(Luận án tiến sĩ) 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

LÊ HÙNG CHIẾN

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH GIÁM SÁT
SỰ BỐC - THOÁT HƠI NƯỚC CỦA LỚP PHỦ
KHU VỰC TÂY BẮC VIỆT NAM TỪ DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH

Ngành: Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
Mã số: 9.520503

Người hướng dẫn khoa học:
1.

PGS.TS TRẦN XUÂN TRƯỜNG

2.

PGS.TS DOÃN HÀ PHONG

HÀ NỘI, 2022


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Q trình nghiên
cứu được thực hiện nghiêm túc, khoa học. Số liệu và kết quả trình bày trong luận án là
chính xác, trung thực và chưa từng được cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả

Lê Hùng Chiến


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................i
MỤC LỤC................................................................................................................. ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................................................. ix
DANH MỤC HÌNH............................................................................................................................ xi
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................................. 1
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................................................... 3
3. Đối tượng nghiên cứu..................................................................................................................... 4
4. Phạm vi nghiên cứu......................................................................................................................... 4
5. Nội dung nghiên cứu của luận án.............................................................................................. 4
6. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................................... 5
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án............................................................................ 6
8. Luận điểm bảo vệ............................................................................................................................. 7
9. Những điểm mới của luận án...................................................................................................... 7
10. Cấu trúc của luận án..................................................................................................................... 8
11. Lời cảm ơn....................................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU........................................................ 9
1.1. Các khái niệm bốc thoát hơi nước......................................................................................... 9
1.1.1 Bốc hơi nước (E)........................................................................................................................ 9
1.1.2 Thoát hơi nước (T).................................................................................................................. 10
1.1.3. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration)................................................ 11
1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước....................................................... 11

1.1.5. Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation)....................13
1.1.6. Thoát hơi nước trong điều kiện tiêu chuẩn (ETc)...................................................... 14
1.1.7. Thoát hơi nước trong điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj)................................. 14
1.1.8. Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation).............................. 15
1.1.9. Mơ hình ước tính giám sát lượng bốc thốt hơi nước.............................................. 15
1.2. Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng...............15
1.2.1. Các phương pháp đo trực tiếp........................................................................................... 15
1.2.2. Các mơ hình sử dụng năng lượng bức xạ mặt trời (radiaton-based models) .. 18
1.2.3. Các mô hình kết hợp (combined models)..................................................................... 20
1.3. Các mơ hình xác ước tính lượng bốc thốt hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh .......22


iii

1.3.1. Mơ hình cân bằng năng lượng bề mặt đất SEBAL (Surface Energy Balance
Algorithms for Land) ................................................................................................
1.3.2. Mơ hình chỉ số cân bằng năng lượng bề mặt SEBI (Surface Energy Balance Index) . 25

1.3.3. Mơ hình Hệ thống cân bằng năng lượng bề mặt SEBS (Surface Energy Balance

System) ......................................................................................................................
1.3.4. Mô hình chỉ số cân bằng năng lượng bức xạ bề mặt đơn giản S-SEBI
(Simplified Surface Energy Balance Index) .............................................................
1.3.5. Mô hình về bản đồ bốc thốt hơi nước độ phân giải cao với hiệu chỉnh bên
trong METRIC (Mapping ET with Internalized Calibration) ...................................
1.4.
Các kết quả nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài ..............
1.5.
Các kết quả nghiên cứu trong nước liên quan đến lĩnh vực của đề t
1.6. Đánh giá chung về các phương pháp và mơ hình ước tính lượng bốc thốt hơi

nước từ bề mặt lớp phủ .............................................................................................
1.7. Một số vấn đề thảo luận phát triển trong luận án ...............................................
Tiểu kết chương 1......................................................................................................
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ
ƯỚC TÍNH, GIÁM SÁT LƯỢNG BỐC THỐT HƠI NƯỚC BỀ MẶT LỚP PHỦ 46

2.1. Khái quát về viễn thám ......................................................................................
2.1.1. Nguyên lý viễn thám .......................................................................................
2.1.2. Đặc tính phản xạ của thực vật .........................................................................
2.1.3. Đặc tính phản xạ phổ của nước .......................................................................
2.1.4. Đặc tính phản xạ của các đối tượng trong đô thị ............................................
2.2. Đặc điểm của ảnh vệ tinh Landsat 8 ..................................................................
2.3. Vai trò của dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc chiết xuất, tính tốn các tham

số phục vụ ước tính lượng bốc thốt hơi nước ..........................................................
2.4. Khả năng ứng dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc ước tính lượng bốc
thốt hơi nước bề mặt lớp phủ ..................................................................................
2.4.1. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng mặt trời (Rn) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat
8 ................................................................................................................................. 56

2.4.2. Xác định giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thốt hơi nước λ từ dữ liệu ảnh vệ
tinh Landsat 8 ............................................................................................................
2.4.3. Xác định hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ
hình số độ cao DEM ..................................................................................................


iv

2.4.4. Sử dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 xác định giá trị độ dốc của đường cong áp suất
hơi bão hịa (Δ).................................................................................................................................... 59

