Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu ứng dụng GIS, Viễn thám và SWAT trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIS, VIỄN THÁM VÀ SWAT TRONG QUẢN LÝ TỔNG HỢP TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC THƯỢNG NGUỒN SÔNG ĐỒNG NAI Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên Môi trường Mã số chuyên ngành: 62850101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: PTS Lê Văn Trung Người hướng dẫn 2: PGS.TS Võ Lê Phú Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp vào lúc ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM TÓM TẮT LUẬN ÁN NƯỚC thành phần then chốt cho sống trình phát triển xã hội loài người Tài nguyên nước phần thượng nguồn lưu vực sông Đồng Nai thuộc vùng đồi núi có độ che phủ rừng cao giữ vai trò quan trọng an ninh nguồn nước tỉnh thành vùng hạ lưu có thành phố Hồ Chí Minh Tuy nhiên, tài nguyên nước (TNN) lưu vực đối mặt với thách thức lớn tác động gia tăng dân số, phát triển kinh tế - xã hội với biến đổi khí hậu (BĐKH) Để góp phần quản lý phát triển bền vững cho lưu vực theo cách tiếp cận quản lý tổng hợp tài nguyên nước IWRM (Integrated Water Resource Management), luận án đề xuất xây dựng công cụ hỗ trợ định IWRM dựa công nghệ GIS (Geographic information system), Viễn thám RS (Remote sensing) mơ hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Công cụ hỗ trợ định IWRM với ba hợp phần chủ yếu (i) Đánh giá tài nguyên nước (TNN), (ii) Thông tin TNN, (iii) Công cụ phân bổ TNN cho lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai dựa công nghệ GIS, RS mơ hình SWAT xây dựng dựa sở hệ thống hóa nghiên cứu nước Các ảnh vệ tinh Landsat (giai đoạn 1994 - 2020) sử dụng để xây dựng đồ đánh giá biến động lớp phủ; xây dựng đồ đánh giá xói mịn đất theo phương trình RUSLE (Revised Universal Soil Loss Equation); tạo sở liệu phân tích khơng gian GIS áp dụng mơ hình SWAT đánh giá đánh giá tác động BĐKH thay đổi lớp phủ đến lưu lượng dịng chảy chất lượng nước, tính tốn cân nước, thành lập đồ rủi ro ô nhiễm đồ số dễ bị tổn thương tài nguyên nước VI (Vulnerability index) Trong đó, số liệu liên quan thông tin TNN (số lượng chất lượng) thu thập trạm khí tượng, trạm thủy văn, 49 vị trí quan trắc chất lượng nước mặt cho toàn lưu vực Chất lượng nước phân tích theo số chất lượng nước WQI (Water quality idex) theo trạng, cân nước dự báo đến 2030 theo kịch phát triển kinh tế - xã hội BĐKH RCP4.5 RCP8.5 Kết cho thấy diện tích thực phủ rừng lưu vực giảm từ 69,6% (1994) xuống 40,2% (2020), ảnh hưởng đến khu vực có tiềm xói mịn đất cao xấp xỉ 50,48% diện tích lưu vực Q trình thị hóa phát triển kinh tế làm gia tăng tính dễ bị tổn thương tài nguyên nước lưu vực mức trung bình (0,2 < VI < 0,4) dự báo tăng (0,4 < VI < 0,7) tiểu lưu vực Đắk Nông, Dak R‘Keh La Ngà giai đoạn 2020 - 2030 Ngoài ra, phát triển kinh tế - xã hội với ảnh hưởng BĐKH làm tăng sức ép nhu cầu sử dụng nước vào mùa khô Đánh giá chung giải pháp đề xuất công cụ hỗ trợ IWRM cho lưu vực minh chứng tính khả thi hiệu mang lại Đồng thời, nghiên cứu tạo sở khoa học để nhân rộng giải pháp cho khu vực thiếu hạn chế công cụ hỗ trợ định IWRM MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Nước nguồn tài nguyên đặc biệt, giữ vai trò then chốt cho phát triển kinh tế - xã hội quốc gia Tuy nhiên, tài nguyên nước (TNN) tài nguyên dễ bị tổn thương tác động biến đổi khí hậu (BĐKH) Trong đó, Việt Nam đánh giá quốc gia chịu tác động nhiều BĐKH, tượng khô hạn lũ lụt diễn ngày khốc liệt nhiều nơi toàn quốc (Bộ TN&MT, 2016) Ngoài ra, Việt Nam phải đối mặt với vấn đề ô nhiễm nước tác động q trình thị hóa, phát triển kinh tế nhiều lĩnh vực công nghiệp, nông nghiệp, du lịch dịch vụ Hiện nay, nhiều khu vực lâm vào tình trạng thiếu nước thời điểm năm, đồng thời chất lượng nước không đáp ứng nhu cầu sinh hoạt sản xuất Giải thiếu hụt nước ô nhiễm nước vấn đề cấp bách Trên giới, giải pháp quản lý tổng hợp tài nguyên nước IWRM (Integrated water resource management) đề xuất áp dụng nhiều quốc gia (UNEP, 2018) Quan điểm IWRM phối hợp phát triển quản lý nguồn nước, đất đai tài ngun liên quan, nhằm tối đa hố lợi ích kinh tế phúc lợi xã hội không phương hại đến tính bền vững hệ sinh thái IWRM cần hình thành phát triển tảng tạo tam giác quản lý phát triển bền vững: (1) Tạo môi trường thuận lợi; (2) Khung thể chế tổ chức tham gia; (3) Công cụ quản lý (GWP, 2018) Trong đó, cơng cụ quản lý với ba hợp phần chủ yếu: (i) Đánh giá tài nguyên nước (TNN); (ii) Thông tin TNN; (iii) Công cụ phân bổ TNN (CTTKH&CN, 2015) Hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic information system), Viễn thám RS (Remote sensing) mơ hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) công nghệ ứng dụng đánh giá, thơng tin phân bổ TNN, góp phần cải thiện công tác quản lý TNN lưu vực sông nhiều quốc gia (GWP&INBO, 2009) GIS, RS SWAT nghiên cứu ứng dụng để giải vấn đề quản lý tài nguyên bảo vệ môi trường Việt Nam Tuy nhiên, chưa có cơng trình nghiên cứu mang tính hệ thống việc sử dụng tích hợp cơng nghệ GIS, RS SWAT tạo công cụ hỗ trợ IWRM với bối cảnh BĐKH Hệ thống sông Đồng Nai (SĐN) sông nội địa lớn Việt Nam, liên quan đến nhiều tỉnh, thành miền Đông Nam Bộ có thành phố Hồ Chí Minh Thượng nguồn sơng Đồng Nai phần lớn nằm địa bàn tỉnh Lâm Đồng, bắt nguồn từ cao nguyên LangBiang với độ che phủ rừng cịn nhiều, góp phần điều tiết dịng chảy, tạo nguồn tài nguyên nước tiềm giữ vai trò quan trọng an ninh nguồn nước tỉnh thành vùng hạ lưu Tuy nhiên, theo thời gian diện tích rừng bị giảm đáng kể việc mở rộng diện tích đất canh tác, phát triển thủy điện, thị hóa Khi có can thiệp người, quy luật dòng chảy tự nhiên lưu vực thay đổi, chế độ dịng chảy dịng bị tác động mạnh mẽ nhiều hồ chứa thủy điện chế vận hành hồ chuyển dòng, mâu thuẫn đối tượng sử dụng nước ngày gia tăng Đặc biệt, bối cảnh BĐKH tác động rõ nét Chính vậy, luận án lựa chọn lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai làm đối tượng nghiên cứu điển hình Xuất phát từ thực tiễn trên, tác giả tiến hành thực đề tài “Nghiên cứu ứng dụng GIS, Viễn thám SWAT quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai” Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu tổng qt Xây dựng giải pháp tích hợp cơng nghệ GIS, RS mơ hình SWAT tạo cơng cụ hỗ trợ định quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai với bối cảnh biến đổi khí hậu (BĐKH) 2.2 Mục tiêu cụ thể (i) Xây dựng sở khoa học cho giải pháp ứng dụng tích hợp cơng nghệ GIS, RS mơ hình SWAT tạo cơng cụ hỗ trợ quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) (ii) Phân tích đánh giá tác động xói mịn đất, BĐKH thay đổi sử dụng đất đến dòng chảy chất ô nhiễm, xây dựng đồ rủi ro ô nhiễm tổn thương TNN cho lưu vực thượng nguồn sông Đông Nai (iii) Đề xuất giải pháp quản lý bền vững tài nguyên nước lưu vực thượng nguồn sơng Đồng Nai thích ứng với biến đổi khí hậu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Công cụ hỗ trợ quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai dựa công nghệ GIS, RS, mơ hình