Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong theo dõi, cảnh báo sớm dòng chảy lũ lưu vực sông Ba thuộc tỉnh Gia Lai (Luận văn thạc sĩ)

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM VÀ GIS
TRONG THEO DÕI, CẢNH BÁO SỚM DỊNG CHẢY LŨ
LƯU VỰC SƠNG BA THUỘC TỈNH GIA LAI

PHAN SỸ ĐỒNG
CHUYÊN NGÀNH: THỦY VĂN HỌC
MÃ SỐ: 60440224

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC1:
TS. NGUYỄN BÁ DŨNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC2:
PGS.TS. TRẦN DUY KIỀU

HÀ NỘI, NĂM 2017


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Cán bộ hướng dẫn1: TS. Nguyễn Bá Dũng
Cán bộ hướng dẫn2: PGS.TS. Trần Duy Kiều

Cán bộ phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Văn Lai

Cán bộ phản biện 2: TS. Nguyễn Lan Châu

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 26 tháng 12 năm 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày 02 tháng12 năm 2017
HỌC VIÊN

Phan Sỹ Đồng
Ý KIẾN CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

Giáo viên hướng dẫn 1 : TS. Nguyễn Bá Dũng
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...

Giáo viên hướng dẫn 2 : PGS.TS Trần Duy Kiều
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...
………………………………………………………………………………………...

ii

LỜI CẢM ƠN
Qua quá trình được đào tạo tại Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường
Hà Nội với sự hướng dẫn khoa học tận tình của q thầy, cơ và sự động viên giúp
đỡ của gia đình, đồng nghiệp, bè bạn cùng với nổ lực của bản thân, đề tài luận văn
thạc sĩ: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám và GIS trong theo dõi, cảnh
báo sớm dòng chảy lũ lưu vực sông Ba thuộc tỉnh Gia Lai” đã được hồn thành.
Học viên xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến các thầy, cô Trường Đại học Tài
nguyên và Môi trường Hà Nội, những người đã truyền đạt những kiến thức quý báu
của mình để học viên có được một lượng kiến thức về khoa học kỹ thuật Thủy văn,
vững bước trên con đường sự nghiệp của bản thân.
Học viên chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của hai thầy hướng dẫn
khoa học TS Nguyễn Bá Dũng và PGS.TS Trần Duy Kiều, những người đã dìu dắt,
hướng dẫn và chỉ bảo tác giả hồn thành luận văn này.
Học viên xin cảm ơn tới lãnh đạo Đài Khí tượng Thủy văn Khu vực Tây
Nguyên (nơi học viên đang công tác) đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt trong
suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Và đặc biệt học viên xin chân thành cảm ơn đến gia đình và những người thân
ln động viên, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn này./.
Học viên

Phan Sỹ Đồng


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii

MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... viii
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................... ix
THƠNG TIN LUẬN VĂN ......................................................................................... x
MỞ ĐẦU

............................................................................................................. 1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS TRONG CẢNH
BÁO LŨ LỚN ............................................................................................................. 4
1.1. Tình hình lũ lớn, ngập lụt trên thế giới và trong nước ..................................... 4
1.2. Công nghệ viễn thám và GIS trong cảnh báo lũ lớn ........................................ 8
1.2.1. Trên thế giới ............................................................................................ 8
1.2.2. Ở Việt Nam............................................................................................ 11
1.3. Một số nghiên cứu ngoài nước và trong nước liên quan đến vấn đề nghiên
cứu của đề tài......................................................................................................... 12
1.3.1. Viễn thám trong xác định lượng giáng thuỷ .......................................... 12
1.3.2. Viễn thám và GIS trong mô hình hố dịng chảy tràn ........................... 14
1.3.3. Tính tốn lượng bốc thoát hơi ............................................................... 16
1.3.4. Xác định độ ẩm đất ................................................................................ 18
1.3.5. Trong quản lý và qui hoạch lưu vực sơng ............................................. 19
1.3.6. Dự báo xói lở, biến đổi lịng dẫn trong sơng ......................................... 21
1.3.7. Phịng chống bão ................................................................................... 21
1.3.8. Theo dõi và cảnh báo lũ, ngập lụt ......................................................... 22
1.4. Nhận xét chương 1 ......................................................................................... 25
CHƯƠNG 2. CHẾ ĐỘ MƯA LŨ LƯU VỰC SÔNG BA THUỘC TỈNH GIA LAI26
2.1. Đặc điểm điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu ............... 26
2.1.1. Vị trí địa lý............................................................................................. 26