2.5. Tính giá trị của các tham số từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao phục vụ
ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp phủ............................................ 59
2.5.1. Tính giá trị năng lượng bức xạ ròng Rni từ ảnh vệ tinh Landsat 8 theo mơ hình
SEBAL.................................................................................................................................................... 59
2.5.2. Tính giá trị bức xạ rịng trung bình ngày Rnd từ Rni được tính từ ảnh vệ tinh
Landsat 8................................................................................................................................................ 66
2.5.3. Tính bức xạ rịng trung bình ngày Rnd từ số liệu khí tượng đo trực tiếp tại các
trạm quan trắc theo mơ hình FAO 56 – Penman - Monteith.............................................. 67
2.5.4. Tính giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thốt hơi nước (λ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh
Landsat 8................................................................................................................................................ 68
2.5.5. Tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và thơng

tin độ cao từ DEM.............................................................................................................................. 69
2.5.6. Tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) từ dữ liệu ảnh vệ
tinh Landsat 8....................................................................................................................................... 69
2.6. Xác định hệ số a, b của mơ hình Priestley - Taylor phù hợp với địa hình khí hậu
khu vực Tây Bắc Việt Nam............................................................................................................. 70
2.7. Đề xuất mơ hình, quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước sử dụng
kết hợp mơ hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ hình Priestley Taylor...................................................................................................................................................... 71
2.7.1. Đề xuất mơ hình ước tính giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
khu vực Tây Bắc Việt Nam............................................................................................................. 71
2.7.2. Quy trình ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước sử dụng kết hợp mơ hình
SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình Priestley - Taylor.....................72
2.8. Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước sử dụng kết
hợp mơ hình SEBAL và mơ hình Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine .. 75

2.8.1. Khái quát về Google Earth Engine.................................................................................. 75
2.8.2. Những lợi ích của Google Earth Engine trong việc xây dựng chương trình ước
tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước.................................................................................... 75
Tiểu kết chương 2............................................................................................................................... 77

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN....................................... 78
3.1. Điều kiện tự nhiên của tỉnh Hịa Bình................................................................................ 78


v

3.1.1. Vị trí địa lý................................................................................................................................ 78
3.1.2. Địa hình, địa mạo................................................................................................................... 79
3.1.3. Điều kiện khí hậu................................................................................................................... 79
3.1.4. Thủy văn.................................................................................................................................... 82
3.1.5. Thực trạng về cơ cấu tài ngun đất tỉnh Hịa Bình.................................................. 83
3.1.6. Tài nguyên nước..................................................................................................................... 84
3.1.7. Tài nguyên rừng...................................................................................................................... 84
3.2. Dữ liệu phục vụ nghiên cứu................................................................................................... 85
3.2.1. Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ hình số độ cao DEM (SRTM).................85
3.2.2. Dữ liệu khí tượng................................................................................................................... 87
3.3. Thực nghiệm xác định hệ số a, b của mơ hình Priestley – Taylor với điều kiện
địa hình, khí hậu khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc khí tượng, thủy văn
tại tỉnh Hịa Bình................................................................................................................................. 90
3.3.1 Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ rịng Rnd từ dữ liệu khí tượng, thủy văn
đo trực tiếp tại các trạm khí tượng thủy văn Hịa Bình theo mơ hình FAO 56...........91
3.3.2 Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thoát hơi nước (λ), hằng số Psychrometric
(γ), độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa (Δ) từ dữ liệu khí tượng thủy văn đo trực tiếp

tại các trạm khí tượng thủy văn Hịa Bình theo mơ hình FAO 56................................... 93
3.3.3 Kết quả tính hệ số a, b của mơ hình Priestley – Taylor với điều kiện địa hình,
khí hậu tỉnh Hịa Bình, Sơn La thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu quan trắc
khí tượng thủy văn............................................................................................................................. 95
3.4. Thực nghiệm tính lượng bốc thốt hơi nước thực tế từ bề mặt lớp phủ tại tỉnh
Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam sử dụng kết hợp mô hình SEBAL với dữ liệu

ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ hình Priestley – Taylor với hệ số a, b xác định bằng thực
nghiệm.................................................................................................................................................... 97
3.4.1. Kết quả tính giá trị năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày Rnd từ dữ liệu ảnh
vệ tinh Landsat 8 (Rnd _VT)......................................................................................................... 97
3.4.2 So sánh kết quả tính giá trị năng bức xạ rịng trung bình ngày theo mơ hình FAO
56 (Rnd_FAO) và năng lượng bức xạ rịng trung bình ngày tính từ ảnh vệ tinh Landsat

8 (Rnd_VT)........................................................................................................................................... 109
3.4.3. Kết quả tính giá trị nhiệt ẩn của q trình bốc thốt hơi nước (λ) với tham số
nhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh Landsat 8........................................................................... 114
3.4.4. Kết quả tính giá trị hằng số Psychrometric (γ) với giá trị độ cao được chiết xuất

từ DEM và dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8............................................................................... 116


vi

3.4.5. Kết quả tính giá trị độ dốc của đường cong áp suất hơi bão hòa (Δ) với tham số

nhiệt độ bề mặt được tính từ ảnh vệ tinh Landsat 8............................................................ 117
3.4.6. Tính lượng bốc thốt hơi nước thực tế ETa theo mơ hình Priestley – Taylor với

các tham số chiết xuất, tính tốn từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và giá trị độ cao từ
DEM tại tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam.......................................................... 119
3.4.7. So sánh lượng bốc thoát hơi nước thực tế đo tại các trạm khí tượng thủy văn
ETa_Đo và lượng bốc thốt hơi nước tính sử dụng kết hợp mơ hình viễn thám SEBAL

với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ hình Priestley – Taylor ETa_VT................123
3.5. Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp
phủ từ dữ liệu ảnh vệ tinh trên nền Google Earth Engine................................................ 126

