Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và gis xác định lượng nước mặt lưu vực vu gia thu bồn
- 80 trang
- file .pdf
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS
XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC MẶT LƯU VỰC VU GIA – THU BỒN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS
XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC MẶT LƯU VỰC VU GIA – THU BỒN
Chuyên ngành : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ
Mã số : 8520503
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Trịnh Thị Hoài Thu
Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS Trần Xuân Trường
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Lê Minh Hằng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 19 tháng 01 năm 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Kết quả nghiên cứu của luận văn là những đóng góp riêng dựa trên số liệu
thu thập, những kết quả nghiên cứu kế thừa các công trình khoa học khác đều được
trích dẫn theo đúng quy định.
Nếu luận văn có sự sao chép từ các công trình khoa học khác, tác giả xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên
Nguyễn Mạnh Cường
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ
của nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị. Nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin bày tỏ
lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới:
TS. Trịnh Thị Hoài Thu, người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện
thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp này.
Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô khoa Trắc địa bản đồ và
Thông tin địa lý, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã hết lòng
giảng dạy, truyền đạt kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và những người
thân yêu nhất, đã giành cho tôi hết tình cảm và điều kiện, chia sẻ với tôi những lúc
khó khăn nhất để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học này.
Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2019
Học viên
Nguyễn Mạnh Cường
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...............................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ ...................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................ viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH LƯỢNG
NƯỚC MẶT .............................................................................................................. 3
1.1. Khái quát tài nguyên nước mặt ............................................................................ 3
1.1.1. Khái niệm ....................................................................................................... 3
1.1.2. Tài nguyên nước mặt trên Thế Giới ............................................................... 3
1.1.3. Tài nguyên nước mặt ở Việt Nam .................................................................. 8
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu xác định lượng nước mặt .......................... 25
1.3. Vấn đề nghiên cứu của đề tài ............................................................................. 27
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC
MẶT THEO LƯU VỰC SÔNG ............................................................................. 28
2.1. Quy trình xác định lượng nước mặt tích hợp viễn thám và GIS ........................ 28
2.1.1. Dữ liệu DEM ................................................................................................ 28
2.1.2. Dữ liệu viễn thám ......................................................................................... 30
2.1.3. Dữ liệu thổ nhưỡng ...................................................................................... 32
2.1.4. Dữ liệu khí tượng ......................................................................................... 33
2.2. Phương pháp chiết tách thông tin từ viễn thám ................................................. 33
2.3. Ứng dụng GIS xác định lượng nước mặt ........................................................... 35
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC
MẶT LƯU VỰC VU GIA-THU BỒN ................................................................... 40
3.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên .................................................................................... 40
iv
3.1.1. Vị trí địa lý ................................................................................................... 40
3.1.2. Địa hình - Địa mạo ....................................................................................... 40
3.1.3. Địa chất - thổ nhưỡng................................................................................... 41
3.1.4. Thực vật........................................................................................................ 41
3.1.5. Khí hậu ......................................................................................................... 42
3.1.6. Thủy văn....................................................................................................... 43
3.1.7. Đặc điểm kinh tế xã hội và dân cư ............................................................... 43
3.2. Tư liệu sử dụng .................................................................................................. 45
3.3. Xây dựng bản đồ lớp phủ từ tư liệu ảnh viễn thám Landsat .............................. 47
3.3.1. Tiền xử lý ..................................................................................................... 47
3.3.2. Xây dựng chú giải ........................................................................................ 51
3.3.3. Phân loại lớp phủ.......................................................................................... 52
3.4. Xác định lượng nước .......................................................................................... 57
3.4.1. Chuẩn hóa dữ liệu đưa vào mô hình ............................................................ 57
3.4.2. Phân định lưu vực ........................................................................................ 59
3.4.3. Phân tích đơn vị thủy văn ............................................................................. 60
3.4.4. Lượng dòng chảy bề mặt .............................................................................. 60
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 66
v
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ tên học viên: Nguyễn Mạnh Cường
Lớp: CH2BTĐ Khóa: 2
Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Thị Hoài Thu
Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS xác định lượng nước mặt
lưu vực Vu Gia - Thu Bồn.
