Phương pháp thành lập bản đồ mật độ lưới sông phục vụ phân vùng lũ trên lưu vực sông Lam

Nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ MẬT ĐỘ LƯỚI SÔNG PHỤC VỤ PHÂN VÙNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SƠNG LAM Đặng Tuyết Minh Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt Những năm gần đây, lũ lụt miền Trung nói chung lưu vực sơng Lam nói riêng xảy thường xuyên với thiệt hại ngày nghiêm trọng người, cải môi trường sinh thái Việc phòng chống giảm nhẹ thiệt hại lũ vấn đề cấp bách nhiều tổ chức nhà khoa học giới Việt Nam quan tâm nghiên cứu Để tìm giải pháp hạn chế lũ lụt phù hợp hiệu hơn, cần phải phân tích nghiên cứu nguyên nhân tác động trực tiếp đến lũ độ dốc, lượng mưa, mật độ lưới sông, thổ nhưỡng, thực phủ,…Việc thực giải pháp dễ dàng số liên quan đến nguyên nhân thể đồ với mức độ nguy tương ứng Bài báo trình bày quy trình xây dựng đồ mật độ lưới sơng với liệu đầu vào mơ hình số độ cao đồ hệ thống sông suối lưu vực sơng Lam Đây tài liệu có ích cho việc phân vùng nguy cảnh báo lũ khu vực nghiên cứu Từ khoá: Bản đồ mật độ lưới sông, Lưu vực sông Lam Abtrasts Methodology for the establishment of drainage density map used for flood zoning in the Lam river basin In recrent years, flood in Central region in general and Lam river basin in particular have occurred more often with severe damage to human’s lives, properties and ecological environment Preventing and reducing the damage caused by flooding have been an urgent issue studied by many organization and scientists all over the world as well as in Vietnam To be able to propose effective measures for flooding prevention, it is necessary to identify and analyse factors directly affecting flood such as slope, rain fall, land cover, soil and drainage density It would be practical and effective if the indexes related to these factors shown up on maps with corresponding levels of risk This paper presents the process for preparation of drainage density map using the the digital elevation model and the map of river and stream systems in Lam river basin as input data These maps will be useful and valuable for hazard zoning and flood warning in the study area Key words: Drainage Density Map, Lam river basin Giới thiệu Hệ thống sông suối thể kết phân cắt địa hình tác động dịng chảy Cùng với dịng chính, sơng Lam có hai nhánh sơng lớn sơng Hiếu sông La Bốn lưu vực sông nhánh lớn cấp I sông Lam Nậm Mô, Sông Hiếu, sơng La sơng Giăng có tổng diện tích chiếm 50% diện tích tồn lưu vực sơng Lam đóng góp lượng nước đáng kể nguồn nước sông Lam Phần lớn lưu vực sông Lam thuộc dạng đồi núi bị chia cắt mạnh Sơng suối có độ dốc lớn, vùng trung du nối chuyển tiếp miền núi đồng hẹp nên có mưa lớn, lũ tập trung Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 15 - năm 2017 89 Nghiên cứu nhanh, bị điều tiết dẫn tới nước lũ tập trung đồng nhanh gặp mưa lớn hạ du triều cường thường gây lũ lụt diện rộng [3] Để đặc trưng cho mức độ phát triển dòng chảy mặt lãnh thổ sử dụng khái niệm mật độ lưới sông - tổng độ dài tất dòng chảy tạm thời dịng chảy thường xun diện tích định (thường 1km2) Đây đại lượng đặc trưng cho phong phú nguồn nước lưu vực Mật độ lưới sơng có vai trị lớn ảnh hưởng đến tập trung dòng chảy lũ lưu vực, nói cách khác mật độ lưới sơng cao làm tăng nguy dòng chảy lũ tức nguy lũ lớn Để có liệu phân tích nguy lũ thành lập đồ phân vùng lũ, giá trị mật độ lưới sông mức độ nguy tương ứng cần thể đồ Xuất phát từ lập luận trên, nghiên cứu thực nhằm xử lý liệu mạng lưới sông suối nhân tố ảnh hưởng đến lũ để phục vụ việc phân vùng nguy lũ lụt lưu vực sông Lam Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng liệu mơ hình số độ cao DEM đồ hệ thống sông suối lưu vực sơng Lam kết hợp cơng cụ phân tích không gian Spatial Analysis Tools phần mềm ArcGIS 10.2 để xác định diện tích tiểu lưu vực, chiều dài hệ thống sơng suối từ xác định số mật độ lưới sông Mật độ lưới sông đại lượng đặc trưng cho mạng lưới sông tính cơng thức: k= 90 L ( km ) F ( km ) Trong đó: - k: hệ số mật độ - L: tổng độ dài sơng suối lưu vực - F: diện tích lưu vực 2.1 Phương pháp xác định ranh giới lưu vực Lưu vực vùng đất (được giới hạn đường phân thủy) đón nhận nước rơi hội tụ dịng chảy điểm chung thuộc thực thể chứa nước cụ thể như: biển, đại dương, sông, suối, đầm lầy, hồ Trong lưu vực bao gồm nhiều lưu vực nhỏ (gọi tiểu lưu vực) Ranh giới lưu vực đường khép kín vẽ theo đường phân thủy mặt tính từ điểm đầu lưu vực [1] Hiện có phương pháp chủ yếu xác định lưu vực sông: phương pháp truyền thống (sử dụng đồ giấy) xác định tự động phần mềm chuyên dụng Phương pháp sử dụng đồ đơn giản, giá thành rẻ tự tạo dụng cụ để đo diện tích Ngồi lưu vực tổng quát hoá đồ giấy Tuy nhiên nhiều thời gian để khoanh lưu vực tính diện tích lưu vực Bên cạnh đó, độ xác không cao phụ thuộc vào nhiều yếu tố chủ quan tiến hành công việc đồ đồng thời phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm người thực Vì chủ yếu việc xác định biên giới lưu vực làm tự động thông qua cơng cụ đại Có nhiều phần mềm xác định tự động lưu vực mapinfor, arcgis… phổ biến ArcGIS Trong phần mềm ArcGIS sử dụng cơng cụ SWAT Hydrology Tools để khoanh vùng tự động lưu vực Bài báo trình bày quy trình xác định lưu vực tự động công cụ Hydrology Tools bao gồm bước thể Hình Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 15 - năm 2017 Nghiên cứu Bước 1: Chuẩn bị DEM DEM xây dựng từ liệu đo đạc ngồi thực địa, từ việc số hố đồ giấy download từ Internet Bước 2: Hiệu chỉnh DEM Tuy nhiên DEM có từ bước tồn vài lỗi có số vùng lồi lõm không mong muốn không với thực tế Vì cần phải hiệu chỉnh liệu cách sử dụng hàm Fill công cụ Hydrology ArcGIS Hình 1: Quy trình xác định ranh giới lưu vực [4] Bước 3: Xác định hướng dòng chảy 1: Hướng Đông 2: Hướng Đông Nam 4: Hướng Nam 8: Hướng Tây Nam 16: Hướng Tây 32: Hướng Tây Bắc 64: Hướng Bắc 128: Hướng Đơng Bắc Hình 2: Hướng dịng chảy mơ hình dịng chảy hướng Hướng dòng chảy xác định dựa sở lý thuyết “Mơ hình dịng chảy hướng” Mơ hình dựa sở lý thuyết dòng chảy ô lưới (grid) chảy