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

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 MƠ PHỎNG DỊNG 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


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 MƠ PHỎNG DỊNG 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. PGS.TS. LÊ QUANG VINH
2. PGS.TS. PHẠM QUANG VINH

HÀ NỘI, NĂM 2020


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


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.TS. Lê
Quang Vinh và PGS.TS. Phạm Quang Vinh đã luôn dành thời gian q 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 q báu giúp NCS hồn 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 hồn thiện luận án được hỗ trợ từ đề tài
khoa học và công nghệ độc lập cấp Quốc gia “Nghiên cứu tính tốn dịng chảy phục vụ
công tác quản lý và sử dụng nguồn nước lưu vực sông Cả trên cơ sở ứng dụng các mơ
hình tốn và cơng nghệ viễn thám”. Mã số: ĐTĐL.CN-56/15.
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


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 ................... 6

1.1

Tổng quan về công nghệ viễn thám ...................................................................6

1.2 Tổng quan các cơng trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn
đề có liên quan đến đề tài luận án................................................................................7
1.2.1 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 ......................................7
1.2.2 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mơ hình tốn trong mơ phỏng
dịng chảy...............................................................................................................11
1.2.3 Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới ..........................14
1.3 Tổng quan các cơng trình khoa học ở trong nước đã nghiên cứu về những vấn
đề có liên quan đến đề tài luận án..............................................................................15
1.3.1 Khái quát chung ........................................................................................15
1.3.2 Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống
thiên tai ..................................................................................................................16
1.3.3 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mơ hình tốn trong mơ phỏng
dịng chảy...............................................................................................................17
1.3.4 Đánh giá chung về các nghiên cứu ở trong nước ......................................21
1.4 Kết luận chương 1 ............................................................................................22
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU

2.1

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG
..................................................................................................................... 24

Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu .........................................24

2.1.1 Cách tiếp cận khoa học .............................................................................24
2.1.2 Phương pháp nghiên cứu khoa học ...........................................................25
2.1.3 Công cụ nghiên cứu...................................................................................28
2.2 Địa điểm nghiên cứu ........................................................................................28

2.3

Quy trình nghiên cứu .......................................................................................30

2.4

Nghiên cứu lựa chọn mơ hình tốn mơ phỏng dịng chảy lưu vực sơng Cả ....33

2.4.1

Các mơ hình tốn đang được áp dụng trong tính tốn thủy văn, thủy lực 33

iii


2.4.2 Phân tích, lựa chọn bộ mơ hình tốn áp dụng cho tính tốn mưa, bốc hơi và
diễn tốn chế độ dịng chảy trên lưu vực. ..............................................................37
2.5 Nghiên cứu cơng cụ phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám ..................................43
2.5.1 Kết hợp giữa viễn thám và GIS .................................................................43
2.5.2 Đánh giá các phần mềm mã nguồn mở GIS trong việc phân tích, xử lý dữ
liệu viễn thám ........................................................................................................44
2.5.3 Phân tích và lựa chọn phần mềm phục vụ công tác xây dựng và quản lý dữ
liệu. ...................................................................................................................48
2.6 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám ...........................................................49
2.6.1 Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa vệ tính độ phân giải cao......................49
2.6.2 Nghiên cứu phân tích, lựa chọn dữ liệu địa hình từ nguồn dữ liệu mơ hình
số hóa độ cao (DEM) .............................................................................................66
2.6.3 Kết luận về phân tích, lựa chọn dữ liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả .77
2.7 Kết luận chương 2 ............................................................................................78
CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG
TÍNH TỐN DỊNG CHẢY LƯU VỰC SƠNG CẢ .............................................................. 80

3.1 Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh và mưa thực đo trong tính tốn mưa – dịng
chảy từ mơ hình NAM ...............................................................................................80
3.1.1 Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo ...........................80
3.1.2 Thiết lập mơ hình NAM với trạm mưa thực đo hiện có ...........................81
3.1.3 Bố trí các trạm mưa giả định .....................................................................84
3.1.4 Kết quả nghiên cứu mơ hình NAM ...........................................................85
3.1.5 Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu mục 3.1 .......................................90
3.2 Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mơ hình tốn IFAS trong mơ phỏng
dịng chảy lũ lưu vực sơng Cả ...................................................................................91
3.2.1 Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................91
3.2.2 Thiết lập mơ hình IFAS.............................................................................92
3.2.3 Mơ phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình IFAS..................................96
3.2.4 Kết luận về kết quả nghiên cứu mơ hình IFAS .......................................105
3.3 Kết luận chương 3 ..........................................................................................106
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 107
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ....................................................................... 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 111

iv


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
.......................................................................................................................................11
Hình 2.1 Bản đồ lưu vực sơng Cả .................................................................................29
Hình 2.2 Sơ đồ trình tự các bước thực hiện nghiên cứu ................................................31
Hình 2.3 Cấu trúc mơ hình mưa dịng chảy NAM ........................................................38

Hình 2.4 Mơ tả bể chứa lớp mặt (surface layer tank) ....................................................41
Hình 2.5 Mơ tả bể chứa lớp chưa bão hịa (unsaturated layer tank)..............................42
Hình 2.6 Mơ tả bể chứa lớp nước ngầm (aquifer layer tank) ........................................42
Hình 2.7 Mơ tả bể chứa trong sơng (river course tank).................................................43
Hình 2.8 Ngun lý theo dõi mưa của vệ tinh ...............................................................50
Hình 2.9 So sánh khả năng nhận diện ngày mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh so với
mưa trạm đo ...................................................................................................................56
Hình 2.10 So sánh khả năng nhận diện ngày không mưa của các dữ liệu mưa ............57
Hình 2.11. Tổng hợp khả năng nhận diện mưa và không mưa của các dữ liệu mưa vệ
tính .................................................................................................................................58
Hình 2.12. Kết quả tính tốn hệ số tương quan r của 04 dữ liệu mưa vệ tinh...............59
Hình 2.13 Tương quan lượng mưa tháng tại một số trạm đo với dữ liệu mưa vệ tinh .60
Hình 2.14 So sánh tổng lượng mưa tháng trạm Tương Dương .....................................62
Hình 2.15 So sánh tổng lượng mưa tháng trạm Hà Tĩnh ..............................................62
Hình 2.16 So sánh lượng mưa phân bố năm 2015 giữa mưa thực đo và mưa vệ tinh ..64
Hình 2.17 Các dữ liệu DEM và biểu đồ phân phối dữ liệu độ cao (đơn vị: mét) .........71
Hình 2.18 So sánh giá trị độ cao giữa các dữ liệu DEM (đơn vị: mét) .........................72
Hình 2.19 Chênh lệch cao độ vùng Đồng bằng giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER
với dữ liệu từ bản đồ địa hình ........................................................................................74
Hình 2.20 Tương quan cao độ vùng Đồng bằng giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER
với bản đồ địa hình ........................................................................................................74
Hình 2.21 Chênh lệch cao độ vùng Trung du giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER
với bản đồ địa hình ........................................................................................................75
Hình 2.22 Tương quan cao độ vùng Trung du giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER
với bản đồ địa hình ........................................................................................................75
Hình 2.23 Chênh lệch cao độ vùng núi giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với dữ
liệu từ bản đồ địa hình ...................................................................................................76
Hình 2.24 Tương quan cao độ vùng núi giữa dữ liệu SRTM, ALOS và ASTER với bản
đồ địa hình .....................................................................................................................76
Hình 3.1 Lưu vực các sơng nhánh xây dựng mơ hình NAM ........................................81

