tàn phá lớn hơn nhiều mức lũ bình thường

- Thường xảy ra ở thượng nguồn lưu vực, trong kênh, suối, sông nơi có tổ hợp các yếu tố bất lợi của bề mặt và địa hình

2.6.2 Xác định nguy cơ lũ quét

Nguy cơ lũ quét mô tả tần suất và cường độ lũ quét xuất hiện tại một vị trí hoặc một vùng và được thể hiện qua chỉ số nguy cơ lũ quét (flash flood potential index - FFPI)