đến hướng xung quanh lưới đó, thể Hình [2] Hướng dịng chảy pixel xác định dựa sở so sánh độ chênh cao điểm với điểm xung quanh Hướng dịng chảy hướng tới điểm có độ cao thấp Q trình tính lặp lại cho tất điểm lưu vực Đây sản phẩm trung gian để tạo đồ tích lũy thực hàm “Flow Direction” ArcGIS [1] Bước 4: Xác định tích lũy dịng chảy Từ đồ hướng dịng chảy tính tích lũy dịng chảy cho ô lưới khu vực dựa nguyên tắc tính tổng số lưới tập trung nước theo hướng dịng chảy bao gồm trực tiếp gián tiếp Đây sở để vẽ lưu vực tự động cách sử dụng hàm “Flow Accumulation” ArcGIS Bước 5: Xác định ranh giới tiểu lưu vực Trước xác định ranh giới lưu vực, cần bổ sung lớp điểm pour_points (điểm thoát lưu vực) vào lớp sở liệu Sau chuyển đổi thuộc tính pour_points sang dạng raster Từ xác định ranh giới lưu vực từ điểm đầu lưu vực hàm Watershed ArcGIS [5] 2.2 Xác định diện tích lưu vực tự động Ranh giới lưu vực xác định bước có dạng raster, cần chuyển sang dạng vecto sử dụng công cụ Calculate Geometry để tính diện tích lưu vực Phương pháp khắc phục nhược điểm phương pháp truyền thống tốc độ tính tốn nhanh chóng với độ xác đạt cao Ngồi cịn ứng dụng mở rộng tính tốn xử lý phía sau Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 15 - năm 2017 91 Nghiên cứu 2.3 Xác định chiều dài nhánh sông tiểu lưu vực Việc xác định chiều dài hệ thống sống suối tiểu lưu vực thực theo bước sau: - Dùng phép giao Intersect lấy đường giao lớp đường lớp phân vùng lưu vực - Tạo trường Lengths bảng thuộc tính lớp liệu có sau sử dụng phép giao Intersect - Sử dụng cơng cụ Calculate Geometry tính toán độ dài khu vực theo đơn vị km Kết DEM sử dụng nghiên cứu có độ phân giải 30m thể Hình Tuy nhiên cần hiệu chỉnh DEM cách xử lý liệu độ cao khác thường (tức lưới độ cao có giá trị thấp cao cách bất thường so với liệu xung quanh) Phương pháp sử dụng chủ yếu nội suy giá trị số từ giá trị xung quanh ô lưới độ cao DEM sau hiệu chỉnh có độ cao xác việc phân chia lưu vực tính tốn thơng số xác Hình kết bước xử lý Từ DEM hiệu chỉnh xác định hướng dòng chảy ô lưới độ cao dựa theo nguyên tắc hướng dịng chảy (Hình 1) Kết bước thể Hình Hình 3: Mơ hình số độ cao lưu vực Sơng Lam Hình 4: Mơ hình số độ cao sau hiệu chỉnh (Fill DEM) Khu vực xác định 634 điểm thoát (pour_points) Hình đưa đại diện 38 điểm Các điểm lưu file toạ độ chúng thể Bảng Hình 5: Kết xác định hướng dịng chảy 92 Hình 6: Kết mơ tả lưu vực có hiển thị điểm Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 15 - năm 2017 Nghiên cứu Bảng Toạ độ điểm pour_points FID Shape ID X Y FID Shape ID X Y Point 649611.088 1998057.393 19 Point 20 583253.152 2041244.459 Point 642239.781 1998041.518 20 Point 21 580813.689 2042466.836 Point 644333.742 2002647.041 21 Point 22 580199.854 2041778.918 Point 636004.091 2002590.597 22 Point 23 573848.628 1997834.590 Point 630209.949 1985364.078 23 Point 24 576864.884 1998533.091 Point 624930.636 1990892.161 24 Point 25 575164.456 2007753.416 Point 614933.670 1997194.698 25 Point 26 576466.209 2011552.840 Point 615761.073 