Xây dựng đường đặc tính hồ chứa từ mô hình số hóa độ cao (DEM) cho những vùng khó tiếp cận số liệu trên lưu vực sông Mê Công

Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu xây dựng quy trình và chương trình tính toán xây dựng đường đặc tính hồ chứa (Z~ F và Z ~V) từ mô hình số hóa độ cao (DEM) cho những hồ khó tiếp cận số liệu trên lưu vực Sông Mê Công bên ngoài lãnh thổ Việt Nam.

BÀI BÁO KHOA HỌC XÂY DỰNG ĐƯỜNG ĐẶC TÍNH HỒ CHỨA TỪ MƠ HÌNH SỐ HĨA ĐỘ CAO (DEM) CHO NHỮNG VÙNG KHÓ TIẾP CẬN SỐ LIỆU TRÊN LƯU VỰC SƠNG MÊ CƠNG Nguyễn Hồng Sơn1, Hồng Thanh Tùng1, Nguyễn Quang Kim1 Nguyễn Lương Bằng1 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu xây dựng quy trình chương trình tính tốn xây dựng đường đặc tính hồ chứa (Z~ F Z ~V) từ mơ hình số hóa độ cao (DEM) cho hồ khó tiếp cận số liệu lưu vực Sông Mê Công bên ngồi lãnh thổ Việt Nam Quy trình sau áp dụng thử nghiệm đánh giá mức độ phù hợp cho hồ PleiKrong Sê San Việt Nam tính tốn tiếp cho hồ Nậm Theun Lào, Cảnh Hồng Nọa Trác Độ Trung Quốc hồ quan trọng dòng sơng Mê Cơng Các kết tính tốn quan hệ Z~F~V cho hồ lãnh thổ Việt Nam giúp ta tính tốn, theo dõi giám sát dung tích hồ chứa từ ảnh vệ tinh Từ dự báo cảnh báo nguồn nước đồng Sơng Cửu Long để có giải pháp thích ứng với hạn hán xâm nhập mặn có xu ngày bất lợi tương lai Từ khóa: đường đặc tính hồ chứa (Z~ F Z ~V), mơ hình số hóa độ cao (DEM), sông Mê Công GIỚI THIỆU CHUNG * Trước việc xây dựng quan hệ Z~ F ~V phục vụ cho tính tốn thiết kế hồ chứa, xây dựng quy trình vận hành xây dựng từ đồ 1:50.000 1:10.000 Thời gian gần đây, với phát triển kỹ thuật viễn thám, GIS, loại liệu khơng gian liệu mơ hình số hóa độ cao DEM tồn cầu ứng dụng nhiều thủy văn Dữ liệu DEM sử dụng trọng việc tính tốn hướng dịng chảy, độ dốc, phân cấp sơng, diện tích dung tích hồ chứa Các phần mềm GIS cung cấp công cụ để tính tốn diện tích, dung tích từ đường đồng mức, DEM TIN địa hình Hiện nay, liệu ảnh viễn thám từ vệ tinh hoạt động quỹ đạo quanh trái đất lớn với độ phân giải cao, liệu có độ phân giải đến 10m công bố công khai rộng rãi hồn tồn miễn phí Dữ liệu mơ hình số hóa độ cao DEM tồn cần cung cấp miễn phí trang web Hiện ta download liệu từ nhiều nguồn khác DEM có độ phân giải khơng gian 90 m từ Đại học Thủy lợi, email: sonnh@tlu.edu.vn trang web srtm.csi.cgiar.org, DEM 30 m, 90 m, km từ earthexplorer.usgs.gov, DEM 12,5 m từ nguồn liệu trang web asf.alaska.edu Các tính tốn diện tích mặt hồ dựa vào nguồn liệu ảnh vệ tinh, liệu DEM địa hình tiết kiệm nhiều thời gian hiệu so với phương pháp khảo sát, thực trực tiếp mặt đất Ở Việt Nam, Nguyễn Quốc Hiệp, 2019 sử dụng ảnh viễn thám radar sentinel-1 để xây dựng đường đặc tính hồ chứa cho hồ Ngàn Trươi, Sông Rác, Kẻ Gỗ Kết nghiên cứu cho thấy sai số tương quan dung tích tính tốn, sai số trung bình đạt 1%, 1,5% 4,1% hồ chứa sơng Rác, Kết giải đốn xác định quan hệ Z~W cho hồ chứa có độ xác 95% Trên sở xác định nhanh chóng đường đặc tính cho hồ chứa chưa xác định đường đặc tính lịng hồ chứa PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các bước tính tốn quan hệ Z~F~V hồ chứa sử dụng mơ hình số hóa độ cao DEM bao gồm bước tóm tắt hình đây: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) 109 dung tích hồ tương ứng với mực nước Hoặc ta tính tốn dung tích hồ ứng với cấp mực nước Tại giá trị cao độ khác có giá trị diện tích mặt nước tương ứng, mực nước