Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố trong đánh giá ảnh hưởng của việc thay đổi thảm phủ đến tài nguyên nước lưu vực sông cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI - ĐINH XUÂN HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ MƠ HÌNH THỦY VĂN PHÂN BỐ TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI THẢM PHỦ ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU HÀ NỘI, NĂM 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐINH XUÂN HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ MƠ HÌNH THỦY VĂN PHÂN BỐ TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI THẢM PHỦ ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU Chuyên ngành Mã số NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : Thủy văn học : 60440225 1.PGS.TS Ngô Lê An 2.TS Lê Viết Sơn HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Đinh Xuân Hùng i Lời cảm ơn Để hồn thành khóa luận này, em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Ngơ Lê An - Giảng viên khoa Thủy văn Tài nguyên nước, trường Đại học Thủy lợi; TS Lê Viết Sơn - Phòng Quy hoạch Thủy lợi Bắc Bộ - Viện Quy hoạch Thủy lợi tận tình hướng dẫn suốt trình viết luận văn tốt nghiệp Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới NCS.ThS Hà Thanh Lân - Phòng Đào tạo, Hợp tác Quốc tế -Viện Quy hoạch Thủy lợi tạo điều kiện, giúp đỡ em thời gian qua Em chân thành cảm ơn quý thầy, cô khoa Thủy văn Tài nguyên nước, Trường Đại học Thủy lợi anh chị Viện Quy hoạch Thủy lợi tận tình giúp đỡ, truyền đạt kiến thức thời gian em học tập Với vốn kiến thức tiếp thu q trình học khơng tảng cho q trình nghiên cứu luận văn mà cịn hành trang q báu q trình cơng tác sau Em chân thành cảm ơn Ban giám đốc Viện Quy hoạch Thủy lợi cho phép tạo điều kiện thuận lợi để em học tập trường Cuối em kính chúc q thầy, dồi sức khỏe thành công nghiệp cao quý Đồng kính chúc cơ, chú, anh, chị Viện Quy hoạch Thủy lợi dồi sức khỏe, đạt nhiều thành công công việc Trân trọng Hà Nội, ngày 31 tháng năm 2018 Học viên Đinh Xuân Hùng ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu: 4.1 Cách tiếp cận .3 4.2 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU .4 1.1 Tổng quan công nghệ Viễn thám 1.1.1 Trên giới 1.1.2 Trong nước .8 1.1.3 Đánh giá chung nghiên cứu nước ngồi nước có liên quan 10 1.2 Tổng quan mơ hình thủy văn phân bố .11 1.2.1 Ngoài nước 11 1.2.2 Trong nước 14 1.2.3 Đánh giá chung nghiên cứu ứng dụng mơ hình thủy văn phân bố 15 1.3 Một số nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ viễn thám kết hợp mơ hình thủy văn phân bố quản lý, đánh giá tài nguyên nước 15 1.3.1 Các nghiên cứu giới .15 1.4.2 Các nghiên cứu nước 17 1.4.3 Đánh giá chung khả ứng dụng công nghệ viễn thám mơ hình thủy văn phân bố quản lý, đánh giá tài nguyên nước: 18 1.4 Tổng quan số liệu viễn thám mưa vệ tinh 19 1.5 Tổng quan khu vực nghiên cứu 23 1.5.1 Đặc trưng vị trí địa lý, kinh tế- xã hội 23 1.5.2 Đặc trưng nhiệt độ 23 1.5.3 Đặc trưng mưa 24 1.5.4 Đặc trưng chế độ thủy văn .28 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29 2.1 Phương pháp nghiên cứu xử lý liệu ảnh Viễn thám 29 2.1.1 Công nghệ Google Earth Engine 29 2.1.2 Dữ liệu ảnh viễn thám 29 2.2 Xử lý sở liệu đầu vào cho mơ hình thủy văn SWAT công nghệ viễn thám 36 2.2.1 Xây dựng đồ độ cao số 36 iii 2.2.2 Xây dựng đồ thổ nhưỡng .37 2.2.3 Xây dựng đồ thảm phủ 38 2.2.4 Dữ liệu mưa vệ tinh 42 2.3 Nghiên cứu xây dựng mơ hình SWAT mơ dịng chảy 45 2.3.1 Phương pháp 45 2.3.2 Thiết lập mơ hình trình tự thực 46 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 53 3.1 Ứng dụng công nghệ viễn thám xây dựng đồ thảm phủ 53 3.1.1 Ứng dụng công nghệ Google Earth Engine xây dựng đồ thảm phủ 53 3.1.2 So sánh, đánh giá kết xây dựng đồ thảm phủ công nghệ Google Earth Engine liệu SERVIR