Hình 3.2 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định từ nguồn mưa vệ tinh CHIRPS ...........84
Hình 3.3 So sánh dịng chảy thực tế tại Quỳ Châu và dịng chảy tính từ mơ hình NAM
dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh ..................................86

v


Hình 3.4 So sánh dịng chảy thực tế tại Nghĩa Khánh và dịng chảy tính từ mơ hình
NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh .......................87
Hình 3.5 Các vị trí bổ sung trạm mưa giả định lưu vực trạm thủy văn Mường Xén ....88
Hình 3.6 So sánh dịng chảy thực tế tại Mường Xén và dịng chảy tính từ mơ hình
NAM dựa trên a) số liệu mưa thực đo và b) kết hợp thêm mưa vệ tinh .......................89
Hình 3.7 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 ...............................................................90
Hình 3.8 Bản đồ địa hình lưu vực sơng Nậm Nơn, thượng lưu sơng Cả ......................92
Hình 3.9 Kết quả phân chia (a) lưu vực và (b) tiểu lưu vực Nậm Nơn .........................92
Hình 3.10 Bản đồ phân loại đất lưu vực sơng Cả ..........................................................93
Hình 3.11 Bản đồ thảm phủ lưu vực sơng Cả ...............................................................94
Hình 3.12 Số liệu (a) phân loại đất và (b) lớp phủ bề mặt đưa vào mơ hình IFAS ......94
Hình 3.13 Thơng số (a) dịng chảy mặt (surface) và (b) sơng suối (river course) ........95
Hình 3.14 So sánh lượng mưa giờ lũy tích tại các trạm đo mưa và mưa GSMAP .......97
Hình 3.15 Kết quả mô phỏng trận lũ 6/2011 sau khi đã hiệu chỉnh mơ hình IFAS ......99
Hình 3.16 So sánh kết quả trước và sau khi hiệu chỉnh mơ hình IFAS trận lũ 6/2011 .99
Hình 3.17 So sánh kết quả giữa mơ phỏng và thực đo trận lũ 6/2011 ........................100
Hình 3.18 Hệ số tương quan mô phỏng và thực đo trận lũ 6/2011 .............................100
Hình 3.19 Kết quả điều chỉnh lượng mưa gây ra trận lũ từ 01-10/8 năm 2019 bằng mơ
hình IFAS ....................................................................................................................101
Hình 3.20 Kết quả hiệu chỉnh tham số mơ hình IFAS trận lũ từ 01-10/8/2019 ..........101
Hình 3.21 Kết quả mơ phỏng trận lũ từ 01-10/8 năm 2019 bằng mơ hình IFAS........102
Hình 3.22 So sánh kết quả mô phỏng và thực đo trận lũ 01-10/8/2019 ......................102

Hình 3.23 Tương quan giữa mơ phỏng và thực đo trận lũ 01-10/8 năm 2019 ............102
Hình 3.24 Kết quả mô phỏng trận lũ từ 10/8 đến 10/9 năm 2018 mơ hình IFAS .......103
Hình 3.25 So sánh kết quả mô phỏng và thực đo trận lũ 10/8 đến 10/9 năm 2018 ....103
Hình 3.26 Tương quan giữa mơ phỏng và thực đo trận lũ 10/8 đến 10/9 năm 2018 ..104

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng thông số lớp bề mặt...............................................................................41
Bảng 2.2 Bảng thơng số lớp chưa bão hịa ....................................................................42
Bảng 2.3 Bảng thông số lớp ngầm ................................................................................42
Bảng 2.4 Bảng thông số dịng chảy trong sơng .............................................................43
Bảng 2.5 Các phần mềm mã nguồn mở xây dựng cơ sở dữ liệu ...................................45
Bảng 2.6 Khoảng trống số liệu mưa thực đo tại các trạm khí tượng liên quan đến lưu
vực sơng Cả ...................................................................................................................51
Bảng 2.7 Thông tin chi tiết các số liệu mưa vệ tinh quan trọng ....................................52
Bảng 2.8 Kết quả khả năng nhận diện ngày mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh .............56
Bảng 2.9 Kết quả tính tốn khả năng nhận diện ngày không mưa của các dữ liệu mưa
vệ tinh so với mưa trạm đo ............................................................................................57
Bảng 2.10 Tổng hợp kết quả trung bình tại 12 trạm khả năng nhận diện ngày mưa và
không mưa của các dữ liệu mưa vệ tinh so với mưa trạm đo ........................................58
Bảng 2.11 Kết quả tính tương quan r mưa ngày và mưa thực đo tại 12 trạm mưa .......58
Bảng 2.12 Tổng hợp lượng mưa tháng thực đo và mưa vệ tinh tại trạm Tương Dương
và Hà Tĩnh .....................................................................................................................61
Bảng 2.13 Kết quả tính các tham số r, R2, RMSE, MAE khi so sánh lượng mưa tháng
.......................................................................................................................................63
Bảng 2.14 Danh sách dữ liệu mơ hình số độ cao (DEM) tồn cầu miễn phí ................67
Bảng 2.15 Đặc tính cơ bản của các mơ hình số độ cao SRTM, ASTER và ALOS ......68
Bảng 2.16 Bảng tổng hợp độ chênh lệch giá trị độ cao giữa các DEM ........................72

Bảng 2.17 Bảng tổng hợp tính tốn các hệ số vùng Đồng bằng ...................................73
Bảng 2.18 Bảng tổng hợp tính tốn các hệ số vùng Trung du ......................................75
Bảng 2.19 Bảng tổng hợp tính tốn các hệ số vùng núi ................................................77
Bảng 3.1 Thời đoạn tính tốn cho mơ phỏng và kiểm định mơ hình NAM..................82
Bảng 3.2 Bộ thơng số mơ hình NAM và kết quả đánh giá mô phỏng và kiểm định ....83
Bảng 3.3 Tiêu chí đánh giá chất lượng mơ phỏng từ mơ hình ......................................85
Bảng 3.4 Kết quả tính tương quan tại trạm Quỳ Châu ..................................................86
Bảng 3.5 Kết quả tính tương quan tại trạm Nghĩa Khánh .............................................87
Bảng 3.6 Kết quả tính tốn hệ số tương quan tại trạm Mường Xén .............................89
Bảng 3.7 Kết quả tính tốn LLTB tháng nhiều năm tại trạm Mường Xén ...................90
Bảng 3.8 Kết quả lưu lượng lũ trung bình ngày về hồ Bản Vẽ trước và sau khi hiệu
chỉnh mô hình IFAS cho lưu vực Nậm Nơn .................................................................98
Bảng 3.9 Kết quả lưu lượng lũ trung bình ngày về hồ Bản Vẽ giữa thực đo và mơ
phỏng bằng mơ hình IFAS cho lưu vực Nậm Nơn......................................................104
Bảng 3.10 Bộ thông số mô hình IFAS sau hiệu chỉnh và kiểm định ..........................105

vii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Advanced Land Observing Satellite (Vệ tinh quan sát trái đất tiên tiến)
Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer
(Thiết bị tiên tiến đo bức xạ phản xạ và phát xạ nhiệt trong không gian)
AVHRR:
Advanced Very High-Resolution Radiometer (Thiết bị đo bức xạ độ
phân giải cao tiên tiến)
CHDCND:
Cộng hòa Dân chủ Nhân dân
CHIRPS:
Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station (Mưa