3.5.1. Sơ đồ khối chương trình ước tính giám sát lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp

phủ......................................................................................................................................................... 126
3.5.2. Các giao diện chính của chương trình......................................................................... 127
Tiểu kết Chương 3........................................................................................................................... 129
KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ............................................................................................................. 131
1. Kết luận........................................................................................................................................... 131
2. Kiến nghị........................................................................................................................................ 132
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ........133
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................................ 134


1

MỞ ĐẦU
1. 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 thơng 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 thốt ra khơng 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 thốt hơi nước.

Nơng nghiệp là một trong những ngành sử dụng nguồn nước ngọt lớn nhất. Tuy
nhiên, do nguồn nước hạn chế nên các ngành nơng 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
thốt 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 cịn khá thủ cơng, chi phí thu
thập dữ liệu cao, hiệu quả lao động thấp. Chính vì vậy, cần có các cơng cụ thu thập
dữ liệu về khí tượng, thủy văn trên quy mơ 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 cơng có thể
sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc chiết xuất dữ liệu khí tượng phục vụ tính tốn
lượng bốc thốt hơi nước từ bề mặt lớp phủ trên quy mơ lớn, chi phí giá thành rẻ,
hiệu quả cao.
Thực tiễn đã có nhiều mơ hình ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước khác
nhau đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam. Mỗi mơ 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 mơ hình để ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước từ bề mặt
lớp phủ cho khu vực cụ thể cần căn cứ vào yêu cầu dữ liệu đầu vào của các mơ hình,
tính ưu việt của các mơ hình đó và phù hợp với trình độ khoa học cơng 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 cịn khá thơ 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 khơng 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
cơng 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 - Đơng Nam. Dãy Hồng Liên Sơn dài


3

tới 180 km, rộng 30 km, với một số đỉnh núi cao trên từ 2.800 đến 3.000 m. Dãy núi
Sông Mã dài 500 km, có những đỉnh cao trên 1.800 m. 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 sơng Đà cịn có một dãy cao nguyên đá vôi chạy từ Phong Thổ tỉnh Lai Châu đến
Thanh Hóa chia cắt hình thành các cao ngun Tà Phình, Mộc Châu, Nà Sản và các

lịng 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
0

khu vực khác, chênh lệch nhiệt độ cao hơn 2 - 3 C so với khu vực Đơng Bắc. Ngồi
ra, vực Tây Bắc chủ yếu là diện tích đất nơng, 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 mơ hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây
Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh”.
2.

Mục tiêu nghiên cứu
Luận án đặt ra 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau:
1.
Lựa chọn, đề xuất được mơ hình ước tính lượng bốc thốt 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.
2.
Xây dựng được quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc
thốt
hơi nước bề mặt lớp phủ với các tham số được tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 kết

hợp thơng tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam.


4

3.

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; mơ hình SEBAL; mơ hình Priestley - Taylor; năng
lượng bức xạ ròng mặt trời và các tham số được tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat 8.
4. Phạm vi nghiên cứu
+

Về không gian: Nghiên cứu được tiến hành thực nghiệm tại tỉnh Hịa Bình

khu vực Tây Bắc Việt Nam;
+

Về thời gian: Nghiên cứu thực nghiệm xác định hệ số a, b của mơ hình

Priestley-Taylor từ chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2015-2021. Thực nghiệm ước
tính, giám sát lượng bốc thốt 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.

5. 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 cơng trình nghiên cứu trong và
ngồi nước, các mơ hình ước tính lượng bốc thốt 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 thốt hơi nước từ dữ
liệu ảnh vệ tinh;
- Mơ hình ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước với các tham số phù
hợp với điều kiện điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hồ Bình
khu vực Tây Bắc Việt Nam;
- Xây dựng quy trình giám sát lượng bốc, thốt hơi nước bề mặt lớp phủ sử
dụng kết hợp mơ hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ
hình Priestley-Taylor;
- Xây dựng chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước thực tế
sử dụng kết hợp mơ hình SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ hình
Priestley-Taylor trên nền Google Earth Engine;


5

-

Xác định lượng bốc, thoát hơi nước thực tế sử dụng kết hợp mơ hình

SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ 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 thốt hơi nước từ các trạm khí tượng thuỷ văn.
6. 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 cơng 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 Hịa
Bình và các số liệu liên quan đến điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội tỉnh Hịa 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. Luận án đã sử dụng
phương pháp phân tích, tổng hợp các kết quả nghiên cứu có sử dụng các phương
pháp, mơ hình tính lượng bốc thốt hơi nước bằng phương pháp đo trực tiếp,
phương pháp sử dụng số liệu quan trắc khí tượng và mơ hình chiết xuất năng lượng
bức xạ ròng mặt trời từ dữ liệu ảnh vệ tinh trên thế giới và ở Việt Nam. Từ đó, xác
định khoảng trống và đề xuất phương pháp, mơ hình ước tính lượng bốc, thốt hơi
nước bề mặt lớp phủ phù hợp với thực tế tại khu vực Tây Bắc Việt Nam.
-

