(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam

i

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

ĐẶNG TUYẾT MINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HOÁ KHÔNG GIAN
TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ PHỤC VỤ
CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG LAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019


ii

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

ĐẶNG TUYẾT MINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HOÁ KHÔNG GIAN
TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ PHỤC VỤ
CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG LAM
Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
Mã số : 9520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. TS Vũ Anh Tuân
2. PGS.TS Phạm Công Khải

HÀ NỘI - 2019


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu tính
toán, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ
công trình nào khác.
Tác giả luận án

Đặng Tuyết Minh


iv

LỜI CẢM ƠN
Luận án này được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS Vũ Anh Tuân –
Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và
PGS.TS Phạm Công Khải – Bộ môn Trắc địa Mỏ, trường Đại học Mỏ - Địa chất.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tới các thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp
đỡ và động viên trong suốt quá trình làm luận án.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến tập thể các thầy, cô giáo bộ môn Trắc
địa Mỏ đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình tác giả luận án ở Bộ môn.
Trong quá trình học tập và nghiên cứu tác giả cũng nhận được nhiều sự giúp

đỡ, quan tâm của cơ sở đào tạo, phòng Sau đại học - trường Đại học Mỏ - Địa chất,
Bộ môn Trắc địa trường Đại học Thuỷ lợi, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ
quý báu đó.
Luận án còn nhận được ý kiến đóng góp của các chuyên gia, nhà khoa học
thuộc trường Đại học Thuỷ lợi, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội,
trường Đại học Mỏ - Địa chất, trường Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học
Delft - Hà Lan, Đài KTTV khu vực Tây Nguyên, Đài KTTV khu vực Nam Trung
bộ, Đài KTTV khu vực Bắc Trung bộ, Trung tâm Quy hoạch và Điều tra TNN
Quốc gia, cục Viễn thám Quốc gia, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (đề tài VT-UD.12)
tác giả xin cảm ơn những ý kiến đóng góp có giá trị đó.
Trong quá trình làm đồ án, tác giả đã sử dụng kết quả của đề tài mã số
TNMT. 05.33 do PGS.TS Trần Duy Kiều, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường

là chủ nhiệm. Xin chân thành cảm ơn tập thể tác giả của đề tài đó.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè là chỗ dựa tinh thần giúp
tác giả hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Tác giả luận án


v

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH............................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................... xiii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài .............................................................................4
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................4
4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................4
5. Các luận điểm của luận án ......................................................................................5
6. Những điểm mới của luận án ..................................................................................5
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.................................................................................6
8. Cơ sở tài liệu ...........................................................................................................6
9. Cấu trúc luận án ......................................................................................................7
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .......................................9
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới ...................9
1.2 Tổng quan các nghiên cứu trong phân vùng nguy cơ lũ ở Việt Nam ................ 15
1.3 Tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam ................ 18
1.4 Phương pháp mô hình hoá trong phân vùng nguy cơ lũ, đánh giá ưu, nhược
điểm và hiệu quả ứng dụng của chúng ..................................................................... 20
1.4.1 Phương pháp mô hình hóa xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ ............ 21
1.4.2 Mô hình tất định trong phân vùng nguy cơ lũ (deterministic model) ............. 23
1.4.3 Mô hình suy nghiệm trong phân vùng nguy cơ lũ (heuristic model) .............. 26
1.4.4 Mô hình thống kê trong phân vùng nguy cơ lũ ............................................... 30
1.5 Định hướng và phương pháp nghiên cứu của luận án ....................................... 34


vi

1.6 Tổng kết chương 1 ............................................................................................. 37
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN SỬ DỤNG PHƯƠNG
PHÁP AHP TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC .......... 39
2.1 Cơ sở khoa học của phương pháp AHP ............................................................. 39

2.1.1 Giới thiệu phương pháp AHP ......................................................................... 39
2.1.2 Nguyên tắc AHP .............................................................................................. 39
2.2 Quá trình thực hiện phương pháp AHP ............................................................. 41
2.3 Thực tiễn sử dụng AHP trong phân vùng nguy cơ lũ ........................................ 49
2.3.1 Xác định mục tiêu ............................................................................................ 50
2.3.2 Xây dựng mô hình thứ bậc đa tầng.............................................................. .. 50
2.3.3 Thành lập ma trận so sánh theo cặp ............................................................... 51
2.3.4 Tính trọng số từng tiêu chí và chỉ số nhất quán.............................................. 53
2.3.5. Kiểm tra tỷ số nhất quán ................................................................................ 53
2.3.6 Phân tích đánh giá kết quả.............................................................................. 53
2.4 Phân tích và lựa chọn các yếu tố trong mô hình phân vùng nguy cơ lũ ............ 54
2.4.1 Lượng mưa và cường độ mưa ......................................................................... 60
2.4.2 Độ dốc, độ cao và độ nhám địa hình .............................................................. 61
2.4.3 Mật độ lưới sông (mật độ phân cắt ngang), dòng chảy và sự tích tụ dòng chảy ... 62
2.4.4 Khoảng cách đến mặt nước tự nhiên, khoảng cách đến hệ thống thoát nước,
khoảng cách đến ngã ba sông .................................................................................. 63
2.4.5 Thổ nhưỡng, cấu trúc đất, tỷ lệ thấm .............................................................. 63
2.4.6. Sử dụng đất, lớp phủ và lớp phủ thực vật ...................................................... 64
2.4.7 Các yếu tố khác ............................................................................................... 66
2.5 Phân tích ảnh hưởng của chiều dài sườn dốc đến nguy cơ lũ ............................ 67
2.5.1 Khái niệm ........................................................................................................ 67
2.5.2 Cơ sở lý thuyết lựa chọn yếu tố chiều dài sườn dốc trong nghiên cứu phân
vùng nguy cơ lũ ........................................................................................................ 68
2.6 Một số nhận xét về phương pháp AHP trong phân vùng nguy cơ lũ................. 71
2.7 Tổng kết chương 2 .... ....................................................................................... 73


vii

Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP XÂY DỰNG MÔ HÌNH

PHÂN VÙNG NGUY CƠ LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG LAM......................... 74
3.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội lưu vực sông Lam .................. 74
3.1.1 Vị trí địa lý ...................................................................................................... 74
3.1.2 Đặc điểm địa hình ........................................................................................... 74
3.1.3 Đặc điểm mạng lưới sông ngòi ....................................................................... 76
3.1.4 Đặc điểm địa chất, địa mạo ............................................................................ 77
3.1.5 Đặc điểm thổ nhưỡng ...................................................................................... 78
3.1.6 Đặc điểm thảm phủ thực vật ........................................................................... 78
3.1.7 Tình hình dân cư ............................................................................................. 79
3.2 Mạng lưới quan trắc và điều kiện khí tượng thủy văn ....................................... 79
3.2.1 Mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn..... ................................................ 79
3.2.2 Đặc điểm khí tượng thuỷ văn .......................................................................... 81
3.3 Nhận xét ............................................................................................................. 81
3.4 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt ở lưu vực sông Lam ........................ 82
3.4.1 Lượng mưa ...................................................................................................... 83
3.4.2 Độ dốc địa hình ............................................................................................... 83
3.4.3 Mật độ lưới sông (mật độ phân cắt ngang)..................................................... 84
3.4.4 Thổ nhưỡng ..................................................................................................... 84
3.4.5 Lớp phủ ........................................................................................................... 85
3.4.6 Chiều dài sườn dốc tương đối ......................................................................... 86
3.4.7 Các yếu tố khác ............................................................................................... 86
3.5 Xây dựng bảng phân cấp các yếu tố ảnh hưởng đến lũ lụt lưu vực sông Lam .. 88
3.5.1. Xây dựng bảng phân cấp lượng mưa ............................................................. 89
3.5.2 Xây dựng bảng phân cấp độ dốc ..................................................................... 90
3.5.3. Xây dựng bảng phân cấp thổ nhưỡng ............................................................ 92
3.5.4. Xây dựng bảng phân cấp lớp phủ .................................................................. 93
3.5.5 Xây dựng bảng phân cấp mật độ lưới sông.... .............................................. 94
3.5.6 Xây dựng bảng phân cấp chiều dài sườn dốc tương đối ................................ 95

viii

3.6 Tính trọng số cho các yếu tố ảnh hưởng đến lũ ................................................. 96
3.6.1 Tính trọng số cho trường hợp năm yếu tố ảnh hưởng .................................... 97
3.6.2 Tính trọng số cho trường hợp sáu yếu tố ảnh hưởng.................................... 100
3.7 Xây dựng bản đồ các yếu tố ảnh hưởng đến lũ ................................................ 103
3.7.1 Bản đồ lượng mưa ......................................................................................... 103
3.7.2 Bản đồ độ dốc................................................................................................ 106
3.7.3 Bản đồ thổ nhưỡng ........................................................................................ 107
3.7.4 Bản đồ lớp phủ .............................................................................................. 108
3.7.5 Bản đồ mật độ lưới sông ............................................................................... 109
3.7.6 Bản đồ chiều dài sườn dốc tương đối...... .................................................... 112
3.8 Thành lập bản đồ phân vùng lũ lưu vực sông Lam .......................................... 114
3.9 Đánh giá độ tin cậy của kết quả phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam
bằng phương pháp mô hình hoá ............................................................................. 119
3.10 Tổng kết chương 3 ......................................................................................... 124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 126
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................... 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 129
PHỤ LỤC


ix

DANH MỤC HÌNH


x

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Số lượng các công trình khoa học liên quan đến phân vùng nguy cơ lũ trên
Sciencedirect từ năm 2009 đến nay ............................................................................9
Bảng 1.2 Phương pháp xác định các thông số trong mô hình suy nghiệm áp dụng
trong phân vùng nguy cơ lũ...................................................................................... 27
Bảng 1.3 Ưu nhược điểm của các phương pháp mô hình hoá không gian trong phân
vùng nguy cơ lũ ........................................................................................................ 35
Bảng 1.4 Các tiêu chí đánh giá mô hình và điểm số tương ứng .............................. 36
Bảng 2.1 Bảng xếp hạng mức độ so sánh giữa các phần tử ..................................... 41
Bảng 2.2 Các nhân tố ma trận ý kiến chuyên gia ..................................................... 45
Bảng 2.3 Ma trận so sánh của các nhân tố ............................................................... 46
Bảng 2.4 Các thành phần của ma trận chuẩn hoá .................................................... 46
Bảng 2.5 Thành phần của ma trận trọng số.............................................................. 47
Bảng 2.6 Chỉ số ngẫu nhiên RI ................................................................................ 49
Bảng 2.7: Thống kê các tiêu chí ảnh hưởng đến nguy cơ lũ đã được công bố ........ 56
Bảng 2.8 Yếu tố ảnh hưởng và trọng số trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ .. 60
Bảng 2.9 Giá trị hệ số dòng chảy của các loại hình sử dụng đất khác nhau ............ 65
Bảng 2.10 Thông số đặc trưng nhám trên sườn dốc ................................................ 69
Bảng 2.11 Thời gian tập trung nước trên sườn dốc tra theo hệ số địa mạo thuỷ văn
sườn dốc và vùng mưa ............................................................................................. 69
Bảng 3.1 Phân cấp lượng mưa ................................................................................. 90
Bảng 3.2 Phân cấp độ dốc ........................................................................................ 91
Bảng 3.3 Phân cấp thổ nhưỡng ................................................................................ 92
Bảng 3.4 Phân cấp lớp phủ....................................................................................... 94
Bảng 3.5 Phân cấp mật độ lưới sông ........................................................................ 95
Bảng 3.6 Phân cấp chiều dài sườn dốc tương đối .................................................... 96

Bảng 3.7 Kết quả tổng hợp mức độ ưu tiên của các yếu tố ảnh hưởng đến lũ (trường
hợp có 5 nhân tố ảnh hưởng).................................................................................... 98
Bảng 3.8 Ma trận so sánh cặp năm yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ lũ..................... 98


xii

Bảng 3.9 Ma trận chuẩn hoá (trường hợp 5 nhân tố ảnh hưởng) ............................. 99
Bảng 3.10 Trọng số năm yếu tố ảnh hưởng ............................................................. 99
Bảng 3.11 Các thông số của AHP (trường hợp 5 nhân tố ảnh hưởng) .................. 100
Bảng 3.12 Kết quả tổng hợp mức độ ưu tiên của sáu yếu tố ảnh hưởng đến lũ .... 100
Bảng 3.13 Ma trận so sánh cặp các yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ lũ .................. 101
Bảng 3.14 Ma trận chuẩn hoá ................................................................................ 101
Bảng 3.15 Trọng số sáu yếu tố ảnh hưởng............................................................. 102
Bảng 3.16 Các thông số của AHP .......................................................................... 102
Bảng 3.17. Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông
Lam giai đoạn 1961 – 2017.................................................................................... 104
Bảng 3.18 Cấp nguy cơ và diện tích khu vực có nguy cơ lũ (5 yếu tố ảnh hưởng) .... 117
Bảng 3.19 Cấp nguy cơ và diện tích khu vực có nguy cơ lũ (6 yếu tố ảnh hưởng) .... 118
Bảng 3.20 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn ngày 17/10/2010121
Bảng 3.21 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn ngày 16/10/2013 .... 122
Bảng 3.22 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn đợt lũ 16/10/2016 ...... 123


xiii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Cụm từ đầy đủ bằng tiếng Anh

Cụm từ đầy đủ bằng tiếng Việt

AHP

Analytic Hierarchy Process

Quá trình phân tích thứ bậc

BSA

Bivariate statistical analysis

Phân tích thống kê hai biến

DEM

Digital Elevation Model

Mô hình số độ cao

DT

Decision tree

Cây quyết định

FHI

Flood Hazard Index

Chỉ số nguy cơ ngập lụt

FR

Frequency ratio

Tỷ lệ tần suất

GIS

Geographic information system

Hệ thống thông tin địa lý

HEC-RAS

Hydrologic Engineering Center – River
Analysis System

Mô hình thuỷ văn – thuỷ lực

IDW

Inverse Distance Weight

PP trọng số khoảng cách nghịch đảo

InSAR

Interferometric Synthetic Aperure Radar

Kỹ thuật Rada giao thoa

GRASS

Geographical Resources Analysis
Support System

Hệ thống hỗ trợ phân tích tư liệu địa lý
Khí tượng thuỷ văn

KTTV
LR

Logistic regression

Thống kê hồi qui logistic

MCE

Multi Criteria Evaluation

Phương pháp đánh giá đa chỉ tiêu

MCDM

Multi-criteria decision-making

Quyết định đa tiêu chí

SMCE

Spatial Multi-Criteria Evaluation

Đánh giá đa tiêu chí không gian

SMS

Short Message Services

Dịch vụ tin nhắn ngắn

SPI

Stream power index

Chỉ số năng lượng dòng chảy

SVM

Support vector machine

Mô hình máy vecto hỗ trợ

SWAT

Soil and Water Assessment Tool

Công cụ đánh giá đất và nước

TWI

Topographic Wetness Index

Chỉ số ẩm ướt địa hình

ATNĐ

Áp thấp nhiệt đới


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo Ngân hàng Thế giới, Việt Nam được dự báo là một trong năm quốc gia
chịu ảnh hưởng nghiêm trọng nhất của biến đổi khí hậu [9]. Nhiều hiện tượng khí
hậu cực đoan tác động mạnh mẽ đến sinh kế của người dân Việt Nam, trong đó, lũ
lụt là thảm hoạ thiên nhiên gây tổn thất lớn về của cải và sinh mạng của nhiều người
trong hàng nghìn năm qua. Thêm vào đó, hệ thống phòng, chống lũ như đê điều, hệ
thống công trình thuỷ lợi… xây dựng đã lâu chưa được nâng cấp đầy đủ làm cho
hậu quả của lũ ngày càng xảy ra nghiêm trọng, thiệt hại càng tăng [9].
Việt Nam mấy thập kỷ gần đây đã hứng chịu nhiều thiên tai lũ, đặc biệt suốt
dải ven biển miền Trung như: trận lũ năm 1986 trên sông Trà Khúc; lũ năm 1987
trên sông Vệ, sông An Lão; lũ năm 1992 trên sông Kiến Giang, sông Bến Hải; lũ
năm 1993 trên sông Ba, sông Srepok, sông Gianh; lũ năm 1996 trên sông Luỹ, lũ
năm 1999 trên sông Hương; lũ năm 1998 trên sông Thu Bồn, sông Vu Gia, sông
Eakrong; lũ năm 2002 trên sông La, lũ năm 2009 trên sông Sêsan [9], lũ năm 2016
trên sông Gianh, sông Kiến Giang, sông Ngàn Sâu [38]. Từ năm 2005 đến năm

2010, tại miền Trung, thiên tai đã làm gần 1859 người thiệt mạng, trong đó 1640
người chết và 219 người mất tích [41]. Các trận lũ điển hình trong những năm gần
đây tại các tỉnh miền Trung như: trận lũ 9/2011, 9/2012, 9/2013, 9/2014, 9/2016 và
gần đây là trận lũ tháng 10/2017 đã làm thiệt hại nặng nề cả về vật chất cũng như
con người cho các tỉnh Trung bộ [9].
Đặc biệt trên sông Lam, một trong những hệ thống sông lớn nhất Bắc Trung
bộ, thường xuyên chịu ảnh hưởng của nhiều loại hình thiên tai đặc trưng cho khu
vục duyên hải Miền Trung như Bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), lũ, hạn hán, lốc tố,
dông sét, sạt lở đất, xói lở bờ sông và bờ biển, cháy rừng, xâm nhập mặn, triều
cường…Trong đó ảnh hưởng và gây thiệt hại nhiều nhất là bão, áp thấp nhiệt đới và
lũ. Lũ lụt trên sông Lam là một trong những tai biến tự nhiên thường xuyên đe doạ
người dân và sự phát triển kinh tế - xã hội của dân cư trong lưu vực. Quá trình công
nghiệp hoá, đô thị hoá mạnh mẽ trong phạm vi lưu vực sông Lam cùng với sự tác


2

động của biến đổi khí hậu và tình hình mưa lớn đã làm cho thời gian, cường suất,
lưu lượng và tần suất xuất hiện các cơn lũ ngày càng nhiều hơn với diễn biến ngày
càng phức tạp hơn.Trong những năm gần đây đã có nhiều đợt lũ lớn gây thiệt hại
nhiều về người và tài sản, số liệu quan trắc mực nước lũ trong vòng 40 năm trở lại
đây cho thấy trên lưu vực các trận lũ lớn xảy ra ở dòng chính sông Lam là trận lũ
1954, 1963, 1973, 1978, 1988, 2007, 2010 và trung bình cứ 9 – 10 năm lại xuất hiện
các trận lũ lớn [39]. Một số năm đã gây ra hiện tượng vỡ đê như trận lũ năm 1954,
1978, 1988 và 1996. Đặc biệt trận lũ năm 1954, nhiều đoạn đê bị vỡ với lượng nước
lũ từ sông chảy vào đồng kéo dài 16 ngày liền. Tổng thiệt hại do bão lũ trong 21
năm 1990 đến 2010 khoảng hơn 3,300 tỷ đồng [39]. Tại Nghệ An, tháng 9/ 2013
trận lũ lớn trên sông Lam đã làm thiệt hại gần 400 tỷ đồng và 13 người chết [40].
Đợt mưa lũ 10/2016 đã làm thiệt hại gần 1500 tỉ đồng tại hai tỉnh Nghệ An và Hà
Tĩnh [45]. Trong đợt mưa lũ lịch sử tháng 10/ 2017, Nghệ An có 10 người thiệt

mạng và thiệt hại về vật chất là 758 tỷ đồng và Hà Tĩnh thiệt hại 375 tỷ đồng [44].
Trận lũ gần đây ở Nghệ An từ ngày 17 đến 21/8/2018 lũ lụt đã làm 5 người chết,
một người mất tích và thiệt hại về kinh tế hơn 786 triệu đồng [46].
Đứng trước tính chất nguy hại của lũ đã, đang và sẽ tiếp tục xảy ra như hiện
nay, việc nghiên cứu xác định nguyên nhân, phân tích các thành phần ảnh hưởng tới
lũ, nhằm góp phần ngăn ngừa, giảm thiểu tác động tiêu cực của lũ lụt lưu vực sông
Lam, trong đó có cảnh báo sớm, ngày càng trở nên quan trọng. Theo đó, việc đề
xuất những nghiên cứu cảnh báo lũ nhằm hạn chế, phòng tránh tối đa thiệt hại về cơ
sở vật chất, con người do lũ gây ra là hết sức cấp thiết. Các dự báo, cảnh báo lũ hiện
nay đã được nhiều nhà khoa học, chuyên gia thủy văn, tài nguyên nước nghiên cứu,
xây dựng phần mềm dự báo cảnh báo dưới góc nhìn của các nhà chuyên môn về khí
tượng, thủy văn và đã đạt được những kết quả đáng khích lệ. Để ngăn ngừa và giảm
nhẹ thiệt hại do lũ gây ra, nhiều nghiên cứu đã chỉ ra cần phải làm tốt công tác
phòng chống, ứng phó với lũ mà công việc quan trọng cần tiến hành đầu tiên là
đánh giá và phân vùng nguy cơ lũ [26]. Đặc biệt, đối với sông Lam, lưu vực sông
lớn, nơi thường xuyên xẩy ra các trận lũ lịch sử. Mọi nghiên cứu để hệ thống hoá,


3

phân vùng đặc điểm, tính chất, quy luật lũ lụt trên Sông Lam là cần thiết nhằm góp
phần giảm thiểu các tác động tiêu cực của lũ lụt đối với cuộc sống và lao động của
cư dân trong lưu vực.
Việc ứng dụng các công nghệ mới phối hợp với các nhà chuyên môn để có thể
đưa ra những kết quả dự báo ngày càng chính xác, phòng tránh thiên tai là mong
muốn của mọi nhà quản lý. Các phương pháp mới như: công nghệ vệ tinh dẫn
đường toàn cầu (GNSS), hệ thống thông tin địa lý (GIS), viễn thám, kỹ thuật Lidar
… đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau.
Kết quả nghiên cứu lý thuyết và kinh nghiệm thực tiễn trên thế giới cho thấy sự tích
hợp hợp lý các công cụ của các mô hình không gian bao gồm: tư liệu bản đồ, ảnh vệ

tinh, GIS, GNSS, kỹ thuật Laser, các phương pháp đo đạc thực địa … cho phép
nghiên cứu một cách hiệu quả các nội dung biến động của các thành phần tài
nguyên và môi trường trong đó lũ là một đối tượng. Việc ứng dụng mô hình hóa
không gian trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ là một định
hướng đúng đắn, phù hợp với xu thế phát triển khoa học và đáp ứng nhu cầu xã hội
trên thế giới hiện nay. So với các phương pháp truyền thống, mô hình hoá không
gian dựa trên nguyên tắc tiếp cận hệ thống, là công cụ hiệu quả và tin cậy trong
phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ nói chung và lưu vực Sông Lam nói riêng.
Phương pháp này cho phép đưa nhiều thông số xử lý đầu ra do đó có thể góp phần
cảnh báo và phòng tránh nguy cơ lũ.
Với các luận giải trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không
gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam” được lựa
chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế và có ý nghĩa khoa học. Đây là một nghiên cứu
thiết thực góp phần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong phân tích không gian trên
lưu vực sông Lam, một lưu vực sông xuyên biên giới, góp phần quản lý tài nguyên
và môi trường mang tính liên quốc gia. Bên cạnh đó, việc ứng dụng mô hình hóa
không gian trên lưu vực sông Lam sẽ góp thêm các cơ sở khoa học, kết quả nghiên
cứu để mở rộng và tạo điều kiện áp dụng tri thức trong công tác ngăn ngừa, phòng
chống và giảm thiểu tối đa các tác động của suy thoái và tai biến thiên nhiên, góp


4

phần bảo vệ và khai thác bền vững tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu và phòng
tránh thiên tai.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
2.1 Mục tiêu
Xác lập cơ sở khoa học trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên
lưu vực sông Lam phục vụ cảnh báo lũ trên quy mô lưu vực góp phần giảm thiểu
tác động tiêu cực của lũ lụt.

2.2 Nhiệm vụ của nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, đề tài phải thực hiện các nhiệm vụ chủ yếu sau:
- Nghiên cứu tổng quan về ứng dụng phương pháp mô hình hoá không gian
trong phân vùng nguy cơ lũ.
- Nghiên cứu cơ sở khoa học và phương pháp luận về mô hình hoá, trên cơ
sở đó xây dựng mô hình phù hợp với đề tài và khu vực nghiên cứu.
- Nghiên cứu ứng dụng phân tích không gian để xây dựng/tính toán chỉ số
của các nhân tố liên quan đến lũ như chỉ số liên quan đến lớp phủ bề mặt, thổ
nhưỡng, lượng mưa, mật độ lưới sông, độ dốc, chiều dài sườn dốc tương đối...
- Ứng dụng mô hình hoá không gian xây dựng bản đồ phân vùng nguy cơ,
mô hình cảnh báo lũ lưu vực sông Lam.
- Đánh giá tính hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu
Xuất phát từ yêu cầu của đề tài, đối tượng nghiên cứu của luận án là mô hình hoá
không gian phục vụ phân vùng nguy cơ lũ nói chung và lưu vực sông Lam nói riêng.
3.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này giới hạn trong phạm vi không gian là lưu vực sông Lam.
4. Phương pháp nghiên cứu
Luận án được thực hiện dựa trên các phương pháp nghiên cứu sau:
- Phương pháp phân tích và tổng hợp: Sử dụng phương pháp phân tích
nguyên nhân hình thành để đánh giá, xác định các nhân tố ảnh hưởng đến lũ trên


5

lưu vực. Phân tích các nguồn tài liệu bao gồm: các tạp chí, báo cáo khoa học, sách,
báo, giáo trình của các tác giả trong và ngoài nước theo cấu trúc logic về lũ và phân
vùng nguy cơ lũ. Liên kết các thông tin đã thu thập được, từ đó bổ sung thêm tài
liệu nếu thiếu hoặc sai lệch đồng thời lựa chọn, sắp xếp và tổng hợp tài liệu.

- Phương pháp kế thừa: áp dụng có chọn lọc các sản phẩm, kết quả khoa học
và công nghệ hiện đại trong nước và trên thế giới.
- Phương pháp thống kê: phân tích các mối tương quan giữa các đặc trưng
khí tượng – thuỷ văn và tương quan giữa các yếu tố khí hậu, yếu tố địa hình với lũ.
Tiến hành khảo sát nguy cơ lũ trên khu vực nghiên cứu trong một số năm gần đây
để phát hiện các quy luật và đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, từ đó so sánh với
kết quả nghiên cứu.
- Phương pháp GIS: ứng dụng công nghệ GIS để thành lập bản đồ các nhân
tố ảnh hưởng đến lũ. So sánh kết quả nghiên cứu với thực tế tại thời điểm xảy ra lũ
trong một số năm gầy đây.
- Phương pháp mô hình hoá: phân tích các ưu, nhược điểm của các mô hình
và sử dụng mô hình suy nghiệm để phân vùng nguy cơ lũ.
- Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ, ý kiến đánh giá của các chuyên
gia về thuỷ văn, thuỷ lực tài nguyên nước trong quá trình đề xuất giả thuyết nghiên
cứu, củng cố các luận cứ, đánh giá kết quả của phân vùng nguy cơ lũ. Thực hiện
qua các buổi hội thảo, bảo vệ chuyên đề, xin ý kiến đóng góp của các chuyên gia.
5. Các luận điểm của luận án
Luận điểm 1: ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) cho phép
nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên
lưu vực sông Lam.
Luận điểm 2: chiều dài sườn dốc tương đối là tham số quan trọng cần được
tính đến trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ.
6. Những điểm mới của luận án
Kết quả nghiên cứu luận án đã chỉ ra các điểm mới sau đây:


6

- Bổ sung phương pháp luận trong lựa chọn mô hình hoá không gian trong
phân vùng nguy cơ lũ và khẳng định ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc

(AHP) cho phép nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi xây dựng mô hình phân vùng
nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam
- Khẳng định chiều dài sườn dốc tương đối là yếu tố ảnh hưởng đến lũ, góp
phần nâng cao mức độ chi tiết và độ tin cậy của mô hình không gian phân vùng
nguy cơ lũ.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
7.1 Ý nghĩa khoa học
Kết quả nghiên cứu của luận án đã giúp hoàn thiện cơ sở khoa học và chứng
minh tính hiệu quả, tính tin cậy của phương pháp mô hình hoá không gian trong
phân vùng nguy cơ lũ nói chung và phân vùng nguy cơ lũ lưu vực sông Lam nói
riêng. Trong luận án có sử dụng một nhân tố mới là chiều dài sườn dốc tương đối
(phân cấp chiều dài sườn dốc). Kết quả ứng dụng nhân tố này khẳng định việc sử
dụng chiều dài sườn dốc tương đối cùng với các nguyên nhân sinh lũ khác như các
yếu tố về địa hình, thuỷ văn trong xây dựng mô hình là hoàn toàn thích hợp và
mang lại hiệu quả cao.
7.2 Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả nghiên cứu là tư liệu hỗ trợ công tác cảnh báo nhằm ngăn ngừa và
giảm thiểu tác động tiêu cực của tai biến lũ trên lưu vực sông Lam và cho các lưu
vực có đặc điểm điều kiện tự nhiên và thuỷ văn tương tự như lưu vực sông Lam.
Ngoài ra, kết quả là cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho các cơ quan nghiên cứu về môi
trường, các trung tâm phòng chống và cảnh báo thiên tai, biến đổi khí hậu. Đồng
thời, kết quả của luận án là bản đồ phân vùng lưu vực sông Lam cũng có thể được
sử dụng cho các nghiên cứu sâu hơn về khu vực hoặc có thể ứng dụng trực tiếp
trong thực tế.
8. Cơ sở tài liệu
Luận án dược thực hiện trên cơ sở các nguồn tài liệu sau đây:


7

8.1 Bản đồ
STT
1
2
3
4
5

Dữ liệu dạng số
Bản đồ địa hình lưu vực
sông Lam
Bản đồ hiện trạng sử
dụng đất lưu vực sông
Lam
Bản đồ địa giới hành
chính lưu vực sông Lam
Bản đồ hình thái lưu vực
sông Lam
Bản đồ vị trí các trạm
thuỷ văn

Năm
2015

Tỷ lệ gốc
1:50 000

Nguồn cung cấp

2015

1:50 000

Sở TN và MT tỉnh Thanh
Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh

2015

1:50 000

2015

1:50 000

2015

1:50 000

Sở TN và MT tỉnh Thanh
Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh
Sở TN và MT tỉnh Thanh
Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh
Sở TN và MT tỉnh Thanh
Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh

Trung tâm Vũ trụ Việt Nam

8.2 Dữ liệu về lượng mưa tại các trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực
sông Lam
Luận án có sử dụng số liệu lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí

trên lưu vực sông Lam giai đoạn 1961 - 2017. Ngoài ra, luận án còn sử dụng số liệu
mực nước tại các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Lam trong các đợt lũ. Số liệu này
thu được từ các trạm thuỷ văn (nguồn Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn
Trung ương): Mường Xén, Con Cuông, Vinh, Đô Lương, Quỳ Châu, Dừa, Hương
Khê, Sơn Diệm, Hoà Duyệt, Chợ Tràng, Cửa Rào, Linh Cảm, Nam Đàn, Nghĩa
Khánh, Quỳnh Lưu, Kỳ Anh, Quỳ Hợp, Hà Tĩnh, Kim Cương, Chu Lễ.
8.3 Các công trình đã nghiên cứu về phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới và
Việt Nam
Luận án đã sử dụng các nghiên cứu, kết quả của một số công trình nghiên
cứu về phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới và Việt Nam, kết quả của đề tài nghiên
cứu phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam như đề tài mã số TNMT. 05.33
9. Cấu trúc luận án
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn sử dụng phương pháp AHP trong phân
vùng nguy cơ lũ trên lưu vực.


8

Chương 3: Ứng dụng phương pháp AHP xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ
trên lưu vực sông Lam.
Kết luận, kiến nghị
Các công trình khoa học công bố liên quan đến luận án
Tài liệu tham khảo
Phụ lục


9

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Nội dung chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu ứng dụng mô hình
hoá không gian trong phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới, Việt Nam và cụ thể trên
lưu vực sông Lam. Ngoài ra, các phương pháp mô hình hoá trong phân vùng nguy
cơ lũ được phân tích nhằm đánh giá ưu nhược điểm của từng mô hình, từ đó rút ra
được định hướng và phương pháp nghiên cứu của luận án, góp phần quan trọng vào
việc xây dựng cơ sở khoa học cho phương pháp mô hình hóa phân vùng nguy cơ lũ
của luận án.
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới
Kết quả cho tìm kiếm theo từ khóa “flood hazard zoning” trên thư viện số
Sciendirect từ năm 2009 đến nay là 1963 công trình. Số công trình nghiên cứu cụ
thể theo từng năm được thể hiện trên bảng 1.1 và hình 1.1. Biểu đồ trên hình 1.1
cho thấy số lượng nghiên cứu về phân vùng nguy cơ lũ ngày càng tăng, từ 59
nghiên cứu năm 2009 đến 173 nghiên cứu năm 2017. Điều này chứng tỏ nguy cơ lũ
đã và đang là vấn đề cấp bách và được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
Bảng 1.1 Số lượng các công trình khoa học liên quan đến phân vùng nguy cơ lũ
trên Sciencedirect từ năm 2009 đến nay
Năm

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

9/2018

Số bài

59

59

76

81

89

141

143

151

173

171

Để phân vùng nguy cơ lũ, trên thế giới có nhiều phương pháp đã và đang
được nghiên cứu, giới thiệu và ứng dụng. Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm
và điều kiện ứng dụng riêng. Việc chọn các phương pháp phù hợp phụ thuộc dữ liệu
đầu vào, yêu cầu chi tiết của dự án và khả năng chuyên môn của kỹ thuật viên.
Bên cạnh các phương pháp phổ biến như: sử dụng dữ liệu viễn thám và
GIS [74], [75], [76], [90], [126], sử dụng chỉ số độ ẩm ướt địa hình (TWI)
[104]…, phương pháp mô hình hoá đã được nghiên cứu ứng dụng trên nhiều khu
vực địa lý khác nhau trên thế giới [53], [64], [68], [79],… Các mô hình phân vùng


10

nguy cơ lũ có thể chia làm làm ba nhóm: mô hình thuỷ văn, thuỷ lực; mô hình
thống kê và mô hình suy nghiệm.
Nhóm các mô hình thủy văn, thủy lực 1 và 2 chiều được sử dụng rộng rãi khi
nghiên cứu về lũ cũng như lập bản đồ ngập lụt do lũ, bản đồ phân vùng nguy cơ lũ
như: mô hình lũ đơn vị HEC-HMS; mô hình nhận thức NAM, SSARR; mô hình
thuỷ lực một chiều VRSAP, HEC-RAS, MIKE11, mô hình thuỷ lực hai chiều
MIKE21 với sự trợ giúp của hệ thống thông tin địa lý. Các số liệu cần thiết cho việc
sử dụng các mô hình thủy văn, thủy lực để lập bản đồ này bao gồm điều kiện địa
hình chi tiết mạng lưới sông, bản đồ sử dụng đất, các thông tin khí tượng thuỷ văn
tại biên vào và ra của mạng sông [9].
200
180
160
140
120
100

80
60
40
20
0

SỐ LƯỢNG CÔNG BỐ

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Số lượng nghiên cứu
Hình 1.1 Số lượng các công trình khoa học liên quan đến phân vùng nguy cơ lũ trên
Sciencedirect từ năm 2009 đến 2017
Nhóm các mô hình thống kê được sử dụng bao gồm phân tích thống kê nhị
biến và phân tích thống kê hồi quy tuyến tính đa biến. Thông tin cần thiết để thực
hiện mô hình là dữ liệu về các trận lũ lụt đã xảy ra trong quá khứ bao gồm cả số liệu
thuỷ lực, thuỷ văn, địa hình, kinh tế xã hội, cơ sở hạ tầng…
Nhóm mô hình suy nghiệm sử dụng phương pháp AHP, FAHP và IR’AHP
kết hợp với GIS để xây dựng các bản đồ phân vùng nguy cơ lũ. Dữ liệu để tính toán


11

mô hình có thể chia làm 3 nhóm: nhóm các yếu tố địa hình, nhóm các yếu tố về
kinh tế - xã hội và nhóm các yếu tố về cơ sở hạ tầng.
Phần dưới đây tổng quan các công trình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ
theo ba nhóm mô hình nêu trên. Việc kết hợp mô hình thuỷ lực hoặc mô hình thuỷ
văn và công nghệ GIS trong phân vùng nguy cơ lũ là phương pháp phổ biến được
các nhà thuỷ văn học trên thế giới thực hiện từ những năm cuối thế kỷ 20 và ngày
càng phát triển. Theo Kardavani và Qalehe, phân vùng nguy cơ lũ là một trong các
biện pháp phi công trình để quản lý và ngăn ngừa lũ mà không thể thực hiện được

nếu thiếu phân tích thuỷ lực [79]. Nhiều mô hình thuỷ lực đã được sử dụng để mô
phỏng phân vùng lũ như: MIKE, HECRAS, INFOWORK, ISISS…[116]. Nghiên
cứu điển hình từ đầu thế kỷ 21 của Nyarko [95] đã sử dụng mô hình thuỷ văn và
GIS, xác định khu vực có nguy cơ lũ và mức độ của chúng. Dữ liệu dùng trong
nghiên cứu này bao gồm các yếu tố ảnh hưởng đến lũ như: lượng mưa, lưu lượng
nước trên các sông và các hoạt động của con người trong khu vực. Ngoài ra, tác giả
còn thu thập các dữ liệu từ thực địa, ảnh vệ tinh và bản đồ địa hình để có được
thông tin về sử dụng đất, thực phủ và thổ nhưỡng. Từ đó, thành lập được các bản đồ
chuyên đề về sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ cao và mạng lưới sông suối. Đây chính là
tài liệu để tác giả phân vùng nguy cơ lũ trong khu vực nghiên cứu với 5 cấp độ nguy
cơ. Bản đồ phân vùng nguy cơ này mặc dù tương đối chi tiết, cụ thể nhưng lại
không đề cập đến một số các yếu tố khác cũng là nguyên nhân gây ra lũ như độ dốc,
độ cao, thực phủ, cơ sở hạ tầng… [95].
Các tiêu chí mà Nyarko [95] không quan tâm có thể không thực sự cần thiết
với quy mô không phải lưu vực và địa điểm nghiên cứu là đô thị. Công bố mới đây,
tháng 4/2016 của Gholami và đồng nghiệp [68] thuộc trường Đại học Guilan và Đại
học Shahryar, Iran đã chứng tỏ điều đó. Tác giả cũng ứng dụng hệ thông tin địa lý
và phần mềm HEC-RAS để mô phỏng đặc điểm thuỷ lực của các dòng sông và
thành lập bản đồ phân vùng nguy cơ lũ. Mặc dù vậy, nghiên cứu này thực hiện ở
thành phố lớn có mật độ dân số cao và giống như [95], dữ liệu sử dụng chủ yếu chỉ
là số liệu thuỷ văn, thuỷ lực như độ sâu, lưu lượng dòng chảy, vận tốc dòng


12

chảy…mà không xem xét đến các dữ liệu địa hình, thực phủ, thổ nhưỡng và một số
các nhân tố khác cũng là nguyên nhân gây ra lũ [68].
Trong khi Nyarko [95] và Gholami [68] không quan tâm đến lớp phủ thực
vật thì Shahiri [115] và Golshan [72] lại sử dụng tiêu chí này kết hợp với điều kiện
hình học của sông và kích thước của lòng sông để xác định hệ số nhám bằng

phương pháp Manning. Hệ số này cùng với các số liệu đặc trưng thuỷ lực của dòng
chảy như: hệ số tổn thất năng lượng, lưu lượng dòng chảy sông, tốc độ dòng chảy,
điều kiện biên…để chạy mô hình HEC-RAS, từ đó phân vùng nguy cơ lũ trong khu
vực nghiên cứu.
Mặc dù lớp phủ thực vật không được coi là tiêu chí ảnh hưởng đến lũ trong
nghiên cứu [53], nhưng Asare-Kyei và cộng sự lại sử dụng các tham số là nguyên
nhân gây ra lũ: sử dụng đất, loại và cấu trúc của đất, độ dốc, lượng mưa và khu vực
thoát nước kết hợp mô hinh thuỷ lực với mô hình thống kê và dữ liệu viễn thám để
xác định các vùng có nguy cơ lũ lụt ở Ghana, Burkina Faso và Benin dựa vào chỉ số
nguy cơ lũ lụt (FHI).
Một phương pháp nữa cũng thường được tiếp cận khi phân vùng nguy cơ lũ là
sử dụng mô hình thống kê và phổ biến hơn cả là phân tích thống kê đa biến. Với mô
hình này, dữ liệu đầu vào sẽ lấy tại các khu vực đã xảy ra lũ hoặc chiết tách từ các
loại bản đồ chuyên đề hoặc ảnh viễn thám. Tuy nhiên, việc chuẩn bị dữ liệu đầy đủ để
thực hiện mô hình thống kê không phải dễ dàng do lũ đã xảy ra trong quá khứ. Vì
vậy, nghiên cứu theo phương pháp này có thể sẽ không có nhiều dữ liệu. Điển hình là
nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ cho toàn bộ nước Ý bằng phương pháp mô hình
phân loại thống kê hồi qui logicstic chỉ với dữ liệu của 4 yếu tố bao gồm: mạng lưới
sông suối, khoảng cách đến chỗ thoát nước gần nhất và chênh cao [91]. Mặc dù khó
khăn trong việc thu thập số liệu, nhưng nguồn để chiết tách dữ liệu lại được các nhà
khoa học tận dụng một cách hiệu quả. Do đó, khác với [91], dữ liệu được Pradhan sử
dụng trong mô hình hồi qui logic và GIS để thành lập bản đồ nguy cơ lũ cho một
phần lưu vực sông Kelartan, Malaysia không phải là ít. Tác giả xác định vị trí lũ xảy
ra trong qua khứ bằng ảnh RADARSAT và dữ liệu không gian được lấy từ bản đồ địa