hồng ngoại kết hợp trạm đo của nhóm hiểm họa khí hậu)
CHRS:
Center for Hydrometeorology and Remote Sensing, Univ. of
California, USA (Trung tâm Khí tượng thủy văn và Viễn thám, Đại
học California, Mỹ)
CMORPH:
Climate Prediction Center (CPC) MORPHing technique (Kỹ thuật
MORPHing của Trung tâm Dự báo Khí hậu)
DEM:
Digital Elevation Model (Mơ hình số độ cao)
DMSP:
Defense Meteorological Satellite Program (Chương trình vệ tinh khí
tượng quốc phịng)
DSM:
Digital Surface Model (Mơ hình số bề mặt)
EUMETSAT: European Organization for the Exploitation of Meteorological
Satellites (Tổ chức Khai thác Vệ tinh Khí tượng Châu Âu)
GEOS:
Geostationary Operational Environmental Satellite, USA (Vệ tinh
Hoạt động Môi trường Quỹ đạo Địa Tĩnh, Mỹ)
GIS:
Geographic Information System (Hệ thống thông tin địa lý)
GMS:
Geostationary Meteorological Satellite, Japan (Vệ tinh Khí tượng Quỹ
đạo Địa tĩnh, Nhật Bản)
GPM:
Global Precipitation Measurement (Đo lượng lượng mưa toàn cầu)
GSMAP:
Global Satellite Mapping of Precipitation (Bản đồ mưa vệ tinh toàn
cầu)

GSMaP_MVK: Global Satellite Mapping of Precipitation Microwave-IR Combined
Product (Bản đồ mưa vệ tinh tồn cầu kết hợp vi sóng – hồng ngoại)
ICHARM:
International Centre for Water Hazard and Risk Management (Trung
tâm Quốc tế về Quản lý Rủi ro và Thiên tai liên quan đến nước)
IFAS:
Integrated Flood Analysis System (Hệ thống Phân tích lũ tổng hợp)
JAXA:
Japan Aerospace Exploration Agency (Cơ quan Thám hiểm Hàng
không Vũ trụ Nhật Bản)
LISS-3:
Linear Imaging Self Scanning Sensor (Cảm biến tự qt hình ảnh
tuyến tính)
MODIS:
Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (Thiết bị đo quang
phổ hình ảnh có độ phân giải trung bình)
MTSAT:
Multifunctional Transport Satellites, Japan (Nhóm vệ tinh Giao thơng
Đa chức năng, Nhật Bản)
NAM:
Nedbør-Afstrømnings-Model (Mơ hình Nedbør-Afstrømnings)
NASA:
National Aeronautics and Space Administration, USA (Cơ quan Hàng
không và Vũ trụ Quốc gia, Mỹ)
ALOS:
ASTER:

viii

NOAA:
NSE:
PERSIANN:

SAR:
SPOT:
SRTM:
TRMM:
USGS:
WMO:

National Oceanic and Atmospheric Administration, USA (Cơ quan
Khí quyển và Đại dương Quốc gia, Mỹ)
Nash–Sutcliffe model efficiency coefficient (Hệ số hiệu quả của mơ
hình Nash-Sutcliffe)
Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using
Artificial Neural Network (Ước tính lượng mưa từ thơng tin cảm biến
từ xa bằng mạng nơ ron nhân tạo)
Synthetic Aperture Radar (Ra đa khẩu độ tổng hợp)
(French: Satellite Pour l’Observation de la Terre, “Vệ tinh Quan sát
Trái đất”)
Shuttle Radar Topographic Mission (Nhiệm vụ Đo đạc địa hình Trái
đất bằng Ra đa trên Tàu con thoi)
Tropical Rainfall Measuring Mission (Nhiệm vụ Đo lượng mưa Nhiệt
đới)
United States Geological Survey (Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ)
World Meteorological Organization (Tổ chức Khí tượng Thế giới)

ix

MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài luận án

Sơng Cả có diện tích lưu vực 27.200 km2 phân bố trên lãnh thổ hai nước Việt Nam và
Lào. Ở Việt Nam, lưu vực sơng Cả nằm trên địa giới hành chính của các tỉnh Nghệ An,
Hà Tĩnh và Thanh Hóa có tổng diện tích 17.730 km2, chiếm 65,2% tồn lưu vực. Với
nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú và đa dạng, sơng Cả có vai trị đặc biệt quan
trọng cho phát triển kinh tế - xã hội và an ninh quốc phịng đối với ba tỉnh vùng Bắc
Trung Bộ nói riêng và cả nước nói chung.
Lưu vực sơng Cả là một trong những vùng chịu ảnh hưởng nặng nề của thiên tai lũ lụt,
hạn hán và xâm nhập mặn. Hàng năm về mùa mưa, nước lũ từ thượng nguồn đổ về gây
lũ quét và sạt lở đất các khu vực trung du miền núi, làm ngập lụt các thung lũng và vùng
hạ lưu, làm tổn thất sinh mạng và tài sản của nhân dân. Về mùa khô, dưới tác động của
biến đổi khí hậu cùng với nhiều nguyên nhân khác khiến cho dịng chính sơng Cả cùng
các phụ lưu thường bị cạn kiệt, nước mặn xâm nhập sâu vào trong đất liền lên tới hàng
chục cây số. Các tác động nói trên đã và đang ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định
và phát triển kinh tế - xã hội của các tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh.
Nghiên cứu quá trình hình thành dịng chảy trên lưu vực sơng Cả, nhất là vùng thượng
nguồn có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên
tai cho khu vực hạ du. Tuy nhiên do phần lớn vùng thượng lưu với 34,8 % diện tích lưu
vực, nơi hình thành dịng chảy hạ du nằm bên nước bạn Lào khơng có số liệu hoặc có
rất ít số liệu phục vụ nghiên cứu, trong đó mưa là dữ liệu quan trọng nhất lại khơng có.
Thơng thường việc tính tốn, đánh giá dòng chảy phục vụ hỗ trợ quản lý nguồn nước
trên lưu vực sông vẫn chủ yếu dựa trên kết quả tính tốn của các mơ hình thủy văn, thủy
lực truyền thống với đầu vào là các số liệu thực đo tại các trạm quan trắc có mật độ thưa
và thời gian đo không dày, không liên tục. Trong tính tốn, phân tích đánh giá dịng chảy
và nhu cầu nước, các yếu tố về thảm phủ bề mặt lưu vực, lượng mưa, … đóng vai trị

quan trọng hàng đầu. Từ trước đến nay, việc xác định lượng mưa và bốc hơi, chất lượng
và đặc tính thảm phủ bề mặt lưu vực được thực hiện bằng phương pháp đo trực tiếp
ngồi thực địa. Cơng việc này địi hỏi một khối lượng cơng việc và nguồn kinh phí tương
1


đối lớn và chỉ thu được các giá trị tại những điểm được đo, thường không giải quyết
những biến đổi không gian rộng lớn và thời gian kéo dài.
Trong những năm gần đây, công nghệ viễn thám đang được nghiên cứu ứng dụng rộng
rãi trong hầu hết mọi lĩnh vực trong đó có quy hoạch thủy lợi và phịng chống thiên tai.
Một trong những thế mạnh của công nghệ viễn thám là cung cấp số liệu chi tiết và tương
đối chính xác sự biến động của yếu tố tự nhiên và xã hội các lưu vực sông theo không
gian và thời gian, khơng phân biệt đó là sơng nội địa hay sông xuyên biên giới. Nghiên
cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với các công nghệ phù hợp trong dự báo khí
tượng, thủy văn, dịng chảy và quy hoạch thủy lợi, phịng chống thiên tai các lưu vực
sơng là một giải pháp hữu ích nhằm khắc phục tình trạng thiếu các tài liệu thực đo đang
được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Vì những lý do nêu trên, đề tài luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám
trong mơ phỏng dịng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên
tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả” được đề xuất là rất cần thiết.
2.

Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu, khai thác, phân tích lựa chọn dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp để bổ sung
thêm trạm mưa giả định cho các khu vực trên lưu vực còn thiếu trạm đo và thiếu tài liệu
mưa thực đo, bổ sung số liệu mưa tháng cho các trạm đo không liên tục nhằm nâng cao
độ tin cậy trong tính tốn dịng chảy phục vụ quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai.
- Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám (dữ liệu mưa vệ tinh và dữ liệu mơ hình số độ
cao DEM) trong mơ phỏng dịng chảy mặt cho lưu vực sơng Cả, đặc biệt là mơ phỏng

dịng chảy xun biên giới cho phần thượng lưu có phần lớn diện tích nằm ở nước
CHDCND Lào khơng có tài liệu mưa thực đo.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phịng chống
thiên tai ở lưu vực sơng nói chung và sơng Cả nói riêng.
b) Phạm vi nghiên cứu:
- Về không gian: Vùng nghiên cứu là lưu vực sơng Cả, trong đó tập trung nghiên cứu
cho hai nhánh sông xuyên biên giới nằm ở thượng lưu là Nậm Mô và Nậm Nơn.
2


- Về thời gian: Nghiên cứu mơ phỏng q trình dịng chảy trên lưu vực sơng Cả từ năm
1982 đến 2019, trong đó mơ phỏng dịng chảy lũ từ năm 2011 đến 2019. Phân tích lựa
chọn dữ liệu mưa vệ tinh tập trung cho ba năm từ 2015 đến 2017.
4.

Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

a) Hướng tiếp cận nghiên cứu:
Đề tài luận án lựa chọn các hướng tiếp cận khoa học sau đây:
i) Tiếp cận hệ thống:
Phương pháp tiếp cận từ nghiên cứu lý thuyết đến nghiên cứu điển hình; từ nghiên cứu
tổng quan đến nghiên cứu chi tiết từng nội dung cụ thể. Đây là cách tiếp cận cơ bản và
xuyên suốt trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài luận án.
ii) Tiếp cận kết hợp nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết:
Tiếp cận nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp khoa học phân tích xử lý, lựa chọn

các tài liệu, dữ liệu, cơng cụ nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án đã điều tra thu thập
được. Tiếp cận nghiên cứu lý thuyết là cách thức sử dụng các số liệu, dữ liệu đã được
phân tích, xử lý trong nghiên cứu thực nghiệm đưa vào các mơ hình tốn đã chọn để
tính tốn mơ phỏng các q trình vật lý hình thành dòng chảy.
Nội dung cụ thể của các hướng tiếp cận nghiên cứu nói trên sẽ được trình bày và làm rõ
hơn trong chương 2 của luận án.
b) Phương pháp nghiên cứu:
Luận án sẽ sử dụng các phương pháp nghiên cứu khoa học sau đây:
i) Phương pháp kế thừa:
Phương pháp phân tích kết quả nghiên cứu của các cơng trình khoa học đã cơng bố có
liên quan đến đề tài để từ đó xác định được những vấn đề có thể kế thừa sử dụng, những
vấn đề khoa học cần tiếp tục nghiên cứu giải quyết. Phương pháp này được sử dụng để
nghiên cứu tổng quan các cơng trình khoa học cơng nghệ có liên quan đến đề tài luận
án được nêu tại chương 1 và lựa chọn công cụ nghiên cứu nêu tại chương 2.
ii) Phương pháp điều tra, thu thập số liệu, tài liệu:
Phương pháp điều tra thu thập các cơng trình khoa học và cơng nghệ đã cơng bố liên
quan đến đề tài, các tài liệu về điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội và các dữ liệu viễn

3


thám có liên quan đến mưa và dịng chảy trên lưu vực sông Cả. Phương pháp này được
sử dụng để thực hiện các nghiên cứu nêu tại chương 1 và lựa chọn công cụ nghiên cứu,
dữ liệu phục vụ nghiên cứu nêu tại chương 2.
iii) Phương pháp phân tích thống kê:
Các tài liệu đã điều tra, khảo sát thu thập được nêu ở mục ii) trước khi sử dụng để nghiên
cứu, tính tốn theo mục tiêu nghiên cứu được xử lý thận trọng bằng cách phân loại, hệ
thống hóa, thống kê tốn học và bằng máy tính. Phương pháp này được sử dụng để phân
tích, đánh giá và so sánh lựa chọn các dữ liệu viễn thám phù hợp cũng như các dữ liệu
thực đo phục vụ nghiên cứu, tính tốn dịng chảy, nêu tại chương 2 và chương 3.

iv) Phương pháp mơ hình tốn:
Phương pháp nghiên cứu ứng dụng các mơ hình tốn kết hợp các dữ liệu viễn thám phục
vụ mơ phỏng dịng chảy mặt lưu vực sơng Cả, được trình bày ở chương 3.
v) Phương pháp hội thảo và xin ý kiến chuyên gia:
Tổ chức một số buổi hội thảo khoa học và xin ý kiến từ các chun gia, các nhà khoa có
liên quan giúp hồn thiện và nâng cao chất lượng luận án. Phương pháp này được sử
dụng ở hầu hết các chương và nội dung chính của luận án.
5.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu

a) Ý nghĩa khoa học:
Bổ sung phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám và sử dụng dữ liệu viễn thám kết
hợp với mơ hình tốn trong mơ phỏng dịng chảy mặt trên lưu vực sơng Cả phục vụ quy
hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai.
b) Ý nghĩa thực tiễn:
Luận án đề xuất được phương pháp xử lý, sử dụng dữ liệu từ viễn thám cho những vùng
khơng có số liệu hoặc khơng đủ số liệu trong mơ phỏng dịng chảy phục vụ quy hoạch
thủy lợi và phịng chống thiên tai các lưu vực sơng nói chung và lưu vực sơng Cả nói
riêng, đáp ứng u cầu phát triển kinh tế - xã hội.
6.

Đóng góp mới của luận án

a) Xác định được dữ liệu viễn thám phù hợp trong số các dữ liệu mưa vệ tinh có độ phân
giải cao CHIRPS, GSMAP, GPM, CMORPH và dữ liệu mơ hình số độ cao ALOS,

4

ASTER, SRTM để nghiên cứu bổ sung thêm trạm đo mưa giả định, bổ sung thêm số
liệu mưa tháng cho các khu vực còn thiếu trạm đo mưa, hoặc thiếu tài liệu mưa thực đo
nhằm nâng cao độ tin cậy trong tính tốn, mơ phỏng dịng chảy phục vụ quy hoạch thủy
lợi và phịng chống thiên tai lưu vực sơng Cả.
b) Làm rõ thêm được phương pháp sử dụng các dữ liệu mưa vệ tinh và mơ hình số độ
cao (DEM) làm số liệu đầu vào cho các mơ hình thủy văn thơng số tập trung MIKE
NAM và mơ hình thủy văn phân bố IFAS để tăng độ chính xác trong mơ phỏng dịng
chảy cho lưu vực sơng Cả, đặc biệt mơ phỏng dịng chảy xun biên giới hai nhánh sơng
Nậm Mơ và Nậm Nơn với phần lớn diện tích lưu vực nằm ở nước bạn Lào.
7.

