Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian xây dựng chỉ số hạn hán trong đánh giá

LỜI CAM ĐOAN
Học viên xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các
kết quả nghiên cứu và những kết luận trong luận văn là trung thực, không sao
chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào và chưa từng được ai
cơng bố trong bất cứ cơng trình nào khác. Việc tham khảo, trích dẫn các nguồn
tài liệu đã được ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Hà Nội, ngày..... tháng .....năm 2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lệ Quyên

i



LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Nguyễn Lương Bằng và PGS.TS Nguyễn Văn
Tuấn, là người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tơi hồn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào
tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật
tài nguyên nước đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ và động viên tơi
trong q trình học tập và thực hiện luận văn.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn bạn bè, gia đình đã hỗ trợ, động viên, chia sẻ
khó khăn trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Hà Nội, ngày..... tháng .....năm 2019
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lệ Quyên

iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ i
MỤC LỤC ............................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ....................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................ viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... ix
MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ......................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................... 2
3.1. Đối tượng nghiên cứu..................................................................................... 2
3.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ....................................................... 3
4.1. Cách tiếp cận .................................................................................................. 3
4.2. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÔNG GIAN
TRONG NGHIÊN CỨU HẠN HÁN VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU ...................... 5
1.1. Tổng quan ứng dụng công nghệ không gian trong nghiên cứu hạn hán ........ 5
1.1.1. Tổng quan trên thế giới ............................................................................... 5
1.1.2. Tổng quan trong nước ............................................................................... 12
1.2. Tổng quan vùng nghiên cứu ......................................................................... 14
1.2.1. Đặc điểm địa hình vùng nghiên cứu ......................................................... 14
1.2.2. Đặc điểm thổ nhưỡng, địa chất ................................................................. 16
1.2.3. Đặc điểm địa chất ..................................................................................... 17
1.2.4. Đặc điểm sơng ngịi ................................................................................... 18
1.2.5. Đặc điểm khí tượng ................................................................................... 21
1.2.6. Đặc điểm mưa ........................................................................................... 33

v


1.2.7. Tình hình hạn hán khí tượng ..................................................................... 37
CHƯƠNG 2: CÔNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (Cần viết chi
tiết hơn) ............................................................................................................... 41
2.1. Cách tiếp cận nghiên cứu ............................................................................. 41
2.2. Thu thập, phân tích số liệu mưa thực đo ...................................................... 43
2.2.1. Xác định mạng lưới trạm .......................................................................... 43
2.2.2. Xác định chuỗi số liệu mưa thực đo .......................................................... 45
2.3. Lựa chọn, thu thập và xử lý mưa vệ tinh ..................................................... 46
2.4. Xây dựng cơng thức tính tốn chỉ số SPI..................................................... 52
2.5. Ứng dụng công cụ GIS để lập bản đồ sự thiếu hụt nguồn nước .................. 59
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................... 62
3.1. Diễn biến lượng mưa .................................................................................... 62
3.2. Phân tích tình trạng thiếu hụt nguồn nước dựa trên chỉ số SPI ................... 65
3.3. Xây dựng bản đồ thiếu hụt nguồn nước theo các năm................................. 68
3.4. Phân tích diện tích hạn hán tại các địa phương ............................................ 69
3.5. Đề xuất giải pháp ứng phó, khắc phục thiếu hụt nguồn nước lưu vực sông
Cả......................................................................................................................... 72
3.5.1. Một số giải pháp công trình ...................................................................... 72
3.5.2. Một số giải pháp phi cơng trình ................................................................ 73
3.5.3. Một số giải pháp khoa học công nghệ ...................................................... 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 75
Kết luận ............................................................................................................... 75
Kiến nghị ............................................................................................................. 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 158

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Một số nguồn mưa vệ tinh toàn cầu hiện nay .................................... 11
Bảng 1. 2. Phân loại đất đai trên lưu vực sông Cả .............................................. 17
Bảng 1. 3. Đặc trưng hình thái một số lưu vực sơng .......................................... 21
Bảng 1. 4. Lưới trạm khí tượng và đo mưa trong và lân cận lưu vực sơng Cả... 22
Bảng 1. 5. Nhiệt độ trung bình tháng, năm vùng nghiên cứu (Đơn vị:ºC) ......... 28
Bảng 1. 6. Độ ẩm tương đối trung bình tháng, năm vùng nghiên cứu (Đơn vị: %)
............................................................................................................................. 29
Bảng 1. 7. Tổng lượng bốc hơi Piche trung bình tháng, năm vùng nghiên cứu
(Đơn vị: mm) ....................................................................................................... 30
Bảng 1. 8. Số giờ nắng trung bình tháng, năm vùng nghiên cứu (Đơn vị:giờ) .. 30
Bảng 1. 9. Tốc độ gió trung bình tháng, năm vùng nghiên cứu (Đơn vị: m/s) ... 32
Bảng 1. 10. Lượng mưa tháng năm trung bình nhiều năm (Đơn vị: mm) .......... 36
Bảng 2. 1. Khoảng trống số liệu mưa tại các trạm trên lưu vực sông Cả ........... 44
Bảng 2. 2. Tiêu chí đánh giá chỉ số NSE ............................................................ 51
Bảng 2. 3. Kết hợp mưa thực đo và mưa CHIRPS tại các trạm trên lưu vực sông
Cả......................................................................................................................... 51
Bảng 2. 4. Bảng tổng hợp các chỉ tiêu hạn.......................................................... 54
Bảng 2. 5. Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI [29] .............................................. 58
Bảng 3. 1. Tỷ lệ mưa năm phân theo mùa trung bình nhiều năm ...................... 65
Bảng 3. 2. Phân cấp hạn theo diện tích các huyện LVS Cả năm 2015 .............. 70
Bảng 3. 3. Diện tích bị hạn theo chỉ số SPI6 năm 2005 ..................................... 71

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Dữ liệu mưa CHIRPS cho châu Phi ngày 04-04-2017 ........................ 9
Hình 1. 2. Dữ liệu mưa TRMM từ năm 2000-2008 ở Nepal .............................. 10

Hình 1. 3. Dữ liệu mưa CMORPH ngày 08-11-2015 ở Autralia ........................ 11
Hình 1. 4. Bản đồ hành chính lưu vực sơng Cả .................................................. 15
Hình 1. 5. Bản đồ mạng lưới khí tượng và đo mưa lưu vực sơng Cả ................. 25
Hình 2. 1. Các trạm mưa được lựa chọn ............................................................ 45
Hình 2. 2. Số liệu mưa thực đo (trạm Quỳ Hợp) ................................................ 45
Hình 3. 1. Số liệu mưa thực đo (Trạm Quỳnh Lưu) ........................................... 64
Hình 3. 2. Số liệu mư thực đo (Trạm Kim Cương) ............................................. 64
Hình 3. 3. Số liệu mưa thực đo (Trạm Quỳ Hợp) ............................................... 64
Hình 3. 4. Chỉ số SPI 1, 3 và 6 trạm Quỳ Hợp.................................................... 66
Hình 3. 5 Xu thế diễn biến hạn hán vùng LVS Cả dựa vào chỉ số SPI .............. 67
Hình 3.9. Bản đồ phân bố hạn khí tượng theo chỉ số SPI6 trên LVS Cả..... Error!
Bookmark not defined.

viii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PTNT

Phát triển nông thôn

HTTL

Hệ thống thủy lợi

QHTL

Quy hoạch Thủy Lợi

LVS

Lưu vực sông

KH&CNVN

Khoa học và công nghệ Việt Nam

KT - XH

Kinh tế - Xã hội

KTTV

Khí tượng thủy văn

LVS

Lưu vực sông

ix


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc
nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt lượng mưa, lượng bốc hơi
lớn và việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên
khắp thế giới có thể xảy ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn là
biến đổi đáng kể từ vùng này sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo
thời gian, rất khác với sự khô hạn, bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có

lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là một đặc trưng lâu dài của khí hậu. Vì vậy,
hiện tượng hạn hán xảy ra trong từng năm với các đặc tính thời tiết và các tác
động của nó là khơng giống nhau.
Những năm gần đây cùng với sự phát triển của đất nước, nền kinh tế thuộc các
tỉnh trên lưu vực sơng Cả có những thay đổi tích cực, cơ cấu kinh tế đang
chuyển dịch dần theo hướng công nghiệp - dịch vụ - nông nghiệp. Hàng loạt các
khu công nghiệp, khu kinh tế, khu đô thị mới ra đời, nhu cầu nước cho các
ngành do đó cũng tăng lên đáng kể.
Trong khi đó, quy luật diễn biến thời tiết khí hậu ngày càng phức tạp về thời
gian xuất hiện lũ và hạn như: Về lũ, diễn biến mực nước trên các sơng ngày
càng có những tổ hợp bất lợi cho cơng tác phịng lũ. Ví dụ như những trận lũ
xảy ra vào các năm 1978, 1988, 2002, 2007 và mới nhất là trận lũ sảy ra vào
năm 2010 gây tổn thất nặng nề cho nền kinh tế, xã hội trên lưu vực; Về hạn,
mức độ hạn ngày càng gia tăng ảnh hưởng nghiêm trọng đến sản xuất điển hình
như năm 2005, 2007 đặc biệt là năm 2010. Theo thống kê chưa đầy đủ Tỉnh
Nghệ An - Hà Tĩnh thuộc lưu vực sông Cả hạn hán cũng xảy ra trên diện rộng,
Năm 2010 Nghệ An diện tích hạn khoảng 17.000-20.000ha, Hà Tĩnh có khoảng
12.000ha bị hạn trong đó hạn nặng chiếm tới 30% diện tích hạn và hàng trăm hệ
thống hồ xuống gần mực nước chết. Một số nơi mực nước xuống mức thấp nhất
1


trong chuỗi số liệu quan trắc như: trên sông Cả tại Nam Đàn, sơng La tại Linh
Cảm,... gây nên tình trạng mặn xâm nhập sâu trên các lưu vực sông, khơng lấy
được nước vào trong đồng.
Chính vì vậy cần nghiên cứu, phân tích đánh giá tình hình thiếu hụt nguồn nước
trên lưu vực sông Cả để xác định các khu vực, các thời gian xảy ra hạn hạn,
thường xuyên xảy ra thiếu nước so với nhiều năm, qua đó đề xuất được các giải
pháp thích ứng.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Đánh giá tình trạng hạn hán, thiếu nước ở lưu vực sông Cả dựa trên chỉ số
chuẩn hóa lượng mưa (Standardized Precipitation Index, SPI);
- Kết hợp cơng cụ viễn thám, GIS xây dựng bản đồ phân bố thiếu hụt nguồn
nước dựa trên nguồn số liệu mưa vệ tinh;
- Đề xuất giải pháp ứng phó với tình trạng hạn hán, thiếu hụt nước lưu vực sông
Cả.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Các đặc điểm khí tượng như lượng mưa, cường độ bức xạ mặt trời, nhiệt độ bề
mặt đất trung bình, độ che phủ đất... và mức độ hạn hán, khả năng ứng phó của
địa phương.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Vùng nghiên cứu lưu vực sơng Cả thuộc Việt Nam gồm tồn bộ tỉnh Nghệ An,
8 huyện Hà Tĩnh, một phần huyện Như Xuân thuộc Thanh Hóa.
- Giới hạn vùng nghiên cứu:
+ Lưu vực sơng Cả nằm trên hai quốc gia: Cộng hồ dân chủ Nhân Dân Lào và
Cộng hồ xã hơi chủ nghĩa Việt Nam. Ở Việt Nam sông Cả nằm trên địa phận
của 3 tỉnh Thanh Hoá, Nghệ An, Hà Tĩnh.
2


+ Tỉnh Thanh Hố nằm trong lưu vực sơng Cả: Có khoảng 1/2 diện tích huyện
Như Xn trên sơng Chàng (sông nhánh).
+ Tỉnh Nghệ An nằm trong lưu vực sông Cả gồm có: Huyện Quế Phong, Quỳ
Châu, Quỳ Hợp, Nghĩa Đàn, Tân Kỳ (nhánh sông Hiếu); Kỳ Sơn, Tương
Dương, Con Cuông, Anh Sơn, Đô Lương, Thanh Chương, Nam Đàn, Hưng
Nguyên (dịng chính sơng Cả). Do tính chất sử dụng nước của các hệ thống thuỷ
lợi hiện nay về mùa kiệt sơng Cả ở Nghệ An có liên quan mật thiết với các
huyện vùng hưởng lợi là: Huyện Yên Thành, Diễn Châu, Quỳnh Lưu (thuộc hệ
thống thuỷ nông Diễn Yên Quỳnh - hệ thống Bắc Nghệ An), thành phố Vinh, thị

xã Cửa Lò, Nghi Lộc, Hưng Nguyên (trong hệ thống Nam Hưng Nghi - hệ thống
thuỷ nông Nam Nghệ An).
+ Tỉnh Hà Tĩnh lưu vực sông Cả nằm ở các huyện Hương Sơn, Hương Khê, Vũ
Quang, Nghi Xuân và vùng hưởng lợi Can Lộc, Thạch Hà, Đức Thọ, thị xã
Hồng Lĩnh trong hệ thống sơng Nghèn.
+ Với tổng diện tích tự nhiên là 19.627 km2 bao gồm cả vùng hưởng lợi
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
4.1. Cách tiếp cận
- Tiếp cận theo mục tiêu: Các vùng sản xuất nông nghiệp, vùng quy hoạch cho
sản xuất nông nghiệp... chưa có nghiên cứu hay cảnh báo về nguy cơ hạn hán.
- Tiếp cận kết quả của các nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề hạn hán.
- Tiếp cận theo mơ hình: Sử dụng các mơ hình Khí hậu tồn cầu, cơng cụ xử lý
ảnh vệ tinh Erdas, phần mềm GIS phân tích khơng gian ArcGIS.
4.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp kế thừa;
- Phương pháp thu thập, thống kê, phân tích số liệu;
- Phương pháp xử lý số liệu mưa từ vệ tinh (CHIRPS);
3


- Phương pháp ứng dụng phần mềm tính tốn chỉ số chỉ số chuẩn hoá lượng mưa
SPI từ mưa vệ tinh;
- Phương pháp ứng dụng GIS, công cụ nội suy GIS… để xây dựng bản đồ phân
bổ thiếu hụt nguồn nước.

4


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÔNG GIAN
TRONG NGHIÊN CỨU HẠN HÁN VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU

1.1. Tổng quan ứng dụng công nghệ không gian trong nghiên cứu hạn hán
1.1.1. Tổng quan trên thế giới
* Hạn hán, thiếu hụt nguồn nước và chỉ số đánh giá
Trong những thập kỷ gần đây hạn hán xảy ra nhiều nơi trên thế giới, gây
nhiều thiệt hại về kinh tế, ảnh hưởng đến đời sống con người và môi trường
sinh thái. Hàng năm có khoảng 21 triệu ha đất biến thành đất khơng có năng
suất kinh tế do hạn hán. Trong gần 1/4 thế kỷ vừa qua, số dân gặp rủi ro vì hạn
hán trên những vùng đất khô cằn đã tăng hơn 80%. Hơn 1/3 đất đai thế giới đã
bị khô cằn mà trên đó có 17,7% dân số thế giới sinh sống. Đồng hành với hạn
hán, hoang mạc hoá, sa mạc hoá trên thế giới cũng ngày càng lan rộng từ các
vùng đất khô hạn, bán khô hạn đến cả một số vùng bán ẩm ướt . Diện tích hoang
mạc hố đã lên đến 39,4 triệu km2, chiếm 26,3% đất tự nhiên thế giới và trên
100 quốc gia chịu ảnh hưởng. Nguy cơ đói và khát do hạn hán uy hiếp 250
triệu con người trên trái đất, kèm theo đó cị ảnh hưởng tới mơi trường khí hậu
chung tồn cầu (WMO [1]).
Hạn thường gây ảnh hưởng trên diện rộng. Tuy ít khi là nguyên nhân trực tiếp
gây tổn thất về nhân mạng nhưng thiệt hại do hạn gây ra rất lớn. Theo số liệu
của Trung tâm giảm nhẹ hạn hán quốc gia Mỹ, hàng năm hạn hán gây thiệt hại
cho nền kinh tế Mỹ khoảng 6-8 tỷ USD (so với 2,41 tỷ USD do lũ và 1,2-4,8 tỷ
USD do bão). Đợt hạn hán lịch sử ở Mỹ xảy ra vào năm 1988 - 1989 gây thiệt
hại 39-40 tỷ USD, lớn hơn nhiều so với thiệt hại kỷ lục của lũ (15-27,6 tỷ USD,
1993) và bão (25-33,1 tỷ USD, 1992). Hạn cũng gây những tổn thất lớn về kinh
tế và môi sinh ở nhiều quốc gia khác như Ấn độ, Pakistan, Australia... Hạn hán
dưới tác động của El Nino vào năm 1997-1998 đã gây cháy rừng trên diện rộng
ở Indonesia, không chỉ làm thiệt hại rất lớn về kinh tế của nước này mà cịn là
một thảm họa mơi sinh cho nhiều nước thuộc khu vực Đơng Nam Á. Theo tính
5


tốn của Liên Hiệp Quốc, đến năm 2025 sẽ có 2/3 diện tích đất canh tác ở châu

Phi, 1/3 diện tích đất canh tác ở châu Á và 1/5 diện tích đất canh tác ở Nam Mỹ
khơng cịn sử dụng được. Khoảng 135 triệu người có nguy cơ phải rời bỏ nhà cửa
đi kiếm sống ở nơi khác [2].
Vì vậy trên thế giới đã có rất nhiều tác giả nghiên cứu về hạn hán. Nhưng do
tính phức tạp của hiện tượng này, đến nay vẫn chưa có một phương pháp chung
cho các nghiên cứu về hạn hán. Trong việc xác định, nhận dạng, giám sát và
cảnh báo hạn hán, các tác giả thường sử dụng cơng cụ chính là các chỉ số hạn
hán. Việc theo dõi sự biến động của giá trị các chỉ số hạn hán sẽ giúp ta xác định
được sự khởi đầu, thời gian kéo dài cũng như cường độ hạn. Chỉ số hạn hán là
hàm của các biến đơn như lượng mưa, nhiệt độ, bốc thoát hơi, dòng chảy... hoặc
là tổng hợp của các biến. Mỗi chỉ số đều có ưu điểm nhược điểm khác nhau, và
mỗi nước đều sử dụng các chỉ số phù hợp với điều kiện của nước mình. Việc xác
định hạn hán bằng các chỉ số hạn không chỉ áp dụng với bộ số liệu quan trắc mà
còn áp dụng với bộ số liệu là sản phẩm của mơ hình khí hậu khu vực và mơ hình
khí hậu tồn cầu. Trong q trình nghiên cứu hạn, việc xác định các đặc trưng
của hạn là hết sức cần thiết, như xác định: sự khởi đầu và kết thúc hạn, thời gian
kéo dài hạn, phạm vi mở rộng của hạn, mức độ hạn, tần suất và mối liên hệ giữa
những biến đổi của hạn với khí hậu [3].
Các phân tích về hạn hán trên quy mơ tồn cầu của Aiguo Dai, và cộng sự [4],
theo khu vực và địa phương của Benjamin Lloyd-Hughes & Mark A. Saunders
[5]; Michael J. Hayes, và cộng sự [6] đã thông qua các chỉ số hạn dựa trên số
liệu mưa, nhiệt độ và độ ẩm quan trắc trong quá khứ cho thấy số đợt hạn, thời
gian kéo dài hạn, cũng như tần suất và mức độ của nó ở một số nơi đã tăng lên
đáng kể. Nổi bật lên trong nghiên cứu hạn trên quy mơ tồn cầu là nghiên cứu
của Nico Wanders, và cộng sự [7], trong nghiên cứu của mình tác giả đã phân
tích ưu điểm, nhược điểm của 18 chỉ số hạn hán bao gồm cả chỉ số hạn khí
tượng, chỉ số hạn thủy văn, chỉ số độ ẩm, rồi lựa chọn ra các chỉ số thích hợp để