Phương pháp viễn thám: Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 được sử dụng làm

dữ liệu chính để tính tốn năng lượng bức xạ rịng mặt trời, và các tham số khác để
ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hịa Bình.
Phương pháp thực nghiệm: Luận án đã tiến hành thực nghiệm tính
lượng bốc

thốt hơi nước từ số liệu quan trắc khí tượng tại tỉnh Hịa Bình bằng các phương pháp
khác nhau (Priestley-Taylor, Makkink, Hargreaves & Samani, Turn). Thực nghiệm tính
năng lượng bức xạ rịng theo phương pháp FAO-56 và tính giá trị năng lượng bức xạ


6

rịng từ dữ liệu ảnh vệ tinh, từ đó lựa chọn được các phương pháp, mơ hình tính
lượng bốc thốt hơi nước phù hợp với thực tế điều kiện khí hậu, địa hình và lớp phủ
tại tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam.
Phương pháp so sánh: Kết quả tính năng lượng bức xạ rịng từ ảnh
vệ tinh
Landsat 8 được so sánh với kết quả tính năng lương bức xạ rịng theo tiêu chuẩn
FAO-56 từ đó phân tích đánh giá để khẳng định tính hiệu quả và khả năng áp dụng
dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 trong việc xác định năng lượng bức xạ rịng phục vụ
tính lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ. Kết quả ước tính lượng bốc thốt
hơi nước với các tham số được chiết xuất từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 được so
sánh với lượng bốc thoát hơi nước đo trực tiếp tại các trạm quan trắc để đánh giá độ
chính xác của kết quả tính. Từ đó, đề xuất được mơ hình ước tính lượng bốc thốt
hơi nước phù hợp với điều kiện tại tỉnh Hịa Bình thuộc vùng Tây Bắc Việt Nam.
Phương pháp mơ hình hóa: Kết quả nghiên cứu được xác định trên
cơ sở
lựa chọn các mơ hình, thuật tốn phù hợp và được minh họa bằng hình ảnh, bảng
biểu, biểu đồ, sơ đồ và bản đồ nhằm thể hiện rõ ràng, tương quan đa chiều các kết
quả nghiên cứu đã thực hiện.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
Có thể sử dụng kết hợp mơ hình viễn thám SEBAL với dữ liệu ảnh vệ tinh
Landsat 8 và mơ hình Priestley-Taylor để xác định lượng bốc thoát hơi nước bề mặt
lớp phủ tại tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc Việt Nam với điều kiện địa hình chia cắt

mạnh, nhiều tiểu vùng khí hậu, chênh cao lớn và bề mặt lớp phủ với nhiều các trạng
thái cây trồng khác nhau.
Các tham số phục vụ ước tính lượng bốc thốt hơi nước từ bề mặt lớp phủ
(năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày R nd, nhiệt độ bề mặt Ts, nhiệt hóa hơi tiềm
ẩn λ, hằng số Psychrometric γ, độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hịa của
khơng khí Δ) được tính trực tiếp từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và thông tin độ cao từ
DEM mà không cần sử dụng số liệu khí tượng đo trực tiếp. Tạo cơ sở khoa học cho


việc ứng dụng cơng nghệ tin học, tự động hóa trong việc ước tính, giám sát lượng
bốc thốt hơi nước của bề mặt lớp phủ.


7

Ý nghĩa thực tiễn:
Kết quả nghiên cứu của luận án là tư liệu về lý thuyết và thực nghiệm việc sử
dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao từ DEM để chiết xuất, tính tốn
các tham số phục vụ tính lượng bốc thốt hơi nước từ bề mặt lớp phủ. Giúp cho các
cơ quan quản lý về nông, lâm nghiệp, tài nguyên môi trường sử dụng nguồn nước
một cách hiệu quả, phòng tránh giảm nhẹ các thiệt hại do hạn hán, cháy rừng trong
sản xuất nông, lâm nghiệp.
Kết quả nghiên cứu của luận án đã khẳng định tính hiệu quả, khả thi của việc
sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế, rút ngắn thời
gian ước tính, giám sát lượng bốc thốt hơi nước tại tỉnh Hịa Bình khu vực Tây Bắc
Việt Nam và có thể ứng dụng rộng rãi cho các khu vực khác tại Việt Nam, mở rộng
các ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp, thủy lợi, quản lý nguồn nước.
8.