Bố cục của luận án

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án gồm 03 chương chính sau:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch
thủy lợi và phịng chống thiên tai
Trình bày tổng quan các nghiên cứu về ứng dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch
thủy lợi và phòng chống thiên tai trên thế giới và Việt Nam. Phân tích, đánh giá chỉ ra
những tồn tại của nghiên cứu đã có, từ đó dẫn dắt tới các vấn đề mà luận án tập trung
hướng tới để thực hiện.
Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và số liệu sử dụng trong nghiên cứu
Xác lập các cơ sở khoa học, thực tiễn trong đó có cơ sở lý thuyết, phương pháp nghiên
cứu lựa chọn các dữ liệu viễn thám và công cụ phục vụ nghiên cứu tính tốn dịng chảy
cho lưu vực sơng Cả.
Chương 3: Kết quả nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong tính tốn dịng chảy lưu
vực sơng Cả
Trình bày các kết quả trong nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy
lợi và phòng chống thiên tai lưu vực sơng, bao gồm q trình lựa chọn, xử lý, sử dụng
dữ liệu từ viễn thám cho những vùng khơng có số liệu hoặc khơng đủ số liệu cho nghiên
cứu ứng dụng mơ hình thủy văn, thủy lực tính tốn dịng chảy cho lưu vực sơng Cả.

5


CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG

DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG
CHỐNG THIÊN TAI
1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám
Ngày 4/10/1957 vệ tinh nhân tạo “Sputnik” đầu tiên của loài người được Liên Xơ phóng
lên quỹ đạo trái đất. Mặc dù chỉ có 3 tháng tồn tại trong khơng gian nhưng vệ tinh này
đã chuyển về cho con người rất nhiều thông tin bề mặt trái đất bằng tín hiệu radio đã
được mã hóa. Những năm tiếp theo sự kiện lịch sử này, hàng loạt các vệ tinh nhân tạo
khác đã được nhiều cường quốc vũ trụ phóng lên quỹ đạo xung quanh trái đất với các
mục tiêu và nhiệm vụ khác nhau. Sau ngày 20/7/1969 cuộc tranh đua giữa hai cường
quốc vũ trụ là Liên Xô và Mỹ đưa người đầu tiên lên mặt trăng ngã ngũ, cùng với công
nghệ chế tạo và khai thác vệ tinh nhân tạo không ngừng tiến bộ, các cường quốc vũ trụ
và các nhà khoa học bắt đầu đầu tư nghiên cứu chế tạo vệ tinh viễn thám phục vụ riêng
cho các mục đích phát triển kinh tế - xã hội. Năm 1972, lần đầu tiên vệ tinh viễn thám
Landsat đã cung cấp các bức ảnh rõ nét về bề mặt trái đất. Năm 2011, Đại hội đồng Liên
Hiệp Quốc (LHQ) đã thông qua Nghị quyết lấy ngày 12/4 hằng năm là Ngày quốc tế
con người bay vào vũ trụ. Nghị quyết do Nga đề xuất nhằm kỷ niệm 50 năm nhà du
hành vũ trụ Yuri Gagarin thực hiện chuyến bay đầu tiên của con người vào vũ trụ (124-1961).
Viễn thám là khoa học nghiên cứu thu thập thông tin về các sự vật và hiện tượng trên bề
mặt trái đất từ khoảng cách xa thông qua các thiết bị công nghệ đo đạc đặc biệt lắp đặt
trên các vệ tinh quan sát bề mặt trái đất. Theo F. F. Sabins (2007) [1] , viễn thám là môn
khoa học nghiên cứu đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng hoặc hiện tượng bằng
cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp giữa các bức xạ điện từ (các

loại tia sáng) với đối tượng hoặc hiện tượng nghiên cứu.
Trong hơn 60 năm qua, công nghệ viễn thám không ngừng tiến bộ, số lượng vệ tinh viễn
thám ngày càng tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại (đa phổ, siêu phổ, radar, quang
học), đa dạng về kích thước (micro, vệ tinh nhỏ, vệ tinh), đa dạng về quỹ đạo (quỹ đạo
thấp, quỹ đạo cực, quỹ đạo đồng bộ mặt trời) và đang có xu hướng phát triển thành các
chùm vệ tinh … Phạm vi ứng dụng của công nghệ viễn thám cũng không ngừng được

6


mở rộng. Đến thời điểm hiện nay, công nghệ viễn thám được ứng dụng nhiều trong các
lĩnh vực chính sau đây:
- Dự báo thời tiết và dự báo thiên tai thông qua sự biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất, sự
di chuyển, nhiễu động của các đám mây và các khối khí quyển bao phủ bề mặt trái đất.
- Quản lý tài nguyên nước và chất lượng các nguồn nước trên các vùng lãnh thổ, đặc
biệt trên các lưu vực sơng thơng qua q trình biến đổi của các yếu tố khí tượng, thời
tiết và thảm phủ và các nguồn chất thải trên bề mặt lưu vực.
- Quản lý đất đai thơng qua giám sát q trình cơng nghiệp hóa và đơ thị hóa, q trình
sa mạc hóa, q trình sạt lở và bồi tụ đất trên các lưu vực sơng, q trình bồi lấn hoặc
xâm thực bờ sơng, bờ biển, …
- Xây dựng các loại bản đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội.
Viễn thám có thể quan sát được các khu vực rộng lớn trên bề mặt trái đất, một mặt nó
cung cấp nhiều số liệu hơn so với các trạm quan trắc số liệu riêng lẻ, ví dụ như đánh giá
lưu lượng và trữ lượng trên phạm vi lưu vực, và mặt khác có thể thu được cơ sở dữ liệu
chung của thơng tin so sánh liên quốc gia. Do q trình lặp lại của các quan sát cho phép
tạo ra một chuỗi thời gian của các thông số quan sát được và kết quả là tăng cường khả
năng trong phân tích, giám sát và dự báo sự phát triển của hiện tượng, tạo thuận lợi cho
quản lý tài nguyên nước.
1.2 Tổng quan các cơng trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những
vấn đề có liên quan đến đề tài luận án

1.2.1 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
1.2.1.1 Khái quát chung
Theo Engman và cộng sự (2000) [2] các dữ liệu liên quan đến thủy văn và địa chất trên
bề mặt trái đất được quan sát bằng viễn thám khi sử dụng cùng với các dữ liệu đo đạc
tại chỗ có thể tạo ra các kho dữ liệu quan trọng để nghiên cứu các nguồn nước mặt và
nước ngầm, cung cấp các số liệu đầu vào quan trọng cho các mô hình (thảm phủ, địa
hình, địa mạo, ...) hoặc cho việc thu nhận các thông số sinh học, địa vật lý (chất lượng
nước và nhiệt độ, độ ẩm đất, ...). Theo Bastiaanssen và cộng sự (1998) [3] công nghệ
viễn thám đã và đang được ứng dụng trong tính tốn lượng mưa, bốc thoát hơi tiềm

