Ứng dụng ảnh vệ tinh giám sát bốc thoát hơi nước lớp phủ Tây Bắc Việt Nam

Tính cấp thiết của đề tài Nước là một trong các nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá mà Trái đất ban tặng cho con người, nước cũng là thành phần quyết định đến sự sinh tồn và phát triển của vạn vật trên Trái đất. Trước những thay đổi của khí hậu, nguồn tài nguyên nước cũng như các nguồn tài nguyên thiên nhiên khác đang đứng trước nguy cơ ngày càng cạn kiệt. Do vậy, chúng ta cần xây dựng chiến lược khai thác, sử dụng hiệu quả và bảo vệ nguồn tài nguyên này. Theo Allen và cộng sự 1990, Bốc hơi nước E (Evaporation) là sự trở lại của hơi nước vào trong khí quyển thông qua sự khuếch tán của các phân tử nước từ đất, thảm thực vật, khối nước và các bề mặt ẩm ướt khác.

Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi là sự thoát hơi nước của thực vật. Tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước. Nông nghiệp là một trong những ngành sử dụng nguồn nước ngọt lớn nhất. Tuy nhiên, do nguồn nước hạn chế nên các ngành nông nghiệp phải có chiến lược sử dụng tiết kiệm và tăng hiệu quả sử dụng nước trong tưới tiêu.

Một trong các giải pháp để cải thiện quản lý và tăng hiệu quả sử dụng nước chính là ước tính nhu cầu tiêu thụ nước của cây trồng và lượng nước liên quan đến sự bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration). Thông tin về ET rất quan trọng trong công tác quản lý tài nguyên nước, thông tin không gian và thời gian không chỉ xác định lượng nước mất đi do bốc hơi mà còn chỉ ra được mối quan hệ giữa sử dụng đất, phân bổ và sử dụng nước. Ở hầu hết các nơi trên thế giới, lượng bốc thoát hơi nước được xem là yếu tố quan trọng thứ hai của chu trình nước sau mưa. Vì vậy, việc ước tính chính xác lượng bốc thoát hơi nước trên quy mô lớn, cho cả khu vực là nhiệm vụ cần thiết để định hướng, đề xuất chiến lược quản lý nước phù hợp.

Thực tế, số lượng trạm quan trắc khí tượng, thủy văn xác định lượng bốc thoát hơi nước tại các tỉnh ở Việt Nam còn 2 rất hạn chế, mặt khác việc thu thập dữ liệu tại các trạm còn khá thủ công, chi phí thu thập dữ liệu cao, hiệu quả lao động thấp. Chính vì vậy, cần có các công cụ thu thập dữ liệu về khí tượng, thủy văn trên quy mô lớn với chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn. Để khắc phục các hạn chế, khó khăn của việc thu thập số liệu thủ công có thể sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc chiết xuất dữ liệu khí tượng phục vụ tính toán lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ trên quy mô lớn, chi phí giá thành rẻ, hiệu quả cao. Thực tiễn đã có nhiều mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước khác nhau đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam.

Mỗi mô hình đều có những ưu, nhược điểm và phù hợp với các điều kiện địa hình, khí hậu và thực trạng bề mặt lớp phủ. Việc lựa chọn mô hình để ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ cho khu vực cụ thể cần căn cứ vào yêu cầu dữ liệu đầu vào của các mô hình, tính ưu việt của các mô hình đó và phù hợp với trình độ khoa học công nghệ hiện tại. Tại Việt Nam, để xác định lượng bốc thoát hơi nước hiện nay thường sử dụng kết quả đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn. Số liệu đo trực tiếp có ưu điểm là số liệu đo hàng ngày, đo nhiều đợt trong ngày và dữ liệu được lưu trữ trong thời gian dài, tuy nhiên số liệu còn khá thô chưa thể cung cấp một cách chi tiết trong một khu vực rộng lớn, đặc biệt là khu vực có địa hình chia cắt, nhiều tiểu vùng khí hậu.

Mặt khác, trong thực tế hiện nay có nhiều loại dữ liệu ảnh vệ tinh, viễn thám, từ ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp và trung bình như ảnh Modis, Landsat đến các loại ảnh vệ tinh Aster, Sentinel có độ phân giải cao phủ trùm lãnh thổ Việt Nam ở các thời điểm khác nhau. Với các dữ liệu ảnh này, kết hợp với thông tin bổ trợ khác cho phép nghiên cứu mối quan hệ giữa năng lượng bức xạ mặt trời với lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh. Ngoài ra, ảnh vệ tinh viễn thám ngày càng có độ phân giải không gian và thời gian tốt hơn với nhiều ứng dụng mới và dễ tiếp cận. Chính vì vậy, rất thuận tiện cho việc ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh đặc biệt là sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong công tác ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước.

