Mục tiêu của nghiên cứu luận án là nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám (dữ liệu mưa vệ tinh và dữ liệu mô hình số độ cao DEM) trong mô phỏng dòng chảy mặt cho lưu vực sông Cả, đặc biệt là mô phỏng dòng chảy xuyên biên giới cho phần thượng lưu có phần lớn diện tích nằm ở nước CHDCND Lào không có tài liệu mưa thực đo.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI BÙI TUẤN HẢI NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY MẶT PHỤC VỤ QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI – ÁP DỤNG CHO LƯU VỰC SÔNG CẢ Ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước Mã số: 9580212 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Lê Quang Vinh 2: PGS.TS Phạm Quang Vinh Phản biện 01: PGS.TS Nguyễn Mai Đăng Phản biện 02: PGS.TS ng Đình Khanh Phản biện 03: GS.TS Nguyễn Ngọc Thạch Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại: Room – K1, trường Đại học Thủy lợi, 175 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội Vào lúc 08 30 ngày 10 tháng 12 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Lưu vực sông Cả vùng chịu ảnh hưởng nặng nề thiên tai lũ lụt, hạn hán xâm nhập mặn Nghiên cứu q trình hình thành dịng chảy lưu vực sơng Cả, vùng thượng nguồn có ý nghĩa quan trọng quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai cho khu vực hạ du Tuy nhiên phần lớn vùng thượng lưu với 34,8% diện tích lưu vực nơi hình thành dịng chảy lại nằm bên nước bạn Lào, khơng có số liệu phục vụ nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám kết hợp với cơng nghệ phù hợp dự báo khí tượng, thủy văn, dòng chảy quy hoạch thủy lợi, phịng chống thiên tai lưu vực sơng giải pháp khắc phục tình trạng thiếu tài liệu thực đo nhà khoa học quan tâm Vì lý nêu trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám mơ dịng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả” đề xuất cần thiết Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu, khai thác, phân tích lựa chọn liệu mưa vệ tinh phù hợp để bổ sung thêm trạm mưa giả định cho khu vực lưu vực thiếu trạm đo thiếu tài liệu mưa thực đo, bổ sung số liệu mưa tháng cho trạm đo mưa không liên tục nhằm nâng cao độ tin cậy tính tốn dịng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai - Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám (dữ liệu mưa vệ tinh liệu mơ hình số độ cao DEM) mơ dịng chảy mặt cho lưu vực sơng Cả, đặc biệt mơ dịng chảy xun biên giới cho phần thượng lưu có phần lớn diện tích nằm nước CHDCND Lào khơng có tài liệu mưa thực đo Đối tượng phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu: Dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai lưu vực sơng nói chung lưu vực sơng Cả nói riêng b) Phạm vi nghiên cứu: - Về không gian: Vùng nghiên cứu lưu vực sơng Cả, tập trung nghiên cứu hai nhánh sông xuyên biên giới nằm thượng lưu Nậm Mô Nậm Nơn - Về thời gian: Nghiên cứu mơ q trình dịng chảy lưu vực sơng Cả từ năm 1982 đến 2019, mơ dịng chảy lũ từ năm 2011 đến 2019 Phân tích lựa chọn liệu mưa vệ tinh tập trung cho ba năm từ 2015 đến 2017 Hướng tiếp cận phương pháp nghiên cứu a) Hướng tiếp cận nghiên cứu: Đề tài luận án lựa chọn hai hướng tiếp cận khoa học sau đây: (1) Tiếp cận hệ thống; (2) Tiếp cận kết hợp nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết b) Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp nghiên cứu sau: (1) Phương pháp kế thừa (2) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu; (3) Phương pháp phân tích thống kê; (4) Phương pháp mơ hình tốn; (5) Phương pháp hội thảo xin ý kiến chuyên gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học: Bổ sung phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám sử dụng liệu viễn thám kết hợp với mơ hình tốn mơ dịng chảy mặt lưu vực sông Cả phục vụ quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai b) Ý nghĩa thực tiễn: Đề xuất phương pháp xử lý, sử dụng liệu từ viễn thám cho vùng khơng có số liệu khơng đủ số liệu mơ dịng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai lưu vực sơng nói chung lưu vực sơng Cả nói riêng, đáp ứng u cầu phát triển kinh tế - xã hội Đóng góp luận án a) Xác định liệu viễn thám phù hợp số liệu mưa vệ tinh có độ phân giải cao CHIRPS, GSMAP, GPM, CMORPH liệu mơ hình số độ cao ALOS, ASTER, SRTM để nghiên cứu bổ sung thêm trạm đo mưa giả định, bổ sung thêm số liệu mưa tháng cho khu vực thiếu trạm đo mưa, thiếu tài liệu mưa thực đo nhằm nâng cao độ tin cậy tính tốn, mơ dịng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai lưu vực sông Cả b) Làm rõ thêm phương pháp sử dụng liệu mưa vệ tinh mơ hình số độ cao (DEM) làm số liệu đầu vào cho mơ hình thủy văn thơng số tập trung MIKE NAM mơ hình thủy văn phân bố IFAS để tăng độ xác mơ dịng chảy cho lưu vực sơng Cả, đặc biệt mơ dịng chảy xuyên biên giới hai nhánh sông Nậm Mô Nậm Nơn với phần lớn diện tích lưu vực nằm nước bạn Lào Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận kiến nghị, luận án gồm 03 chương sau: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai Chương 2: Phương pháp số liệu sử dụng nghiên cứu Chương 3: Kết nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám tính tốn dịng chảy lưu vực sơng Cả CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI 1.1 Tổng quan công nghệ viễn thám Viễn thám khoa học nghiên cứu thu thập thông tin vật tượng bề mặt trái đất từ khoảng cách xa thông qua thiết bị công nghệ đo đạc đặc biệt lắp đặt vệ tinh quan sát bề mặt trái đất Trong 60 năm qua, công nghệ viễn thám