cao trình Zi tương ứng với diện tích mặt nước Ai ; mực nước hồ cao trình Zi+1 tương ứng có diện tích mặt nước Ai+1 Từ thay đổi giá trị cao độ diện tích mặt nước tương ứng, thay đổi dung tích trữ hồ chứa từ cao độ Zi đến cao độ Zi+1 tính tốn theo cơng thức: Vi1  (Ai  Ai1  Ai  Ai1 )(Zi1  Zi )/3 (1) Với i = 0,1, 2, 3, 4, 5,… Trong đó: Ai ,Ai+1 : giá trị diện tích mặt nước hồ thời điểm i i+1 xác định từ việc tính tốn dựa vào DEM Zi Zi+1 cao độ mực nước hồ thời điểm i i+1, tính tốn dựa vào ảnh DEM Tổng dung tích trữ Vt hồ chứa cao trình mực nước Zi+1 tính theo cơng thức: i Hình Các bước tính tốn tính tốn quan hệ Z~F~V hồ chứa Vt  Vk 1 k 0 Trong nghiên cứu liệu DEM 12,5 m từ nguồn ảnh ALOS PALSAR lấy từ trang www.asf.alaska.edu Dữ liệu ảnh có từ năm 2006 đến 2011 Sau có liệu DEM từ ảnh ALOS PALSAR, để tiện cho việc tính tốn ta chọn vùng lịng hồ cần tính tốn cắt ảnh DEM theo vùng lòng hồ riêng chuyển hệ tọa độ VN 2000, cao độ chuẩn quốc gia Từ vị trí đập ta xác định mực nước cao hồ chứa Từ liệu DEM ta xác định mực nước thấp hồ chứa Từ mực nước lớn nhỏ vùng lòng hồ ta biết cần chia cấp mực nước Nếu khơng xác định trước số hồ tính điểm quan hệ có số hồ phải tính nhiều điểm quan hệ Z~F~V Ứng với mực nước xác định, ta lấy mực nước trừ DEM địa hình lịng hồ diện tích phần ngập nước ứng với mực nước (giá trị mực nước trừ địa hình độ sâu hồ hình 3, 7) Từ ta tính 110 (2) Nguồn: Peng, 2006 Hình Sơ họa phương pháp tính tốn chênh lệch dung tính hồ chứa cao trình mặt nước hồ Từ cao trình, diện tích dung tích hồ tương ứng xác định, ta xây dựng đường đặc tính hồ Z~F~V KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Thu thập liệu DEM KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) Nhóm nghiên cứu tiến hành thu thập số liệu DEM 12.5m khu vực hồ nghiên cứu lưu vực Sông Mê Công, bao gồm hồ Pleikrong Sesan Việt Nam (Bảng 1), hồ Namtheun Lào (Bảng 2), hồ Cảnh Hồng hồ Nọa Trác Độ Trung Quốc (Bảng 3) để nghiên cứu xây dựng đường đặc tính lịng hồ (F~Z~V) Đường đặc tính hồ Pleikrong Sesan xây dựng thiết kế hồ thu thập từ Quy trình vận hành liên hồ chứa Sơng Sesan theo Quyết định 215/QĐTTg 2018 Thủ tướng Chính Phủ ngày 13-022018 (Quy trình 215) nhằm mục đính so sánh với đường đặc tính xây dựng từ DEM để đánh giá mức độ xác quy trình xây dựng Z~F~V từ DEM Bảng Các file liệu DEM 12,5 m vùng lòng hồ Pleikrong Sê San TT File ảnh ALPSRP193070270 ALPSRP193070260 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP190590270 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP166230270 ALPSRP166230260 ALOS PALSAR • L-Band Ngày chụp 09/08/09, 15:31:28 09/08/09, 15:31:20 08/22/09, 15:29:15 03/08/09, 15:30:13 03/08/09, 15:30:05 Bảng Các file liệu DEM 12,5 m vùng lòng hồ Nam Theun TT File ảnh ALPSRP234060340 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP119990340 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP086440340 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP073020340 ALOS PALSAR • L-Band Ngày chụp 06/16/10, 15:37:46 04/25/08, 15:34:34 09/08/07, 15:37:04 06/08/07, 15:37:18 Bảng Các file liệu DEM 12,5 m vùng lòng hồ Nọa Trắc Độ (Nuazhadu) Cảnh Hồng (Jinghong) TT File ảnh ALPSRS169073350 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRS114663400 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRS114663350 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRS061713350 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP163460250 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP160980240 ALOS PALSAR • L-Band ALPSRP049390240 ALOS PALSAR • L-Band 3.2 Kết tính tốn xây dựng đường đặc tính hồ Z~F~V từ DEM 3.2.1 Kết tính tốn đường đặc tính Z~F~V cho hồ PleiKrong hồ Sesan Từ liệu DEM thu thập, nhóm nghiên cứu tiến hành lập chương trình tính ArcGIS tính tốn thử nghiệm cho hồ PleiKrong hồ Sê San theo bước nêu hình Kết tính tốn cho hồ Pleikrong (được minh họa tóm tắt Ngày chụp 03/28/09, 03:28:55 03/20/08, 03:20:35 03/20/08, 03:19:55 03/23/07, 03:28:27 02/17/09, 15:44:45 01/31/09, 15:42:16 12/28/06, 15:44:14 Hình 3, 4, 5, 6), cho hồ Sesan (được minh họa hình 7, 8, 9, 10) cho thấy quy trình tính tốn phù hợp, áp dụng cho hồ khó tiếp cận thu thập liệu bên lãnh thổ Việt Nam lưu vực sông Mê Công; đặc biệt hồ xây dựng khoảng 15 năm gần mà mơ hình số hóa độ cao DEM xây dựng toàn giới truy cập miễn phí KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) 111 Hình Minh họa độ sâu hồ PleiKrong nằm cao trình 570 m Hình Đường quan hệ Z~V hồ Pleikrong xây dựng từ DEM đường thiết kế (Quy trình 215) Hình Minh họa diện tích mặt hồ PleiKrong cao trình 570 m Hình Minh họa độ sâu hồ Sê San cao trình 212.5 m Hình Đường quan hệ Z~F hồ Pleikrong xây dựng từ DEM đường thiết kế (Quy trình 215) 112 Hình Minh họa diện tích mặt hồ Sê San cao trình 212.5 m KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) Hình Đường quan hệ Z~F hồ Sesan xây dựng từ DEM đường thiết kế (Quy trình 215) Hình 11 Đường quan hệ Z~F hồ Nậm Theun xây dựng từ DEM 12.5m Hình 10 Đường quan hệ Z~V hồ Sesan xây dựng từ DEM đường thiết kế (Quy trình 215) 3.2.2 Kết tính tốn Z~F~V cho hồ khó tiếp cận số liệu lưu vực Sơng Mê Cơng bên ngồi lãnh thổ Việt Nam Sau tính tốn đánh giá kết xây dựng đường đặc tính Z~F~V hồ Pleikrong, Sesan tốt, nhóm nghiên cứu tiến hành tính tốn xây dựng đường đặc tính cho hồ khó tiếp cận số liệu lưu vực Sơng Mê Cơng bên ngồi lãnh thổ Việt Nam với mục đích giám sát dung tích mực nước hồ chứa từ ảnh vệ tinh (sẽ trình bày báo khác) Kết xây dựng đường đặc tính hồ Nậm Theun Lào minh họa hình 11, 12, hồ Cảnh Hồng Nọa Trác Độ Trung Quốc minh họa hình 13, 14, 15 16 tương ứng Hình 12 Đường quan hệ Z~W hồ Nậm Theun xây dựng từ DEM 12.5m KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) Hình 13 Đường quan hệ Z~F hồ Cảnh Hồng xây dựng từ DEM 12.5m 113 Hình 14 Đường quan hệ Z~V hồ Cảnh Hồng xây dựng từ DEM 12.5m Hình 15 Đường quan hệ Z~F hồ Nọa Trác Độ xây dựng từ DEM 12.5m Hình 16 Đường quan hệ Z~V hồ Nọa Trác Độ xây dựng từ DEM 12.5 m KẾT LUẬN Nghiên cứu xây dựng quy trình chương trình tính tốn ArcGIS đường đặc tính hồ chứa (Z~F~V) từ DEM Quy trình sau áp dụng thử nghiệm đánh giá mức độ phù hợp cho hồ có số liệu Việt Nam hồ Pleikrong Sesan áp dụng để tính tốn xây dựng đường đặc tính cho hồ khó tiếp cận số liệu lưu vực sơng Mê Cơng hồ Nậm Theun Lào, hồ Cảnh Hồng Nọa Trắc Độ Trung Quốc nhằm mục đính bước giám sát dung tích mực nước hồ quan trọng dịng Sơng Mê Cơng từ ảnh vệ tinh phục vụ việc cảnh báo dự báo nguồn nước Việt Nam Nghiên cứu sử dụng DEM 12,5 từ nguồn ảnh ALOS PALSAR Các liệu DEM cịn chênh lệch với đồ địa hình nên kết tính tốn cịn bị chênh lệch so với liệu thực đo Việc tính tốn thể tích theo mặt cong GIS hay mặt phẳng tính theo đồ địa hình cho kết tính toán khác Nghiên cứu xem