Luận án tiến sĩ: Sử dụng dữ liệu viễn thám mô phỏng dòng chảy mặt lưu vực sông Cả

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2020 luan an 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. LÊ QUANG VINH 2. PHẠM QUANG VINH HÀ NỘI, NĂM 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Bùi Tuấn Hải i luan an LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, NCS xin gửi lời cám ơn tới Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho NCS trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ. Tác giả xin trân trọng cám ơn người thầy hướng dẫn nghiên cứu khoa học PGS. Lê Quang Vinh và PGS.

Phạm Quang Vinh đã luôn dành thời gian quý báu và ít ỏi của mình để lắng nghe và đưa ra những định hướng đúng đắn. NCS cũng vô cùng biết ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy lợi đã có những đóng góp quý báu giúp NCS hoàn thiện luận án. NCS cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các đồng nghiệp tại Viện Quy hoạch Thủy lợi, đặc biệt là Phòng Quy hoạch Thủy lợi Bắc Bộ đã có những động viên, chia sẻ, giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu. Một số kết quả nghiên cứu cũng như kinh phí hoàn thiện luận án được hỗ trợ từ đề tài khoa học và công nghệ độc lập cấp Quốc gia “Nghiên cứu tính toán dòng chảy phục vụ công tác quản lý và sử dụng nguồn nước lưu vực sông Cả trên cơ sở ứng dụng các mô hình toán và công nghệ viễn thám”.

Cuối cùng, NCS xin được gửi tới những người thân trong gia đình của mình lời biết ơn sâu sắc vì sự yêu thương và ủng hộ, dành thời gian và điều kiện tốt nhất để giúp NCS hoàn thành nghiên cứu. Xin trân trọng cám ơn! ii luan an MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH. v DANH MỤC BẢNG BIỂU. vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .viii MỞ ĐẦU.

1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI .1 Tổng quan về công nghệ viễn thám .2 Tổng quan các công trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án.1 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới .2 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy.3 Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới .3 Tổng quan các công trình khoa học ở trong nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án.1 Khái quát chung .2 Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai .3 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy.4 Đánh giá chung về các nghiên cứu ở trong nước .4 Kết luận chương 1 .22 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU .1 Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu .1 Cách tiếp cận khoa học .2 Phương pháp nghiên cứu khoa học .3 Công cụ nghiên cứu.2 Địa điểm nghiên cứu .3 Quy trình nghiên cứu .4 Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả .1 Các mô hình toán đang được áp dụng trong tính toán thủy văn, thủy lực 33 iii luan an 2.2 Phân tích, lựa chọn bộ mô hình toán áp dụng cho tính toán mưa, bốc hơi và diễn toán chế độ dòng chảy trên lưu vực.5 Nghiên cứu công cụ phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám .1 Kết hợp giữa viễn thám và GIS .2 Đánh giá các phần mềm mã nguồn mở GIS trong việc phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám .3 Phân tích và lựa chọn phần mềm phục vụ công tác xây dựng và quản lý dữ liệu.6 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám .1 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa vệ tính độ phân giải cao.2 Nghiên cứu phân tích, lựa chọn dữ liệu địa hình từ nguồn dữ liệu mô hình số hóa độ cao (DEM) .3 Kết luận về phân tích, lựa chọn dữ liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả .7 Kết luận chương 2 .78 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG CẢ .1 Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh và mưa thực đo trong tính toán mưa – dòng chảy từ mô hình NAM .1 Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo .2 Thiết lập mô hình NAM với trạm mưa thực đo hiện có .3 Bố trí các trạm mưa giả định .4 Kết quả nghiên cứu mô hình NAM .5 Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu mục 3.2 Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán IFAS trong mô phỏng dòng chảy lũ lưu vực sông Cả .1 Phạm vi nghiên cứu .2 Thiết lập mô hình IFAS.3 Mô phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình IFAS.4 Kết luận về kết quả nghiên cứu mô hình IFAS .3 Kết luận chương 3 .106 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 111 iv luan an DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các ảnh vệ tinh chụp trận lũ xảy ra trên sông Kosi, Nepal vào tháng 8/2008 .1 Bản đồ lưu vực sông Cả .2 Sơ đồ trình tự các bước thực hiện nghiên cứu .3 Cấu trúc mô hình mưa dòng chảy NAM .4 Mô tả bể chứa lớp mặt (surface layer tank) .5 Mô tả bể chứa lớp chưa bão hòa (unsaturated layer tank).6 Mô tả bể chứa lớp nước ngầm (aquifer layer tank) .7 Mô tả bể chứa trong sông (river course tank).8 Nguyên lý theo dõi mưa của vệ tinh .9 So sánh khả năng nhận diện ngày mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh so với mưa trạm đo .10 So sánh khả năng nhận diện ngày không mưa của các dữ liệu mưa.