7


năng, nhu cầu nước của cây trồng, theo dõi độ ẩm đất, ước lượng diện tích, thành lập
bản đồ khu tưới… Công nghệ viễn thám cũng được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu
q trình hình thành dịng chảy, lũ lụt và hạn hán trên các lưu vực sơng. Q trình xử lý
dữ liệu viễn thám thường được thực hiện trong các phần mềm GIS. Bastiaanssen và
Prathapar (2000) [4] chỉ ra lợi ích sử dụng dữ liệu viễn thám trong quản lý tài nguyên
nước đối với các sông quốc tế. Thông tin viễn thám có sẵn cho tất cả các bên có thể giúp
tạo sự đồng thuận về các điều kiện lưu vực - từ thượng nguồn đến hạ nguồn các lưu vực
sông. Thông tin về lưu vực và việc xây dựng cơ sở dữ liệu dùng chung sẽ kích thích cho
sự hợp tác quốc tế giữa các quốc gia cùng chia sẻ một lưu vực sông quốc tế.
1.2.1.2 Một số cơng trình nghiên cứu đã triển khai ứng dụng tại Châu Phi
Năm 2002 Ủy ban Vệ tinh Quan sát Trái đất (CEOS) bắt đầu triển khai Sáng kiến TIGER
như là một hành động cụ thể thực hiện Nghị quyết của Hội nghị thượng đỉnh thế giới về
phát triển bền vững tổ chức tại Johannesburg (Nam Phi). Sáng kiến này nhằm hỗ trợ các
nước châu Phi khắc phục các vấn đề phải đối mặt trong thu thập, phân tích và phổ biến
các thông tin địa lý liên quan đến tài nguyên nước bằng cách khai thác những lợi thế của
công nghệ viễn thám. Theo Diego and Francesco (2007) [5], giai đoạn đầu triển khai

sáng kiến TIGER đã thực hiện thành công 50 dự án, tập trung chủ yếu vào tình trạng tài
nguyên nước ở Châu Phi và quản lý tài nguyên nước tổng hợp (IWRM) khai thác dữ
liệu quan sát trái đất do ESA cung cấp. Dưới đây là một số dự án điển hình đã được thực
hiện thành cơng ở Châu Phi theo sáng kiến TIGER:
- Dự án AQUIFER quan sát trái đất trong việc hỗ trợ quản lý tài nguyên nước ngầm chia
sẻ giữa các quốc gia ở Châu Phi.
- Triển khai hệ thống tổng hợp hỗ trợ ra quyết định (IDSS) cho lưu vực Souss-Massa
(Ma-rốc).
- Mơ phỏng dịng chảy và quản lý hồ chứa cho lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc).
- Đóng góp của dữ liệu quan sát trái đất trong việc xác định và quản lý những nguy cơ
liên quan đến địa chất thủy văn ở hồ Nyos (Tây Cameroon).
- Xây dựng bản đồ sử dụng đất (độ bao phủ đất) cho lưu vực sơng Kuils- Eerste (Phía
Tây Cape) thông qua cách tiếp cận sử dụng công nghệ viễn thám và GIS.
- Dự án WADE ESA TIGER: sử dụng dữ liệu SAR xác định phần diện tích nước mặt
và các thông số liên quan lưu vực sông Niger (Niamey Area).
8


- Sử dụng hình ảnh ENVISAT ASAR và SPOT khu vực phía Đơng của Ghana để giám
sát các hồ chứa nhỏ.
- Sử dụng ảnh ENVISAT ASAR để nhận dạng lũ lụt ở đồng bằng sông Okavango.
- Xác định độ ẩm đất từ Synthetic Aperture Radar (SAR) cho các ứng dụng khí tượng
thủy văn ở Cộng đồng Phát triển miền Nam châu Phi.
1.2.1.3 Một số cơng trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng tại Ấn độ
Số liệu đầu vào từ viễn thám đã góp phần quan trọng trong quản lý, quy hoạch và quản
lý tài nguyên nước tại Ấn Độ. Các lĩnh vực chính được ứng dụng gồm giám sát cơ sở hạ
tầng thủy lợi, dự báo dòng chảy do tuyết tan, đánh giá tài nguyên nước theo lưu vực, dự
báo lũ và mơ hình ngập lụt, giám sát diện tích mặt nước ao hồ, nghiên cứu lũ gây ra bởi
hồ băng (GLOF), đánh giá hoạt động cơng trình thủy lợi, tổn thất dung tích hồ chứa,
quy hoạch phát triển lưu vực sơng và nghiên cứu các mơ hình thủy văn. Có thể kể đến

một số ứng dụng của viễn thám và GIS trong quản lý tài nguyên nước ở Ấn Độ như sau:
- Công nghệ tự động xác định, trích xuất dữ liệu mặt nước từ dữ liệu viễn thám lấy từ
các vệ tinh Resourcesat-1 / Resourcesat-2 AWiFS / Liss III và tính tốn thơng qua một
thuật tốn. Từ các đặc tính quang phổ, thuật tốn giúp chuyển đổi sang các mối quan hệ
toán học giữa tỷ lệ và ngưỡng các lớp quang phổ nhìn thấy cùng các kết hợp khác trong
mối quan hệ giữa bốn lớp dữ liệu quang phổ Green, Red, NIR và SWIR.
- Dự án sử dụng dữ liệu vệ tinh CARTOSAT để đánh giá hiện trạng và tiềm năng phát
triển thủy lợi. Dữ liệu viễn thám từ các vệ tinh CARTOSAT 1 và CARTOSAT 2 tạo cơ
sở dữ liệu mạng lưới kênh rạch và cơ sở hạ tầng thủy lợi khác, giúp đánh giá khách quan
tình trạng vật lý của các hệ thống này tại thời điểm nhất định (như trên ngày thu thập dữ
liệu vệ tinh). Các dữ liệu vệ tinh cũng được sử dụng để chuẩn bị tiến độ xây dựng các
hệ thống thủy lợi, xác định khoảng trống chưa có cơ sở hạ tầng thủy lợi, giúp phát hiện
và xử lý các tắc nghẽn trong quá trình triển khai dự án.
1.2.1.4 Một số cơng trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng trên lưu vực sông
Mê Công và Ủy hội sông Mê Công quốc tế
Ủy hội sông Mê Công quốc tế (MRC) là cơ quan liên chính phủ gồm 4 thành viên là các
nước nằm ở khu vực hạ lưu sông Mê Công gồm Việt Nam, Campuchia, Lào và Thái
Lan. Trung Quốc và Myanna nằm ở phía thượng lưu là các quốc gia đối tác. MRC có
nhiệm vụ thúc đẩy và điều phối hoạt động phát triển và quản lý bền vững tài nguyên
9


nước và các tài ngun liên quan vì lợi ích chung của các quốc gia thành viên và phúc
lợi của người dân. Đến nay MRC đã triển khai nhiều dự án nghiên cứu sử dụng dữ liệu
viễn thám trong quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Mê Công. Một trong những dự
án điển hình của MRC là nghiên cứu ứng dụng khung mơ hình hệ thống đánh giá cực
đoan thủy văn khu vực (RHEAS) để đưa ra các dự báo, cảnh báo về hạn hán và năng
suất cây trồng cho các nước hạ lưu sông Mê Công. RHEAS sử dụng dữ liệu viễn thám
như mưa vệ tinh CHIRPS, dữ liệu nhiệt độ và gió của NCEP, độ ẩm đất SMAP / SMOS,
các sản phẩm dự báo theo mùa NMME ở độ phân giải 0,250 bao phủ toàn bộ hạ lưu lưu