Luận điểm bảo vệ

Luận điểm 1: Giá trị của các tham số năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày

(Rnd), nhiệt ẩn q trình bốc thốt hơi nước (λ), hằng số Psychrometric (γ), độ dốc
đường cong áp suất hơi nước bão hịa (Δ) được tính tốn từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat

8 và mơ hình số độ cao (DEM) có thể thay thế các tham số được tính từ dữ liệu khí
tượng đo trực tiếp tại các trạm khí tượng, thủy văn phục vụ ước tính, giám sát lượng
bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hịa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam.
Luận điểm 2: Hệ số tuyến tính a, b của mơ hình Priestley - Taylor được xác
định bằng phương pháp thực nghiệm từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp tại các
trạm khí tượng thuỷ văn. Các tham số được tính tốn từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và mơ
hình số độ cao (DEM) sử dụng trong mơ hình, quy trình, chương trình ước tính,
giám sát lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp phủ đã đề xuất hoàn toàn phù hợp và
đảm bảo độ chính xác với điều kiện địa hình, khí hậu, bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hịa
Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam.
9.
-

Những điểm mới của luận án
Đề xuất được hệ số a, b của mô hình Priestley - Taylor phục vụ ước tính, giám

sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ phù hợp với điều kiện địa hình, khí


8

hậu và bề mặt lớp phủ với nhiều các trạng thái cây trồng khác nhau của khu vực Tây
Bắc Việt Nam.
-

Đề xuất được mơ hình, qui trình và xây dựng được chương trình ước tính,

giám sát lượng bốc thốt hơi nước lớp phủ bề mặt từ các tham số được tính tốn từ
ảnh vệ tinh Landsat 8 và thơng tin độ cao từ DEM phù hợp với điều kiện địa hình,
khí hậu và bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hịa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam khơng cần
sử dụng số liệu từ các trạm quan trắc khí tượng thủy văn.
10. Cấu trúc của luận án
Kết cấu luận án gồm các phần chính sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu
Chương 2. Cơ sở khoa học sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh phục vụ ước tính,
giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ
Chương 3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục
11. Lời cảm ơn
Quá trình học tập, nghiên cứu hoàn thiện Luận án tại Trường Đại học Mỏ Địa chất em đã nhận được rất nhiều sự chỉ bảo, giúp đỡ, tạo điều kiện của nhiều tập
thể, cá nhân và các nhà khoa học. Nhân dịp này, em xin được gửi lời cảm ơn chân
thành và lòng biết ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Mỏ - Địa chất, quý thầy cô
Khoa Trắc địa bản đồ và Quản lý đất đai, Bộ môn Đo ảnh viễn thám, Ban giám hiệu
Trường Đại học Lâm nghiệp, Viện Quản lý đất đai và PTNT, Bộ môn Trắc địa bản
đồ và GIS, các Nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Mỏ - Địa chất, gia
đình và bạn bè đồng nghiệp. Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể
giáo viên hướng dẫn PGS.TS Trần Xuân Trường, PGS.TS Doãn Hà Phong đã trực
tiếp hướng dẫn, định hướng nghiên cứu, truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm
nghiên cứu quý báu và luôn động viên về tinh thần để em hoàn thành tốt Luận án.
Trân trọng cảm ơn!

9

Chương 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Nội dung chương 1 trình bày các vấn đề khái niệm cơ bản bốc thốt hơi
nước, các phương pháp và mơ hình ước tính lượng bốc thốt hơi nước bề mặt lớp
phủ từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh, tổng quan về các cơng trình nghiên
cứu trong và ngồi nước liên quan đến ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước
bề mặt lớp phủ, đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu và xác định các vấn đề
cần thảo luận phát triển trong luận án.
1.1. Các khái niệm bốc thoát hơi nước
1.1.1 Bốc hơi nước (E)
Bốc hơi nước E (Evaporation) là quá trình mà nước lỏng được chuyển thành
hơi nước (hóa hơi) và được loại bỏ khỏi bề mặt, là cơng đoạn đầu tiên trong vịng
tuần hồn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơi nước trong khí quyển. Nguyên
nhân chính của sự bốc hơi nước là sự chênh lệch về áp suất hơi nước ở bề mặt và áp
suất của khí quyển xung quanh. Nước bốc hơi từ nhiều loại bề mặt, chẳng hạn như
hồ, sông, vỉa hè, đất trống và thảm thực vật. Tuy nhiên, sự bốc hơi phổ biến nhất
được dùng để nói tới sự mất nước từ các bề mặt của khối nước, đất trống hay từ các
đối tượng khơng có sự sống khác (Allen và cộng sự 1990).

5. Vận chuyển

4. Ngưng tụ

1. Bốc hơi


(Nguồn: Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia NOAA, Hoa
Kỳ) Hình 1.1. Vịng tuần hồn của nước

10

1.1.2 Thoát hơi nước (T)
Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thốt ra khơng khí từ bề mặt
lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khơ hạn xung
quanh nó. Q trình thốt hơi xảy ra bên trong thân, lá do sự trao đổi hơi với khí quyển
được điều khiển bởi lỗ khí khổng của lá. Gần như tồn bộ lượng nước do cây trồng hấp
thụ sẽ bị mất đi do thoát hơi nước và chỉ một phần nhỏ được sử dụng trong cây sinh
trưởng phát triển. Do đó, 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 (Allen và cộng sự 1990).

