Luận án Tiến sĩ: Mô hình viễn thám GIS đánh giá nguy cơ lũ quét sông Năng, Bắc Kạn

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Như Ngà XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN Hà Nội - 2017 ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Lê Như Ngà XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍCH HỢP VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH NGUY CƠ TAI BIẾN LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN Chuyên ngành: Bản đồ, Viễn thám và Hệ thông tin địa lý Mã số: 62 44 02 14 LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Ngọc Thạch 2. Lã Văn Chú Hà Nội - 2017 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng.

Các kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Lê Như Ngà iv LỜI CẢM ƠN Luận án được hoàn thành tại Khoa Địa lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội. Có được luận án này, tác giả xin cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn, khoa, phòng chức năng đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh. Xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS, TS.

Nguyễn Ngọc Thạch và PGS, TS. Lã Văn Chú (tên khoa học: Lã Thanh Hà), những người thầy đã định hướng khoa học và tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn Dự án “Tăng cường năng lực nghiên cứu, đào tạo về viễn thám và Hệ thông tin địa lý trong việc nghiên cứu, quản lý tai biến lũ lụt, lũ quét và trượt lở đất, nghiên cứu điển hình tại Vĩnh Phúc và Bắc Kạn” đã chia sẻ số liệu mưa, lũ quét, sử dụng đất, mưa và rừng; tài trợ chuyến đi thăm, trao đổi kinh nghiệm về quản lý thiên tai lũ quét và trượt lở đất tại Ấn Độ; Cảm ơn Ban Chỉ huy Phòng chống lụt bão và Tìm kiếm cứu nạn tỉnh Bắc Kạn và Đài KTTV Bắc Kạn đã cung cấp thông tin về tình trạng lũ quét và mưa của vùng nghiên cứu. Xin cảm ơn Viện Cơ học đã giúp đỡ và tài trợ một phần kinh phí.

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân luôn động viên, sát cánh bên tôi trong quá trình thực hiện luận án. Nếu không có sự hướng dẫn và giúp đỡ trên, luận án này đã không thể hoàn thành. Một lần nữa, xin được cảm ơn vì tất cả! Tác giả luận án Lê Như Ngà v MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vii DANH MỤC CÁC BẢNG.

ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ. xiv DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC. xvi MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của nghiên cứu.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Luận điểm bảo vệ. Đóng góp mới của luận án.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Cơ sở tài liệu thực hiện luận án. Kết cấu của luận án. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.

Khái niệm và phân loại lũ quét. Tổng quan mô hình, công cụ và phương pháp nghiên cứu lũ quét. Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét trên thế giới. Tổng quan tình hình nghiên cứu lũ quét ở Việt Nam.

Nghiên cứu lũ quét tại lưu vực sông Năng. Quan điểm, phương pháp và quy trình nghiên cứu của luận án. 37 Tiểu kết chương 1. MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT.

Cơ sở hình thành lũ quét. Phương pháp SCS xác định mưa hiệu quả. Tính toán Qmax và TQmax. Phân tích GIS.

Phân tích viễn thám. Xác định nguy cơ lũ quét. Xây dựng phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét. So sánh mô hình lũ quét của luận án với các mô hình và phương pháp nghiên cứu lũ quét khác.

67 Tiểu kết chương 2. ĐẶC ĐIỂM LŨ QUÉT VÀ CÁC NHÂN TỐ HÌNH THÀNH LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, BẮC KẠN. Vị trí địa lý. Đặc điểm kinh tế - xã hội.

Đặc điểm lũ quét. Đặc điểm điều kiện tự nhiên và ảnh hưởng tới lũ quét. 75 Tiểu kết chương 3. TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH NGUY CƠ LŨ QUÉT LƯU VỰC SÔNG NĂNG, TỈNH BẮC KẠN.

Tính toán Qmax và Tmax. Xác định vùng đồng bằng ngập lụt. Tính toán Qmax và TQmax cho vùng đồng bằng ngập lụt. Tính toán chỉ số nguy cơ lũ quét (FFPI).

Kiểm chứng mô hình. Xác định nguy cơ lũ quét. 123 Tiểu kết chương 4. 138 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