Mekong 56 3.2 Kết đánh giá liệu mưa vệ tinh 58 3.3 Kết quả, đánh giá mơ dịng chảy lưu vực sơng Cầu sử mơ hình SWAT 62 3.3.1 Hiệu chỉnh mơ hình 63 3.3.2 Phân tích kết 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 72 Kết luận 72 Kiến nghị 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bản đồ thảm phủ miền Đơng Bắc Iran qua năm: (A) 1972; (B) 1986; (C) 2000 (D) 2014 .6 Hình 1.2: Bản đồ sử dụng đất vùng Tanguar Haor, Sunamganj, Bangladesh Hình 1.3: Sơ đồ trạng cấu, diện tích kiểu thảm thực vật huyện Kỳ Anh, Hà Tĩnh năm 2008 Hình 1.4: Bản đồ sử dụng đất qua năm 1967; 1989; 1998 2005 xã Châu Khê, huyện Con Cuông, tỉnh Nghệ An Hình 1.5: Bản đồ nguy hạn hán năm 2000;2005;2010 2014 sử dụng số TVDI khu vực huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận 10 Hình 1.6: Bản đồ sử dụng đất/thảm phủ lưu vực sông Jiulong, Trung Quốc theo năm 2002, 2007 2010 12 Hình 1.7: Kết hiệu chỉnh dịng chảy lưu vực sơng Olifants giai đoạn 1988-2001 13 Hình 1.8: Kết mơ dịng chảy lưu vực sơng Olifants giai đoạn 2002-2013 sau sử dụng thông số hiệu chỉnh 13 Hình 1.9: Tỷ lệ thay đổi tài nguyên nước (%) tác dụng sử dụng đất vùng Great Lake-Michigan Wisconsin sử dụng ảnh viễn thám mơ hình SWAT 16 Hình 1.10: Nền tảng cơng nghệ mơ hình Trường Đại học Cơng nghệ Delft Future Water (Hà Lan) xây dựng dựa mô hình SPHY cơng nghệ viễn thám phục vụ đánh giá nguồn nước lưu vực sông Hồng 17 Hình 1.11:Dữ liệu mưa CHIRPS cho châu Phi ngày 04-04-2017 20 Hình 1.12: Dữ liệu mưa CMORPH ngày 08-11-2015 Autralia 21 Hình 1.13: Dữ liệu mưa GPM toàn cầu ngày 01-07-2014 22 Hình 2.1: Phương pháp nghiên cứu đề tài 29 Hình 2.2: Lưu vực sơng Cầu tổ hợp màu tự nhiên ảnh Landsat năm: (1) 2000; (2) 2010; (3) 2015 Google map 34 Hình 2.3: Bản đồ độ cao số lưu vực sông Cầu 37 Hình 2.4: Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Cầu 38 Hình 2.5: Sơ đồ xây dựng đồ thảm phủ theo Servir-Mekong 39 Hình 2.6: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2000 .40 Hình 2.7: Bản đồ thảm phủ lưu vực sơng Cầu năm 2010 .41 Hình 2.8:Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2015 42 Hình 2.9: Sơ đồ diễn giải mơ nguồn nước mơ hình SWAT 45 Hình 2.10: Phân chia lưu vực Watershed Delineation 46 Hình 2.11: Sơ đồ tiểu lưu vực, cơng trình lưu vực sơng Cầu 48 Hình 2.12: Bản đồ điểm đo mưa vệ tinh CHIRPS lưu vực sơng Cầu 51 Hình 3.1: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2000 .54 Hình 3.2: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cầu năm 2010 .55 Hình 3.3: Bản đồ thảm phủ lưu vực sơng Cầu năm 2015 .56 Hình 3.4: Biểu đồ mưa thực đo mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Cạn 58 Hình 3.5: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Cạn 59 Hình 3.6: Biểu đồ mưa thực đo mưa vệ tinh CHIRPS trạm Định Hóa 59 Hình 3.7: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Định Hóa .60 Hình 3.8: Biểu đồ mưa thực đo mưa vệ tinh CHIRPS trạm Thái Nguyên .60 v Hình 3.9: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Thái Nguyên 61 Hình 3.10: Biểu đồ mưa thực đo mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Ninh 61 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Ninh .62 Hình 3.12: Kết mơ dịng chảy trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 – 2003 .63 Hình 3.13: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 – 2003 65 Hình 3.14: Đường phân bố lưu lượng thực đo - lưu lượng mô trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 - 2003 65 Hình 3.15: Kết kiểm định mơ hình trạm Gia Bảy giai đoạn 2004 - 2011 66 Hình 3.16: Đường quan hệ lưu lượng thực đo - lưu lượng mô theo tháng trạm Gia Bảy giai đoạn 2004 - 2011 .66 Hình 3.17: So sánh đường trình dòng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2000 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000, 