iv

2.1.2. Đặc điểm địa hình, địa mạo ................................................................... 27
2.1.3. Đặc điểm thổ nhưỡng, thực vật ............................................................. 29
2.1.4. Đặc điểm hệ thống mạng lưới sông, hồ ................................................. 36
2.1.5. Điều kiện kinh tế xã hội......................................................................... 40
2.2. Đặc điểm mưa lưu vực sông Ba thuộc tỉnh Gia Lai ....................................... 44
2.2.1. Chế độ mưa ............................................................................................ 44
2.2.2. Đặc điểm gió mùa .................................................................................. 49
2.2.3. Đặc điểm bão sinh mưa lớn ................................................................... 49
2.3. Chế độ dòng chảy lũ lưu vực sơng Ba ........................................................... 50
2.3.1. Ngun nhân chính gây lũ trên sơng Ba................................................ 51
2.3.2. Đặc điểm dịng chảy lũ .......................................................................... 51
2.3.3. Mưa thời đoạn ngắn sinh lũ ................................................................... 52
2.3.4. Mực nước lũ .......................................................................................... 53
2.3.5. Lưu lượng đỉnh lũ .................................................................................. 54
2.3.6. Tổng lượng lũ ........................................................................................ 54
2.4. Nhận xét chương 2 ......................................................................................... 56
CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU PHỤC VỤ THEO DÕI, CẢNH
BÁO SỚM DÒNG CHẢY LŨ LƯU VỰC SÔNG BA THUỘC TỈNH GIA LAI... 57
3.1. Dữ liệu và phương pháp nghiên cứu .............................................................. 57
3.1.1. Dữ liệu ảnh viễn thám phục vụ nghiên cứu lưu vực sông Ba ............... 57
3.1.2. Phương pháp hệ thống thông tin địa lý ................................................. 58
3.1.3. Phương pháp viễn thám ......................................................................... 61
3.2. Các tham số chính của ảnh Landsat trong nghiên cứu dịng chảy lũ ............. 62
3.2.1. Các đặc trưng quang phổ thực vật [12] ................................................. 62
3.2.1.3. Chỉ số thực vật sai khác DVI (difference vegetion index) ................ 63
3.2.2. Bức xạ bề mặt và phản xạ (Albedo)[12] ............................................... 64
3.2.3. Xác định lượng mưa .............................................................................. 65

3.2.4. Chỉ số xác định vùng lũ từ ảnh viễn thám [14, 15] ............................... 65


v

3.2.5. Cơ sở phân loại những điểm ảnh ngập lũ với những đối tượng ngập
nước

............................................................................................................... 66

3.3. Quy trình phân tích dòng chảy lũ từ ảnh Landsat .......................................... 67
3.3.1. Tạo chuỗi ảnh không mây (EVI, LSWI và DVEL) ............................... 68
3.3.2. Tạo ảnh chỉ số thực vật tăng cường (Enhance Vegetation Index). ....... 68
3.3.3. Chuỗi ảnh chỉ số thực vật tăng cường đa thời gian. .............................. 68
3.3.4. Tạo ảnh chỉ số nước bề mặt lớp phủ. .................................................... 69
3.3.5. Chuỗi ảnh chỉ số nước bề mặt lớp phủ .................................................. 69
3.4. CSDL ngập lụt từ ảnh viễn thám phục vụ cảnh báo sớm dòng chảy lũ lưu vực
sông Ba thuộc tỉnh Gia Lai.................................................................................... 69
3.5. Đề xuất giải pháp theo dõi, cảnh báo sớm dòng chảy lũ lưu vực sơng .......... 88
3.5.1. Hiện đại hóa công tác phục vụ dự báo, cảnh báo lũ .............................. 89
3.5.2. Nhận dạng lũ lớn cho lưu vực sông ....................................................... 91
3.5.3. Nghiên cứu phân vùng lũ lớn cho lưu vực sông.................................... 93
3.6. Nhận xét chương 3 ......................................................................................... 94
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 97