2018151.311 26 Point 27 574860.516 2015647.937 Point 608892.477 2017717.393 27 Point 28 574175.905 2017106.455 Point 10 602360.034 2004640.285 28 Point 29 573934.472 2017619.086 10 Point 11 599096.128 2008831.294 29 Point 30 568280.976 2026944.345 11 Point 12 591369.096 2026783.875 30 Point 31 567450.183 2027653.430 12 Point 13 598757.601 2031248.728 31 Point 32 567296.724 2027806.888 13 Point 14 596177.908 2036355.196 32 Point 33 564096.803 2031834.075 14 Point 15 594471.342 2034648.630 33 Point 34 560549.659 2028544.239 15 Point 16 590527.720 2037970.413 34 Point 35 558206.505 2029947.592 16 Point 17 587470.453 2038502.226 35 Point 36 550235.519 2032831.611 17 Point 18 585314.095 2038872.644 36 Point 37 552550.628 2033770.884 18 Point 19 583331.039 2035972.019 37 Point 38 543903.307 2029009.714 Thuộc tính điểm chuyển sang dạng raster cơng cụ Snap pour_points Từ biên giới lưu vực dạng raster xác định tự động Hình Hình 7: Ranh giới lưu vực dạng raster Chuyển ranh giới dạng raster sang vecto từ tính diện tích tiểu lưu vực Chiều dài nhánh sơng tính nhờ phép giao Intersect công cụ Calculate Geometry Dựa vào kết tổng chiều dài hệ thống sông suối theo tiểu lưu vực diện tích lưu vực tương ứng tiến hành tính số mật độ lưới sơng Giá trị số mật độ lưới sông thu thể file Exel Bảng Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 15 - năm 2017 93 Nghiên cứu Bảng Kết biên tập tính tốn số mật độ lưới sông Tổng Mật độ chiều dài lưới sông FID ID (km) (km/km2) 58.747 0.842 20 21 Tổng Mật độ GRID Diện tích chiều dài lưới sơng CODE (km2) (km) (km/km2) 20 57.566 65.05 1.130 21 130.108 74.568 0.573 FID ID GRID CODE Diện tích (km2) 69.794 46.823 33.04 0.706 21 22 152.702 75.284 0.493 22 23 22 33.738 9.41 0.279 101.568 47.031 0.463 23 24 23 89.848 64.25 0.715 232.371 147.632 0.635 24 25 24 170.870 92.382 0.541 73.739 63.948 0.867 25 26 25 260.730 164.014 0.629 75.217 48.902 0.650 26 27 26 47.490 26.254 0.553 129.856 64.262 0.495 27 28 27 140.762 58.385 0.415 54.068 23 0.425 28 29 28 32.334 13.194 0.408 10 33.850 21.855 0.646 29 30 29 47.126 20.025 0.425 10 11 10 153.444 65.498 0.427 30 31 30 70.111 46.648 0.665 11 12 11 184.855 119.93 0.649 31 32 31 168.942 73.846 0.437 12 13 12 50.750 66.129 1.303 32 33 32 18.179 13.496 0.742 13 14 13 83.602 34.899 0.417 33 34 33 97.839 43.477 0.444 14 15 14 106.097 76.419 0.720 34 35 34 30.761 27.587 0.897 15 16 15 35.695 27.967 0.784 35 36 35 146.888 70.726 0.481 16 17 16 52.057 13.319 0.256 36 37 36 4.961 4.619 0.931 17 18 17 20.236 18.414 0.910 37 38 37 180.515 70.1 0.388 18 19 18 94.198 71.038 0.754 38 39 38 40.178 21.103 0.525 19 20 19 47.365 30.286 0.639 39 40 39 277.692 148.953 0.536 Tiến hành gộp thuộc tính lớp tiểu lưu vực file Exel vừa tính nói dựa trường Grid Code Kết thu vùng mang giá trị số mật độ lưới sơng tính Tiến hành đổ màu theo giá trị mật độ lưới sông mong muốn Chỉ số thể đồ mật độ lưới sơng Hình Hình 8: Bản đồ mật độ lưới sơng lưu vực sơng Lam 94 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 15 - năm 