không ngừng tiến bộ, số lượng vệ tinh viễn thám ngày tăng số lượng, đa dạng chủng loại, đa dạng kích thước, đa dạng quỹ đạo có xu hướng phát triển thành chùm vệ tinh … Phạm vi ứng dụng công nghệ viễn thám không ngừng mở rộng Hiện nay, công nghệ viễn thám ứng dụng nhiều lĩnh vực sau đây: (1) Dự báo thời tiết dự báo thiên tai (2) Quản lý tài nguyên nước chất lượng nguồn nước (3) Quản lý đất đai (4) Xây dựng loại đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội 1.2 Tổng quan công trình khoa học giới nghiên cứu vấn đề có liên quan đến đề tài luận án 1.2.1 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám quy hoạch, quản lý tài nguyên nước phòng chống thiên tai giới Các cơng trình nghiên cứu công nghệ viễn thám ứng dụng nhiều tính tốn lượng mưa, bốc nước, mơ q trình hình thành dịng chảy, lũ lụt lưu vực sông Các liệu liên quan đến thủy văn địa chất bề mặt trái đất quan sát viễn thám sử dụng với liệu đo đạc chỗ tạo kho liệu quan trọng để nghiên cứu nguồn nước mặt nước ngầm, cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình tốn Q trình xử lý liệu viễn thám thường thực phần mềm GIS Viễn thám góp phần mang lại đồng thuận quản lý tài nguyên nước sông quốc tế Điều kiện thời tiết xấu mùa mưa bão thường gắn liền với lũ lụt, ngập úng sạt lở đất khiến cho việc tiếp cận đánh giá khu vực bị ngập lũ khó khăn, viễn thám giúp khắc phục hạn chế Thông qua việc lựa chọn cảm biến tảng thích hợp, viễn thám cung cấp thơng tin xác kịp thời khu vực bị lũ lụt có nguy bị ngập lụt, đánh giá mức độ hiệt hại lũ lụt sạt lở đất gây nơi mà người khó tiếp cận trực tiếp để có biện pháp ứng phó phù hợp Luận án giới thiệu tóm tắt số kết nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám thám quy hoạch, quản lý tài nguyên nước phòng chống thiên tai Châu Phi theo sáng kiến TIGER, Ấn Độ, lưu vực sông Mê Công Ủy hội sông Mê Công quốc tế Luận án giới thiệu khái quát kết nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám GIS giám sát lũ lụt đánh giá thiệt hại lũ lụt gây Pakistan Nepal 1.2.2 Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám mơ hình tốn mơ dịng chảy Khái qt kết nghiên cứu lĩnh vực giới, luận án chia thành nhóm sau đây: a) Nghiên cứu sử dụng liệu mưa vệ tinh: Điển hình cơng trình nghiên cứu sử dụng liệu mưa vệ tính TRMM-3B42 v6 v7, RFE 2.0, PERSIANNCDR, CMORPH1.0 version 0.x để mô chế độ dịng chảy cho lưu vực sơng Makhazine Ma-rốc; nghiên cứu sử dụng liệu mưa vệ tinh TRMM GPM để mô lũ thời đoạn nửa ngày cho lưu vực thiếu trạm đo Myanmar; sử dụng liệu mưa vệ tinh TMPA 3B32RT liệu mưa trạm đo để đánh giá mơ hình sai số xác định lượng mưa ngày từ liệu mưa vệ tinh b) Nghiên cứu sử dụng liệu địa hình DEM: Điển hình cơng trình nghiên cứu so sánh liệu DEM với so sánh với liệu cao độ địa hình quốc gia Úc phạm vi toàn lục địa châu Đại Dương; nghiên cứu sử dụng liệu DEM ALOS để cập nhật đồ thủy văn, cung cấp thông tin tác động động lực địa thủy văn môi trường khô hạn bán khô hạn c) Nghiên cứu kết hợp liệu viễn thám mơ hình tốn nghiên cứu quan hệ mưa - dòng chảy: Viễn thám cung cấp liệu đầu vào cho mơ hình tốn thơng số đặc trưng khí tượng – thủy văn theo khơng gian thời gian, độ ẩm đất, đặc điểm bề mặt sử dụng đất, lớp che phủ đất… Các nhà khoa học chứng minh kết hợp tốt GIS với mơ hình mơ HEC, MODFLOW, SHE, SWAT, MIKE BASIN, WEAP để giải tốn liên quan đến chế độ thủy văn, dịng chảy số lưu vực sông giới Điển hình cơng trình nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám kết hợp với số liệu mưa thực đo mơ hình IFAS để tính tốn dịng chảy lũ cho lưu vực sông Kelantan Dungun Malaysia Nhiều nhà khoa học nghiên cứu kết hợp liệu viễn thám, GIS mơ hình SWAT đánh giá lưu lượng chất lượng nước lưu vực sông biến động cấu sử dụng đất, biến đổi khí hậu Họ thiết lập mơ hình chi tiết dịng chảy mặt ngầm, mơ hình tăng cường chất lượng nước, hay kết hợp mơ hình chất lượng với cơng cụ GIS, ảnh hưởng biến đổi khơng gian lên mơ hình lưu vực… 1.2.3 Đánh giá chung kết nghiên cứu giới Tổng quan kết nghiên cứu nhà khoa học giới cho thấy việc kết hợp mơ hình tốn, cơng nghệ viễn thám GIS cách tiếp cận hiệu tính tốn mơ dịng chảy lưu vực sông, đặc biệt quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai Kết nghiên cứu cho thấy phương pháp tính tốn dịng chảy kết hợp viễn thám GIS nhiều khoảng trống mà luận án cần tiếp tục nghiên cứu triển khai Luận án kế thừa ưu điểm phương pháp: mơ hình tốn, viễn thám GIS 1.3 Tổng quan cơng trình khoa học nước nghiên cứu vấn đề có liên quan đến đề tài luận án 1.3.1 Nghiên cứu quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai a) Về nghiên cứu khoa học: Các cơng trình nghiên cứu đánh giá biến động dòng chảy kiệt tác động dòng chảy kiệt tới sản xuất nông nghiệp thủy sản vùng hạ du lưu vực sông Cả, sông Mã, nghiên cứu ứng dụng mơ hình thủy văn MIKE-NAM, mơ hình thủy lực MIKE11 MIKE21 để đánh giá tác động hệ thống cơng trình thủy lợi, thủy điện, giao thơng sở hạ tầng tới tiêu thoát lũ miền Trung Căn vào kết nghiên cứu, tác giả đề xuất giải pháp cơng trình phi cơng trình nhằm hạn chế tác động bất lợi, sử dụng hiệu tài nguyên nước phù hợp với điều kiện cụ thể lưu vực sông Cơng trình nghiên cứu ứng dụng mơ hình thủy văn, thủy lực dự báo mưa, lũ trung hạn phục vụ vận hành phối hợp hồ chứa nước lưu vực sơng đảm bảo phịng chống lũ cho hạ du, vận hành an toàn hồ chứa hạn chế thiệt hại lũ gây toàn lưu vực sơng Cả b) Về quy hoạch thủy lợi, phịng chống thiên tai cho lưu vực sơng: Điển hình dự án Quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Cả đến năm 2020 định hướng đến năm 2030 Quy hoạch thủy lợi khu vực miền Trung giai đoạn 2012-2020 định hướng đến năm 2050 điều kiện biến đổi khí hậu nước biển dâng Các quy hoạch thủy lợi nêu dựa vào mơ hình thủy lực MIKE11, mơ hình thủy văn NAM tập trung nghiên cứu dịng dựa số liệu cho phần lưu vực nằm lãnh thổ Việt Nam, chưa đề cập đến tác động phần thượng lưu lưu vực nằm lãnh thổ nước xuống đến hạ du Việt Nam 1.3.2 Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám mơ hình tốn mơ dịng chảy a) Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám cung cấp số liệu mưa địa hình lưu vực Luận án giới thiệu tổng quan số cơng trình khoa học điển hình như: 1) Nghiên cứu sử dụng liệu mưa vệ tinh từ chương trình đo mưa tồn cầu GPM, so sánh đánh giá với số liệu quan trắc mưa mặt đất để cảnh báo mưa ngập lụt TP Hồ Chí Minh; 2) Nghiên cứu lựa chọn nguồn liệu mưa vệ tinh phù hợp với Việt Nam làm chuỗi số liệu khứ, bổ sung thay cho số liệu trạm Kết nghiên cứu từ nguồn liệu mưa gồm mưa toàn cầu khu vực có định dạng NETCDF, số liệu mưa 58 trạm Việt Nam phân bố theo vùng khí hậu số liệu phản hồi vơ tuyến từ đa nước ta cho thấy nguồn số liệu APHRODITE Nhật Bản phù hợp cho Việt Nam; 3) Kết nghiên cứu, so sánh liệu mưa vệ tinh GSMAP với số liệu quan trắc 10 trạm đo mưa khu vực Trung Bộ giai đoạn 2000-2010 cho thấy có phù hợp tháng bắt đầu có lượng mưa 100 mm tháng có lượng mưa lớn hầu hết trạm, có sai khác định thời gian kéo dài tháng mưa đó; 4) Nghiên cứu xây dựng phương pháp kết hợp liệu viễn thám DEM ASTER, công nghệ GPS, liệu GIS mơ hình VRSAP để tự động thành lập đồ ngập lụt, để phân tích, giám sát cảnh báo thiên tai cho khu vực nghiên cứu lưu vực sông Kôn - Hà Thanh; 5) Nghiên cứu khả ứng dụng ảnh ALOS Prism thành lập DEM vùng có địa hình phức tạp bờ biển, cồn cát, đầm phá, đồng tích tụ, đồi núi có hiều tai biến (di chuyển cồn cát, mởlấp cửa đầm phá v.v.); 6) Các nghiên cứu sử dụng liệu LIDAR để nghiên cứu đối tượng bề mặt địa EM, K-Means, kNN, MCC nghiên cứu kết hợp với liệu DEM có độ phân giải cao để mơ hình hóa lũ b) Về nghiên cứu kết hợp sử dụng liệu viễn thám mơ hình tốn mơ dịng chảy lưu vực Cơng trình khoa học nghiên cứu lĩnh vực chưa nhiều đạt số kết tốt, điển hình cơng trình: 1) Nghiên cứu ứng dụng kết hợp liệu viễn thám với mô hình IFAS tính tốn dịng chảy lưu vực sơng Bằng Giang Cao Bằng; 2) Nghiên cứu ứng dụng viễn thám GIS giám sát môi trường tài nguyên thiên nhiên; 3) Nghiên cứu khai thác sử dụng số liệu mưa vệ tinh mơ hình dự báo lũ lưu vực sông Mê Kông (từ Chiang Saen đến Strung Stren); 4) Ứng dụng mơ hình mưa – dòng chảy SWAT quản lý tài nguyên nước: dùng liệu viễn thám làm đầu vào để tính tốn dịng chảy sơng, đánh giá chất lượng nước tác động kịch sử dụng đất lên dòng chảy, bồi lắng đánh giá chất lượng nước Hầu hết nghiên cứu sử dụng mơ hình tốn phục vụ tính tốn mà chưa nghiên cứu ứng dụng công nghệ vào lĩnh vực Hiện nước ta chưa có nghiên cứu kết hợp mơ hình tốn công nghệ viễn thám quản lý tài nguyên nước, đặc biệt chọn liệu viễn thám cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình tốn Ưu điểm phương pháp kết hợp liệu viễn thám với mơ hình tốn xác định thông số thủy văn cho vùng tài liệu khơng đủ số liệu cho tính tốn ảnh viễn thám có độ bao phủ rộng, thời gian tương đối liên tục Đây ứng dụng tốt quản lý tài nguyên nước xuyên biên giới, đặc biệt lưu vực sông Cả có đến 35% diện tích nằm lãnh thổ nước bạn Lào 1.3.3 Đánh giá nghiên cứu nước Hầu hết cơng trình khoa học có liên quan đến đề tài sử dụng mơ hình tốn phù hợp để nghiên cứu, tính tốn Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám quy hoạch thủy lợi, phịng chống thiên tai lưu vực sơng chưa nhiều Hầu hết nghiên cứu giải vài nhiệm vụ cụ thể cho khu vực hay phần lưu vực nằm lãnh thổ Việt Nam, phần lưu vực sông thuộc lãnh thổ nước khác chưa đề cập nghiên cứu liệu đầu vào cần thiết cho mơ hình toán nhập vào điểm nút lưu vực nằm ngồi biên giới phần lớn khơng có thiếu tin cậy Ở Việt Nam có nhiều lưu vực sông xuyên biên giới với vấn đề tồn quản lý tài nguyên nước quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai Đây khoảng trống nghiên cứu mà đề tài luận án cần tiếp tục nghiên cứu, lựa chọn 1.4 Kết luận chương Các nước phát triển giới ứng dụng thành công công nghệ viễn thám với mô hình tốn mơ dịng chảy dự báo loại thiên tai vùng lưu vực sông Tuy nhiên, nước ta cơng nghệ cịn Mặc dù số cơng trình nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám GIS quy hoạch phịng chống thiên tai lưu vực sơng chưa nhiều đạt kết định, tạo sở khoa học cho nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám kết hợp với cơng nghệ phù hợp dự báo khí tượng, thủy văn, dòng chảy quản lý tài nguyên nước lưu vực sơng giải pháp hữu ích khắc phục tình trạng thiếu tài liệu thực đo, đặc biệt cho lưu vực sông xuyên biên giới Sông Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố lãnh thổ Việt Nam Lào Nghiên cứu dòng chảy lưu vực quan trọng cảnh báo giảm nhẹ thiên tai khu vực hạ du, đặc biệt dòng chảy lũ từ thượng nguồn đổ Tuy nhiên phần thượng lưu với 34,8% lưu vực nằm đất Lào khơng có số liệu có số liệu phục vụ nghiên cứu Sử dụng liệu viễn thám kết hợp mơ hình tốn quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai hướng nghiên cứu mới, cần triển khai nghiên cứu điển hình cho lưu vực sơng Cả Đây sở khoa học thực tiễn quan trọng để xây dựng đề tài luận án CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU 2.1 Luận