vực sông Mê Công [6]. Ibrahim và cộng sự (2018) [7] đã sử dụng dữ liệu quan sát từ vệ
tinh và mơ hình hóa để nghiên cứu sự biến đổi dịng chảy của lưu vực hạ lưu sơng Mê
Cơng. Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng mơ hình SWAT kết hợp với dữ
liệu mưa vệ tinh TRMM và GPM cùng dữ liệu mơ hình số độ cao DEM để định lượng
mức độ nhạy cảm của sự thay đổi dịng chảy ở hạ lưu sơng Mê Cơng đối với những tác
động do con người ở thượng nguồn. Kết quả cũng chỉ ra sự hữu ích của việc sử dụng dữ
liệu viễn thám trong mơ phỏng dịng chảy hạ lưu sông Mê Công.
1.2.1.5 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong dự báo lũ và hạn chế tác hại
của lũ lụt trên thế giới
Dự báo lũ và đánh giá tình hình ngập lũ là một trong những ưu điểm nổi bật trong ứng
dụng công nghệ viễn thám. Điều kiện thời tiết xấu thường gắn liền với lũ lụt, ngập úng
và sạt lở đất khiến cho việc tiếp cận đánh giá các khu vực bị ngập lũ là cực kỳ khó khăn.
Viễn thám sẽ giúp khắc phục những hạn chế này. Thông qua việc lựa chọn các cảm biến
và các nền tảng thích hợp, cơng nghệ viễn thám có thể cung cấp các ước tính chính xác
và kịp thời khu vực ngập lụt, thiệt hại do lũ lụt và các khu vực nguy cơ bị ngập lụt.
Một trong những nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật viễn thám và GIS về lũ có thể kể đến
cơng trình của Mateeul Haq và cộng sự (2012) [8]. Các tác giả này đã ứng dụng rất thành
công kỹ thuật viễn thám và GIS trong việc giám sát lũ lụt và đánh giá thiệt hại do lũ lụt
gây ra ở tỉnh Sindh, Pakistan. Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu MODIS Aqua và ảnh Terra
của tỉnh Sindh của Pakistan trong thời kỳ lũ lụt là dữ liệu đầu vào chính để xây dựng
bản đồ ngập lụt và đánh giá thiệt hại do lũ với sự giúp đỡ của công cụ đánh giá GIS. Kết
quả nghiên cứu này có thể được sử dụng như là hướng dẫn cho sử dụng viễn thám và
GIS để nâng cao hiệu quả của giám sát và quản lý thiên tai lũ lụt.

10


(a)
(b)
(c)

Hình 1.1 Các ảnh vệ tinh chụp trận lũ xảy ra trên sông Kosi, Nepal vào tháng 8/2008
(a) ảnh IRS P6 LISS-3 chụp ngày 25/10/2008 (b) ảnh IRS P6 LISS-4 chụp ngày
5/1/2009 (c) ảnh IRS P6 LISS-4 chụp ngày 20/4/2008.
Nguồn: Theo nghiên cứu của Bhatt và cộng sự (2010) [9].
1.2.2 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình tốn trong mơ phỏng dịng
chảy
1.2.2.1 Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong cung cấp số liệu mưa và địa hình
Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu này có thể khái qt một vài cơng trình khoa học điển
hình sau đây:
a) Nghiên cứu về dữ liệu mưa vệ tinh:
- Yves Tramblay và cộng sự (2016) [10] nghiên cứu đánh giá các dữ liệu mưa vệ tinh
để mô phỏng dịng chảy cho lưu vực sơng Makhazine (Ma-rốc) có diện tích 1.785 km2.
Trong nghiên cứu này, 05 dữ liệu mưa vệ tinh (TRMM-3B42 v6 và v7, RFE 2.0,
PERSIANN-CDR, CMORPH1.0 version 0.x) đã được sử dụng. Các tác giả đã so sánh
các dữ liệu mưa vệ tinh với dữ liệu mưa tại 10 trạm đo thông qua các phương pháp nội
suy và sử dụng mơ hình thủy văn khái niệm để mơ phỏng dịng chảy với số liệu từ mưa
thực đo và mưa vệ tinh. Kết quả nghiên cứu cho thấy dữ liệu mưa vệ tinh TRMM-3B42
v7 cho giá trị gần nhất với giá trị thực đo tại các trạm mưa, phù hợp đối với lưu lượng
dòng chảy tháng trên lưu vực nhưng khơng tốt khi mơ phỏng dịng chảy ngày.
- Fei Yuan và cộng sự (2019) [11] nghiên cứu sử dụng các dữ liệu mưa vệ tinh TRMM
và GPM để mô phỏng lũ thời đoạn nửa ngày cho các lưu vực thiếu trạm đo ở Myanmar.
Các tác giả đề xuất một khung nghiên cứu đánh giá về mặt thống kê, về mặt thủy văn
các dữ liệu mưa TRMM và GPM ở cả phiên bản gần thời gian thực và phiên bản hiệu
11


chỉnh giá trị thời gian thực đối với lưu vực thiếu trạm đo mưa ở Myanmar. Kết quả
nghiên cứu cho thấy dữ liệu 3B42RT có chất lượng tốt nhất, tiếp theo là dữ liệu IMERG
Final và dữ liệu 3B42V7. Các dữ liệu IMERG Early and Late, GSMAP-NRT, GSMAPMVK và GSMAP_Gauge cho kết quả lượng mưa thấp hơn nhiều so với thực đo và cả 3
dữ liệu GSMAP có độ chính xác thấp nhất. Kết quả mô phỏng trận lũ mỗi 3 giờ bằng dữ

liệu 3B42RT có chỉ số Nash-Sutcliffe (NSE) đạt 0,868 cịn mơ phỏng bằng dữ liệu mưa
trạm đo NSE = 0,895. Đối với các dữ liệu mưa đã được hiệu chỉnh, IMERG Final cho
NSE = 0,840 còn 3B42V7 cho NSE = 0,828. Theo các tác giả, GPM vẫn cần hồn thiện
thuật tốn xử lý mưa để nâng cao chất lượng các dữ liệu mưa, đặc biệt là dữ liệu IMERG
Early, IMERG Late và bộ số liệu GSMAP, bởi các lưu vực khơng có trạm đo mưa u
cầu các dữ liệu mưa nhanh chóng, chính xác phục vụ kiểm soát lũ và giảm nhẹ thiên tai
do lũ gây ra. Kết quả nghiên cứu giúp các nhà nghiên cứu thủy văn nguồn dữ liệu mưa
quan trọng khi mơ phỏng dịng chảy cho các khu vực thiếu và khơng có trạm đo mưa.
- Yudong Tian và cộng sự (2013) [12] nghiên cứu đánh giá mơ hình sai số trong xác
định lượng mưa ngày từ các dữ liệu mưa vệ tinh. Nghiên cứu đánh giá sai số xảy ra giữa
các mơ hình dựa trên 3 chỉ số (1) tách biệt tốt hơn giữa sai số hệ thống và sai số ngẫu
nhiên, (2) khả năng ứng dụng cho khoảng thời gian lớn dữ liệu mưa ngày, và (3) kỹ năng
dự đoán tốt hơn. Nghiên cứu đã sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh TMPA 3B32RT và dữ liệu
mưa trạm đo CPC như là yếu tố tham khảo. Kết quả nghiên cứu chỉ ra mơ hình sai số
giao thoa nhân (multiplicative error model) thể hiện kết quả tốt hơn nhiều ở cả 3 chỉ số
đánh giá so với mơ hình sai số giao thoa cộng (additive error model).
b) Nghiên cứu về dữ liệu địa hình DEM:
- M. Rexer và cộng sự (2014) [13] đã nghiên cứu so sánh các dữ liệu DEM với nhau bao
gồm dữ liệu ASTER GDEM2, SRTM3 USGS version 2.1, dữ liệu SRRM CGIAR-CSI
v4.1 và so sánh với dữ liệu cao độ địa hình quốc gia của Úc trên phạm vi toàn bộ lục địa
châu Đại Dương. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng một sự thống nhất rất tốt giữa cả hai
SRTM DEM nhưng các khoảng trống dữ liệu có trong mơ hình USGS trên vùng địa
hình dốc được lấp đầy trong mơ hình CGIAR-CSI. ASTER GDEM2 có lỗi dải căn chỉnh
từ đông bắc đến tây nam ở mức 10 m và độ lệch chiều cao trung bình là –5 m so với các
mơ hình SRTM. Sai số chiều cao bình phương trung bình (RMS) thu được từ sự khác
biệt giữa ASTER GDEM2 và SRTM ở Úc là khoảng 9,5 m.
12