2010 2015 68 Hình 3.18: So sánh đường q trình dịng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2010 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000, 2010 2015 69 Hình 3.19: Đường trình dòng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2015 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000, 2010 2015 70 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Một số nguồn mưa phổ biến 22 Bảng 1.2: Nhiệt độ tháng năm trung bình nhiều năm trạm (Đơn vị: 0C) 24 Bảng 1.3: Tổng lượng mưa trung bình nhiều năm số trạm (mm) 25 Bảng 1.4: Tần suất mưa năm số trạm 26 Bảng 1.5: Lượng mưa mùa mưa, mùa khô tỉ lệ mùa so với mưa năm (mm) .27 Bảng 2.1: Lịch sử phát triển ảnh vệ tinh Landsat qua mốc thời gian 29 Bảng 2.2: Một số thơng số nguồn ảnh Landsat sử dụng 32 Bảng 2.3: Mức đánh giá số NSE .44 Bảng 2.4: Thông số hồ chứa cơng trình thủy lợi nhập mơ hình 47 Bảng 2.5: Phân loại thảm phủ diện tích loại lưu vực sơng Cầu năm 2000; 2010 năm 2015 49 Bảng 2.6: Các loại hình thổ nhưỡng lưu vực sơng Cầu: 49 Bảng 2.7: Phân ngưỡng độ dốc mơ hình 50 Bảng 3.1: Sự thay đổi diện tích lớp thảm phủ theo năm 53 Bảng 3.2: Tỷ lệ diện tích đồ thảm phủ Servir-Mekong Google Earth Engine 57 Bảng 3.3: Chỉ số KGE NSE số trạm lưu vực sông Cầu 58 Bảng 3.4: Mức đánh giá số NSE PBIAS 63 Bảng 3.5: Các thông số hiệu chỉnh mơ hình: 64 Bảng 3.6: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch mơ dịng chảy năm 2000 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000; 2010 2015 (đơn vị: m3/s) 67 Bảng 3.7: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch mô dòng chảy năm 2010 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000; 2010 2015 (đơn vị: m3/s) 68 Bảng 3.8: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch mơ dịng chảy năm 2015 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000; 2010 2015 (đơn vị: m3/s) 69 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ GIS Geographic Information System - Hệ thống thông tin địa lý DEM Digital Elevation Model – Mơ hình độ cao số SWAT Soil and Water Assessment Tool – Công cụ quản lý đất nước GPM Global Precipitation Measurement CMORPH MORPHing CPC CHIRPS Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station GEE Google Earth Engine RGB Red-Green-Blue ASTER GDEM ASTER Global Digital Elevation Model USGS United States Geological Survey - Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ FAO Food and Agriculture Organization - Tổ chức Nông nghiệp lương thực Liên Hiệp Quốc NASA National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan Hàng không Vũ trụ Hoa Kỳ KGE Kling-Gupta - số đánh giá mưa theo công thức Kling-Gupta NSE Nash-Sutcliffe - Chỉ số hiệu PBIAS Phần trăm sai số R2 Hệ số tương quan viii Mưa vệ tinh Trạm Bắc Ninh 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 y = 0.9459x R² = 0.78 KGE = 0.88 NSE = 0.78 Series1 Linear (Series1) 200 400 600 800 1000 Mưa thực đo Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ mưa tháng thực đo - mưa vệ tinh CHIRPS trạm Bắc Ninh (giai đoạn 2000 - 2016) Nhận xét: số Kling-Gupta Nash-Sutcliffe so sánh số liệu thực đo số liệu mưa vệ tinh CHIRPS cho kết tốt, thể phù hợp số liệu vệ tinh với khu vực nghiên cứu Vì vậy, số liệu mưa vệ tinh CHIRPS sử dụng để mơ dịng chảy mơ hình mưa dịng chảy SWAT 3.3 Kết kiểm định, đánh giá mô hiệu chỉnh dịng chảy lưu vực sơng Cầu mơ hình SWAT 3.3.1 Đánh giá mơ hình Để đánh giá kết mơ mơ hình SWAT, nghiên cứu sử dụng số Nash-Sutcliffe (NSE) số PBIAS để kiểm định dịng chảy mơ với dịng chảy thực đo Cơng thức tính tốn số NSE: Cơng thức tính tốn số PBIAS: 62 Trong đó: ● Qo giá trị lưu lượng thực đo ● Qs giá trị lưu lượng mô Bảng 3.4: Mức đánh giá số NSE PBIAS Đánh giá số Chỉ số NSE Chỉ số PBIAS Rất tốt 0.75 < NSE < PBIAS < ± 10 Tốt 0.65 < NSE ≤ 0.75 ±10 ≤ PBIAS < ±15 Chấp nhận 0.5 < NSE ≤ 0.65 ±15 ≤ PBIAS < ±25 Không chấp nhận NSE ≤ 0.5 ±25 ≤ PBIAS Mơ dịng chảy so sánh với giá trị thực đo giai đoạn 1997 – 2003 thể hình 3.12 Thực đo 09-2003 05-2003 01-2003 09-2002 05-2002 01-2002 09-2001 05-2001 01-2001 09-2000 05-2000 01-2000 09-1999 05-1999 01-1999 09-1998 05-1998 01-1998 09-1997 05-1997 400.00 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 0.00 01-1997 Lưu lượng (m3/s) Trạm Gia Bảy Mơ Hình 3.12: Kết mơ dịng chảy trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 – 2003 63 Kết so sánh cho thấy số NSE = 0.29; PBIAS = -36.36; R2 = 0.6 thấp Vì cần phải hiệu chỉnh lại mơ hình 3.3.2 Hiệu chỉnh mơ hình Do thời gian nghiên cứu ngắn, thời gian thu thập hạn chế nên luận văn sử dụng lưu lượng thực đo theo tháng trạm thủy văn Gia Bảy để hiệu chỉnh tham số mơ hình SWAT cho lưu vực sơng Cầu Lưu lượng trạm thủy văn Gia Bảy trích từ giá trị output.rch = 625 mơ hình hiệu chỉnh giai đoạn 1997 – 2003 Để hiệu chỉnh mơ hình, nghiên cứu sử dụng cơng cụ SWAT-CUP để tối ưu thơng số mơ hình phương pháp Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) Có yếu tố tác động trực tiếp đến kết hiệu chỉnh mơ sau: Bảng 3.5: Các thơng số hiệu chỉnh mơ hình: Khoảng giá trị thơng số Tên thông số Ý nghĩa GWQMN Giá trị tối ưu Giá trị nhỏ Giá trị lớn Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm 5000 1.15 GW_DELAY Thời gian trễ dòng chảy ngầm 30 450 306.25 ALPHA_BF Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm GW_REVAPMN Chỉ số thẩm thấu ngược dòng chảy 0.2 0.035 SOIL_AWC Sức chứa nước có sẵn lớp đất -0.2 0.1 0.27 CN2 Chỉ số Curver Number ứng với điều kiện ẩm II -0.2 0.2 101.15 ESCO Chỉ số đáp ứng bốc nước đất 0.8 0.975 0.85 64 Kết hiệu chỉnh sau: Trạm Gia Bảy 400.00 Lưu lượng (m3/s) 350.00 300.00 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 Thực đo 09-2003 05-2003 01-2003 09-2002 05-2002 01-2002 09-2001 05-2001 01-2001 09-2000 05-2000 01-2000 09-1999 05-1999 01-1999 09-1998 05-1998 01-1998 09-1997 05-1997 01-1997 0.00 Mơ Hình 3.13: Kết hiệu chỉnh mơ hình trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 – 2003 Phân bố lưu lượng thực đo - lưu lượng mô 400 350 y = 1.0132x NSE = 0.71 PBIAS = -14.4 R² = 0.74 Thực đo 300 250 200 Series1 150 Linear (Series1) 100 50 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 Mơ Hình 3.14: Đường phân bố lưu lượng thực đo - lưu lượng mô trạm Gia Bảy giai đoạn 1997 - 2003 Sau hiệu chỉnh mơ hình, so sánh lưu lượng thực đo lưu lượng mô sau hiệu chỉnh thu số NSE = 0.71; số PBIAS = -14.4, R2 = 0.74 Kết thu tốt 65 3.3.3 Kiểm định mô hình Chuỗi thời gian kiểm định mơ hình giai đoạn 2004 – 2011 Giá trị dòng chảy mơ so sánh với giá trị dịng chảy thực đo giai đoạn trạm thủy văn Gia Bảy Kết kiểm định mơ sau: 250.00 200.00 150.00 100.00 50.00 Thực đo 09-2011 05-2011 01-2011 09-2010 05-2010 01-2010 09-2009 05-2009 01-2009 09-2008 05-2008 01-2008 09-2007 05-2007 01-2007 09-2006 05-2006 01-2006 09-2005 05-2005 01-2005 09-2004 05-2004 0.00 01-2004 Lưu lượng (m3/s) Trạm Gia Bảy Mơ Hình 3.15: Kết kiểm định mơ hình trạm Gia Bảy giai đoạn 2004 - 2011 Kiểm định mơ hình, so sánh lưu lượng thực đo lưu lượng mô thu số NSE = 0.69; số PBIAS = -19.3; R2 = 0.8 Kết sau kiểm định chấp nhận Phân bố lưu lượng thực đo - lưu lượng mô 300.00 y = 1.1434x NSE = 0.69 PBIAS = -19.3 R² = 0.8 Thực đo 250.00 200.00 150.00 Series1 100.00 Linear (Series1) 50.00 0.00 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 Mô Hình 3.16: Đường quan hệ lưu lượng thực đo - lưu lượng mô theo tháng trạm Gia Bảy giai đoạn 2004 - 2011 66 3.3.4 Phân tích kết Sau hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, nghiên cứu so sánh dòng chảy tháng với kịch sau: ● So sánh lưu lượng tháng năm 2000 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000 