giải phương pháp công cụ nghiên cứu 2.1.1 Cách tiếp cận khoa học Luận án chọn cách tiếp cận khoa học gồm: i) Tiếp cận hệ thống; ii) Tiếp cận kết hợp nghiên cứu thực nghiệm nghiên cứu lý thuyết Mỗi phương pháp tiếp cận nêu phân tích làm rõ sở khoa học Tiếp cận hệ thống cách tiếp cận xuyên suốt trình nghiên cứu thực đề tài luận án 2.1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu gồm: i) Phương pháp kế thừa; ii) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu; iii) Phương pháp phân tích thống kê; iv) Phương pháp mơ hình tốn; v) Phương pháp hội thảo xin ý kiến chuyên gia Mỗi phương pháp nghiên cứu nêu phân tích làm rõ sở khoa học 2.1.3 Cơng cụ nghiên cứu Cơng cụ nghiên cứu luận án phần mềm mơ hình tốn liên quan đến tính tốn thủy văn, thủy lực loại liệu viễn thám cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình tốn 2.2 Địa điểm nghiên cứu Địa điểm nghiên cứu áp dụng vào thực tiễn luận án lưu vực sơng Cả Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sơng Cả Sơng Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố lãnh thổ hai nước Việt Nam Lào Có 65,2% diện tích lưu vực nằm địa giới hành tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh Thanh Hóa Vùng thượng nguồn với 34,8% diện tích lưu 2) Tính phổ biến: nhiều cá nhân tổ chức sử dụng 3) Đáp ứng nhu cầu xây dựng quản lý liệu chuyên đề, gồm i) Phân tích khơng gian (chồng lớp đồ, phân tích khoảng cách, nội suy khơng gian); ii) Vẽ đồ chuyên đề theo tính chất đối tượng; iii) Quản lý, liên kết sở liệu; iv) Dễ sử dụng Kết phân tích đánh giá phần mềm phục vụ xây dựng quản lý liệu GIS, luận án lựa chọn phần mềm Quantum GIS (QGIS) phần mềm đáp ứng đầy đủ tiêu chí nêu 2.6 2.6.1 Nghiên cứu lựa chọn liệu viễn thám Nghiên cứu lựa chọn liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao a) Khái quát chung Mưa yếu tố đầu vào quan trọng mơ hình tốn thủy văn, thủy lực, nhu cầu nước, cân nước Trên lưu vực sông Cả, phần lưu vực nằm lãnh thổ nước ta với 17.730 km2 có 23 trạm đo mưa với mật độ trung bình 778 km2/trạm, 9.470 km2 cịn lại nằm nước bạn Lào khơng có trạm đo mưa Theo tiêu chuẩn WMO yêu cầu tối thiểu 575 km2/trạm đo mưa Các trạm quan trắc mưa có phần lãnh thổ nước ta tập trung chủ yếu vùng đồng bằng, thị trấn, thị tứ nằm thung lũng sông Vùng núi cao trạm đo mưa Tài liệu mưa tự ghi trạm tổng số 23 trạm đo mưa lưu vực bị thiếu gián đoạn, thống kê bảng 2.6 Bảng 2.6 Khoảng trống số liệu mưa thực đo trạm khí tượng liên quan đến lưu vực sông Cả Liệt tài liệu TT Tên trạm đo Thực đo Khoảng trống số liệu (1986- 2015) Quỳ Châu 1961-2015 Các năm 1995, 2011 Tây Hiếu 1960-2015 Tháng 4, 10, 11, 12/1987, 7/1988 Quỳnh Lưu 1960-2015 6/1987, 10,11/1988, 8,9/1995, từ 2011-2013 Con Cuông 1960-2015 Tháng 6, tháng 12 năm 1995 Quỳ Hợp 1996-2015 Từ năm 1986 đến năm 1995 Kỳ Anh 1961-2015 Từ năm 1986 đến năm 2000 Hà Tĩnh 1961-2015 Từ năm 1986 đến 1990, năm 1996 1997 Kim Cương 1962-2015 Từ năm 1986 đến năm 2000 Cửa Rào 1960-2015 Từ 1986 đến 1990, từ 1996 đến 1999 Các khoảng trống tài liệu không gian lẫn thời gian ảnh hưởng lớn đến kết tính tốn dịng chảy lưu vực sơng Cả Để khắc phục tình trạng này, luận 11 án thu thập liệu mưa vệ tinh có độ phân giải cao gồm GPM, CHIRPS, GSMAP, CMORPH Các liệu mưa vệ tinh phân tích, đánh giá với liệu mưa đo trực tiếp 12 trạm khí tượng cấp theo phương pháp sau: 1) So sánh chuỗi số liệu 1.069 ngày năm từ 2015-2017 mưa vệ tinh số liệu 12 trạm đo (do liệu GPM có liệu mưa từ 02/2014) 2) Đánh giá lượng mưa ngày (khả nhận diện mưa, tương quan lượng mưa) 3) So sánh tổng lượng mưa phân bố lượng mưa năm chuỗi số liệu 4) Đánh giá lượng mưa tháng (tương quan tổng lượng mưa tính tốn hệ số tương quan tuyến tính Pearson r, R2 sai số RMSE, MAE) b) Kết phân tích, đánh giá liệu mưa vệ tinh: - Đối với lượng mưa ngày: Khả nhận diện ngày mưa khơng mưa mưa vệ tinh đạt xác khoảng 70% số ngày Tương quan Pearson mưa thực đo mưa vệ tinh đạt trung bình r = 0,40 ÷ 0,48 chấp nhận - Đối với lượng mưa tháng: Tương quan tổng lượng mưa tháng mưa vệ tinh mưa thực đo đạt 0,63 ÷ 0,76, riêng trạm Vinh mưa thực đo CHIRPS đạt R2=0,93 Hệ số tương quan r R2 mưa CHIRPS tốt với R2=0,76; mưa GPM (R2=0,72); mưa GSMAP CMORPH (R2=0,65 0,63) Sai số RMSE MAE mưa CHIRPS cho kết tốt nhất, mưa GSMAP CMORPH xác Nhận diện xu tổng lượng mưa tháng mưa vệ tinh tốt giai đoạn mùa mưa từ tháng V ÷ X - Đối với tổng lượng mưa năm: Mưa CHIRPS mưa GSMAP thể tốt phân bố mưa khu vực đồng bằng, duyên hải thể tốt phân bố mưa khu vực phía Tây Tây Nam khu vực miền núi Mưa CMORPH tốt phân bố lượng mưa năm so với liệu mưa vệ tinh khác c) Kết luận lựa chọn liệu mưa vệ tinh: - Sử dụng liệu mưa CHIRPS để tạo thêm trạm mưa giả định, kết hợp với mưa thực đo để tính tốn dịng chảy từ mưa lưu vực sông Cả - Sử dụng liệu mưa GSMAP kết hợp với liệu liệu mơ hình số hóa độ cao (DEM) để tính tốn mơ q trình lũ theo thời gian mơ hình IFAS 2.6.2 Nghiên cứu phân tích, lựa chọn liệu địa hình từ nguồn liệu mơ hình số hóa độ cao (DEM) a) Khái qt chung: Ứng dụng phổ biến viễn thám nghiên cứu mơ hình thủy văn, mưadịng chảy xác định thơng số thủy văn dịng chảy theo khơng gian cho mơ hình, phân chia lưu vực, tiểu lưu vực, xác định mạng lưới sông suối dựa 12 số liệu địa hình, phân bố độ cao tồn lưu vực Để chọn liệu địa hình, độ cao tích hợp phù hợp với cấu trúc mơ hình thủy văn mưa-dịng chảy liệu đầu vào độ phân giải không gian, thời gian độ xác liệu mơ hình số độ cao (DEM) phải so sánh Nguồn liệu DEM đa dạng phong phú Bản đồ DEM độ phân