Tổng hợp khả năng nhận diện mưa và không mưa của các dữ liệu mưa vệ tính. Kết quả tính toán hệ số tương quan r của 04 dữ liệu mưa vệ tinh.13 Tương quan lượng mưa tháng tại một số trạm đo với dữ liệu mưa vệ tinh .14 So sánh tổng lượng mưa tháng trạm Tương Dương .15 So sánh tổng lượng mưa tháng trạm Hà Tĩnh .16 So sánh lượng mưa phân bố năm 2015 giữa mưa thực đo và mưa vệ tinh .17 Các dữ liệu DEM và biểu đồ phân phối dữ liệu độ cao (đơn vị: mét) .18 So sánh giá trị độ cao giữa các dữ liệu DEM (đơn vị: mét) .19 Chênh lệch cao độ vùng Đồng bằng giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với dữ liệu từ bản đồ địa hình .20 Tương quan cao độ vùng Đồng bằng giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình .21 Chênh lệch cao độ vùng Trung du giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình .22 Tương quan cao độ vùng Trung du giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình .23 Chênh lệch cao độ vùng núi giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với dữ liệu từ bản đồ địa hình .24 Tương quan cao độ vùng núi giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản đồ địa hình .1 Lưu vực các sông nhánh xây dựng mô hình NAM .2 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định từ nguồn mưa vệ tinh CHIRPS .3 So sánh dòng chảy thực tế tại Quỳ Châu và dòng chảy tính từ mô hình NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh .86 v luan an Hình 3.4 So sánh dòng chảy thực tế tại Nghĩa Khánh và dòng chảy tính từ mô hình NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh .5 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định lưu vực trạm thủy văn Mường Xén .6 So sánh dòng chảy thực tế tại Mường Xén và dòng chảy tính từ mô hình NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh .7 So sánh lưu lượng trung bình tháng nhiều năm giữa các trường hợp chỉ sử dụng mưa thực đo và có kết hợp mưa vệ tinh .8 Bản đồ địa hình lưu vực sông Nậm Nơn, thượng lưu sông Cả .9 Kết quả phân chia (a) lưu vực và (b) tiểu lưu vực Nậm Nơn .10 Bản đồ phân loại đất lưu vực sông Cả .11 Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cả .12 Số liệu (a) phân loại đất và (b) lớp phủ bề mặt đưa vào mô hình IFAS .14 So sánh lượng mưa giờ lũy tích tại các trạm đo mưa và mưa GSMAP .15 Kết quả mô phỏng trận lũ 6/2011 sau khi đã hiệu chỉnh mô hình IFAS .16 So sánh kết quả trước và sau khi hiệu chỉnh mô hình IFAS trận lũ 6/2011 .17 So sánh kết quả giữa mô phỏng và thực đo trận lũ 6/2011 .18 Hệ số tương quan mô phỏng và thực đo trận lũ 6/2011 .19 Kết quả điều chỉnh lượng mưa gây ra trận lũ từ 01-10/8 năm 2019 bằng mô hình IFAS .20 Kết quả hiệu chỉnh tham số mô hình IFAS trận lũ từ 01-10/8/2019 .21 Kết quả mô phỏng trận lũ từ 01-10/8 năm 2019 bằng mô hình IFAS.22 So sánh kết quả mô phỏng và thực đo trận lũ 01-10/8/2019 .23 Tương quan giữa mô phỏng và thực đo trận lũ 01-10/8 năm 2019 .24 Kết quả mô phỏng trận lũ từ 10/8 đến 10/9 năm 2018 mô hình IFAS .25 So sánh kết quả mô phỏng và thực đo trận lũ 10/8 đến 10/9 năm 2018 .26 Tương quan giữa mô phỏng và thực đo trận lũ 10/8 đến 10/9 năm 2018 .104 vi luan an DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng thông số lớp bề mặt.