với lưu lượng tháng mô từ lượng mưa năm 2000 sử dụng đồ thảm phủ năm 2010 năm 2015 Kết trình bày bảng 3.6 Bảng 3.6: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch mơ dịng chảy năm 2000 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000; 2010 2015 (đơn vị: m3/s) Thảm phủ năm Thảm phủ năm Thảm phủ năm 2000 2010 2015 01-2000 7.46 3.88 5.13 02-2000 3.88 3.72 3.93 03-2000 4.61 1.77 2.19 04-2000 7.46 7.95 2.97 05-2000 108.40 34.12 65.96 06-2000 83.60 112.00 124.70 07-2000 144.50 185.60 189.40 08-2000 129.50 173.80 326.40 09-2000 71.58 118.90 276.80 10-2000 83.66 69.53 124.70 11-2000 34.88 29.58 89.77 12-2000 11.65 8.82 35.14 Tổng 57.60 62.47 103.92 Thời gian 67 Biểu đồ q trình dịng chảy tháng trạm Gia Bảy 350 Lưu lượng (m3/s) 300 250 200 150 100 50 Thảm phủ năm 2000 Thảm phủ năm 2010 Thảm phủ năm 2015 Hình 3.17: So sánh đường q trình dịng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2000 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000, 2010 2015 ● So sánh lưu lượng tháng năm 2010 sử dụng đồ thảm phủ năm 2010 với lưu lượng tháng sử dụng đồ thảm phủ năm 2000 năm 2015 Kết trình bày bảng 3.7 Bảng 3.7: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch mô dòng chảy năm 2010 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000; 2010 2015 (đơn vị: m3/s) Thảm phủ năm Thảm phủ năm Thảm phủ năm 2000 2010 2015 01-2010 7.45 3.69 5.13 02-2010 3.81 3.64 3.93 03-2010 4.55 1.71 2.19 04-2010 7.25 7.61 2.88 05-2010 107.50 33.38 65.42 06-2010 83.82 111.40 124.50 07-2010 144.20 185.00 189.00 08-2010 129.50 173.70 325.60 09-2010 71.20 118.10 276.00 Thời gian 68 Thảm phủ năm Thảm phủ năm Thảm phủ năm 2000 2010 2015 10-2010 81.97 69.05 124.70 11-2010 34.20 29.18 89.14 12-2010 11.44 8.76 35.13 Qn 57.24 62.10 103.64 Thời gian Biểu đồ q trình dịng chảy tháng trạm Gia Bảy 350 Lưu lượng (m3/s) 300 250 200 150 100 50 Thảm phủ năm 2000 Thảm phủ năm 2010 Thảm phủ năm 2015 Hình 3.18: So sánh đường trình dòng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2010 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000, 2010 2015 ● So sánh lưu lượng tháng năm 2015 sử dụng đồ thảm phủ năm 2015 với lưu lượng tháng sử dụng đồ thảm phủ năm 2000 năm 2010 Kết trình bày bảng 3.8 Bảng 3.8: Lưu lượng tháng trạm Gia Bảy với kịch mơ dịng chảy năm 2015 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000; 2010 2015 (đơn vị: m3/s) Thảm phủ năm Thảm phủ năm Thảm phủ năm 2000 2010 2015 01-2015 7.13 4.55 4.82 02-2015 3.94 5.12 3.80 Thời gian 69 Thảm phủ năm Thảm phủ năm Thảm phủ năm 2000 2010 2015 03-2015 4.82 2.32 2.07 04-2015 8.11 10.28 2.88 05-2015 116.50 40.65 63.22 06-2015 87.30 113.10 118.30 07-2015 150.60 188.20 190.40 08-2015 130.90 171.30 330.40 09-2015 73.47 119.50 277.30 10-2015 88.83 70.47 128.90 11-2015 36.30 30.00 87.09 12-2015 12.03 9.03 37.33 Qn 59.99 63.71 103.88 Thời gian Biểu đồ q trình dịng chảy tháng trạm Gia Bảy 350 Lưu lượng (m3/s) 300 250 200 150 100 50 Năm 2000 Năm 2010 Năm 2015 Hình 3.19: Đường q trình dịng chảy trạm thủy văn Gia Bảy năm 2015 sử dụng đồ thảm phủ năm 2000, 2010 2015 70 Nhận xét: mô dòng chảy theo ba kịch giai đoạn từ năm 2000 đến năm 2015 thấy dịng chảy mơ sử dụng đồ thảm phủ năm 2015 có lưu lượng mùa kiệt thấp, đồng thời lưu lượng mùa lũ cao năm 2000 năm 2010 Lý giải điều yếu tố thảm phủ tác động đến lưu lượng dịng chảy: diện tích đất thị xây dựng tăng làm khả giữ lại nước mưa dịng chảy phía thượng lưu đi; gia tăng diện tích đất nơng nghiệp vùng trồng lúa hay hoa màu sau thu hoạch, bề mặt đất khơng cịn lớp thảm phủ giữ nước nguyên nhân dẫn đến gia tăng dòng chảy Cùng với đó, suy giảm diện tích rừng, thay đổi cấu loại rừng ảnh hưởng giữ nước tán cây: loại rừng rừng rộng rừng rộng núi cao đặc thù cấu tạo kiểu có diện tích lớn, cấu