- Nghiên cứu của Johanna Ngula Niipele và cộng sự (2019) [14] về dữ liệu DEM ALOS

đã chỉ ra ứng dụng của dữ liệu DEM ALOS-PALSAR cho việc trích xuất mạng lưới
sông suối trong các môi trường bán khô hạn ở tiểu lưu vực Iishana. Ngồi ra dữ liệu
ALOS cịn hữu ích cho việc cập nhật các bản đồ thủy văn hiện có để cải thiện việc khai
thác thơng tin về tác động của động lực địa thủy văn trong các môi trường khô hạn đến
bán khô hạn. Nghiên cứu cũng chỉ ra việc sử dụng chỉ số độ ẩm (NDVI) để hỗ trợ xác
định các mạng lưới sông suối khu vực phù du phức tạp.
1.2.2.2 Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mơ hình tốn
Cùng với sự phát triển của cơng nghệ thơng tin, các mơ hình tốn mơ phỏng q trình
hình thành dịng chảy lũ, dịng chảy kiệt trên toàn lưu vực hay một vùng của lưu vực
sơng cũng phát triển rất mạnh. Tốc độ tính tốn, phạm vi của mơ hình hóa được mở rộng
nên các mơ hình tốn đang phát huy tác dụng trong đánh giá tác động của các cơng trình
hạ tầng như hồ chứa, đập dâng, cầu, đường giao thông, đê bao hay các khu đơ thị, cơng
nghiệp… đến tình trạng úng ngập do lũ hay tình trạng suy kiệt nguồn nước và xâm nhập
mặn trên lưu vực sông. Trong các nghiên cứu mơ phỏng dịng chảy, viễn thám cịn được
tích hợp với các mơ hình tốn thủy văn, thủy lực trong vai trò cung cấp dữ liệu đầu vào
như thảm phủ thực vật, thổ nhưỡng, địa hình, khí tượng. Ứng dụng của viễn thám trong
nghiên cứu quan hệ mưa - dòng chảy thường tập trung vào việc xác định các thông số
khí tượng – thủy văn phân bố theo khơng gian (là đầu vào của các mơ hình thủy văn –
thủy lực). Có rất nhiều mơ hình thủy văn - thủy lực có thể tích hợp được với các dữ liệu
viễn thám trong nghiên cứu quan hệ mưa - dòng chảy. Phân tích lựa chọn được mơ hình
phù hợp, đáp ứng được mục tiêu nghiên cứu là rất quan trọng.
Quản lý tài nguyên nước cho các vùng lãnh thổ hay lưu vực sông cần một số lượng lớn
dữ liệu không gian được cung cấp bởi viễn thám. Thông thường sự kết hợp của GIS với
các mơ hình mơ phỏng như HEC, MODFLOW, SHE, SWAT, MIKE BASIN, WEAP là
giải pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề nói trên. Trong mối liên kết này, GIS đóng vai
trị mở rộng khả năng hiển thị thơng tin, qua đó mở rộng khả năng xử lý chúng. Theo
Orzol and McGrath (1992) [15] và Wilson (1999) [16], GIS tác động đến sự hoạt động
của các mô hình thủy văn, cân bằng nước ở nhiều cấp độ khác nhau như cung cấp dữ
liệu đầu vào, thiết lập giao diện cho phép mơ hình mơ phỏng chạy trong môi trường
GIS. Theo Wilson và cộng sự (1993) [17], (1996) [18], GIS được dùng để chỉnh sửa dữ

13


liệu đầu vào của mơ hình và so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực đo. Kết quả
nghiên cứu về lĩnh vực này có thể nêu khái quát một số cơng trình điển hình sau đây:
- Hafiz và cộng sự (2012) [19] ứng dụng mơ hình Integrated Flood Analysis System
(IFAS) nghiên cứu dịng chảy lũ lưu vực sơng Dungun ở Malaysia, sử dụng dữ liệu mưa
vệ tinh do JAXA Global Rainfall Watch cung cấp. Tính năng chính của mơ hình phân
tích lũ theo thời gian thực là đầu vào dữ liệu mưa vệ tinh được sử dụng trong giai đoạn
khởi tạo mơ hình. Kết quả của mơ hình cho các lưu vực sông từ dữ liệu mưa vệ tinh và
mưa từ trạm đo mặt đất được so sánh thơng qua ba phương pháp phân tích sai số.
Hafiz và cộng sự (2014) [20] cũng nghiên cứu ứng dụng mô hình IFAS cho lưu vực
sơng Kelantan, Malaysia. Kết quả nghiên cứu chỉ rõ việc mơ phỏng dịng chảy lũ có thể
sử dụng bằng cả số liệu mưa từ trạm đo mặt đất và bằng số liệu mưa vệ tinh để tính tốn
dịng chảy trong sơng. Lưu lượng tính tốn được sử dụng để xây dựng bản đồ ngập lụt
trên lưu vực sông trong thời gian trận lũ xảy ra.
- Công cụ đánh giá đất và nước SWAT (Soil and Water Assement Tools) là mơ hình mơ
phỏng ảnh hưởng của quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất
hữu cơ trong đất trên lưu vực sông. Tiền thân của SWAT là mơ hình SWRRB - Simulator
for Water Resources in Rural Basins (theo Arnold và Williams (1987) [21]) và mơ hình
ROTO - Routing Outputs to Outlet (theo Arnold và cộng sự (1985) [22]). Mơ hình
SWAT chia lưu vực thành các lưu vực nhỏ. Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong
mơ hình khi mơ phỏng dịng chảy rất tiện lợi, đặc biệt đối với các lưu vực có đủ số liệu
về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất...
Sự kết hợp giữa viễn thám, GIS và mơ hình SWAT đã được nhiều nhà khoa học trên thế
giới nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả trong việc đánh giá lưu lượng và chất lượng nước
của lưu vực sông dưới sự tác động của biến động về cơ cấu sử dụng đất, biến đổi khí
hậu như: mơ hình chi tiết dịng chảy mặt và ngầm của Arnold và cộng sự (1993) [23];
Ảnh hưởng của biến đổi không gian lên mơ hình của lưu vực theo nghiên cứu của
Mamillapalli và cộng sự (1996) [24].

1.2.3 Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới
Các nghiên cứu trên thế giới đã chỉ ra rằng việc kết hợp mơ hình tốn, dữ liệu viễn thám
và GIS là cách tiếp cận nổi bật hơn cả trong tính tốn dịng chảy lưu vực. Ở tầm vĩ mô,
áp dụng công nghệ viễn thám là giải pháp hiệu quả trong việc quản lý quy hoạch thủy
14