Khu vực Tây Bắc Việt Nam có địa hình núi cao và chia cắt sâu, có nhiều khối núi và dãy núi cao chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Dãy Hoàng Liên Sơn dài 3 tới 180 km, rộng 30 km, với một số đỉnh núi cao trên từ 2. Dãy núi Sông Mã dài 500 km, có những đỉnh cao trên 1. Giữa hai dãy núi này là vùng đồi núi thấp, lưu vực sông Đà, với hệ thống sông suối, thủy văn phong phú.

Trong lưu vực sông Đà còn có một dãy cao nguyên đá vôi chạy từ Phong Thổ tỉnh Lai Châu đến Thanh Hóa chia cắt hình thành các cao nguyên Tà Phình, Mộc Châu, Nà Sản và các lòng chảo như Điện Biên, Nghĩa Lộ, Mường Thanh. Do ảnh hưởng của độ cao, nền khí hậu Tây Bắc nói chung nóng hơn, số giờ nắng trung bình theo tháng thường cao hơn khu vực khác, chênh lệch nhiệt độ cao hơn 2 - 3 0C so với khu vực Đông Bắc. Ngoài ra, vực Tây Bắc chủ yếu là diện tích đất nông, lâm nghiệp với độ che phủ rừng đạt 44,7% và sự đa dạng về lớp phủ thực vật và các trạng thái rừng hỗn giao như rừng phòng hộ, đặc dụng và sản xuất. Với những đặc điểm về địa hình, khí hậu, hệ thống thủy văn và lớp phủ đặc trưng của khu vực Tây Bắc đây chính là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến lượng bốc thoát hơi nước của khu vực.

Vì vậy, việc nghiên cứu giám sát lượng bốc thoát hơi nước cho khu vực Tây Bắc là rất cần thiết đảm bảo nhu cầu nước cho cây trồng, cảnh báo hạn hán, phòng tránh thiên tai, cháy rừng. Xuất phát từ những lý do trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài luận án:“Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh”. Mục tiêu nghiên cứu Luận án đặt ra 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau: 1. Lựa chọn, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế (ETa) phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam.

Xây dựng được quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ với các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án: bốc thoát hơi nước của bề mặt lớp phủ; ảnh vệ tinh Landsat 8; mô hình SEBAL; mô hình Priestley - Taylor; năng lượng bức xạ ròng mặt trời và các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8. Phạm vi nghiên cứu + Về không gian: Nghiên cứu được tiến hành thực nghiệm tại tỉnh Hòa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam; + Về thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số a, b của mô hình Priestley-Taylor từ chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2015-2021. Thực nghiệm ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại thời điểm ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021; + Về dữ liệu ảnh vệ tinh: Nghiên cứu được thực nghiệm với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8.

Nội dung nghiên cứu của luận án Để hoàn thành mục tiêu nghiên cứu, đề tài luận án đã thực hiện các nội dung nghiên cứu sau: - Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, tổng hợp công trình nghiên cứu trong và ngoài nước, các mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh; - Cơ sở khoa học của việc ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh; - Mô hình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước với các tham số phù hợp với điều kiện điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hoà Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam; - Xây dựng quy trình giám sát lượng bốc, thoát hơi nước bề mặt lớp phủ sử dụng kết hợp mô hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor; - Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine; 5 - Xác định lượng bốc, thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley-Taylor với hệ số tuyến tính a, b tính từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp cho các thời điểm ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021, so sánh đánh giá kết quả với lượng bốc thoát hơi nước từ các trạm khí tượng thuỷ văn. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện các nội dung nghiên cứu, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp: Thu thập các dữ liệu về sách, báo các công trình nghiên cứu, niên giám thống kê, các tiêu chuẩn đã công bố liên quan đến phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ. Các dữ liệu ảnh viễn thám, số liệu quan trắc khí tượng tại các trạm khí tượng, thủy văn tỉnh Hòa Bình và các số liệu liên quan đến điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội tỉnh Hòa Bình phục vụ nghiên cứu. - Phương pháp phân tích, tổng hợp số liệu: Để đánh giá phân tích tổng quan các nghiên cứu liên quan đến lĩnh vực nghiên cứu của luận án.