xét phương pháp khác để nâng cao độ xác nghiên cứu tiếp theo, TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Quốc Hiệp, Nguyễn Anh Hùng, cách tiếp cận xây dựng đường đặc tính hồ chứa việc sử dụng ảnh viễn thám radar sentinel-1, Tạp chí Khí tượng Thủy văn số tháng 10-2019, ISSN Print: 2525 - 2208 D Eilander, F O Annor, L Iannini, and N van de Giesen, “Remotely sensed monitoring of small reservoir dynamics: A Bayesian approach,” Remote Sens., vol 6, no 2, pp 1191–1210, 2014 F.Baup, F Frappart, J.Maubant ,“Combining high-resolution satellite images and altimetry to estimate the volume of small lakes.” Hydrol Earth Syst Sci, vol 18: 2007–2020, 2014 H Gao, “Remote Sensing of Reservoir Storage using Altimetry Data and Satellite Imagery”, 2012 H Lee, “Present-day lake level variation from Envisat altimetry over the Northeastern Qinghai-Tibetan plateau: links with precipitation and temperature Terrestrial.” Atmospheric and Oceanic Sciences , vol 22, no 2, pp.169-175, 2011 114 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) J Magome, H Ishidaira, and K Takeuchi, “Method for satellite monitoring of water storage in reservoirs for efficient regional water management,” Water Resour Syst., no 2, pp 303–310, 2003 S Gahlaut, “Determination of Surface water area using multitemporal SAR imager.”, Master Thesis, Institute of Geodesy, University Stuttgart, 2015 Bài báo phần kết đề tài “Nghiên cứu sở khoa học phục vụ giám sát tài nguyên nước mặt cảnh báo hạn hán đồng sông Cửu Long điều kiện thiếu số liệu quan trắc lưu vực sông Mê Cơng ngồi lãnh thổ Việt Nam” Mã số: KC.08.34/16-20 Abstract: ESTIMATE ELEVATION~AREA-STORAGE CURVE (Z~F~V) OF RESERVOIR FROM DIGITAL ELEVATION MODEL (DEM) FOR UNCOLLECTED DATA ON MEKONG DELTA This paper presents research results of procedure and calculated program to estimate Z~ F and Z~V relationship for reservoirs in hard-collected information regions from DEM The results Z~ F and Z~V calculated from DEM for PleiKrong and Se San reservoirs were assessed as good as them from designed document The procedure was then used to calculate Z~ F and Z~V for some reservoirs in the Mekong River Basin such as Nam Theun reservoir in Laos, Jinghong and Nuazhadu reservoirs in China With Z~F~V calculated from DEM, we can monitor reservoir storage with satellite images The water levels and volumes of reservoirs can be estimated and monitored for warning and forecasting water resouces coming to the Cuu Long Delta of Vietnam for adaptation plans to drought and salinity intrusion Keywords: elevation~area-storage curve (Z~F~V), digital elevation model (DEM), Mekong delta Ngày nhận bài: 25/12/2020 Ngày chấp nhận đăng: 31/12/2020 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 71 (12/2020) 115 ... độ phù hợp cho hồ có số liệu Việt Nam hồ Pleikrong Sesan áp dụng để tính tốn xây dựng đường đặc tính cho hồ khó tiếp cận số liệu lưu vực sơng Mê Cơng hồ Nậm Theun Lào, hồ Cảnh Hồng Nọa Trắc Độ. .. Trác Độ xây dựng từ DEM 12.5m Hình 16 Đường quan hệ Z~V hồ Nọa Trác Độ xây dựng từ DEM 12.5 m KẾT LUẬN Nghiên cứu xây dựng quy trình chương trình tính tốn ArcGIS đường đặc tính hồ chứa (Z~F~V) từ. .. nghiên cứu tiến hành tính tốn xây dựng đường đặc tính cho hồ khó tiếp cận số liệu lưu vực Sơng Mê Cơng bên ngồi lãnh thổ Việt Nam với mục đích giám sát dung tích mực nước hồ chứa từ ảnh vệ tinh (sẽ