140 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. 142 LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. 142 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 150 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AHP Analytic Hierarchy Process – Quá trình phân tích phân cấp AMS American Meteorological Society – Hội Khí tượng Mỹ ANN Artificial Neural Network - Mạng trí tuệ nhân tạo ArcGIS Phần mềm GIS của ESRI, Mỹ ArcView GIS BH Điều kiện bão hòa bề mặt trước đó CN Curve Numbers – Hệ số thủy văn thực nghiệm CN CSDL Cơ sở dữ liệu DEM Digital Elevation Model – Mô hình số độ cao DGN Dạng format dữ liệu GIS của phần mềm Bentley Microstation của Mỹ DN Digital Number – Giá trị lưu trữ tại mỗi điểm ảnh DSS Decision Support System – Hệ thống hỗ trợ ra quyết định ERDAS Phần mềm viễn thám của Lica, Thụy Sỹ ESRI Environmental Systems Research Institute – Viện Nghiên cứu các Hệ thống Môi trường, Mỹ FFG Flash Flood Guidance – Hướng dẫn, cảnh báo lũ quét FFPI Flash Flood Potential Index – Chỉ số nguy cơ lũ quét GDP Gross Domestic Product – Tổng sản phẩm quốc nội GIS Geographic Information System – Hệ thống thông tin địa lý HBV Phần mềm thủy văn, Viện Khí tượng - Thủy văn Thụy Điển HECHMS, Phần mềm thủy văn - thủy lực, Bộ Quốc phòng Mỹ HECRAS IDW Inverse Distance Weighting – Trọng số nghịch đảo khoảng cách KTTV Khí tượng thủy văn LANDSAT Ảnh vệ tinh phân giải trung bình và cao của NASA, Mỹ LiDAR Light Detection and Ranging - Ảnh địa hình bằng công nghệ laser LQ Lũ quét LBĐ Lũ bùn đá MARINE Phần mềm thủy văn - thủy lực của Pháp MIKESHE Phần mềm thủy văn - thủy lực, Viện Thủy lực Đan Mạch MIKEBASIN MIKE2D,3D MODIS Ảnh vệ tinh phân phải trung bình của NASA, Mỹ NASA The National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ NDVI Normalized Difference Vegetation Index – Chỉ số thảm thực vật viii NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration – Cơ quan Hải dương và Khí tượng Mỹ NRCS National Resources Conservation Service – Cơ quan Bảo tồn Tài nguyên quốc gia Mỹ QuickBird Ảnh vệ tinh phân giải cao của DigitalGlobe, Mỹ RADAR Radio Detection and Ranging – Ảnh vệ tinh thu theo công nghệ sóng ra đa SCS Soil Conservation Services – Cơ quan Bảo tồn đất, Mỹ SOBEK Phần mềm thủy văn - thủy lực, Viện Nghiên cứu Delta Hà Lan SWAT Phần mềm thủy văn, Đại học Texas A&M Mỹ TOPMODEL Phần mềm thủy văn, Đại học Lancaster, Vương quốc Anh TRMM Tropical Rainfall Monitoring Mission – Vệ tinh quan trắc mưa nhiệt đới US NWS U.

National Weather Service – Cơ quan Khí tượng Quốc gia Mỹ USGS U. Geological Survey – Cục Khảo sát Địa chất Mỹ VBA Visual basic application – Ứng dụng viết theo mã lệnh Visual basic VT Remote sensing – Viễn thám WorldView Ảnh vệ tinh phân phải cao của DigitalGlobe, Mỹ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. Sơ đồ tổng quát của phương pháp phân tích đa biến. Sơ đồ của mô hình thủy văn – thủy lực [61].

Sơ đồ mô hình lũ quét hiện tại của NWS [47]. Quy trình tổng quát nghiên cứu của luận án. Sơ đồ tổng quát cơ sở hình thành lũ quét. Tính chất thấm, giữ nước khác nhau của cơ lý đất [84].

NDVI chỉ rõ tính chất khác nhau của lớp phủ rừng khu vực Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth và Landsat ETM). Sơ đồ đường đẳng thời gian nước di chuyển ra tới cửa lưu vực. Biểu đồ quá trình lưu lượng theo thời gian cửa lưu vực. Sơ đồ tính lưu lượng theo phương pháp đường đẳng thời [75].

Biểu đồ mô tả giá trị Qmax và TQmax. Sơ đồ xây dựng dữ liệu cho mô hình lũ quét. Dữ liệu địa hình ở dạng DEM. Hệ thống sông suối của một lưu vực (Nguồn: internet).

Sơ đồ tổng quan phân tích viễn thám. Phân bố mặt cắt dọc của lưu vực sông (Nguồn: internet). Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ V (Nguồn: internet). Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ V tại thượng nguồn xã Nhạn Môn, Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth).

Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ U (Nguồn: internet). Phân bố mặt cắt ngang của sông/suối hình chữ U tại xã Xuân La, Pắc Nậm, Bắc Kạn (Nguồn: Google Earth). Sơ đồ mô hình chồng ghép các tham số thủy văn xác định nguy cơ lũ quét. Sơ đồ khối phần mềm phân tích thủy văn GIS lũ quét.

Một phần đoạn lệnh chương trình phân tích thủy văn GIS lũ quét trong môi trường ArcGIS. Vết tích trận lũ quét ngày 31/7/2010 tại xã Mỹ Phương, huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Kạn [35]. Xuất hiện lũ quét theo tháng tại lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [15-26, 35]. Vị trí xảy ra lũ quét trên lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [15-26, 35].

Địa hình và mạng lưới thủy văn khu vực nghiên cứu ở dạng 3D. Phổ độ cao lưu vực sông Năng. Phổ độ dốc lưu vực sông Năng. Độ dốc trung bình của phụ lưu, lưu vực sông Năng.

Dân cư và hoạt động nông nghiệp ở một đoạn suối cấp 3, sông Năng thuộc xã Bằng Thành, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth). Dân cư và hoạt động nông nghiệp ở một đoạn suối cấp 1, sông Chu Hương thuộc xã Mỹ Hương, Ba Bể (Nguồn: Google Earth). Dân cư ở một đoạn sông Năng thuộc xã Bộc Bố, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth). Dân cư và hoạt động nông nghiệp ở một đoạn hạ lưu sông Năng thuộc xã Thượng Giáo, Ba Bể (Nguồn: Google Earth).

Một đoạn sông Năng thuộc xã An Thắng, Pắc Nậm (Nguồn: Google Earth). Mặt cắt ngang lòng sông Năng tại trạm thủy văn Đầu Đẳng (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường). Lưu lượng trung bình tháng tại trạm thủy văn Đầu Đẳng, năm 1972-1976 (Nguồn: Trung tâm Tư liệu Khí tượng Thuỷ văn, Bộ Tài nguyên và Môi trường). Hình dạng phụ lưu xảy ra lũ quét lưu vực sông Năng, năm 2000-2011 [35].