6

áp dụng phân tích các đặc trưng của hạn hán trong năm vùng khí hậu khác nhau
trên tồn cầu: vùng xích đạo, vùng khơ hạn cực, vùng nhiệt độ ấm, vùng tuyết,
vùng địa cực. Nhiều nghiên cứu cho thấy sự giảm lượng mưa đáng kể đi kèm
với sự tăng nhiệt độ sẽ làm tăng quá trình bốc hơi, gây ra hạn hán nghiêm trọng
hơn (A. V. Meshcherskaya & V. G. Blazhevich [8], A. Loukas & L. Vasiliades
[9]). Cùng với xu thế nóng lên trên tồn cầu giai đoạn (1980-2000), tần suất và
xu thế hạn tăng lên và xảy ra nghiêm trọng hơn vào bất cứ mùa nào trong năm,
như ở Cộng hòa Séc cứ khoảng 5 năm lại xảy ra đợt hạn hán nặng trong suốt
mùa đông hoặc mùa hè, với mức độ nặng và tần suất lớn nhất vào tháng IV và
tháng VI (xảy ra trên toàn bộ lãnh thổ với tổng diện tích là 95%) [10]; hạn xảy
ra vào các tháng mùa hè ở Hy Lạp ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoa màu và sự
cung cấp nước trong thành phố (A. Loukas & L. Vasiliades [9]); ở Cộng hịa
Moldova, cứ 2 năm thì lại có một đợt hạn nặng vào mùa thu[10]. Bên cạnh sự
gia tăng về tần suất và mức độ hạn, thời gian kéo dài các đợt hạn cũng tăng lên
đáng kể, thời gian xảy ra hạn có thể kéo vài tháng đến vài năm ở nhiều quốc gia.
Nghiên cứu hạn dựa trên bộ số liệu mưa và nhiệt độ tháng quan trắc với bước
lưới 0,5 trên toàn lãnh thổ Châu Âu 35-70N và 35E- 10W (Benjamin
Lloyd-Hughes & Mark A. Saunders [5]) đã chỉ ra rằng thời gian hạn hán lớn
nhất trung bình trên mỗi ơ lưới ở Châu Âu là 48 ± 17 tháng, tần suất hạn hán cao
hơn xảy ra ở lục địa Châu Âu, thấp hơn ở bờ biển phía đơng bắc Châu Âu, bờ
biển Địa Trung Hải, thời gian hạn kéo dài nhất thì xảy ra ở Italya, đơng bắc
Pháp, đơng bắc Nga, với thời gian kéo dài là 40 tháng. Xukai Zou, và cộng sự
[11] đã chỉ ra rằng hạn hán ở phía bắc Trung Quốc có xu thế tăng lên kể từ sau
những năm 1990, đặc biệt có vài vùng hạn hán kéo dài 4-5 năm từ năm 1997
đến năm 2003. Vì vậy, có thể nói trên thế giới đã có rất nhiều các nghiên cứu về
hạn hán và đi đến kết luận: ① Hạn hán là hiện tượng hết sức phức tạp mà sự
hình thành là do cả hai nguyên nhân: tự nhiên và con người; ② Các yếu tố tự
nhiên gây hạn như sự dao động của các dạng hồn lưu khí quyển ở phạm vi rộng
và các vùng xoáy nghịch, hoặc các hệ thống áp thấp cao, sự biến đổi khí hậu, sự

7


thay đổi nhiệt độ mặt nước biển như El Nino) ; ③ và các nguyên nhân do con
người như nhu cầu nước ngày càng gia tăng, phá rừng, ô nhiễm môi trường ảnh
hưởng tới nguồn nước, quản lý đất và nước kém bền vững, gây hiệu ứng nhà
kính,... [12]. Hiện nay, rất nhiều chỉ số/hệ số hạn khác nhau đã được phát triển
và ứng dụng ở các nước trên thế giới như: Chỉ số ẩm Ivanov (1948), Chỉ số khô
Budyko (1950), Chỉ số khơ Penman, Chỉ số gió mùa GMI, Chỉ số mưa chuẩn
hóa SPI, Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi SPEI, Chỉ số Sazonov, Chỉ số
Koloskov (1925), Hệ số khô, Hệ số cạn, Chỉ số Palmer (PDSI), Chỉ số độ ẩm
cây trồng (CMI), Chỉ số cấp nước mặt (SWSI), Chỉ số RDI (Reclamation
Drought Index)... Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy hầu như khơng có một chỉ
số nào có ưu điểm vượt trội so với các chỉ số khác trong mọi điều kiện. Do đó,
việc áp dụng các chỉ số/hệ số hạn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng vùng
cũng như hệ thống cơ sở dữ liệu quan trắc sẵn có ở vùng đó [13].
Nhằm mục đích giảm nhẹ tác hại của hạn hán, ở một số nước phát triển trên thế
giới đã thành lập các trung tâm giám sát, dự báo, cảnh báo hạn hán. Nhiệm vụ
chính của các trung tâm này là:
1. Theo dõi, giám sát, dự báo và cảnh báo hạn hán;
2. Phối hợp với các ban ngành có liên quan để đề xuất và tiến hành các hoạt
động ngăn ngừa, phòng tránh và giảm nhẹ tác hại của hạn hán;
3. Phối hợp với các cơ quan nghiên cứu khoa học xây dựng các phương pháp dự
báo và cảnh báo hạn hán.
* Sử dụng mưa vệ tinh trong đánh giá nguồn nước
Lượng mưa (Precipitation) là dữ liệu đầu vào quan trọng phục vụ công tác kiểm
kê, đánh giá nguồn nước trên lưu vực sơng. Ngồi số liệu mưa đo đạc tại các
trạm KTTV truyền thống, trên thế giới hiện nay có nhiều cơ quan đo đạc và
cung cấp dữ liệu mưa vệ tinh trong đó CHIRPS, TRMM, CMORPH là các dữ
liệu mưa vệ tinh phổ biến hiện nay.

8


- CHIRPS (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station) là
dữ liệu lượng mưa toàn cầu gần 30 năm của Cục Khảo sát địa chất Hoa Kỳ
(USGS) và nhóm hiểm họa khí hậu (CHG). CHIRPS kết hợp hình ảnh vệ tinh có
độ phân giải 0.05° với dữ liệu trạm tại chỗ để tạo ra chuỗi thời gian mưa theo
dạng lưới để phân tích và theo dõi hạn hán theo mùa.

Hình 1. 1. Dữ liệu mưa CHIRPS cho châu Phi ngày 04-04-2017
- TRMM 3B42 (Tropical Rainfall Measuring Mission) là sản phẩm hợp tác
giữa Cơ quan hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) và cơ quan nghiên cứu và
phát triển hàng không vũ trụ Nhật Bản (JAXA) để giám sát lượng mưa nhiệt đới
và cận nhiệt đới và để ước tính hệ thống nhiệt tiềm ẩn. Dụng cụ đo mưa trên vệ
tinh TRMM bao gồm Radar lượng mưa (PR), radar quét điện tử hoạt động ở tốc
độ 13,8 GHz; TRMM Microwave Image (TMI), một máy đo phóng vi sóng thụ
9


động chín kênh; Và VIRA (Visible and Infrared Scanner), một thiết bị chiếu xạ
hồng ngoại có thể nhìn thấy / năm kênh. Mục đích của thuật tốn 3B42 là tạo ra
tỷ lệ lượng mưa kết hợp hồng ngoại được kết hợp bởi TRMM (IRM) và ước tính
sai số lượng mưa-RMSE (root-mean-square-error).

Hình 1. 2. Dữ liệu mưa TRMM từ năm 2000-2008 ở Nepal
- CMORPH là dữ liệu mưa được tạo ra bởi kỹ thuật CMORPH (MORPHing
CPC) là sản phẩm của Cục Đại dương và Khí quyển quốc gia Hoa Kỳ tạo ra các
phân tích lượng mưa tồn cầu ở độ phân giải không gian và thời gian rất cao. Kỹ
thuật này sử dụng ước tính lượng mưa đã được bắt nguồn từ tàu thăm dị thấp
quan sát lị vi sóng vệ tinh riêng , và có các tính năng được vận chuyển qua

thông tin tuyên truyền về không gian mà thu được hoàn toàn từ dữ liệu IR vệ
tinh địa tĩnh.

10


Hình 1. 3. Dữ liệu mưa CMORPH ngày 08-11-2015 ở Autralia
Bảng 1. 1. Một số nguồn mưa vệ tinh toàn cầu hiện nay
Tên dữ liệu

Ngày bắt đầu-ngày Phân giải Phân giải
kết thúc
không gian thời gian

Nguồn

01/01/199801/12/2016

0.25°

3 giờ

NASA, JAXA

GPM

12/03/2014-nay

0.1°

30 phút

NASA, JAXA

CMORPH

03/12/2002-nay

0.08°

30 phút

NOAA

CHIRPS

01/01/1981-nay

0.05°

Ngày

CHG, UCSB

TRMM

Có thể thấy rằng, dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS có độ phân giải cao nhất, đồng
thời có bước thời gian tương đối cao (theo ngày), đồng thời nguồn dữ liệu tải về
miễn phí nên khá được sử dụng phổ biến hiện nay.

11


1.1.2. Tổng quan trong nước
Đối với Việt Nam, nơi có tiềm năng nguồn nước phong phú nhưng do tính chất
phân mùa sâu sắc nên thường xuyên xuất hiện hạn hán. Cũng như các nghiên
cứu trên thế giới, các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam chủ yếu tập trung đến
hạn khí tượng, hạn thủy văn và hạn nơng nghiệp. Các đề tài, dự án nghiên cứu
hạn hán ở Việt Nam đã được triển khai trong những năm gần đây, chủ yếu tập
trung vào 2 vấn đề chính:
(1) Các nghiên cứu cơ bản về hạn hán và tác động tới dân sinh, kinh tế, xã hội.
(2) Các giải pháp, phòng chống và giảm nhẹ hạn hán bao gồm:
- Giải pháp cơng trình xây dựng các cơng trình thu trữ, điều tiết nước;
- Các giải pháp phi cơng trình như: nghiên cứu xây dựng các hệ thống dự báo,
cảnh báo sớm; các giải pháp về thể chế chính sách để giảm nhẹ thiệt hại do hạn
hán, sử dụng tài nguyên nước hiệu quả, hợp lý...
Năm 2001, Nguyễn Đức Hậu [14] đã nghiên cứu xác định chỉ tiêu hạn, ứng
dụng chỉ tiêu hạn để đánh giá tác động của hiện tượng ENSO đến tình hình hạn
và xây dựng một loạt các phương trình hồi quy dự báo hạn cho 7 vùng khí hậu ở
Việt Nam: Tây Bắc, Đông Bắc, đồng bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, Nam Trung
Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ bằng chỉ số hạn SPI. Năm 2006, Nguyễn Trọng
Yêm [15] đã nghiên cứu đánh giá những đặc điểm cơ bản về hạn hán ở Việt
Nam, các kết quả được phân tích, đúc kết dựa trên các đặc trưng hạn bằng chỉ số
khô hạn tháng, năm và tần suất hạn tháng. Đến năm 2007, Nguyễn Văn Thắng
[16] đã đánh giá được mức độ hạn hán ở các vùng khí hậu và chọn được các chỉ
tiêu xác định hạn hán phù hợp với từng vùng khí hậu ở Việt Nam, đồng thời xây
dựng được công nghệ dự báo và cảnh báo sớm hạn hán cho các vùng khí hậu ở
Việt Nam bằng các số liệu khí tượng thuỷ văn và các tư liệu viễn thám để phục
vụ phát triển kinh tế xã hội, trọng tâm là sản xuất nông nghiệp và quản lý tài
nguyên nước trong cả nước. Năm 2010, Nguyễn Lập Dân [17] đã xây dựng hệ

12


thống quản lý hạn hán vùng đồng bằng sông Hồng (ĐBSH), hệ thống quản lý sa
mạc hóa vùng Nam Trung Bộ và đề xuất các giải pháp chiến lược và tổng thể
quản lý hạn ở cấp Quốc gia, phòng ngừa, ngăn chặn và phục hồi các vùng hoang
mạc hóa, sa mạc hóa. Năm 2015, Vũ Thị Thu Lan [18] đã xây dựng được bản đồ
hạn KT-XH phù hợp với vùng hạ du sông Hồng đến năm 2020; đề xuất các giải
pháp giảm thiểu hạn KT-XH cũng như giải pháp ứng phó khi xuất hiện hạn KTXH phù hợp cho vùng hạ du sông Hồng. Năm 2015, Nguyễn Văn Thắng [19]
đã xây dựng được bộ chỉ tiêu hạn phù hợp để thực hiện giám sát, cảnh báo hạn
hán; xây dựng công nghệ, quy trình mơ hình thống kê tổ hợp dự báo hạn khí
tượng cho tồn quốc theo chỉ số hạn SPI; xây dựng được cơng nghệ, quy trình
ứng dụng sản phẩm dự báo của 8 mơ hình tồn cầu trong cảnh báo hạn ở Việt
Nam hạn đến 6 tháng; đã ứng dụng thành cơng các mơ hình khí hậu khu vực
RSM và CWRF vào dự báo các trường khí hậu trung bình phục vụ dự báo hạn
thủy văn, nơng nghiệp ở ĐBSH hạn đến 6 tháng; xây dựng công nghệ, quy trình
dự báo hạn thủy văn, nơng nghiệp cho vùng ĐBSH theo chỉ số hạn SWSI và
PDSI; xây dựng và đưa vào ứng dụng nghiệp vụ hệ thống giám sát hạn hán thời
gian thực bằng công nghệ viễn thám và nhóm nghiên cứu cũng đã xây dựng
được các hướng dẫn, quy trình thực hiện trong dự báo nghiệp vụ.
Cịn đối với vùng nghiên cứu thì năm 2000 Nguyễn Trọng Hiệu [20] và 2001,
Nguyễn Văn Cư [21] đã nghiên cứu xác định chỉ tiêu hạn, đánh giá tác động của
hạn hán (hạn khí tượng và hạn thuỷ văn) đến tình hình hạn, ngun nhân hoang
mạc hố và các giải pháp phịng chống hạn hán, hoang mạc hoá ở 4 tỉnh Quãng
Ngãi, Bình Định, Ninh Thuận và Bình Thuận. Cũng trong năm 2001, Đào Xuân
Học [22] đã sử dụng chỉ số khô hạn Sazonop để khảo sát, đánh giá hạn hán cho
các tỉnh DHMT. Kết quả nghiên cứu cho thấy chỉ số Sazonop tương đối phù hợp
với diễn biến hạn thực tế, đặc biệt trong những năm hạn nặng. Đồng thời, nghiên
cứu này cũng đã phân tích xác định nguyên nhân gây ra hạn hán, phân loại và

phân cấp hạn. Dựa trên các nguyên nhân gây hạn hán, đã đưa ra các biện pháp
phòng chống và giảm nhẹ hạn hán. Năm 2005, Nguyễn Quang Kim [23] đã
13


nghiên cứu hiện trạng hạn hán, thiết lập cơ sở khoa học cho quy trình dự báo
hạn cho vùng NTB và Tây nguyên, cơ sở dữ liệu khu vực nghiên cứu để lập
trình các phần mềm tính tốn chỉ số hạn và phần mềm dự báo hạn khí tượng
bằng chỉ số SPI. Việc dự báo hạn được dựa trên nguyên tắc phân tích mối tương
quan giữa các yếu tố khí hậu, các hoạt động ENSO và các điều kiện thực tế vùng
nghiên cứu. Năm 2008, Trần Thục [24] đã đánh giá được mức độ hạn hán và
thiếu nước sinh hoạt ở 9 tỉnh Nam Trung Bộ và Tây Nguyên. Trên cơ sở đó đã
xây dựng được bản đồ hạn hán thiếu nước sinh hoạt trong vùng nghiên cứu. Tuy
nhiên, ở đây cũng chỉ xét đến hạn khí tượng, hạn thủy văn và hạn nông nghiệp.
Năm 2014, Nguyễn Lương Bằng [25] đã sử dụng chỉ số SPEI trong nghiên cứu
ảnh hưởng của ENSO tới diễn biến hạn khí tượng ở lưu vực sông Cái. Kết quả
nghiên cứu cho thấy chỉ số SPEI đánh giá diễn biến hạn hán ở lưu vực sông Cái
là phù hợp hơn so với chỉ số SPI và trong cơng thức tính tốn có sử dụng yếu tố
nhiệt độ khơng khí để tính tốn lượng bốc hơi.
Cơng tác cảnh báo hạn hán ở Việt Nam chưa được thực hiện một cách hệ thống,
tuy nhiên khi xuất hiện hiện tượng El Nino hoặc khi có dấu hiệu về sự thiết hụt
lượng mưa thì Trung tâm KTTV Quốc gia và Viện KTTV&MT nay là Viện
KTTV&BĐKH đều có các bản tin cảnh báo về hiện tượng này. Ngồi ra, thơng
tin về chỉ số khô (ẩm) cho các khu vực của Việt Nam cũng có thể khai thác từ
các bản tin thơng báo và dự báo khí hậu hàng tháng của Viện KHKTTV&
BĐKH phục vụ công tác dự báo, cảnh báo hạn hán ở Việt Nam.
1.2. Tổng quan vùng nghiên cứu
1.2.1. Đặc điểm địa hình vùng nghiên cứu
Lưu vực sơng Cả phát triển theo hướng Tây Bắc - Đông Nam, nghiêng dần ra
biển. Phần lớn diện tích là đồi núi, diện tích đất có độ dốc thoả mãn cho u cầu