SWAT - Phạm vi nghiên cứu: Tài nguyên nước mặt thuộc thượng nguồn sông Đồng Nai, liệu liên quan kết hợp với ảnh viễn thám đa thời gian (giai đoạn 1994 - 2020) để phân tích biến động lớp phủ mặt đất Chuỗi liệu khí tượng, thủy văn thu thập giai đoạn 30 năm (1984 - 2014) liệu quan trắc chất lượng nước giai đoạn năm (2012 – 2020) để đánh giá, xác định tính dễ bị tổn thương TNN giai đoạn dự báo đến năm 2030 theo kịch phát triển kinh tế - xã hội với BĐKH RCP4.5 RCP8.5 Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu đặt ra, đề tài tiến hành nội dung nghiên cứu sau: - Nội dung 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu nước quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) công cụ hỗ trợ cho IWRM lưu vực sông với bối cảnh BĐKH - Nội dung 2: Xây dựng sở khoa học cho việc phát triển giải pháp ứng dụng cơng nghệ tích hợp GIS, RS mơ hình SWAT tạo công cụ hỗ trợ cho ba hợp phần chủ yếu: (i) Đánh giá tài nguyên nước (TNN); (ii) Thông tin TNN; (iii) Công cụ phân bổ TNN - Nội dung 3: Triển khai ứng dụng GIS, RS SWAT xây dựng CSDL, đánh giá chất lượng nước lưu lượng dịng chảy, đánh giá tính tổn thương tài nguyên nước Từ đó, đề xuất giải pháp quản lý tài nguyên nước bền vững cho lưu vực thượng nguồn sơng Đồng Nai thích ứng với biến đổi khí hậu Đóng góp luận án - Nghiên cứu, đánh giá trạng chất lượng nước, quản lý khai thác TNN mặt lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai theo cách tiếp cận IWRM; - Xây dựng sở khoa học cho việc ứng dụng tích hợp GIS, RS mơ hình SWAT để tạo công cụ hỗ trợ IWRM khung phương pháp quản lý bền vững TNN lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai bối cảnh BĐKH; - Đề xuất giải pháp xây dựng sở liệu GIS phù hợp góp phần tạo công cụ cung cấp Thông tin Tài Nguyên Nước cho lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai; - Xây dựng quy trình giải pháp ứng dụng GIS, RS, SWAT đánh giá Tài Nguyên Nước, tạo giải pháp phân tích cụ thể ảnh hưởng BĐKH lớp phủ đến xói mịn, bồi lắng thay đổi dòng chảy lưu vực; - Thành lập đồ xói mịn tiềm tồn lưu vực thiết lập số tác động đến xói mịn thống nhất, góp phần tạo sở khoa học phân tích trạng đánh giá mức độ xói mịn cho tiểu lưu vực; - Nghiên cứu, xây dựng công cụ hỗ trợ Phân bổ Tài Nguyên Nước xác định số dễ bị tổn thương TNN Trong đó, phân tích cụ thể tổng lượng nước nhu cầu dùng nước tiểu lưu vực, nhằm xác định khu vực thiếu hụt hay nhiễm nước, tính dễ bị tổn thương tài nguyên nước Từ đó, xác định khu vực điểm nóng “hot spot” ưu tiên cho hành động để thực IWRM tốt hơn; - Phân tích cụ thể tác động kịch BĐKH (RCP4.5 RCP8.5) tích hợp với vấn đề phát triển kinh tế - xã hội, nhằm đề xuất biện pháp cần triển khai ưu tiên thực IWRM giải pháp thích ứng BĐKH dự báo đến năm 2030, việc quản lý phát triển bền vững lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai Ý nghĩa khoa học thực tiễn 6.1 Ý nghĩa khoa học - Luận án hệ thống hóa sở khoa học (CSKH) phương pháp xây dựng công cụ cho hệ thống hỗ trợ định liên quan đến ba hợp phần chủ yếu IWRM bao gồm: (i) Đánh giá TNN; (ii) Thông tin TNN; (iii) Công cụ phân bổ TNN - Xây dựng CSKH cho việc phát triển giải pháp ứng dụng công nghệ tích hợp GIS, RS mơ hình SWAT hỗ trợ công tác IWRM với bối cảnh BĐKH - Đề xuất giải pháp tính tốn cân nước thành lập đồ số dễ bị tổn thương tài nguyên nước, dự báo theo kịch BĐKH, góp phần hình thành CSKH áp dụng cho việc quản lý phát triển lưu vực bền vững 6.1 Ý nghĩa thực tiễn Kết luận án tạo sở góp phần phát triển bền vững lưu vực thượng