tạo rễ bám sâu vào đất có khả giữ lại nước tốt rừng kim có cấu tạo diện tích nhỏ; rừng thường xanh xanh quanh năm giữ nước bề mặt tốt rừng rụng hay rụng vào mùa đơng Ngồi ra, loại hình thổ nhưỡng đóng vai trò thay đổi lưu lượng dòng chảy: loại đất đất đá trẻ đất gley trung tính chua khả trữ nước đất dẫn đến gia tăng dòng chảy, ngược lại đất cát feralit đất cát gley làm giảm dòng chảy khả hấp thụ nước tốt đất Thêm vào đó, vùng núi cao phía bắc lưu vực sơng Cầu khơng bị ảnh hưởng yếu tố người tác động nên dòng chảy không thay đổi; vùng đồng tác động phát triển dân sinh  kinh tế, dịng chảy có thay đổi rõ rệt Yếu tố lượng mưa nguyên nhân ảnh hưởng đến dịng chảy, năm có lượng mưa nhiều có dịng chảy lớn năm có lượng mưa Điều ảnh hưởng đến chế độ dòng chảy lưu vực sông Cầu 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Cùng với phát triển công nghệ thông tin internet, công nghệ viễn thám ngày sử dụng rộng rãi phổ biến lĩnh vực tồn giới nói chung Việt Nam nói riêng Trong lĩnh vực tài nguyên nước, cơng nghệ viễn thám đóng vai trị quan trọng quản lý, giám sát tài nguyên nước cách hiệu quả, tiết kiệm thời gian công sức Xây dựng đồ thảm phủ với năm lớp đô thị đất xây dựng; đất trống; nước mặt; nông nghiệp; rừng sử dụng công nghệ Google Earth Engine mang lại kết khả quan, bước đầu tiếp cận công cụ xử lý ảnh viễn thám online, giúp tiết kiệm thời gian thu thập xử lý nguồn ảnh Kiểm định mưa tháng từ liệu ảnh mưa vệ tinh CHIRPS cho bốn trạm tiêu biểu lưu vực sông Cầu thu số Nash-Sutcliffe (NSE) Kling-Gupta (KGE) chấp nhận để làm liệu đầu vào cho mơ hình (trạm Bắc Cạn: NSE = 0.76, KGE =0.75; trạm Định Hóa: NSE = 0.62, KGE =0.81; trạm Thái Nguyên: NSE = 0.6, KGE = 0.8; trạm Bắc Ninh: NSE = 0.78, KGE = 0.88) Thấy liệu mưa vệ tinh phù hợp để làm liệu đầu vào mô hình SWAT Qua sử dụng liệu vùng khơng có có trạm đo thực tế để quản lý, giám sát tài ngun nước Nghiên cứu sử dụng mơ hình thủy văn phân bố (SWAT) công cụ đánh giá đất nước kết hợp công nghệ viễn thám để đánh giá dịng chảy thơng qua thay đổi thảm phủ thực vật lưu vực sông Cầu cách mơ dịng chảy sử dụng đồ thảm phủ năm 2000 mơ dịng chảy lưu vực sông Cầu Kết sau mô hiệu chỉnh dịng chảy cơng cụ SWAT-CUP sử dụng phương pháp SUFI-2 với thơng số trạm thủy văn Gia Bảy phù hợp với số liệu thực đo với số NSE = 0.86; số PBIAS = -4.6, R2 = 0.86 Kết hợp liệu đầu vào (bản đồ độ cao số; đồ thổ nhưỡng; đồ thảm phủ từ nguồn tham khảo Servir-Mekong liệu mưa vệ tinh CHIRPS lấy mốc thời 72 gian năm 2000, 2010 2015) với mơ hình SWAT để mơ dịng chảy trạm thủy văn Gia Bảy thấy rằng: giai đoạn 2000 - 2015, thay đổi thảm phủ thực vật ảnh hưởng đến dịng chảy lưu vực sơng Cầu, cụ thể với gia tăng đô thị với phát triển cơng nghiệp hóa dẫn đến suy giảm diện tích lớp thảm phủ thực vật Điều dẫn đến đến dịng chảy lưu vực sơng Cầu với lưu lượng hàng tháng năm 2015 lớn so với năm 2000 2010 Kiến nghị Song song với kết quả, nghiên cứu tồn số vấn đề như: liệu đầu vào mơ hình SWAT cịn hạn chế, liệu địa hình chưa chi tiết, kiểm định hiệu chỉnh dòng chảy trạm thủy văn Gia Bảy Vì để tăng độ tin cậy mơ đánh giá chi tiết dòng chảy, cần bổ sung cập nhật thêm liệu thời tiết bốc hơi, nhiệt độ, gió, liệu dịng chảy thực đo trạm thủy văn lưu vực sông Cầu Chũ, Thác Riềng, Chợ Mới…để mơ hình bổ sung hoàn thiện Ngoài ra, xây dựng đồ thảm phủ sử dụng công nghệ Google Earth Engine cần có thời gian nghiên cứu xây dựng, phát triển nhiều lớp thảm phủ để sử dụng, áp dụng nghiên cứu sau 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] Trần Thị Hải Yến, "Nghiên cứu công nghệ viễn thám GIS thành lập đồ chuyên đề ," 2012 Phạm Thị Bích Ngọc, "Ứng dụng cơng nghệ viễn thám GIS để phục vụ vấn đề phân tích rủi ro hạn hán tỉnh Nam Định," 2015 D.S and Finn, J.T Wilkie, "Remote Sensing Imagery for Natural