giải cao phục vụ cho nghiên cứu sâu chi tiết thường có giá đắt, cịn nghiên cứu tổng qt nguồn đồ DEM miễn phí có độ phân giải từ 30m-90m tương đối phù hợp Luận án chọn liệu DEM có độ phân giải 30m-90m SRTM, ASTER, ALOS phân tích đánh giá sai khác tương đồng liệu DEM với số liệu địa hình đồ lưu vực sơng Cả tỷ lệ 1/50.000 để lựa chọn liệu DEM phù hợp theo phương pháp sau: - So sánh sai khác liệu độ cao liệu DEM nói với - So sánh liệu DEM liệu từ đồ sông Cả tỷ lệ 1/50.000 (tương quan độ cao tính tốn hệ số tương quan Pearson r, hệ số R2 sai số tồn phương trung bình RMSE, sai số tuyệt đối trung bình MAE) b) Kết phân tích, đánh giá liệu DEM với - Các liệu DEM (SRTM, ALOS, ASTER) tương đồng thông số liên quan giá trị độ cao lớn nhất, giá trị độ cao nhỏ đặc biệt giá trị độ cao trung bình tồn lưu vực sơng Cả - Các liệu DEM khu vực đồng có giá trị tương đồng, chênh lệch giá trị độ cao không lớn Tuy nhiên khu vực miền núi giá trị độ cao có chênh lệch lớn liệu DEM - Chênh lệch giá trị độ cao liệu DEM ALOS SRTM thấp nhất: giá trị trung bình độ chênh lệch -0,29m độ lệch chuẩn SD thấp 12,95m - Chênh lệch giá trị độ cao liệu ASTER với ALOS, liệu ASTER với SRTM tương đồng với giá trị trung bình mức độ chênh cao tương ứng -1,98m -1,75m, độ lệch chuẩn tương ứng 16,53m 17,21m c) Kết so sánh liệu DEM với đồ lưu vực sông Cả Bản đồ lưu vực sông Cả tỷ lệ 1/50.000 hệ tọa độ cao độ VN2000 chuyển hệ tọa độ cao độ quốc tế WGS84 để so sánh điểm cao độ Tổng cộng có 18.924 điểm cao độ trích xuất từ liệu DEM chia vùng khác lưu vực sông Cả Kết so sánh cho thấy: - Vùng đồng (nơi có độ cao 50m): có 2.638 điểm độ cao so sánh cho thấy liệu ALOS thể xác độ cao với hệ số RMSE = 4,724 hệ số MAE = 3,152 Với hệ số tương quan, liệu ALOS đạt R=0,943, 13 R2 = 0,93 Dữ liệu SRTM đạt độ xác thấp với RMSE = 5,313m MAE = 3,527m; liệu ASTER đạt độ xác thấp - Vùng trung du (nơi có độ cao từ 50m đến 500m): có 8.524 điểm độ cao so sánh cho thấy liệu ALOS có độ xác cao nhất, nhiên sai số tăng lên đáng kể: RMSE 13,826m, MAE 7,295m; liệu SRTM có độ xác thấp ALOS, liệu ASTER đạt độ xác thấp liệu - Vùng núi (nơi có độ cao 500m): có 7.762 điểm độ cao so sánh cho thấy liệu ALOS thể xác nhất, tiếp SRTM liệu ASTER có độ xác thấp với sai số RMSE lên đến 32,111m, cao so sánh với liệu lại d) Nhận xét chung kết nghiên cứu đánh giá liệu mơ hình số độ cao (DEM) lưu vực sơng Cả: 1) Các liệu mơ hình số độ cao SRTM, ALOS, ASTER tương đồng thông số liên quan giá trị độ cao lớn nhất, giá trị độ cao nhỏ đặc biệt giá trị độ cao trung bình chênh lệch độ cao trung bình tồn vùng tồn lưu vực sông Cả 2) Dữ liệu SRTM, ALOS, ASTER khu vực miền núi có giá trị độ cao giống nhau, chênh lệch giá trị độ cao không lớn, nhiên khu vực đồng giá trị độ cao có chênh lệch lớn liệu DEM 3) Kết tính tốn sai số hệ số tương quan giá trị độ cao liệu DEM liệu từ đồ địa hình 1/50.000 ra, liệu ALOS có độ xác cao nhất, sai số thấp đánh giá với dạng địa hình đồng bằng, trung du miền núi; liệu SRTM có độ xác thấp hơn, liệu ASTER có độ xác thấp 2.6.3 Kết luận phân tích, lựa chọn liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả Từ kết nghiên cứu trên, để phù hợp với đặc điểm lưu vực nghiên cứu, luận án lựa chọn sử dụng liệu viễn thám sau đây: - Dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS có hệ số tương quan với liệu mưa thực đo tốt số liệu mưa vệ tinh sử dụng tạo thêm trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm mưa phù hợp với quy định dùng làm số liệu đầu vào tính tốn dịng chảy từ mơ hình NAM - Dữ liệu mưa vệ tinh GSMAP có khả nhận diện mưa không mưa dựa chuỗi số liệu mưa thực đo tốt số liệu mưa vệ tính khác sử dụng kết hợp với liệu mơ hình số độ cao DEM ALOS có độ phân giải 30 m để thiết lập liệu mưa cho mơ hình IFAS tính tốn mơ trình lũ theo thời gian 14 2.7 Kết luận chương Trong nội dung chương này, đề tài luận án phân tích sở khoa học cách thức tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học, trình tự bước nghiên cứu Luận án tổng hợp, phân tích lựa chọn cơng cụ nghiên cứu đề tài sử dụng mơ hình toán thủy văn, thủy lực cân nước phù hợp Từ đặc tính mơ hình khả xử lý liệu từ viễn thám, mơ hình MIKE NAM IFAS lựa chọn áp dụng cho nghiên cứu Luận án phân tích đánh giá liệu mưa vệ tinh sử dụng phổ biến nước giới nhằm cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình tốn gồm GSMAP, GPM, CHIRPS, CMORPH Kết nghiên cứu cho thấy liệu mưa vệ tinh nói có tương quan tốt với liệu mưa thực đo trạm, đó: - Dữ liệu mưa CHIRPS có kết tốt sử dụng tạo thêm trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm mưa cho phù hợp với quy định khoảng cách mật độ trạm đo mưa lưu vực dùng làm số liệu đầu vào tính tốn dịng chảy từ mơ hình NAM - Dữ liệu mưa GSMAP có khả nhận diện mưa không mưa dựa chuỗi số liệu mưa thực đo tốt số liệu mưa vệ tính khác sử dụng để thiết lập liệu mưa cho mô hình IFAS tính tốn mơ q trình dịng chảy lũ lưu vực sơng Cả bước nghiên cứu Dữ liệu địa hình từ mơ hình số độ cao (DEM) phân tích, lựa chọn phục vụ cung cấp số liệu đầu vào cho mơ hình thủy văn phân bố IFAS Kết nghiên cứu cho thấy liệu địa hình từ SRTM, ASTER ALOS có tương quan khớp với liệu đồ địa hình 1/50.000 hệ tọa độ VN2000, liệu ALOS có kết đánh giá tốt luận án sử dụng để thực nghiên cứu chương Phần mềm QGIS lựa chọn phần mềm GIS thông dụng để phục vụ xử lý liệu viễn thám cho đề tài với ưu điểm nhiều tính năng, dễ sử dụng mã nguồn mở Các công cụ liệu viễn thám lựa chọn thiết lập ứng dụng cho nội dung tính tốn chương