phát triển nơng nghiệp chỉ chiếm 19% diện tích thuộc địa phận Việt Nam và
14% tồn lưu vực. Có thể chia địa hình sơng Cả thành các dạng chính sau:

14


a. Địa hình đồng bằng và đồng bằng ven biển
Đồng bằng sơng Cả nằm dọc hai bên bờ sơng tính từ phần trung lưu của sông trở
xuống bao gồm: Huyện Đô Lương, Thanh Chương, Nam Đàn, Hưng Nguyên và
chủ yếu là vùng đồng bằng hưởng lợi từ nguồn nước của lưu vực sông Cả như
vùng đồng bằng Diễn - Yên - Quỳnh, Nam - Hưng - Nghi, sông Nghèn và Nghi
Xuân. Đây là nơi tập trung phát triển kinh tế xã hội của lưu vực. Cao độ đồng
bằng ven sông Cả biến đổi dần từ +10+15 khu Đô Lương; +7+8 vùng Thanh
Chương; +2,5+1,0 vùng Nam Đàn, Hưng Nguyên và +2,0+0,0 vùng Đức
Thọ, Thạch Hà... Tổng diện tích mặt bằng vùng đồng bằng chiếm khoảng 10%
diện tích lưu vực sơng Cả và khu hưởng lợi.

Hình 1. 4. Bản đồ hành chính lưu vực sông Cả
b.Vùng đồi trung du
Trung du lưu vực sông Cả nằm ở các huyện Nghĩa Đàn, Quỳ Hợp, Tân Kỳ, Anh
Sơn, Thanh Chương, Vũ Quang, Hương Sơn và Hương Khê. Đây là dạng địa
15


hình phức tạp, dạng đồi bát úp và đồi cao xen kẽ có các thung lũng thấp như khu
Bãi Tập - Quỳ Hợp, vùng sông Sào - Nghĩa Đàn, vùng trung tâm huyện Hương
Khê, Vũ Quang, vùng Sơn Hà của Hương Sơn cao độ biến đổi từ +20 đến
+200m. Dạng địa hình này bị chia cắt mạnh có thế dốc nhiều chiều do các sơng
nhỏ tạo nên. Tổng diện tích mặt bằng dạng địa hình này chiếm khoảng 25-30%
diện tích.

c. Dạng địa hình vùng núi cao
Địa hình vùng núi cao chủ yếu tập trung ở phía Tây, Tây Bắc và Tây Nam lưu
vực. Chạy suốt từ Đồng Văn, Thông Thụ (Quế Phong) men theo biên giới Việt Lào đến tận Hương Liên (Hương Khê - Hà Tĩnh) các dãy núi liền đỉnh như dãy
Giăng Màn ở Hà Tĩnh và dãy núi biên giới từ Nậm Mô (Làng Nhãn) đến cửa
khẩu Cầu Treo (Hương Sơn). Dạng địa hình này có cao độ từ +12.000 
+15.000m như một bức tường thành ngăn giữa lưu vực sông Mê Kông và lưu
vực sông Cả. Các huyện miền núi cao thuộc lưu vực sông Cả là: Kỳ Sơn, Tương
Dương, Con Cuông, Quế Phong, Quỳ Châu và một phần đất đai của Quỳ Hợp,
Nghĩa Đàn, Như Xuân, Anh Sơn, Thanh Chương, Nam Đàn, Hương Khê, Vũ
Quang, dạng địa hình này có độ dốc lớn, thung lũng hẹp. Địa hình vùng núi cao
chiếm tới 60-70% diện tích lưu vực nhưng diện tích đất canh tác chỉ chiếm
1,52% tổng diện tích mặt bằng. Đây là vùng đất được xác định chủ yếu là vùng
lâm nghiệp phòng hộ đầu nguồn.
1.2.2. Đặc điểm thổ nhưỡng, địa chất
Kết quả điều tra thổ nhưỡng theo nguồn gốc phát sinh, có thể phân đất đai lưu
vực sơng Cả thành 2 loại chính: Đất thuỷ thành và đất địa thành.

16