Resources Monitoring New York: Columbia University Press," 1996 I.I and Iguisi, E.O, Abbas, "Building Remote Sensing Capabilities in Africa: the Nigerian Example Nigeria," 2007 Sudipa Roy & F Kogan Ramesh P Singh, "Vegetation and temperature condition indices from NOAA AVHRR data for drought monitoring over India," 2010 Jan Adamowski,Julien Malard,Zhiming Qi,Hossein Saadat &Santosh Pingale, Andres Sierra-Soler, "Assessing agricultural drought at a regional scale using LULC classification, SPI, and vegetation indices: case study in a rainfed agroecosystem in Central Mexico," 2015 F.N.Kogan, "Remote sensing of weather impacts on vegetation in nonhomogeneous areas," 2007 Đào Khánh Hồi, Trịnh Lê Hùng, "Ứng dụng cơng nghệ Viễn thám đánh giá nguy hạn hán khu vực huyện Bắc Bình, tỉnh Bình Thuận," 2015 W Z Michalak, "GIS in land use change analysis integration of remotedly sensed data into GIS.," pp Applied Geography 13, pp 28-44, 1993 L R G and Howart P.J Martin, "Change Detection Accuracy Assessment using SPOT Multispectral Imagery of the Rural - Urban Fringe.," pp Remote Sensing of Environment 30, pp 55-56, 1989 Trịnh Thu Phương, Ngô Lê An, "NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH THỦY VĂN THƠNG SỐ PHÂN BỐ TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LŨ LƯU VỰC SƠNG ĐÀ," 2010 Julius Musyoka Ndambuki, Ramadhan Wanjala Salim, Charles Gyamfi, "Application of SWAT Model to the Olifants Basin: Calibration, Validation and Uncertainty Analysis," 2016 Manoj K Jain, Akansha Kushwaha, "Hydrological Simulation in a Forest Dominated Watershed in Himalayan Region using SWAT Model," 2013 William F Ritter, Aditya Sood, "Evaluation of Best Management Practices in Millsboro Pond Watershed Using Soil and Water Assessment Tool (SWAT) Model," 2010 Yassine Bouslihim cộng sự, "Hydrologic Modeling Using SWAT and GIS, Application to Subwatershed Bab-Merzouka (Sebou, Morocco)," 2016 Nguyễn Phương Nhung, "Đặc điểm dòng chảy năm lưu vực sơng Cầu," 2013 CỔNG THƠNG TIN QUAN TRẮC MƠI TRƯỜNG, "http://cem.gov.vn/VN/LVS_Content/tabid/363/cat/120/nfriend/1188001/langua 74 [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] ge/vi-VN/Default.aspx," 2011 Wikipedia, , pp https://vi.wikipedia.org/wiki/S%C3%B4ng_C%E1%BA%A7u Hà Thanh Lân cộng sự, "Ứng dụng mơ hình thủy văn phân bố đánh giá biến động dòng chảy dịch vụ hệ sinh thái cho lưu vực sông Đáy," 2017 Servir-Mekong, "http://servir-rlcms.appspot.com/static/html/map.html," 2015 Wim Bastiaanssen, Le An Ngo, Christopher R Hain, Martha Anderson and Gabriel Senay Gijs Simons, "Integrating Global Satellite-Derived Data Products as a Pre-Analysis for Hydrological Modelling Studies: A Case Study for the Red River Basin," 2016 Mark Fenn, John Kadyszewski, Ha Thanh Lan, and Wim Bastiaanssen, Ate Poortinga, "Water accounting in Ca river basin Vietnam to promote more effective water resource management," 2016 Nguyễn Thị Liễu, "Ứng dụng GIS mơ hình SWAT mơ tác động thay đổi thảm phủ lên dòng chảy lưu vực sông Tà Lài," 2014 Rony Basak Md Inzamul Haque, "Land cover change detection using GIS and remote sensing techniques: A spatio-temporal study on Tanguar Haor, Sunamganj, Bangladesh," 2017 Wolfgang Kainz Masoud Minaei, "Watershed Land Cover/Land Use Mapping Using Remote Sensing and Data Mining in Gorganrood, Iran," 2016 B J Wardynski, J D Munoz A P Nejadhashemi, "Evaluating the impacts of land use changes on hydrologic responses in the agricultural regions Of Michigan And Wisconsin," 2008 Romagnoli M, "Assessment of the SWAT model to simulate a watershed with limited available data in the Pampas region, Argentina," 2016 Nawaz Falak and Syed Hamidullah, "Role of GIS for Flood Risk Assessment in Muzaffarabad City, Kashmir, Pakistan, National Centre of Excellence in Geology, University of Peshawar, Pakistan GENERAL OVERVIEW," 2004 Shiferaw Wondafrash, "Causes and Effects of Flooding in the Oromiya National Regional State: A Case Study in Dugeda Bora Woreda, Addis Ababa, unpublished," 2006 Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Biến đổi khí hậu, "Nghiên cứu điều kiện khí hậu nơng nghiệp phục vụ phát triển kinh tế - xã hội phòng tránh thiên tai vùng Tây Nguyên," 2013 SMHI, "The Hydrology of Motala Ström Simulated by the S-HYPE Model," 2008 SMHI, "HYPE is a hydrological model of the Niger River basin in West Africa," 2009 Future Water, "Demonstration of remote sensing information for integrated reservoir management in the Red River Basin in Northern Vietnam," http://www.futurewater.eu/projects/remote-sensing-vietnam/ Lê Như Ngà, "Xây dựng mơ hình tích hợp viễn thám GIS xác định nguy tai biến lũ quét lưu vực sông Năng, tỉnh Bắc Kạn," 2016 Nguyễn Duy Liêm, Nguyễn Kim Lợi, Nguyễn Đỗ Ngọc Uyên, "Ứng dụng mô 75 [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] hình SWAT số chất lượng nước đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực sông La Ngà," 2014 Nguyễn Duy Liêm, Nguyễn Kim Lợi, Nguyễn Thị Tịnh Ấu, "Tác động thay đổi thảm phủ đến cân nước lưu vực sông Đăk Bla, Kon Tum(The impact of land use/land cover changes on water balance in Dak Bla basin, Kon Tum).," 2014 E Rouholahnejad, S Vaghefi, R Srinivasan, H Yang, B Kløve, Abbaspour, "A continental-scale hydrology and water quality model for Europe: Calibration and uncertainty of a high-resolution large-scale SWAT model," 2015 Ahmet İRVEM, Ashraf EL-SADEK, "Evaluating the impact of land use uncertainty on the simulated streamflow and sediment yield of the Seyhan River basin using the SWAT model," 2014 Yangwen Jia, Z.(Bob) Su, Zuhao Zhou, Yaqin Qiu, Shen Suhui, Changbo Qin, "Integrating Remote Sensing Information Into A Distributed Hydrological Model for Improving Water Budget Predictions in Large-scale Basins through Data Assimilation," 2008 W.G.M.Bastiaanssen, Mark Fenn, Thái Gia Khánh, Hà Thanh Lân, "Water Accouting Plus (WA+): Cách tiếp cận quy hoạch quản lý tài nguyên nước Việt Nam," 2015 Pei Zhou, Zengrong Zhou, Yaling Huang, Jinliang Huang, "Assessing the Influence of Land Use and Land Cover Datasets with Different Points in Time and Levels of Detail on Watershed Modeling in the North River Watershed, China," 2012 Trần Bá Hoằng, Nguyễn Duy Khang, Trần Tuấn Anh, Lê Mạnh Hùng, "Kết ứng dụng mô hình SWAT tính tốn xói bề mặt lưu vực hạ lưu sông Mekong," 2012 SufenWang, Han Xue, Vijay P Singh, XinLiu, "Simulating Crop Evapotranspiration Response under Different Planting Scenarios by Modified SWAT Model in an Irrigation District, Northwest China," 2015 Bing-Qing Tan, Xin Tao, Zheng-Hui Xie, Zhi-Yu Liu, "Application of a Distributed Hydrologic Model to FloodForecasting in Catchments of Different Conditions," 2008 Nguyễn Duy Liêm , Nguyễn Thị Bích , Lê Duy Bảo, Hiếu , Lê Hoàng Tú, Nguyễn Kim Lợi, Nguyễn Thị Hồng, "Ứng dụng GIS mô hình SWAT đánh giá ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dịng chảy lưu vực sơng Vu Gia.," 2014 76 ... CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ MƠ HÌNH THỦY VĂN PHÂN BỐ TRONG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI THẢM PHỦ ĐẾN TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU 1.1 Tổng quan công nghệ Viễn thám Viễn thám. .. nghệ viễn thám mơ hình thủy văn phân bố đánh giá ảnh hưởng việc thay đổi thảm phủ đến tài nguyên nước lưu vực sơng Cầu? ?? sử dụng cơng nghệ viễn thám phân tích thay đổi thảm phủ thực vật kết hợp mô. .. mơ hình thủy văn phân bố ứng dụng phát triển rộng rãi, quản lý tài nguyên nước 1.3 Một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn phân bố quản lý, đánh giá tài nguyên nước