vi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1. Tiếng Anh
AGN

Astronomical Grid Network

CORS

Cross-Origin Resource Sharing

DGPS

Differential Global Positioning System

DEM

Digital Elevation Model

DTM

Digital Terrain Model

D/GNSS

Differential/Global Navigation Satellite System

EVI

Enhance Vegetation Index

IGS

International GNSS Service

GIS

Geographic Information System

GPS

Global Positioning System

GDI

Geospatial Data Infrastructure

GLONASS

Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema

GALILEO

European Union's Global Satellite Navigation System

LC8

Landsat 8

LE7

Landsat 7

LT5

Landsat 5

LSWI

Land Surface Water Index

NDVI

Normalized Difference Vegetation Index

TIN

Triangulated Irregular Network

TVDI

Temperature Vegetation Dryness Index

SGN

Sol Genomics Network

ODA

Official Development Assistance

UNDP

United Nations Development Programme

USGS

United States Geological Survey

UTM

Universal Transverse Mercator

WMO

World Meteorological Organization

WGS

World Global System


vii

2. Tiếng Việt
CSDL

Cơ sở dữ liệu

ĐCTV

Địa chất thủy văn

KTNN

Khí tượng nơng nghiệp

KTTV

Khí tượng thủy văn

KTTĐ

Kinh tế trọng điểm

KHTL

Khoa học thủy lợi

LVS

Lưu vực sông

QĐ/BTNMT

Quyết định/Bộ Tài nguyên Môi Trường

NN&PTNT

Nông nghiệp và phát triển nông thôn

TT-BTNMT

Thông tư – Bộ Tài nguyên Môi Trường

TNMT

Tài nguyên môi trường


viii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2-1: Phần trăm diện tích các tỉnh thuộc lưu vực sông Ba ....................................27
Bảng 2-2: Các kiểu thảm thực vật rừng chính trong lưu vực sơng Ba ..........................32
Bảng 2-3: Đặc trưng hình thái lưu vực sơng Ba và các sơng nhánh .............................38
Bảng 2-4: Thơng số chính của một số hồ chứa trên lưu vực sông Ba ...........................40
Bảng 2-5: Lượng mưa tháng, năm bình quân nhiều năm khu vực trong và lân cận lưu
vực sông Ba giai đoạn 1990-2015 .................................................................................46
Bảng 2-6: Lượng mưa bình quân nhiều năm tại một số trạm trên lưu vực sông Ba ....47
Bảng 2-7: Lượng mưa lưu vực tính đến các cửa ra .......................................................47
Bảng 2-8: Đặc trưng mưa theo khu vực ........................................................................48
Bảng 2-9: Tần suất lượng mưa năm tại một số trạm giai đoạn 1990 – 2015 ................48
Bảng 2-10: Tốc độ gió trung bình và lớn nhất tại một số trạm .....................................50
Bảng 2-11: Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất ứng với tần suất thiết kế tại các trạm thủy văn
(theo số liệu thực đo) .....................................................................................................52
Bảng 2-12: Lượng mưa ngày lớn nhất tại một số vị trí thuộc khu vực Tây Trường Sơn
và Trung gian .................................................................................................................52
Bảng 2-13: Lượng mưa ngày lớn nhất tại một số vị trí khu vực Đơng Trường Sơn .....53
Bảng 2-14: Tần suất lượng mưa ngày lớn nhất tại một số vị trí trên lưu vực sông Ba
X1p (mm) ........................................................................................................................53
Bảng 2-15: Kết quả tính tốn tần suất Hmax tại một số trạm trên sông Ba ....................53
Bảng 2-16: Đỉnh lũ lớn nhất tại một số vị trí trên lưu vực sơng Ba. .............................54

Bảng 2-17: Tần suất lưu lượng đỉnh lũ tại các trạm Thủy văn lưu vực sông Ba ..........54
Bảng 2-18: Tổng lượng lũ lớn nhất thời đoạn 1960 – 2015 ..........................................54
Bảng 2-19: Đặc trung tổng lượng 1, 3, 5,7 ngày lớn nhất ứng với tần suất thiết kế .....55
Bảng 2-20: Hệ số triết giảm lượng lũ trên sông Ba .......................................................55
Bảng 3-1: Dữ liệu ảnh Landsat cho lưu vực sông Ba ....................................................57
Bảng 3-2: Thuật tốn phân tích logic ............................................................................61
Bảng 3-3: Mối tương quan giữa nhiệt độ mây và lượng mưa .......................................65
Bảng 3-4: Loại dữ liệu trong GIS ..................................................................................70
Bảng 3-5: Thông tin dữ liệu ảnh Landsat ứng với mực nước tại trạm An Khê ............71
Bảng 3-6: Thống kê diện tích ngập lụt theo bản đồ nguy cơ ngập lụt lưu vực sông Ba
thuộc tỉnh Gia Lai qua các năm lũ điển hình(1991,1992,1996,1999,2001,2007,2009,
2011và 2013) .................................................................................................................75


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn full