Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong việc giám sát tài nguyên nước đập thủy điện nhỏ, thực nghiệm tại thủy điện sông bung 2, tỉnh quảng nam

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

KIỀU THỊ THANH TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM TRONG
VIỆC GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC ĐẬP THỦY ĐIỆN NHỎ,
THỰC NGHIỆM TẠI THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 2, TỈNH QUẢNG
NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2015


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

KIỀU THỊ THANH TÂM

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ VIỄN THÁM
TRONG VIỆC GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC
ĐẬP THỦY ĐIỆN NHỎ, THỰC NGHIỆM TẠI
THỦY ĐIỆN SÔNG BUNG 2, TỈNH QUẢNG NAM
Ngành

: Kỹ thuật trắc địa bản đồ

Mã số

: 60520503

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Lê Quốc Hưng

Hà Nội - 2015


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số
liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong
bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn

Kiều Thị Thanh Tâm


MỤC LỤC
Trang phụ bìa ............................................................................................................
Lời cam đoan.............................................................................................................
Mục lục .....................................................................................................................
Danh mục các chữ viết tắt..........................................................................................
Danh mục các bảng ...................................................................................................
Danh mục các hình ....................................................................................................
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................... 2

3. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 3
4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng ................................. 3
4.1. Cách tiếp cận ........................................................................................................... 3
4.2. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng....................................................... 4
4.2.1. Phương pháp nghiên cứu:.................................................................................... 4
4.2.2. Kỹ thuật sử dụng: ................................................................................................. 4
5. Nội dung nghiên cứu và thực nghiệm ....................................................................... 4
5.1. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................... 4
5.2. Triển khai thực nghiệm ........................................................................................... 5
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ................................................................................... 6
7. Cấu trúc của luận văn ................................................................................................. 6
Chương 1 – TỔNG QUAN MỘT SỐ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG
VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN TỚI GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC
THƯỢNG LƯU. ............................................................................................................ 8
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ở nước ngồi.................................................... 10
1.2.Tổng quan tình hình nghiên cứu ở trong nước. .................................................... 19
Chương 2 – NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CỦA CƠNG NGHỆ VIỄN THÁM
VÀ MƠ HÌNH THỦY VĂN THỦY LỰC TRONG GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN
NƯỚC. ................................................................................................................. 22
2.1. Mơ hình số độ cao làm đầu vào cho mơ hình thủy văn thủy lực: ....................... 22
2.1.1. Dữ liệu DEM ASTER.......................................................................................... 22


2.1.2. Mơ hình số thành lập từ bản đồ địa hình .......................................................... 25
2.2. Ảnh viễn thám SPOT – khả năng thông tin trong việc thành lập các bản đồ lớp
phủ mặt đất .................................................................................................................... 27
2.2.1. Nghiên cứu khả năng chiết tách dữ liệu giao thông từ ảnh viễn thám. .......... 28
2.2.2. Chiết xuất các yếu tố thủy lợi bao gồm đập chắn trên ảnh viễn thám ............ 29
2.2.3. Chiết xuất thông tin khu dân cư trên ảnh viễn thám ........................................ 31
2.2.4. Chiết xuất thông tin thực phủ trên ảnh viễn thám ............................................ 32

2. 2.5. Lớp phủ rừng ..................................................................................................... 34
2.3. Mơ hình số trị phục vụ bài tốn diễn tốn dịng chảy tài ngun nước ............. 35
2.3.1. Một số mơ hình thuỷ văn thủy lực ..................................................................... 35
2.3.2. Lựa chọn mơ hình ............................................................................................... 37
2.3.3. Hệ mơ hình số trị MIKE phục vụ bài tốn diễn tốn dịng chảy tài ngun
nước ............................................................................................................................... 38
2.3.3.1. Mơ hình NAM .................................................................................................. 38
2.3.3.2. Mơ hình MIKE 11 ............................................................................................ 41
2.3.3.3. Thuật tốn của mơ hình MIKE 21 .................................................................. 43
2.3.3.4. Mơ hình MIKE FLOOD .................................................................................. 45
2.3.3.5. Thuật tốn của việc xử lý bản đồ (ArcGIS) ................................................... 47
2.4. Điều kiện cần và đủ để phục vụ diễn toán các kịch bản tài nguyên nước.......... 48
2.4.1. Điều kiện cần ...................................................................................................... 48
2.4.2. Điều kiện đủ ........................................................................................................ 50
2.4.3. Chiết tách thông tin đầu vào cho hệ mơ hình số trị ......................................... 51
2.5. Đề xuất quy trình kết hợp cơng nghệ viễn thám với mơ hình thủy lực để xây
dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa và đánh giá sơ bộ thiệt hại một số đối
tượng trong trường hợp sự cố....................................................................................... 52
2.5.1. Xử lý dữ liệu DEM làm đầu vào cho hệ mơ hình MIKE: ................................. 55
2.5.2. Thành lập bản đồ lớp phủ mặt đất làm đầu vào cho hệ mơ hình MIKE: ....... 56
2.5.3. Xử lý dữ liệu trong hệ mơ hình MIKE: ............................................................. 57
2.5.3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình .................................................................. 57
2.5.3.2. Xây dựng mơ hình mưa - dịng chảy MIKE-NAM ........................................ 57
2.5.3.3. Xây dựng mơ hình thủy lực 1 chiều MIKE11 ................................................ 58


2.5.3.4. Xử lý mơ đun DAM BREAK trong mơ hình MIKE 11................................... 58
2.5.3.5. Xây dựng mơ hình liên kết mơ hình thủy lực 1 và 2 chiều MIKE FLOOD .. 59
2.5.3.6. Xử lý các thơng tin về diện tích ngập lụt ....................................................... 60
2.5.3.7. Xây dựng bản đồ tổn thương do lũ gây ra vùng hạ lưu sông ....................... 60

2.5.3.8. Đánh giá thiệt hại do vỡ đập .......................................................................... 62
2.5.4. Diễn toán kịch bản tài nguyên nước trên co sở hệ thống cơ sở dữ liệu GIS .. 63
Chương 3 – THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG KỊCH BẢN TÀI NGUYÊN NƯỚC
TẠI LƯU VỰC SÔNG BUNG 2, TỈNH QUẢNG NAM ................................... 65
3.1. Khu vực nghiên cứu thử nghiệm .......................................................................... 65
3.1.1. Vị trí địa lý .......................................................................................................... 65
3.1.2. Đặc điểm địa hình .............................................................................................. 65
.............................................................................................................................. 67
3.1.3. Thổ nhưỡng ......................................................................................................... 68
3.1.4. Thực vật............................................................................................................... 68
3.1.5. Đặc điểm lượng mưa lưu vực nghiên cứu ......................................................... 68
3.1.6. Đặc điểm thủy văn lưu vực nghiên cứu ............................................................. 72
3.1.6.1. Đặc điểm nước mặt ......................................................................................... 72
3.1.6.2.Dòng chảy năm ................................................................................................. 73
3.1.6.3.Chế độ dòng chảy ............................................................................................. 73
3.1.7. Tiềm năng thủy điện trong lưu vực.................................................................... 76
3.2. Tư liệu sử dụng ...................................................................................................... 77
3.3. Kết quả áp dụng quy trình đề xuất, xây dựng kịch bản tài nguyên nước trong
trường hợp sự cố ........................................................................................................... 78
3.3.1. Mơ hình số độ cao và bản đồ lớp phủ ............................................................... 78
3.3.2. Thiết lập tính tốn trước khi diễn tốn dịng chảy trong lưu vực.................... 80
3.3.2.1. Thiết lập lưới tính tốn ................................................................................... 80
3.3.2.2. Tạo hệ số nhám phân bố trong lưu vực. ........................................................ 81
3.3.2.3. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình số trị trong lưu vực sông BUNG 82
3.3.2.4. Kết hợp mô hình 1D và 2D bằng mơ hình MIKE Flood. .............................. 87
3.3.3. Dịng chảy tương ứng trường hợp khơng có đập. ............................................ 88
3.3.4. Trường hợp vỡ đập thủy điện ............................................................................ 89


3.3.5. Nhận xét về độ tin cậy của phương pháp .......................................................... 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 99
* KẾT LUẬN ....................................................................................................... 99
* KIẾN NGHỊ .................................................................................................... 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 101


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Q trình mơ phỏng vỡ đập của mơ hình bởi KAZGEOCOSMOS JSC ... 11
Hình 1.2 . Cấu trúc chính của hệ thống IFAS ............................................................. 12
Hình 1.3. Sơ đồ cơ bản của phương pháp mô phỏng lũ lụt do vỡ đập. ..................... 14
Hình 1.4. Sơ đồ quy trình tích hợp cho cơng tác dự báo lũ do vỡ đập THE THA DAN .. 16
Hình 1.5. Các trường hợp vỡ đập của đập THE THA DAN ...................................... 17
Hình 1.6. Vị trí đập Attabad (Pakistan) trên ảnh Landsat. ........................................ 18
Hình 2.2. DEM vùng núi miền Trung Việt Nam ......................................................... 24
Hình 2.3. Thành lập mơ hình số địa hình từ bản đồ địa hình. ................................... 26
Hình 2.4. Mơ hình số địa hình thành lập từ bản đồ địa hình tỉ lệ 1:10000 ............. 27
Hình 2.5. Một số yếu tố giao thơng có dạng hình tuyến trên ảnh viễn thám ............ 29
Hình 2.6. Khu vực hồ chứa nước phục vụ thủy lợi ..................................................... 30
Hình 2.7. Khu dân cư nơng thơn vùng đồi núi trung du ............................................. 31
Hình 2.8. Vùng trồng lúa khu vực đồi núi ................................................................... 33
Hình 2.9. Rừng lá rộng thường xanh ........................................................................... 35
Hình 2.10. Mơ tả hệ phương trình Saint-Vernant ....................................................... 42
Hình 2.11. Các thành phần theo phương x và y ......................................................... 44
Hình 2.12. Các ứng dụng trong kết nối tiêu chuẩn..................................................... 45
Hình 2.13. Một ứng dụng trong kết nối bên ................................................................ 46
Hình 2.14. Một ví dơ trong kết nối cơng trình ............................................................ 47
Hình 2.15. Mơ phỏng q trình vỡ đập trong MIKE 11............................................. 53
Hình 2.16. Quy trình công nghệ kết hợp công nghệ viễn thám với mô hình thủy lực
để xây dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa ................................................... 55

Hình 2.17. Sơ đồ mạng thủy lực 1 chiều MIKE11 ...................................................... 58
Hình 2.18. Cơng cụ Dam Break trong mơ hình thủy lực MIKE 11 ........................... 58
Hình 2.19. Mơ hình MIKEFLOOD liên kết mơ hình thủy lực 1 và 2 chiều .............. 59
Hình 3.1. Bản đồ địa hình lưu vực sơng Vu Gia - Thu Bồn ....................................... 67
Hình 3.2. Bản đồ lượng mưa trung bình nhiều năm sông Vu Gia - Thu Bồn ........... 70


Hình 3.3. Sơ đồ phân phối lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí trong
hệ thống sơng Vu Gia - Thu Bồn.................................................................................. 72
Hình 3.4. Bản đồ mơ đun dịng chảy năm trung bình nhiều năm trên lưu vực sơng
Thu Bồn Vu Gia ............................................................................................................ 74
Hình 3.5. Phân phối trong năm lưu lượng trung bình tháng tại một số trạm thuỷ văn
trong hệ thống sơng Thu Bồn ....................................................................................... 75
Hình 3.6. Hệ thống thủy điện trên lưu vực sông Bung- Vũ Gia Thu Bồn.................. 77
Tỉnh Quảng Nam ........................................................................................................... 77
Hình 3.7. Cơ sở dữ liệu địa hình từ mơ hình số DEM ................................................ 78
Hình 3.8. Bình đồ ảnh tại khu vực nghiên cứu............................................................ 79
Hình 3.9. Bản đồ lớp phủ mặt đất tại khu vực nghiên cứu ........................................ 80
Hình 3.10. Thiết lập địa hình cho vùng nghiên cứu ................................................... 81
Hình 3.11. Mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Hội Khách (2009).................... 83
Hình 3.12. Mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Ái Nghĩa (2009) ....................... 83
Hình 3.13.Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Cẩm Lệ (2009) .......................... 83
Hình 3.14. Mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Giao Thủy (2009) .................... 84
Hình 3.15. Mực nước tính toán và thực đo tại trạm Câu Lâu (2009) ....................... 84
Hình 3.16. Mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Hội An (2009) .......................... 85
Hình 3.17. Mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Hội Khách (1999).................... 85
Hình 3.18. Mực nước tính tốn và thực đo tại trạm Ái Nghĩa (1999) ...................... 86
Hình 3.19. Hình ảnh ALOS PALAR trận lũ ngày 20/11/2010 ................................... 86
Hình 3.20. Hình ảnh ALOS PALAR trận lũ ngày 17/10/2011 ................................... 87
Hinh 3.21. Qúa trính mực nước đo tại tram thủy văn Hội An ................................... 88

Hình 3.22. Q trính mực nước đo tại tram thủy văn Cẩm Lệ .................................. 88
Hình 3.23. Q trính mực nước đo tại tram thủy văn Ái Nghĩa ................................ 89
Hình 3.24. Quá trính mực nước đo tại tram thủy văn Vĩnh Diện .............................. 89
Hình 3.25. Qúa trình mực nước tại trạm thủy văn Thanh Mỹ ................................... 89
Hình 3.26. Qúa trình mực nước tại trạm thủy văn Hội Khách .................................. 89
Hình 3.27. Mơ phỏng q trình vỡ đập chắn .............................................................. 91


Hình 3.28. Bản đồ ngập lụt do mưa tần suất 0.1% trong trường hợp vỡ đập
sơng Bung 2 .................................................................................................................. 93
Hình 3.29. Bản đồ vận tốc dòng chảy trường hợp vỡ đập sông Bung 2 do mưa tần
suất 0.1% ....................................................................................................................... 93


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Đặc điểm DEM ASTER ............................................................................... 23
Bảng 2.3. Bảng tính dễ tổn thương của nhóm sử dụng đất ........................................ 61
Bảng 2.4. Mô phỏng tạo bản đồ tổn thương. .............................................................. 61
Bảng 3.1. Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số trạm trong lưu vực hệ thống
sông Thu Bồn – Vu Gia. ............................................................................................... 71
Bảng 3.2. Lưu lượng trung bình tháng, năm tại một số trạm thuỷ văn trên lưu vực
sông Thu Bồn - Vu Gia thời kỳ 1977-2010.................................................................. 73
Bảng 3.3. Lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất và lưu lượng nhỏ nhất tại một số trạm thuỷ
văn trong lưu vực sông Thu Bồn thời kỳ quan trắc 1977-2010 ................................. 75
Bảng 3.4. Lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ thiết kế tại các Cơng trình thuỷ điện77
Bảng 3.5. Kết quả mô phỏng lũ từ 27/9-03/10/2009 tại các trạm thủy văn .............. 82
Bảng 3.6. Kết quả chỉ tiêu Nash-Sutcliffe – M ô phỏng lũ từ 01-05/12/1999 tại các
trạm thủy văn................................................................................................................. 85
Bảng 3.7. Thống kê diện tích ngập .............................................................................. 94
Bảng 3.8. Thống kê diện tích ngập trong trường hợp vỡ đập sông Bung 2 đối với

các đối tượng cần đánh giá thiệt hại ........................................................................... 95
Bảng 3.9. Số dân sẽ chịu ảnh hưởng khi lũ xẩy ra ..................................................... 95
Bảng 3.10. Biến động mực nước trong các kịch bản với tấn suất khác nhau ........... 96
Bảng 3.11. Biến động lưu lượng lớn nhất trong 03 kịch bản với tần suất khác nhau97


CÁC TỪ VIẾT TẮT

DHI

Viện Nghiên cứu thủy lực Đan Mạch

MIKE

Bộ mơ hình thuỷ lực và thuỷ văn lưu vực của Viện Thuỷ lực Đan Mạch

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

WMO

Tổ chức Khí tượng Thế giới

CCICED

Uỷ ban Hợp tác quốc tế về Môi trường và Phát triển Trung Quốc)

INRS – EAU

Viện nghiên cứu môi trường nước – Tổng hợp Quebec, Canada)

DSF

Hệ thống Hỗ trợ ra Quyết định, Chương trình Sử dụng Nước của Uỷ hội
sơng Mê Kơng

IQQM

Mơ hình mơ phỏng nguồn nước lưu vực

SWAT

Mơ hình mơ phỏng dịng chảy mặt qua độ ẩm đất)

SRTM

Hệ thống với nhiệm vụ quan trắc địa hình radar

ASTER

Hệ thống phản xạ và phát thải nhiệt vệ tinh

DEM

Mơ hình số địa hình

VNREDSat

Vệ tinh giám sát tài ngun, thiên nhiên môi trường và thiên tai của

Việt Nam

SPOT

Vệ tinh của Pháp

LANDSAT

Hệ thống vệ tinh giám sát Trái đất của Mỹ

MODIS

Hệ thống vệ tinh độ phân giải trung bình

IFAS

Hệ thống phân tích lũ tích hợp.


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Qua kết quả điều tra, phân tích và đánh giá của Cục Quản lý tài nguyên
nước, các lưu vực sông tại Việt Nam ảnh hưởng rất lớn từ các sơng quốc tế. Ví như,
lưu vực sơng Hồng – sơng Thái Bình, nơi phụ thuộc đến 40% lượng nước đổ về từ
Trung Quốc, các yếu tố thuỷ văn thuỷ lực như lưu lượng nước và tốc độ dịng chảy
cũng như mực nước sơng biến đối rất phức tạp.
Nguyên nhân gây ra sự biến động phức tạp nước xuyên biên giới bên cạnh
điều kiện khí hậu và vi khí hậu (liên quan với chúng là mưa rào lớn) là điều kiện địa

hình, địa mạo địa chất và lớp phủ thực vật. Những hoạt động kinh tế chính của con
người ở thượng nguồn sơng quốc tế làm mất cân đối rừng đầu nguồn; khai thác
khoáng sản bừa bãi, thiếu quy hoạch, giao thông... đặc biệt là việc xây dựng các đập
chắn mới trên sông làm cản trở và thu hẹp dòng chảy của các hệ thống sơng suối
[3].
Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) khẳng định, để dự báo được sự biến đổi
phức tạp nước xuyên biên giới không chỉ căn cứ vào lượng mưa từng vùng mà phải
dựa trên những thơng số về địa hình, độ dốc, lớp phủ thực vật… [5]
Hiện nay, công cụ đặc biệt để giám sát và xác định các yếu tố đầu vào hết
sức hữu hiệu, đầy đủ và chính xác đó chính là cơng nghệ viễn thám và GIS. Những
nghiên cứu theo hướng thủy văn và cân bằng nước lưu vực bằng phương pháp viễn
thám và GIS kết hợp với mơ hình thuỷ văn thuỷ lực được triển khai ở nhiều nước
trên thế giới như: Mỹ, Braxin, Canada, Ấn Độ, Thái Lan, Đài Loan, Trung Quốc,
… Ngoài việc áp dụng các mơ hình tính tốn các yếu tố thuỷ văn thuỷ lực với hệ
phần mềm MIKE thì mơ hình tự động phân tích nước chảy trên sườn dốc- hay mơ
hình tự động phân tích 8 hướng truyền năng lượng của nước mặt theo địa hình dốc
đã và đang được áp dụng phổ biến trong việc nghiên cứu quản lý các lưu vực sông
và trở thành những modul phần mềm mang tính phổ biến trong các phần mềm GIS
thơng dụng như “Hydro basin“, hay trong phần mềm mã nguồn mở GRASS [5].


2

Với nhu cầu ứng dụng công nghệ viễn thám là một khoa học và công nghệ
giúp xác định, đo đạc hoặc phân tích các tính chất của các vật thể quan sát mà
không tiếp xúc trực tiếp với chúng, hầu hết các đối tượng tự nhiên đều hấp thụ,
phản xạ hay bức xạ sóng điện từ với cường độ và theo những cách khác nhau. Các
đặc trưng này thường được gọi là đặc trưng phổ. Thông tin thu được trong viễn
thám có liên quan trực tiếp đến năng lượng phản xạ từ các đối tượng, nên việc
nghiên cứu đặc trưng phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên đóng một vai trò hết

sức quan trọng trong việc khai thác, ứng dụng có hiệu quả các thơng tin thu được.
Chính vì vậy, việc ứng dụng cơng nghệ viễn thám để quản lý tài nguyên thiên nhiên
trước hết là tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên khoáng sản, tài nguyên
rừng,...và giám sát môi trường ngày càng trở nên bức xúc và trở thành một trong
các nhiệm vụ chủ đạo của ứng dụng và phát triển công nghệ của Bộ Tài ngun và
Mơi trường.
Trong khi đó những năm gần đây, vấn đề xây dựng và chế độ vận hành các
hồ thuỷ điện, thuỷ lợi phía thượng nguồn các sơng, sự phát triển đô thị, việc quản
lý, sử dụng đất ở các địa phương chưa được sát sao dẫn đến việc xâm chiếm lịng
sơng, hồ diễn ra phổ biến. Hệ quả là diện tích mặt nước có nhiều biến đổi , dịng
chảy bị biến dạng và ở hạ du luôn diễn ra tình trạng thiếu nước về mùa khơ.
Vì vậy, kết hợp công nghệ viễn thám và GIS trong việc giám sát, tính tốn,
phân tích nguy cơ của các đập chắn đầu nguồn đến các điều kiện kinh tế xã hội bởi
khả năng ứng dụng dữ liệu đa chiều và thời gian là hết sức cần thiết. Với những ứng
dụng to lớn và vai trị quan trọng của việc ứng dụng cơng nghệ viễn thám để quản lý
tài nguyên thiên nhiên như vậy tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng công
nghệ viễn thám trong việc giám sát tài nguyên nước đập thủy điện nhỏ, thực
nghiệm tại thủy điện sông Bung 2, tỉnh Quảng Nam”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Sử dụng được thơng tin hữu ích chiết tách từ tư liệu viễn thám trong việc
giám sát tài nguyên nước khu vực thượng lưu.


3

- Đánh giá nguy cơ của việc xây dựng đập thủy điện nhỏ đầu nguồn đến hạ
du trong điều kiện thiếu các thông số mặt đất, bằng công nghệ viễn thám kết hợp
mơ hình thuỷ văn thủy lực.
3. Phạm vi nghiên cứu
Khu vực được chọn nghiên cứu Thực nghiệm tại đập chắn sông Bung 2 nằm

trên hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn, Quảng Nam; Thử nghiệm cho 3 kịch bản:
chưa có đập, có đập và vỡ đập.
4. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng
4.1. Cách tiếp cận
Cơng nghệ viễn thám, với tính ưu việt là một trong những công nghệ cao và
đồng hành sự phát triển của các ngành công nghệ cao khác, đã cho thấy khả năng
tăng dày các dữ liệu tại các vùng sấu – xa, khó tiếp cận bằng điều tra, quan trắc
thơng thường. Bên cạnh đó, trong khả năng giám sát tài nguyên nước, đặc biệt trong
trường hợp lũ lụt hay ngập lụt, các chuyên gia thường sử dụng các loại ảnh viễn
thám trong ba (03) trường họp. Đó là:
- Thu ảnh trước khi ngập lụt để xác định hiện trạng các đối tượng mặt đất, mô
phỏng các kịch bản để ứng phó với trường hợp xảy ra lũ lụt;
- Thu ảnh trong khi lũ lụt xảy ra, đánh giá hiện trạng ngập lụt, so sánh mức độ
ngập lụt và lựa chọn kịch bản phù hợp nhằm ứng phò thiên tai lũ lụt;
- Thu ảnh sau khi lũ lụt, đánh giá mức độ thiệt hại.
Từ đó, có thể giảm thiểu các thiệt hại từ việc sử dụng các kịch bản mô phỏng
ngập lụt trong trường hợp lũ lụt hay sự cố đập. Có thể thấy, việc kết hợp cơng nghệ
viễn thám và mơ hình thủy lực đối với thượng nguồn các lưu vực sông là hữu dụng
trong giám sát tài nguyên nước.
Bên cạnh đó cần tiếp cận:
- Các tài liệu, số liệu của các cơng trình nghiên cứu và dự án cả trong và ngồi
nước có liên quan đến lĩnh vực của đề tài để đưa ra công nghệ kết hợp cơng nghệ
viễn thám và mơ hình thủy lực;


4

- Tiếp cận cơ sở khoa học các phương pháp ứng dụng cơng nghệ viễn thám
trong giải đốn, chiết tách các thông tin lớp phủ, yếu tố độ dốc, địa hình cơ bản;
- Tiếp cận các tiêu chí xác định dòng chảy nước ở vùng núi;

- Tiếp cận phương pháp tích hợp phương pháp viễn thám và mơ hình thủy lực.
4.2. Phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng
4.2.1. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp sử dụng công nghệ viễn thám trong việc giải đốn lớp phủ,
thơng số hồ đập và chuẩn hóa dữ liệu đia hình;
- Phương pháp sử dụng tính tốn với các mơ hình số trị trong việc tính tốn
một số thơng số thủy văn của hệ thống liên hồ chứa;
- Phương pháp GIS trong việc thành lập một số loại bản đồ trong lưu vực…
- Phương pháp tổng hợp và kế thừa: Thu thập tài liệu đã có liên quan đến các
phương pháp và nội dung của đề tài; Lựa chọn các phương pháp nghiên cứu phù
hợp; Tổng hợp các kết quả nghiên cứu và tư liệu có liên quan đến đề tài;;
- Phương pháp điều tra thực địa: Thu thập, đo đạc, lấy mẫu, giải đốn, mơ tả
của các yếu tố đối tượng địa lý nhằm thu thập nguồn tài liệu, số liệu để xây dựng
một hệ thống cơ sở dữ liệu đầy đủ, chi tiết và có độ tin cậy cao;
4.2.2. Kỹ thuật sử dụng:
- Kỹ thuật xử lý ảnh viễn thám: nắn chỉnh hình học, tăng cường chất lượng
ảnh cho mục đích chiết tách thông tin tốt nhất;
- Kỹ thuật GIS để tích hợp thơng tin và xác định một số thơng số hệ thống chứa
nước;
- Kỹ thuật phân tích, tính tốn bằng mơ hình số trị.
5. Nội dung nghiên cứu và thực nghiệm
5.1. Nội dung nghiên cứu
- Nghiên cứu tổng quan một số cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước liên
quan tới lĩnh vực của đề tài. Đánh giá những vấn đề đã giải quyết và còn tồn tại của
các cơng trình trên.


5

- Nghiên cứu khả năng của công nghệ viễn thám và DEM trong việc cung cấp

một số thông số đầu vào cho mơ hình thủy văn thủy lực và chiết tách thông số hồ,
đập:
- Nghiên cứu cơ chế và phương pháp thủy văn thủy lực:
- Nghiên cứu khả năng của công nghệ viễn thám và DEM trong việc cung cấp
một số thơng số đầu vào cho mơ hình thủy văn thủy lực và chiết tách thông số hồ,
đập:
- Nghiên cứu kết hợp cơng nghệ viễn thám với mơ hình thủy văn thủy lực, xây
dựng phần mềm diễn tốn dịng chảy dựa trên các thông số và kịch bản đầu ra.
- Nghiên cứu phương pháp đánh giá thiệt hại.
- Nghiên cứu xây dựng quy trình cơng nghệ kết hợp cơng nghệ viễn thám với
mơ hình thủy văn thủy lực để xây dựng kịch bản tài nguyên nước các hồ chứa và
đánh giá sơ bộ thiệt hại một số đối tượng chính.
5.2. Triển khai thực nghiệm
Thực nghiệm tại đập chắn sông Bung 2 nằm trên trên hệ thống sông Bung,
Quảng Nam; Thử nghiệm cho 3 kịch bản: chưa có đập, có đập và vỡ đập:
- Nghiên cứu tổng quan về các điều kiện địa lý, địa hình và khí tượng thủy
văn vùng lưu vực sông Bung, Quảng Nam;
- Thành lập DEM thời kỳ chưa có đập (thời kỳ này chưa có DEM ASTER);
Chuẩn hoá dữ liệu DEM ASTER thu thập được khu vực thử nghiệm, thời kỳ đã có
đập chặn dịng;
- Thành lập bình đồ ảnh 2 thời kỳ để điều vẽ nội nghiệp cho mục đích thành
lập bản đồ hiện trạng lớp phủ mặt đất 2 thời kỳ;
- Tính tốn các thông số thủy văn đầu ra bởi sử dụng mô hình thủy lực 3 thời
kỳ với đầu vào thu được từ các thông tin viễn thám và thủy văn;
- Thành lập bản đồ kịch bản ngập và chiết tách thông tin phục vụ đánh giá
thiệt hai - cho phần hạ lưu sông;
- Sơ bộ đánh giá thiệt hại và báo cáo mức độ tổn thương hạ lưu sông do tác
động vỡ đập liên hoàn;

6

- Phân tích, đánh giá kết quả thử nghiệm và hồn thiện quy trình cơng nghệ đã đề
xuất.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học: Có thể thấy, việc kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình
thủy lực đối với thượng nguồn các lưu vực sơng là hữu dụng trong giám sát tài nguyên
nước.
Ý nghĩa thực tiễn: Cơng nghệ viễn thám, với tính ưu việt và kết quả nghiên
cứu của đề tài là một trong những công nghệ cao và đồng hành với sự phát triển của
các ngành công nghệ cao khác, đã cho thấy khả năng tăng dày các dữ liệu tại các
vùng sâu – xa, khó tiếp cận bằng điều tra, quan trắc thơng thường. Góp phần tích
cực giúp cho việc quản lý Nhà nước trong công tác quản lý và giám sát tài ngun
mơi trường tốt hơn đồng thời góp phần vào cơng cuộc phát triển kinh tế - xã hội một
cách bền vững, trên cơ sở phát triển kinh tế nhưng phải gắn với bảo vệ môi trường.
7. Cấu trúc của luận văn
Bao gồm phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và 3 chương,
luận văn được kết cấu trong 95 trang, 53 hình vẽ và 14 bảng biểu.
Chương 1: Tổng quan một số cơng trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên
quan tới giám sát tài nguyên nước thượng lưu.
Chương 2: Nghiên cứu kết hợp công nghệ viễn thám và mơ hình thủy văn
thủy lực trong giám sát tài nguyên nước.
Chương 3: Thực nghiệm mô phỏng kịch bản tài nguyên nước tại lưu vực
sông Bung 2, tỉnh Quảng Nam.
Luận văn được hoàn thành nhờ sự giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn TS. Lê
Quốc Hưng – Cục Viễn thám quốc gia. Tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn chân thành
và sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn, đã ln động viên và tận tình hướng dẫn tơi
hồn thành luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn các thầy cơ giáo thuộc Bộ mơn Địa chính, cùng với
các thầy cô giáo trong khoa Trắc địa Trường Đại học Mỏ - Địa Chất và các thầy cô

7

ngồi trường đã giảng dạy trong q trình học tập, cũng như quá trình thực hiện
luận văn.
Xin cảm ơn Ban lãnh đạo và đồng nghiệp tại Cục Viễn thám quốc gia, nơi tôi
đang công tác đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học
tập và làm luận văn.


8

Chương 1 – TỔNG QUAN MỘT SỐ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG
VÀ NGOÀI NƯỚC LIÊN QUAN TỚI GIÁM SÁT TÀI NGUYÊN NƯỚC
THƯỢNG LƯU.

Tài nguyên nước ở Việt Nam vô cùng phong phú trong đó có 526 tỷ m3 từ
các vùng lưu vực bên ngoài chiếm 63% ; 308 tỷ m3 từ vùng lưu vực nội bộ chiếm
37%; 6% đã được lưu trữ và điều tiết hồ chứa [3]. Do đó, công tác quản lý tài
nguyên nước luôn được coi trong và đề cao trong suốt chiều dài lịch sử của đất
nước. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh của nền kinh tế trong thời gian qua, nhiều
thách thức đối với công tác quản lý tài nguyên nước đã nẩy sinh nhất là trong công
tác đảm bảo phân phối nước bền vững và quản lý; giảm nhẹ thiên tai; sử dụng nước
hiệu quả; phát triển thủy điện phục vụ phát triển kinh tế và những ưu tiên chứa nước
đảm bảo tưới tiêu, chống hạn… Để quản lý tài nguyên nước có hiệu quả, sự cần
thiết phải quản lý tốt các công trình thủy lợi đặc biệt là hệ thống đập đang là vấn đề
bước thiết, là đòi hỏi tất yếu của thực tiễn. Việc phát triển hệ thống đập và hồ chứa
là yêu cầu tất yếu với nước ta, nhất là như đã nói ở trên, 63% nguồn nước từ ngồi
lãnh thổ Việt Nam. Theo báo cáo “ Thực trạng an tồn đập và cơng tác quản lý an

tồn đập trên cả nước” của Bộ Xây dựng tháng 01 năm 2013 thì nước ta có trên
7000 hồ chứa thủy điện, thủy lợi đã tích nước trong đó:
- Đập cao từ 50m trở lên là 35 (32 đập thủy điện, 03 đập thủy lợi).
- Đập cao từ 15m đến 50m hoặc có dung tích hồ từ 3 triệu m3 trở lên có 605
cơng trình (54 đập thủy điện, 551 đập thủy lợi).
- Cơng trình cao dưới 15m và dung tích hồ chứa nhỏ hơn 3 triệu m3 là trên
6000 cơng trình nằm ở 44/63 tỉnh thành.
- Một số hồ đập có chiều cao thấp, dung tích hồ nhỏ giao cho cấp huyện, xã
quản lý khơng có số liệu thống kê.
Như vậy, Việt Nam có số lượng hồ chứa và đập khá lớn. Với vai trị là cơng
trình đầu mới chính của hồ chứa, mức độ an tồn của đập ln là mối lưu tâm của
của các cấp quản lý, nhân dân đặc biệt là quần chúng nhân dân nằm dưới hạ lưu của


9

đập. Mức độ an tồn đập khơng chỉ phụ thuộc vào chất lượng của chính đập mà cịn
ở các cơng trình phụ trợ như đập tràn lũ, cống, đập thứ cấp và cơng trình phụ trợ
khác. Các điều tra gần đây cho thấy các đập đều có mức độ an tồn ở mức thấp khi
kích thước đập tràn lũ nhỏ, lũ thiết kế khơng phù hợp trong tình trạng mưa và lũ lụt
do biến đổi khí hậu và nạn phá rừng gây nên… Chính do đó, một u cầu bức thiết
hiện nay là cần phải xây dựng các mơ hình, các kịch bản trong đó mơ phỏng mưa,
lũ, dịng chảy, vỡ đập trong quản lý tài nguyên nước nhất là kịch bản vỡ đập khi đập
có sự cố.
Việc mơ phỏng lũ lụt và thiệt hại do vỡ đập hết sức quan trọng trong việc quy
hoạch vùng, quy hoạch phát triển đô thị, phát triển kinh tế cũng như chuẩn bị sẵn
các phương án dự phòng trong trường hợp khẩn cấp ở khu vực hạ lưu đập. Tuy
nhiên, mô phỏng mưa, dịng chảy, vỡ đập, lũ lụt là cơng tác khó khăn phức tạp. Các
nhà khoa học trên thế giới đã và đang cố gắng xây dựng rất nhiều mơ hình khác
nhau cũng như đề ra phương pháp hiệu chỉnh nó cho từng vùng, từng lưu vực để có

thể có mơ hình mơ phỏng tối ưu nhất. Tuy nhiên, thu thập dữ liệu hiệu chỉnh mơ
hình và các thơng số bề mặt luôn là thách thức lớn bởi các hồ đập đều nằm ở những
vùng có điều kiện rất khó khăn và chi phí thu thập bằng phương pháp đo đạc khảo
sát rất lớn khi bề mặt trái đất luôn luôn thay đổi khơng ngừng. Bên cạnh đó, kết hợp
dữ liệu thu thập cho hiệu chỉnh như thế nào để phù hợp với mơ hình thủy lực vốn
rất phức tạp cũng là câu hỏi làm đau đầu các nhà khoa học [5]
Bước vào thế kỷ 21, công nghệ viễn thám, công nghệ GIS cùng với cơng nghệ
máy tính có những bước phát triển không ngừng trong thời gian gần đây đã tạo ra
một hướng đi mới cho công tác thu thập dữ liệu bề mặt cũng như hướng nghiên cứu
kết hợp cơng nghệ viễn thám với mơ hình thủy lực để xây dựng các kịch bản tài
nguyên nước. Công nghệ viễn thám có khả năng cung cấp số liệu khí tượng với độ
phân giải cao, số liệu lớp phủ bề mặt, có khả năng cập nhật theo chuỗi thời gian, số
liệu mơ hình số, thủy hệ. Những số liệu này là đầu vào quan trọng của các mơ hình
thủy lực. Do đó, kết hợp số liệu chiết tách từ dữ liệu viễn thám với mơ hình thủy lực
là vấn đề bức thiết hiện nay [6].


10

1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ở nước ngồi
Để quản lý tài nguyên nước kết hơp công nghệ viễn thám và mơ hình thủy
lực, thơng thường các nhà nghiên cứu thường sử dụng các mơ hình thủy lực để tính
tốn dịng chảy, ngập lụt dựa trên các dữ liệu đầu vào là số liệu thủy văn và số liệu
bề mặt, mưa chiết tách từ dữ liệu viễn thám.
Mơ hình “Dự báo vùng có nguy cơ ngập lụt trong trường hợp vỡ đập” [2] của
KAZGEOCOSMOS JSC – Cộng hòa Ca-dắc-xtan kết hợp dữ liệu viễn thám
MODIS và mơ hình thủy lực MIKE. Họ đã phát triển dự báo vùng ngập do vỡ đập
kết hợp sử dụng dữ liệu thủy hệ bằng cơng nghệ viễn thám và phương pháp mơ hình
hóa các kịch bản có thể để dự đốn sự tàn phá gây ra bởi dòng chảy do vỡ đập. Dữ
liệu thủy hệ chiết tách từ dữ liệu viễn thám từ đầu thu MODIS. Đồng thời, dữ liệu

vùng nước được chiết tách từ ảnh MODIS để xác định vùng ngập lụt thông qua
phương pháp phát hiện biến động. Dữ liệu chiết tách bằng phần mềm xử lý ảnh
Scanex được lưu trữ dưới dạng bản đồ chun đề. Mơ hình dịng chảy được mô
phỏng bằng phần mềm MIKE FLOOD sử dụng mô hình thủy lực 2 chiều MIKE 11
và MIKE 21. Mơ hình MIKE cho phép ta đặt các thuộc tính hình học của các đập,
cấu đặc điểm cấu trúc của đập và các điều kiện thủy lực của một con đập có thể. Kết
quả của mơ hình này là dữ liệu theo chuỗi thời gian dọc dòng chảy của nước như
tốc độ dịng chảy, mực nước, các thơng tin thủy văn đi kèm khác. Dự trên những dữ
liệu này có thể xây dựng kế hoạch để giảm thiểu tình hình và các tuyến đường sơ
tán, di dân trong trường hợp có sự cố.
Trong mơ hình của KAZGEOCOSMOS JSC, dữ liệu viễn thám được dùng để
chiết tách thông tin thủy hệ và mực nước làm dữ liệu đầu vào và đồng thời cũng làm
số liệu để kiểm tra kết quả mô phỏng. Có thể thấy rằng, việc kết hợp dữ liệu viễn
thám của mơ hình này mới dừng lại ở cơng tác chiết tách thông tin thủy hệ, yếu tố
quan trọng như lớp phủ mặt đất chưa được chú trọng. Việc sử dụng ảnh MODIS
mặc dù có lợi thế là tần suất cao nhưng cho độ phân giải thấp nên độ chính xác chưa
cao. Hơn nữa, ảnh MODIS là ảnh quang học, trong điều kiện thời tiết xấu thì việc
chiết tách thơng tin vùng thủy hệ là rất khó khăn. Ứu điểm của mơ hình này là cho


11

phép xem xét đặc điểm và cấu trúc đập đồng thời cho phép xác định đánh giá vùng
ngập để phục vụ cho cơng tác quy hoạch và phịng ngừa thảm họa.

Hình 1.1. Q trình mơ phỏng vỡ đập của mơ hình bởi KAZGEOCOSMOS JSC

Một mơ hình giám sát tài ngun nước khác kết hợp mơ hình thủy lực và cơng
nghệ viễn thám khác là IFAS (Integrated Flood Analysis System) do tổ chức
ICHARM (International Center for Water Hazard and Risk Management) dưới sự

bảo trợ của UNESCO. Hệ thống Phân tích lũ tích hợp IFAS dựa trên nền tảng cơ sở
của một hệ thống dự báo và cảnh báo được các nhà khoa học cộng tác phát triển và
cùng với các công ty tư vấn phát triển hạ tầng xây dựng nên. IFAS nhằm phát triển


12

một giao diện xử lý dữ liệu lượng mưa từ ảnh viễn thám và dữ liệu đo lượng mưa
ngoài thực địa ở các trạm sẵn có trong khu vực hoặc tồn cầu để phân tích và dự
báo lũ. Bên cạnh đó, IFAS tích hợp hai kiểu mơ hình thủy văn có các tham số được
cung cấp (PWRI Distributed Hydrologic Model – PDHM và Block-Wise TOP –
BTOP model). Các tham số trong mơ hình có thể ước tính gần đúng và sẵn có trên
phạm vi tồn cầu có trong cơ sở dữ liệu GIS. IFAS cịn có cơng cụ phân tích dữ liệu
GIS để thiết lập các tham số cho mô hình phân tích dự báo, vì vậy khơng cần phải
có phần mềm GIS kèm theo. Các nhà nghiên cứu cũng phát triển một giao diện đồ
họa đơn giản, dễ thực hiện để nhập dữ liệu, mơ hình hóa, phân tích dòng chảy và
đưa ra dữ liệu cảnh báo và hướng tới phân phối phần mềm miễn phí.

Hình 1.2 . Cấu trúc chính của hệ thống IFAS

Mơ hình IFAS về tổng thể tương đối toàn diện khi sử dụng dữ liệu mưa chiết
tách từ tư liệu vệ tinh và được cập nhật liên tục, tính tốn thủy lực và xem xét các thơng
số đập. Trong đó các thơng số về đập chiết tách từ ảnh viễn thám là khá chi tiết, cho
phép điều chỉnh mơ hình theo hoạt động của đập. Đây là cơ sở rất thuận lợi để xây
dựng phương pháp điều tiết nước cho hồ chứa hoặc liên hồ chứa cũng như đánh giá các
phương án điều tiết nước. Mơ hình cũng tính đến khả năng trữ nước từ tầng mặt đến
tầng nước ngầm. Điều này cho phép xác định lượng nước chảy trên bề mặt chính xác
hơn.

13

Tuy nhiên, vấn đề đối với mơ hình IFAS đó là việc tính tốn mơ hình thủy lực
tương đối phức tạp. Khi hệ thống thủy hệ cũng là đầu vào để tính tốn trong khi mơ
hình số độ cao cũng được dùng để tính tốn dịng chảy. Thêm nữa, việc tính tốn
vùng trữ nước và vùng lưu trữ nước bão hòa là tương đối phức tạp, nếu sử dụng dữ
liệu cũ thì lượng nước chảy bề mặt sẽ khơng chính xác còn nếu sử dụng dữ liệu mới
đòi hỏi cập nhật dữ liệu liên lục. Một khuyết điểm lớn là mơ hình này khơng tính
tốn tới độ nhám bề mặt. Đây là một yếu tố quan trọng trong việc xem xét mơ hình
vỡ đập bởi sức tàn phá của lũ do vỡ đập một phần quan trọng là do tốc độ dịng
chảy gây xói lở, càn qt phá hủy các đối tượng trên đường đi của cơn lũ. Một phần
nữa là mơ hình thường tính tốn trong tỉ lệ nhỏ, đối với tỉ lệ lớn, mơ hình IFAS có
độ chính xác khơng cao.
Ngồi ra, nghiên cứu sử dụng kết hợp cơng nghệ viễn thám và mơ hình thủy
lực đã được phát triển mạnh mẽ trong thời gian gần đây. Có thể kể đến, nghiên cứu
của Y.Li và cộng sự (2012) tìm phương pháp hiệu quả nhất để giả lập mơ hình lũ lụt
do vỡ đập phục vụ cơng tác xây dựng kết hoạch sơ tán sơ bộ khi sau khi có động đất
ở Wenchuan- Trung Quốc. Mơ hình mà tác giả xây dựng có sơ đồ như hình 1.3.