Kết nghiên cứu cho thấy sử dụng liệu viễn thám cung cấp bổ sung cho số liệu đầu vào nghiên cứu mô dòng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai lưu vực sông đặc biệt sơng khả thi áp dụng thực tiễn 15 CHƯƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG CẢ 3.1 Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh mưa thực đo tính tốn mưa – dịng chảy từ mơ hình NAM 3.1.1 Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo Với tài liệu mưa thực đo có, kết tính tốn mưa - dịng chảy từ NAM nghiên cứu quy hoạch thủy lợi sông Cả cho thấy dòng chảy kiệt nhỏ thực đo, dòng chày lũ có thời điểm cao thấp so với thực đo Nguyên nhân mạng lưới trạm đo mưa số vùng Cửa Rào, Nghĩa Khánh, Hòa Duyệt thưa chưa đại diện đủ cho đặc điểm mưa hình thành nên dịng chảy lưu vực Vì cần thiết phải sử dụng liệu mưa vệ tinh CHIRPS tạo thêm trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm mưa, kết hợp với trạm mưa thực đo cải thiện kết tính tốn dịng chảy từ mưa lưu vực sơng Cả 3.1.2 Thiết lập mơ hình NAM với trạm mưa thực đo có Căn vào đồ địa hình lưu vực sơng Cả, trạm thủy văn có nguồn số liệu thực đo, luận án xây dựng mơ hình NAM cho 11 sơng nhánh Chuỗi số liệu để mơ kiểm định mơ hình nêu Bảng 3.1 Bảng 3.1 Thời đoạn tính tốn cho mơ kiểm định mơ hình NAM STT Sơng Trạm thuỷ F (km2) Thời đoạn tính tốn văn Mô Kiểm định Khe Choang Cốc Nà 417 1963-1969 1972- 1976 Giăng Thác Muối 785 1979-1983 1972-1977 Hiếu Quỳ Châu 1.500 1996-2008 1983-1995 Hiếu Nghĩa Khánh 3.892 1996-2008 1983-1995 Khe Lá Khe Lá 27,8 1970-1977 1980-1985 Ngàn Trươi Hướng Đại 408 1965-1976 1971-1976 Sơng Trai Hịa Qn 150,7 1980-1985 1975-1979 Tiêm Trại Trụ 96,2 1965-1976 1965-1970 Rào Cái Kẻ Gỗ 229 1961-1967 1968-1974 10 Nậm Mô Mường Xén 2.620 1960-1964 1965-1976 11 Cả Cửa Rào 12.800 1960-1964 1965-1976 Mô kiểm định mơ hình phải đáp ứng u cầu: i) Khơng có độ chênh cân nước; ii) Mơ dịng chảy mùa kiệt thích hợp; iii) Đỉnh lũ dịng chảy q trình mơ phịng khơng đóng vai trị quan trọng Các thơng số mơ hình NAM cần hiệu chỉnh để chọn thơng số chuẩn trước nghiên cứu tính tốn thủy lực Hiệu chỉnh NAM tiến hành tự động Kết đánh giá hệ số tương quan R2 mô kiểm định nêu bảng 3.2 16 Bảng 3.2 Kết đánh giá hệ số tương quan R2 mơ kiểm định mơ hình NAM trạm thủy văn R2 R2 Trạm thủy Trạm thủy TT Mô Kiểm TT Mô Kiểm văn văn định định Cửa Rào 0,62 0,55 Khe Lá 0,71 0,62 Mường Xén 0,70 0,61 Hướng Đại 0,77 0,72 Cốc Nà 0,71 0,56 Hòa Quân 0,69 0,70 Thác Muối 0,78 0,60 10 Trại Trụ 0,77 0,65 Quỳ Châu 0,83 0,78 11 Kẻ Gỗ 0,70 0,64 Nghĩa Khánh 0,85 0,80 3.1.3 Bố trí trạm mưa giả định Nguyên tắc bố trí thêm trạm đo mưa giả định cho khu vực cịn thiếu: 1) Theo Thơng tư 30/2018/TT-BTNMT ngày 26/12/2018 Bộ Tài nguyên Môi trường, khoảng cách trạm khu vực miền núi từ 10 km ÷ 15 km 2) Phù hợp với độ phân giải liệu mưa vệ tinh CHIRPS dùng nghiên cứu có độ phân giải mặt khơng gian 0,05° (tương đương khoảng 5,55 km) 3) Các trạm phân bố tương đối đồng toàn lưu vực đại diện cho dòng chảy tiểu lưu vực đưa vào mơ hình tốn Theo ngun tắc nêu trên, luận án nghiên cứu bố trí thêm 43 trạm mưa giả định lưu vực, Cửa Rào thêm trạm thượng nguồn thuộc Việt Nam trạm thuộc Lào; Mường Xén thêm trạm (2 trạm thuộc Việt Nam trạm thuộc Lào); Thượng nguồn Quỳ Châu thêm trạm; Khu Nghĩa Khánh – Quỳ Châu trạm; Hòa Duyệt thêm trạm (Xem hình 3.2) Hình 3.2 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định lưu vực sông Cả 17 3.1.4 Kết nghiên cứu mơ hình NAM a) Kết nghiên cứu vùng hạ lưu sông Cả thuộc Việt Nam: Kết hợp mưa vệ tinh CHIRPS với chuỗi số liệu mưa thực đo từ 1982 đến 2018 để tính tốn lưu lượng trung bình (LLTB) từ mơ hình NAM vị trí Quỳ Châu, Nghĩa Khánh Kết tính hệ số tương quan bảng 3.4 3.5 cho thấy kết hợp cải thiện đáng kể độ xác dịng chảy tính từ NAM Bảng 3.4 3.5 Kết tính tương quan trạm Quỳ Châu Nghĩa Khánh Quỳ Châu Nghĩa Khánh Dữ liệu mưa sử Giá trị (m3/s) dụng LLTB Thực đo trạm mưa Mưa thực đo kết hợp ngày mưa viễn thám LLTB Thực đo trạm mưa tháng Mưa thực đo kết hợp mưa viễn thám LLTB Thực đo trạm mưa Mưa thực đo kết hợp năm mưa viễn thám PBIAS R2 (%) NSE PBIAS (%) 0,71 0,47 4,0 3,60 -13,8 0,75 0,85 0,53 0,70 2,7 4,0 0,84 0,70 0,52 -0,15 3,50 -13,8 0,88 0,73 0,75 0,45 2,8 4,0 0,55 3,60 0,72 0,47 2,8 R2 NSE 0,70 0,48 -13,8 0,71 0,83 0,51 0,65 0,27 b) Kết nghiên cứu lưu vực xuyên biên giới nằm Lào Việt Nam Thượng lưu sơng Cả có phụ lưu bắt nguồn từ nước Lào Nậm Nơn Nậm Mộ Luận án nghiên cứu nhánh Nậm Mộ chảy vào Việt Nam đến Mường Xén, sau nhập với nhánh Nậm Nơn Cửa Rào Diện tích lưu vực Mường Xén 261.350 (phần Việt Nam chiếm 14,1%, phần Lào 85,9%) Tại có trạm đo mưa Luận án thiết lập thêm 05 trạm mưa giả định địa phận nước Lào 02 trạm Việt Nam (Hình 3.5) để tính tốn mơ hình NAM, số liệu trạm trích xuất từ liệu mưa ngày mưa vệ tinh CHIRPS Hình 3.5 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định lưu vực Mường Xén 18 Kết mơ phịng dịng chảy mơ hình NAM hai trường hợp có khơng sử dụng liệu mưa vệ tinh cho thấy sử dụng liệu mưa vệ tinh thông qua trạm mưa giả định tăng độ xác hệ số tương quan giá trị mô thực đo trường hợp tính tốn cho giá trị lưu lượng trung bình (LLTB) ngày, tháng, năm, tóm tắt bảng 3.6 bảng 3.7 Bảng 3.6 Kết tính tốn hệ số tương quan R2 hệ số NSE trạm Mường Xén Giá trị Hệ số LLTB ngày LLTB tháng LLTB năm 2 R NSE PBIAS R NSE PBIAS R2 NSE PBIAS (%) (%) (%) Mưa trạm đo 0,65 0,41 3,25 0,70 0,46 3,54 0,39 -0,62 3,27 Kết hợp mưa vệ tinh 0,73 0,54 0,23 0,85 0,73 0,25 0,45 0,20 0,22 Bảng 3.7 Kết tính tốn LLTB tháng nhiều năm trạm Mường Xén (m3/s) Giá trị mơ từ Giá trị mơ có Tháng Giá trị thực đo mưa thực đo kết hợp mưa vệ tinh 27,4 48,7 28,0 22,5 40,4 21,2 20,9 33,8 16,8 21,6 28,7 17,2 38,6 39,2 45,0 74,5 64,9 67,5 126,1 73,4 116,9 168,0 119,2 164,4 141,2 143,4 158,9 10 90,1 116,2 86,9 11 49,0 76,4 54,0 12 34,3 58,4 39,3 Như kết hợp thêm mưa vệ tinh từ trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm vị trí cịn thiếu lưu vực sơng Cả cải thiện tốt dịng chảy tính tốn từ NAM, cải thiện độ xác độ ‘an tồn’ giá trị dòng chảy kiệt dòng chảy lũ lớn Đặc biệt cải thiện chất lượng mơ dịng chảy lưu vực mà phần lớn diện tích khơng có trạm đo mưa 3.2 Nghiên cứu kết hợp liệu viễn thám mơ hình tốn IFAS mơ dịng chảy lũ lưu vực sông Cả 3.2.1 Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu dịng chảy lũ nhánh sơng Nậm Nơn thủy điện Bản Vẽ Tổng diện tích lưu vực Nậm Nơn đến ngã ba Cửa Rào khoảng 8.700 19 km2, khoảng 20% diện tích lưu vực nằm đất Việt Nam, phần nằm bên Lào có 6.970 km2, chiếm khoảng 80 % diện tích lưu vực Hình 3.8 Bản đồ địa hình lưu vực sơng Nậm Nơn, thượng lưu sơng Cả 3.2.2 Thiết lập mơ hình IFAS a) Thiết lập thông tin chung lưu vực cho mơ hình IFAS (Basin Data Manager): Phần diện tích lưu vực Nậm Nơn nằm nước bạn Lào số liệu địa hình, luận án sử dụng liệu DEM ALOS độ phân giải 30m công cụ GIS để phân chia lưu vực sông suối lưu vực Kết phân chia lưu vực Nậm Nơn đưa vào mơ hình IFAS thơng qua mơ đun Basin Data Manager, xem Hình 3.9 (a) (b) Hình 3.9 Kết phân chia (a) lưu vực (b) tiểu lưu vực Nậm Nơn (a) (b) Hình 3.12 Số liệu (a) địa chất (b) lớp phủ bề mặt đưa vào mơ hình IFAS 20 Phần diện tích khơng có số liệu lớp phủ bề mặt số liệu địa chất, sử dụng số liệu lớp phủ bề mặt toàn cầu (GLCC) USGS Bản đồ số liệu đất tồn giới (DSMW) FAO, xem Hình 3.12 b) Thiết lập thơng số mơ hình IFAS cho lưu vực Nậm Nơn (Parameter Manager): Đối với việc mơ dịng chảy trận lũ có thời gian tương đối nhanh, diễn vài vài ngày, luận án lựa chọn mơ hình bể chứa lớp để đơn giản hóa mơ tăng tốc độ chạy mơ hình Thơng số bể chứa dịng chảy mặt sơng suối thiết lập mơ hình IFAS Hình 3.13 (a) (b) Hình 3.13 Thơng số (a)dịng chảy mặt (surface) (b)sông suối (river course) c) Thiết lập liệu mưa cho mơ hình IFAS (Rainfall Data Manager): Để thiết lập liệu mưa cho mơ hình IFAS, sử dụng mô đun Rainfall Data Manager Luận án chọn mưa vệ tinh GSMAP dựa đặc tính ưu điểm liệu so với liệu mưa vệ tinh khác 3.2.3 Mô phỏng, hiệu chỉnh kiểm định mơ hình IFAS Phạm vi nghiên cứu mơ hình IFAS dịng chảy lũ sơng Nậm Nơn thủy điện Bản Vẽ Năm 2010 thủy điện Bản Vẽ đưa vào vận hành Từ 2011 đến 2019, dòng Nậm Nơn Bản Vẽ xuất trận lũ lớn vào 6/2011, 8/2016, tháng 8-9/2018 8/2019 Luận án mơ hiệu chỉnh IFAS cho dịng chảy lũ Nậm Nơn tháng 6/2011, kiểm định lại mô hình trận lũ tháng 8/2019 8/2018 a) Phương pháp điều chỉnh mưa hiệu chỉnh thơng số mơ hình IFAS - Để hiệu chỉnh lượng mưa GSMAP mô hình IFAS cần hiệu chỉnh hệ số trích xuất từ mối quan hệ tốc độ di chuyển khu vực mưa hệ số sai số lượng mưa tính tốn từ số số Robs Rsat, Robs lượng mưa trạm đo mặt đất (mm/3h), Rsat lượng mưa vệ tinh (GSMAP) (mm/3h) - Các thơng số mơ hình gồm lớp bề mặt (surface layer) lớp ngậm nước (aquifer layer) hiệu chỉnh đảm bảo việc mô xác thời gian xuất đỉnh lũ lưu lượng lũ lớn 21 b) Mô hiệu chỉnh mơ hình IFAS cho trận lũ tháng 6/2011: So sánh giá trị lưu lượng lớn thực đo mô trận lũ 06/2011 lưu vực Nậm Nơn Bản Vẽ thể Hình 3.17 Hình 3.18 Kết nghiên cứu cho thấy sau hiệu chỉnh thơng số mơ hình mực nước đỉnh lũ điều chỉnh gần với giá trị thực đo Kết tính tốn cho thấy hệ số tương quan thực đo mô đạt R2 = 0,90 hệ số NSE = 0,95 2500 Thực đo 2500 y = 1.2578x - 453.96 R² = 0.9016 Mô Mô Q (m3/s) Lưu lượng Q (m3/s) 2000 1500 1000 500 2000 1500 1000 500 28/6/2011 25/6/2011 22/6/2011 19/6/2011 16/6/2011 13/6/2011 10/6/2011 7/6/2011 4/6/2011 1/6/2011 0 500 1000 1500 Thực đo Q (m3/s) 2000 2500 Hình 3.17 3.18 So sánh kết mô thực đo trận lũ 6/2011 c) Kiểm định lại mơ hình IFAS với trận lũ tháng 8/2019: Sau điều chỉnh lượng mưa mô hình IFAS tương ứng với trận lũ tháng 8/2019, tiếp tục nghiên cứu hiệu chỉnh giá trị lưu lượng cách sử dụng tham số mơ hình IFAS với trận lũ từ ngày 01 đến 10/8/2019 Kết hiệu chỉnh tham số mơ hình với trận lũ thể Hình 3.22 Hình 3.23 Hệ số tương quan mô thực đo: R2 = 0,76 hệ số NSE = 0,54 3500 4000 Thực đo 2500 Q mô (m3/s) Lưu lượng Q (m3/s) 3000 Mô 2000 1500 1000 3000 2000 y = 1.1059x + 101.3 R² = 0.756 1000 500 0 10/8/2019 9/8/2019 8/8/2019 7/8/2019 6/8/2019 5/8/2019 4/8/2019 3/8/2019 2/8/2019 1/8/2019 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Q thực đo (m3/s) Hình 3.22 3.23 So sánh kết mơ thực đo trận lũ 01÷10/8/2019 d) Kiểm định lại mơ hình IFAS với trận lũ tháng 8-9/2018 Kết kiểm định lại mơ hình với trận lũ từ 10/8 đến 10/9 năm 2018 thể Hình 3.25 Hình 3.26 cho thấy hệ số tương quan mô thực đo R2 = 0,83 hệ số NSE = 0,81 22 5000 5000 4500 4500 3500 Thực đo 4000 3000 Mô 3500 Mô Q (m3/s Lưu lượng (m3/s) 4000 2500 2000 1500 1000 2500 2000 1500 20/9/2018 15/9/2018 10/9/2018 5/9/2018 31/8/2018 26/8/2018 21/8/2018 16/8/2018 500 11/8/2018 1000 6/8/2018 500 1/8/2018 y = 1.0699x - 293.45 R² = 0.8982 3000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 Thực đo Q (m3/s) 3500 4000 4500 Hình 3.25 3.26 So sánh mô thực đo trận lũ 10/8-10/9 năm 2018 3.2.4 Kết luận kết nghiên cứu mơ hình IFAS Luận án nghiên cứu sử dụng mơ hình IFAS với số liệu đầu vào từ liệu viễn thám gồm mưa vệ tinh GSMAP, địa hình ALOS, thảm phủ tồn cầu (GLCC) đất tồn giới (DSMW) để mơ dịng chảy lũ cho lưu vực Nậm Nơn thượng lưu sông Cả thủy điện Bản Vẽ Kết mô hiệu chỉnh liệu mưa vệ tinh tham số mơ hình IFAS cho trận lũ 6/2011, kiểm định lại với trận lũ 8/2019, tháng 8-9/2018 cho hệ số tương quan R2 NSE thực đo mô chấp nhận Như sử dụng liệu viễn thám kết hợp mơ hình tốn có khả mơ dịng chảy lũ cho khu vực số liệu khơng có số liệu, hỗ trợ cơng tác vận hành thủy điện Bản Vẽ chủ động ứng phó với vấn đề nảy sinh nguồn nước lưu vực sông Cả 3.3 Kết luận chương Kết nghiên cứu cứu kết hợp liệu viễn thám mơ hình tốn vào mơ dịng chảy cho lưu vực sơng Cả cho thấy: - Sử dụng liệu mưa vệ tinh CHIRPS tạo thêm trạm mưa giả định để tăng mật độ trạm cho khu vực thiếu làm số liệu đầu vào mơ hình NAM cải thiện kết mơ dịng chảy sơng Nậm Mộ, kể mùa lũ lẫn mùa kiệt với số liệu thực đo trạm thủy văn Mường Xén - Sử dụng mơ hình IFAS kết hợp với thơng số đầu vào từ liệu viễn thám để mô trận lũ xuất lưu vực sông Nậm Nơn đảm bảo xác phù hợp với q trình hình thành trận lũ xảy thực tế Kết nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn đáp ứng mục tiêu nghiên cứu đề tài, chứng minh hiệu việc bổ sung số liệu từ nguồn vệ tinh, viễn thám thiết lập mô hình tính tốn dịng chảy, chế độ thủy lực phục vụ quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai lưu vực sông Cả quản lý nguồn nước xuyên biên giới Kết nghiên cứu ứng dụng cho lưu vực sơng có khơng có tài liệu đo đạc yếu tố khí tượng, thủy văn 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận 1) Kết nghiên cứu tổng quan cơng trình khoa học cơng nghệ nước liên quan đến đề tài luận án cho thấy nước ta chưa có nghiên cứu kết hợp mơ hình tốn cơng nghệ viễn thám tính tốn dịng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai, nghiên cứu phân tích, xử lý liệu viễn thám cung cấp số liệu đầu vào cho mô hình tốn 2) Luận án lựa chọn cách tiếp cận, phương pháp công cụ nghiên cứu phù hợp Đó là: i) Các mơ hình MIKE NAM IFAS để mô chế độ thủy văn, thủy lực; ii) Mưa vệ tinh CHIRPS để tạo thêm trạm mưa giả định làm số liệu đầu vào cho mơ hình tốn mơ dịng chảy lưu vực sông Cả; iii) Mưa vệ tinh GSMAP mô hình số độ cao DEM ALOS tính tốn mưa mơ q trình lũ theo thời gian; iv) Phần mềm QGIS để xây dựng, xử lý, phân tích quản lý liệu GIS, viễn thám cho đề tài nghiên cứu 3) Luận án nghiên cứu thành công kết hợp liệu viễn thám mơ hình tốn mơ dịng chảy lũ cho lưu vực Nậm Nơn thượng lưu sơng Cả ngồi lãnh thổ nước ta Nghiên cứu kết hợp mưa thực đo mưa vệ tinh CHIRPS mô mưa - dịng chảy từ NAM nâng cao độ xác mơ dịng chảy lưu vực sơng Nậm Mộ IFAS sử dụng liệu mưa vệ tinh GSMAP mơ tốt diễn biến dịng chảy lũ lưu vực sông xuyên biên giới Nậm Nơn 4) Sử dụng liệu viễn thám nâng cao chất lượng tính xác mơ hình tốn mơ dịng chảy lũ, dịng chảy kiệt, q trình phân bố mưa theo không gian thời gian cho khu vực có khơng có số liệu thực đo Kết nghiên cứu góp phần tạo nên cơng cụ hỗ trợ tốt cho quản lý nguồn nước chủ động ứng phó với vấn đề nảy sinh nguồn nước lưu vực sơng có khơng có tài liệu đo đạc yếu tố khí tượng, thủy văn Kiến nghị Kết nghiên cứu bước đầu việc lựa chọn sử dụng liệu mưa vệ tinh, mơ hình số độ cao phù hợp để tính tốn, mơ dịng chảy xun biên giới lưu vực sông Cả phục vụ quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai Còn nhiều yếu tố tác động đến dòng chảy cần tiếp tục nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám để bổ sung số liệu thảm phủ, loại đất, bốc dịng chảy ngầm lưu vực sơng Cả Đặc biệt việc hiệu chỉnh liệu mưa vệ tinh cần tiếp tục nghiên cứu giai đoạn 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Bùi Tuấn Hải Lê Viết Sơn, “Nghiên cứu ứng dụng mơ hình IFAS liệu viễn thám mơ dịng chảy lũ xun biên giới lưu vực sơng Thao”, Tạp chí Khí Tượng - Thủy văn, số 713, 05/2020, trang 24-36, ISSN 2525 – 2208 Le Viet Son, Luong Ngoc Chung, Bui Tuan Hai, Sai Hong Anh and Nguyen Duy Quang, "Assessing Satellite-Based Precipitation Products to Create Flood Forecasting in the Da River Basin, Vietnam," Journal of Geoscience and Environment Protection, vol 7, no.11, pp 113-123, 2019 Bùi Tuấn Hải Lê Quang Vinh, “Nghiên cứu ứng dụng kết hợp liệu viễn thám mô hình tốn IFAS mơ dịng chảy lũ lưu vực sông Nậm Nơn thuộc hệ thống sông Cả”, Tạp chí Nơng nghiệp & Phát triển nơng thơn, số 369, 18/2019, trang 96-101, ISSN 1859-4581 Bùi Tuấn Hải, Vương Tấn Công Phạm Quang Vinh, “So sánh, đánh giá liệu mơ hình số độ cao (DEM) lưu vực sông Cả”, Kỷ yếu Hội nghị khoa học Địa lý toàn quốc lần thứ XI năm 2019, Đại học Huế, TP Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế, 04/2019, Quyển 2, trang 881-890 Bùi Tuấn Hải Nguyễn Văn Tuấn, "Nghiên cứu đánh giá vá so sánh liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao lưu vực sơng Cả," Tạp chí Khí Tượng - Thủy văn, số 695, 11/2018, trang 17-28, ISSN 2525 – 2208 ... pháp số liệu sử dụng nghiên cứu Chương 3: Kết nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám tính tốn dịng chảy lưu vực sơng Cả CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH... số liệu có số liệu phục vụ nghiên cứu Sử dụng liệu viễn thám kết hợp mơ hình tốn quy hoạch thủy lợi phòng chống thiên tai hướng nghiên cứu mới, cần triển khai nghiên cứu điển hình cho lưu vực sông. .. tài sử dụng mơ hình tốn phù hợp để nghiên cứu, tính tốn Nghiên cứu sử dụng liệu viễn thám quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai lưu vực sông chưa nhiều Hầu hết nghiên cứu giải vài nhiệm vụ