Mưa (Oc)

Thoát hơi nước
của rừng (P)

Bốc hơi nước từ bề mặt đất (q)
Thảm thực vật rừng (O)

Dòng chảy bề mặt (r)

Nước thấm qua

Dòng nước ngầm (U)

(Nguồn: Lê Anh Tuấn 2009)
Hình 1.2. Quá trình cân bằng nước khu vực có rừng
Thốt hơi thực vật là q trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ

bên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thốt vào khí quyển. Do
đó, thốt hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây. Lượng nước bốc thốt hơi từ cây
trồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển.
Thốt hơi thực vật là một q trình khơng nhìn thấy được, khi nước đang bốc hơi
trên bề mặt các lá cây, bạn khơng thể đi ra ngồi và nhìn thấy các lá cây đang bốc


11

thoát hơi. Trong mùa phát triển của cây trồng, một lá cây sẽ bốc thoát hơi nước
2

nhiều lần hơn trọng lượng của chính nó. Một mẫu Anh (tương đương 4046 m )
trồng ngơ có thể thốt hơi được khoảng 11.400 - 15.100 lít nước/ngày, và một cây
sồi lớn có thể thốt hơi được 151.000 lít nước/năm (Allen và cộng sự 1990).
Sự thoát hơi nước từ thực vật bị tác động bởi các yếu tố tương tự ảnh hưởng
đến sự bốc hơi từ các bề mặt ẩm ướt khác. Tuy nhiên, thực vật có rễ và có thể hấp
thụ được nước từ trong khối đất khi bề mặt đất quá khô để hỗ trợ quá trình bốc hơi
(Claude E. Boyd 2012).
Các khối nước luôn luôn phơi ra một bề mặt ẩm ướt cho q trình bốc hơi,
nhưng thực vật cũng có thể tăng quá trình bốc hơi từ các khối nước. Diện tích lá của
một số lồi thực vật thủy sinh nổi hoặc trơi trên mặt nước có thể lớn hơn nhiều lần
so với bề mặt nước chúng bao phủ (Claude E. Boyd 2012)
Như vậy, mặc dù lá của các loài thực vật có cơ chế để làm giảm sự bốc hơi
nước nhưng sự thoát hơi nước bởi các thảm thực vật, trạng thái rừng có thể vượt qúa
mức độ bốc hơi từ bề mặt đất thoáng.
1.1.3. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration)
Sự bốc hơi và thoát hơi nước xảy ra đồng thời và khơng có cách nào dễ dàng
để phân biệt giữa hai q trình. Ngồi lượng nước sẵn có trong lớp đất mặt, sự bốc
hơi từ đất trồng trọt chủ yếu được xác định bởi phần bức xạ mặt trời đến bề mặt đất.

Tỷ lệ này giảm dần trong thời kỳ sinh trưởng khi cây trồng phát triển và tán cây che
phủ ngày càng nhiều diện tích mặt đất. Khi cây trồng còn nhỏ, nước bị mất chủ yếu
do bốc hơi từ đất, giai đoạn cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt che phủ hoàn
toàn bề mặt đất, khi đó q trình thốt hơi nước là nguồn chính trong q trình bốc
thốt hơi nước (Allen và cộng sự 1990).
1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thốt hơi nước
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi là năng lượng bức xạ mặt
trời, độ ẩm khơng khí, nhiệt độ, vận tốc gió và thực vật bề mặt lớp phủ.
Bức xạ mặt trời và nhiệt độ có liên quan chặt chẽ với nhau và khi nhiệt độ
tăng, hàm lượng năng lượng của các phân tử nước gia tăng làm cho chúng có nhiều


12

khả năng để khuếch tán vào khơng khí. Ngồi ra, khơng khí ấm hơn có khả năng tốt
hơn để giữ hơi nước. Khơng khí ngay trên bề mặt ẩm ướt có thể nhanh chóng trở
nên bão hịa với hơi nước, nhưng gió sẽ chuyển khơng khí bão hịa đi và thay vào đó
bằng khơng khí khơ hơn vì thế q trình bốc hơi tiếp tục (Claude E. Boyd 2012).
Bức xạ mặt trời cung cấp năng lượng dẫn đến nhiệt độ bề mặt (đất, nước)
tăng lên tạo điều kiện chuyển hóa các phân tử nước từ thể lỏng sang thể hơi. Theo
cơ chế hoạt động của hệ mặt trời, dưới tác động của bức xạ mặt trời lượng nước bốc
hơi nhiều hơn về ban ngày và ít hơn vào ban đêm, mùa hè lượng bốc hơi nhiều hơn
mùa đông (Lê Anh Tuấn 2009).
Lượng bốc thoát hơi nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì
lượng bốc thốt hơi nước càng lớn, đặc biệt lượng bốc thoát hơi nước tăng lên đáng
kể trong mùa sinh trưởng phát triển của cây trồng trong điều kiện khơng khí ấm hơn
(Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ 2020).
Độ ẩm khơng khí tỷ lệ nghịch với lượng bốc hơi nước, độ ẩm không khí càng
thấp thì khả năng bốc hơi nước càng lớn và ngược lại. Vì sự chênh lệch áp suất của
của các lớp khơng khí, vào mùa khơ độ ẩm khơng khí thường thấp hơn dẫn đến áp

suất khơng khí cũng thấp dẫn đến lượng bốc hơi tăng. Vào mùa mưa độ ẩm khơng
khí đạt giá trị cực đại (bão hịa hơi nước) thì hiện tượng bốc hơi gần như khơng có
(Lê Anh Tuấn 2009).
Gió là sự thay đổi áp suất của các vùng khí quyển gây ra chuyển động của
khối khơng khí. Tốc độ gió càng mạnh càng làm tăng sự cuốn hút của các phần tử ở
bề mặt đất, nước chuyển từ thể lỏng thành thể khí và bay vào khơng trung. Gió làm
dịch chuyển khối khơng khí ẩm gần mặt đất lên cao, đẩy khối khơng khí khơ hơn từ
trên cao đến gần mặt đất dẫn đến khả năng bốc hơi tăng lên (Lê Anh Tuấn 2009).
Lượng thoát hơi nước cũng bị ảnh hưởng bởi đặc điểm cây trồng, mỗi loại cây
khác nhau sẽ có giá trị thốt hơi nước với tốc độ khác nhau. Các loại cây sống trong
vùng khơ cằn thì thốt hơi ít hơn các loại cây khác. Ví dụ cây xương rồng để giữ lại
lượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thoát hơi hơn các cây trồng khác. Lượng
thoát hơi nước được thể hiện tương ứng với diện tích lá trên một đơn vị bề mặt của


13

đất dưới nó. Khi cây trồng cịn nhỏ gần như 100% ET đến từ bốc hơi nước, trong khi

ở thời điểm sinh trưởng phát triển mạnh độ che phủ kín diện tích đất thì hơn 90%
ET đến từ thốt hơi nước (Allen và cộng sự 1990).
1.1.5. Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation)
Lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt tham chiếu (là một loại cỏ giả định để
đối chiếu, bề mặt các đặc điểm cụ thể theo tiêu chuẩn) được gọi là bốc thoát hơi
nước của cây trồng tham chiếu ký hiệu là ET 0. Khái niệm thoát hơi nước tham
chiếu được đưa ra để nghiên cứu nhu cầu bốc thốt hơi của khí quyển, độc lập với
từng loại cây trồng (Allen và cộng sự 1990).
ET0 tham chiếu là lượng bốc thoát nước qua một thảm thực vật được duy trì
độ ẩm đầy đủ trong suốt thời gian sinh trưởng. Năm 1990, Tổ chức Lương thực và
Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO ), Hội tưới tiêu Quốc tế và Tổ chức khí tượng

thế giới tổ chức một hội nghị để thống nhất phương pháp xác định lượng bốc thoát
hơi của cây trồng. Các nhà khoa học (Doorenhos và Fruit 1975) đã đưa ra khái
niệm lượng bốc thoát hơi tham chiếu (Reference evapotranspiration), viết tắt là
ET0, để chỉ khả năng bốc thoát hơi thực vật theo tiêu chuẩn hoặc điều kiện tham
khảo (tham chiếu). ET0 là lượng nước dùng để tưới cho một cây trồng là cỏ chuẩn,
trồng và chăm sóc đúng kỹ thuật, phủ đều trên tồn bộ mặt đất và được cung cấp
nước đầy đủ trong điều kiện tối ưu. Các điều kiện tham chiếu gồm: Chiều cao của
cây trồng h = 0,12m, điện trở bề mặt đất là 70 s/m, và suất phân sai bề mặt đất là
0,23.
Khi các tham số về cây trồng, điện trở bề mặt, suất phân sai bề mặt đã đảm bảo
theo tiêu chuẩn khi đó yếu tố ảnh hưởng đến ET 0 là các thơng số về khí hậu. Do đó,
ET0 là một thơng số khí hậu và có thể được tính tốn từ dữ liệu thời tiết. ET 0 thể hiện
sức mạnh bay hơi của bầu khơng khí tại một địa điểm và thời điểm cụ thể trong năm
và khơng xem xét đến các đặc tính của cây trồng và các yếu tố đất đai.

Phương pháp FAO 56 Penman - Monteith được khuyến nghị là phương pháp
duy nhất để xác định ET0 áp dụng trên toàn thế giới và được hướng dẫn cụ thể


14

trong tài liệu “sự thoát hơi nước của cây trồng - hướng dẫn tính tốn các u cầu về
nước cho cây trồng” (Allen và cộng sự 1998).
1.1.6. Thoát hơi nước trong điều kiện tiêu chuẩn (ETc)
Sự thoát hơi nước của cây trồng trong điều kiện tiêu chuẩn, được ký hiệu là
ETc, là sự thoát hơi nước từ những cây trồng sạch bệnh, được bón phân đầy đủ,
trồng trên những cánh đồng lớn, trong điều kiện nước tối ưu và đảm bảo về sản
lượng trong những điều kiện khí hậu nhất định.
Lượng nước cần thiết để bù lại lượng thoát hơi nước mất đi từ ruộng trồng
trọt được xác định là nhu cầu nước cho cây trồng. Mặc dù các giá trị về thoát hơi