2017 Nghiên cứu Kết tính tốn cho thấy mật độ lưới sông sông Lam 0,59 km/km2 xấp xỉ so với mật độ lưới sông sông miền Trung 0,67 km/km2 Khu vực thượng nguồn sông La, mật độ lưới sông từ 0,85 km/km2 (sông Ngàn Phố) đến 0,90 km/km2 (sông Ngàn Sâu) thượng nguồn sông Hiếu 0,74 km/km2 thượng nguồn sông Cả 0,58 km/km2 Mật độ lưới sông cao làm tăng nguy dịng chảy lũ, sơng Ngàn Sâu, sơng Ngàn Phố có nguy dịng chảy lũ cao nhất, tiếp đến sông Hiếu thấp dịng sơng Cả Kết thu mạng lưới sông La phát triển dày đặc so với sơng Cả Vì với lượng dịng chảy, chế độ nước sơng lũ sơng La hình thành phát triển tạo trận lũ kép phức tạp so với lũ sông Cả Phương pháp thành lập đồ mật độ lưới sông tự động cho kết số mật độ lưới sơng nhanh chóng, mang tính thời phục vụ cho quản lý, phân vùng lũ lưu vực sông Lam Đây phương pháp đem lại hiệu cao so với phương pháp thủ công sử dụng trước Dựa vào đồ mật độ lưới sơng người dùng có thơng tin chi tiết, xác mật độ mạng lưới sông suối lưu vực cụ thể hình thành lũ lưu vực Mật độ lưới sơng cao tức hệ thống nhánh sông lớn, khu vực có nguy cao xảy lũ lụt Cần phải nghiên cứu phân tích mật độ lưới sơng lưu vực sông Lam chi tiết, cụ thể để từ phân định tính chất cấp độ lũ khác nhánh sông, giúp giảm thiểu tối đa nguy lũ, thiệt hại mà lũ mang lại TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Nông nghiệp Phát triển Nông thôn (2012) Thông tư “Hướng dẫn nguyên tắc phương pháp xác định diện tích rừng lưu vực phục vụ chi trả dịch vụ môi trường rừng” [2] Đỗ Đức Dũng (2009) Chuyên đề phương pháp xác định lưu vực sông [3] Trần Duy Kiều (2015) Đề tài nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy lũ lớn xây dựng đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam Đề tài nghiên cứu cấp Bộ [4] Yanli Zhang, Matthew McBroom, Jason Grogan, and I-Kuai Hung (2011) Snapping a Pour Point for Watershed Delineation in ArcGIS Hydrologic Analysis [5].http://www.hydroeurope.org/ jahia/webdav/site/hydroeurope/users/ scarceri/public/ArcGis%20Technical%20 Report%20-%20Team%20Six.pdf Kết luận Mạng lưới sông ngịi có ảnh hưởng lớn đến việc hình thành dòng chảy, đặc điểm dòng chảy đồng thời nguyên nhân gây lũ lụt lưu vực Lưu vực sơng Lam, với địa hình phức tạp có độ dốc lớn nên mật độ lưới sơng phức tạp Vì tạo nên nét đặc trưng riêng tính chất lũ nhánh sơng, gây nên tính cục bất thường Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 15 - năm 2017 95 ... xác mật độ mạng lưới sông suối lưu vực cụ thể hình thành lũ lưu vực Mật độ lưới sơng cao tức hệ thống nhánh sông lớn, khu vực có nguy cao xảy lũ lụt Cần phải nghiên cứu phân tích mật độ lưới. .. lượng dịng chảy, chế độ nước sơng lũ sơng La hình thành phát triển tạo trận lũ kép phức tạp so với lũ sông Cả Phương pháp thành lập đồ mật độ lưới sông tự động cho kết số mật độ lưới sơng nhanh chóng,... đến lũ để phục vụ việc phân vùng nguy lũ lụt lưu vực sông Lam Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng liệu mơ hình số độ cao DEM đồ hệ thống sông suối lưu vực sơng Lam kết hợp cơng cụ phân tích