nguồn sơng Đồng Nai theo hướng IWRM thích ứng với BĐKH Đồng thời, giải pháp công cụ đề xuất mở rộng áp dụng cho lưu vực có điều kiện tương tự - Bộ CSDL GIS góp phần cung cấp đầy đủ Thơng tin TNN cho lưu vực - Quy trình giải pháp ứng dụng RS giám sát biến động lớp phủ phân tích tác động Đánh giá Tài Nguyên Nước cho lưu vực sông Đồng Nai - Công cụ hỗ trợ Phân bổ Tài Nguyên Nước hình thành sở mơ hình SWAT tích hợp với liệu GIS RS cho phép nhà quản lý xác định nhanh khu vực thiếu hụt hay ô nhiễm nước, tính dễ bị tổn thương tài nguyên nước - Luận án góp phần khai thác liệu khí tượng, thủy văn thu thập 30 năm (1984 - 2014) kết hợp với liệu thu thập 49 vị trí quan trắc (giai đoạn 2012 - 2020) nhằm đánh giá tài nguyên nước phân tích chất lượng nguồn nước mặt lưu vực sơng theo trạng, dự báo đến 2030 theo kịch BĐKH RCP4.5 RCP8.5 Cấu trúc luận án Luận án bố cục sau: Phần Mở đầu trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu, đóng góp mới, ý nghĩa khoa học thực tiễn nghiên cứu Chương Tổng quan: Giới thiệu giải pháp IWRM hệ thống hóa phương pháp ứng dụng GIS, RS mơ hình tốn xây dựng công cụ cho hệ thống hỗ trợ định liên quan đến ba hợp phần chủ yếu IWRM áp dụng giới Việt Nam Chương Cơ sở khoa học phương pháp nghiên cứu: Xây dựng sở khoa học cho việc phát triển giải pháp ứng dụng cơng nghệ tích hợp GIS, RS mơ hình SWAT hỗ trợ cơng tác IWRM với bối cảnh BĐKH Chương Kết thảo luận: Trình bày kết ứng dụng GIS, RS mơ hình SWAT tạo cơng cụ quản lý hỗ trợ định IWRM cho lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai Kết luận kiến nghị: Hệ thống kết đạt theo nội dung thực luận án, phân tích ưu giải pháp đề xuất so với mục tiêu đề Từ đó, kiến nghị nghiên cứu định hướng ứng dụng kết đạt cho lưu vực có điều kiện tương tự CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Quản lý tổng hợp tài nguyên nước Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) áp dụng nhiều nước giới bắt đầu nghiên cứu cho điều kiện Việt Nam IWRM với mục tiêu cải thiện hiệu sử dụng nước (góc độ kinh tế), nâng cao tính cơng việc tiếp cận nguồn nước (góc độ xã hội hay phát triển) đạt phát triển bền vững (góc độ mơi trường) Sự kết hợp yếu tố (kinh tế - xã hội - môi trường) vấn đề trọng tâm IWRM (Butterworth et al., 2010; Grigg, 2008) Để thực IWRM hiệu cần phải có cơng cụ quản lý với 03 hợp phần: (i) đánh giá TNN, (ii) thông tin TNN, (iii) cơng cụ phân bổ TNN (WRG, 2017) IWRM địi hỏi thực sách tổng hợp theo ngành, lĩnh vực,… minh họa Hình 1.1 Hình 1.1 Quản lý tổng hợp nước theo ngành, lĩnh vực (Grigg, 2008) 1.2 GIS, Viễn thám mơ hình tốn hỗ trợ IWRM 1.2.1 Tình hình nghiên cứu giới Công nghệ GIS Viễn thám nghiên cứu ứng để nâng cao hiệu xây dựng CSDL, cập nhật nhanh liệu tạo công cụ hỗ trợ “Thông tin TNN” GIS Viễn thám ứng dụng đánh giá biến động thực phủ, thành lập đồ xói mịn, đánh giá chất lượng nước, tiềm ô nhiễm, tính dễ bị tổn ... tượng nghiên cứu: Công cụ hỗ trợ quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai dựa cơng nghệ GIS, RS, mơ hình SWAT - Phạm vi nghiên cứu: Tài nguyên nước mặt thuộc thượng. .. vậy, luận án lựa chọn lưu vực thượng nguồn sông Đồng Nai làm đối tượng nghiên cứu điển hình Xuất phát từ thực tiễn trên, tác giả tiến hành thực đề tài ? ?Nghiên cứu ứng dụng GIS, Viễn thám SWAT quản. .. hướng ứng dụng kết đạt cho lưu vực có điều kiện tương tự CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Quản lý tổng hợp tài nguyên nước Quản lý tổng hợp tài nguyên nước (IWRM) áp dụng nhiều nước giới bắt đầu nghiên cứu cho