nước của cây trồng và nhu cầu nước của cây trồng là giống nhau, nhưng nhu cầu
nước của cây trồng là lượng nước cần cung cấp, trong khi lượng thoát hơi nước của
cây đề cập đến lượng nước bị mất đi do thoát hơi nước.
Sự thoát hơi nước của cây trồng có thể được tính tốn từ dữ liệu khí tượng và
bằng cách tích hợp trực tiếp các yếu tố kháng cây trồng, kháng albedo và không khí
trong phương pháp Penman - Monteith. Vì vẫn cịn thiếu thông tin đáng kể về các
loại cây trồng khác nhau, nên phương pháp Penman - Monteith được sử dụng để
ước tính loại cây trồng tham chiếu (tiêu chuẩn) để xác định tốc độ thốt hơi nước
của nó, tức là ETc (Allen và cộng sự 1990).
1.1.7. Thoát hơi nước trong điều kiện khơng tiêu chuẩn (ETc adj)
Sự thốt hơi nước của cây trồng trong điều kiện không tiêu chuẩn (ETc adj) là
sự thoát hơi nước từ cây trồng được quản lý và điều kiện môi trường khác với điều
kiện tiêu chuẩn. Khi canh tác cây trồng trên ruộng, lượng thoát hơi nước của cây
trồng thực có thể bị lệch khỏi ETc do các điều kiện không tối ưu như sâu bệnh, đất
nhiễm mặn, độ phì nhiêu của đất, thiếu nước hoặc úng. Điều này có thể làm cho
cây phát triển kém, mật độ cây thấp và có thể làm giảm tốc độ thoát hơi nước theo
điều kiện chuẩn ETc.
Sự thoát hơi nước của cây trồng trong các điều kiện không tiêu chuẩn được
tính bằng cách sử dụng hệ số điều chỉnh Kc cho tất cả các loại ứng suất khác và các


15

hạn chế về mơi trường đối với sự thốt hơi nước của cây trồng (Allen và cộng sự
1990).
1.1.8. Lượng bốc thoát hơi thực tế ET (Actual evapotransporation)
Lượng thoát hơi nước qua lá trong quá trình phát triển của cây trồng cộng với
lượng bốc hơi nước qua mặt thoáng trong thời kỳ đó (Allen và cộng sự 1990).
1.1.9. Mơ hình ước tính giám sát lượng bốc thốt hơi nước
Khái niệm về mơ hình: là sự đơn giản hóa hiện thực một cách có chủ định,

cho phép các nghiên cứu bỏ qua mặt thứ yếu để tập trung chủ yếu vào các nội dung
có ý nghĩa quan trọng đối với vấn đề nghiên cứu.
Mơ hình ước tính giám sát lượng bốc thốt hơi nước: là sự ước tính, theo dõi,
quan sát lượng bốc thốt hơi nước có tính chủ động, thường xun, liên tục theo một
quy trình, mơ hình đã được xây dựng sẵn. Quy trình, mơ hình được xây dựng dựa trên
việc đề xuất có chủ định của các yếu tố chính ảnh hưởng đến lượng bốc thốt hơi nước.

1.2. Phương pháp xác lượng bốc thoát hơi nước sử dụng dữ liệu khí tượng
1.2.1. Các phương pháp đo trực tiếp
1.2.1.1 Quan trắc bốc hơi bằng ống Piche
Phương pháp quan trắc bốc hơi bằng ống Piche là phương pháp đơn giản, dễ
thực hiện, nội dung phương pháp được mô tả như sau:
Ống bốc hơi Piche là một ống thủy tinh dài từ 17 đến 30cm, đường kính 1
cm, có khắc vạch, một đầu kín, một đầu hở được đậy bằng một mặt giấy xốp trịn
mầu trắng có nẹp kim loại để giữ.
Khi sử dụng, rót nước vào ống, bịt đầu hở bằng giấy xốp rồi treo ngược ống
trong lều khí tượng, nước ngấm qua giấy thấm rồi bốc hơi.
2

Diện tích bốc hơi là 13cm , kể cả hai mặt giấy xốp. Mỗi vạch khắc lớn trên
ống ứng với 1mm nước bốc hơi, mỗi vạch khắc nhỏ là 0,1mm.
Phương pháp quan trắc: Hàng ngày quan trắc bốc hơi vào lúc 7h và 19h, ghi
lại số đọc trên ống Piche và tính lượng bốc hơi.
Lượng bốc hơi trong 12h là hiệu số giữa số đọc kỳ quan trắc này với số đọc
của kỳ quan trắc trước.


16

(Nguồn: Bộ Tài ngun Mơi trường 2012)

Hình 1.3. Ống đo bốc hơi Piche
Ví dụ: 7h số đọc thang bốc hơi là 1,2 mm; 19h số đọc thang bốc hơi là 5,7
mm. Khi đó, lượng bốc hơi từ 7h đến 19h là: 5,7 – 1,2 = 4,5 mm. Chú ý, khi đọc trị
số bốc hơi thì đọc số tại vị trí ngang mặt lõm của mực nước trong ống Piche.
Cách thay giấy thấm: Hàng ngày sau quan trắc 7h phải đổ thêm nước và
thay giấy thấm ống Piche. Sau khi đổ thêm nước, chờ cho nước thấm hết giấy rồi
đọc trị số, ghi bên cạnh số đọc lúc 7h để tính lượng bốc hơi lúc 19h. Phải giữ ống
bốc hơi Piche sạch sẽ, không cáu bẩn, dùng nước mưa, nước sạch để đổ vào ống
(Bộ Tài nguyên Môi trường 2012)
1.2.1.2. Phương pháp thủy tiêu kế (Lysimeter)
Bản chất của phương pháp thủy tiêu kế được mô tả như sau:
Thủy tiêu kế (Lysimeter) là một thiết bị dùng để xác định giá trị bốc thoát hơi
tham chiếu (ET0) của một cây trồng theo một điều kiện tưới chủ động. Bằng cách đo
thể tích nước hay trọng lượng ta có thể xác định lượng bốc thốt hơi dựa vào
phương trình cân bằng nước.