Tóm tắt: Luận văn xác định lượng nước mặt tại lưu vực Vu Gia - Thu Bồn
bằng sự tích hợp viễn thám và GIS. Luận văn sử dụng phương pháp phân loại xác
suất cực đại để chiết tách thông tin lớp phủ bề mặt tại lưu vực thời điểm tháng 2
năm 2010 đạt hệ số Kappa là 0.7. Dữ liệu lớp phủ bề mặt, DEM, khí tượng, thổ
nhưỡng chuẩn hoá vào mô hình SWAT trên môi trường GIS xác định lưu lượng
dòng chảy theo tháng trên 33 tiểu lưu vực tại Vu Gia - Thu Bồn. Kết quả nghiên
cứu của luận văn cho thấy lưu lượng dòng vào những tháng 2, 3, 4 và 5 là những
tháng có dòng chảy thấp tương ứng với mùa khô với giá trị lưu lượng thấp nhất vào
tháng 1 năm 2005 với giá trị là 4.24 m3/s. Còn những tháng 8, 9, 10, 11 và 12 là
những tháng có lưu lượng dòng chảy lớn và là những tháng mùa mưa với đạt đỉnh
vào các tháng 9, 10 và 11 với giá trị 226.6 m3/s vào năm 2005.
vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Giải thích
DEM Mô hình số độ cao
FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc
GIS Hệ thống thông tin địa lý
MW Đơn vị đo công suất
NASA Cơ quan hàng không và vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ
Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa
UNESCO
Liên Hợp Quốc
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ
Bảng 1.1. Lượng và phần trăm dòng chảy sông theo các châu lục trên thế giới................. 4
Bảng 2.1. Đặc trưng kỹ thuật của một số ảnh viễn thám quang học đang sử dụng
rộng rãi hiện nay........................................................................................................ 31
Bảng 3.1. Giới thiệu vệ tinh Landsat 5 ..................................................................... 45
Bảng 3.2. Loại chú giải trong bản đồ ........................................................................ 51
Bảng 3.3. Ma trận sai số (pixels)............................................................................... 56
Bảng 3.4. Ma trận sai số (%) .................................................................................... 56
Bảng 3.5. Bảng tra các loại hình sử dụng đất............................................................ 58
Bảng 3.6. Bảng tra các loại đất ................................................................................. 57
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Các bước xác định số lượng nước tích hợp viễn thám và GIS ................. 28
Hình 2.2. So sánh độ phân giải không gian của một số vệ tinh ................................ 32
Hình 2.3. Sơ đồ tính diện tích thành phần của thiết diện ướt.................................... 36
Hình 3.1. Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ............................................................... 40
Hình 3.2. Ảnh lưu vực nghiên cứu (tổ hợp màu 4:3:2) ............................................. 45
Hình 3.3. Mô hình DEM STRM tại lưu vực ............................................................. 46
Hình 3.4. Dữ liệu thổ nhưỡng (FAO)........................................................................ 46
Hình 3.5. Dữ liệu khí tượng toàn cầu CFSR ............................................................. 47
Hình 3.6. Chuyển đổi ảnh giá trị bức xạ ................................................................... 48
Hình 3.7. Hiệu chỉnh Minnaert ................................................................................. 49
Hình 3.8. Các góc cần thiết để tính toán góc tới ....................................................... 50
Hình 3.9. Ảnh chưa hiệu chỉnh khí quyển và địa hình.............................................. 51
Hình 3.10. Ảnh hiệu chỉnh khí quyển ....................................................................... 51
Hình 3.11. Bản đồ lớp phủ lưu vực Vu Gia - Thu Bồn ............................................. 55
Hình 3.12. Diện tích lớp phủ lưu vực Vu Gia - Thu Bồn ......................................... 55
Hình 3.13. Ranh giới lưu vực và tiểu vùng lưu vực khi phân định qua DEM .............. 59
Hình 3.14. Kết quả phân tích đơn vị thủy văn .......................................................... 60
Hình 3.15. Biểu đồ lưu lượng dòng chảy trung bình ................................................ 63
Hình 3.16. Lưu lượng dòng chảy theo tháng của 33 tiểu lưu vực năm 2010............ 63
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn
Nước có ý nghĩa sống còn đối với cuộc sống con người, bảo đảm an ninh
nguồn nước là vấn đề cực kỳ quan trọng của mọi quốc gia trong đó có Việt Nam.
Nước ta có hệ thống sông ngòi dày đặc, tổng lượng nước mưa và nước mặt khá
phong phú, nếu xét lượng nước trung bình trên đầu người, nước ta được xếp vào
loại từ đủ đến thừa nước. Tuy nhiên do vị trí địa lý và các điều kiện tự nhiên quy
định nên tài nguyên nước của Việt Nam luôn tiềm ẩn những nguy cơ thiếu bền
vững, vấn đề suy giảm tài nguyên nước và mất an ninh nguồn nước là nguy cơ
không thể xem thường. Trong những năm gần đây, tài nguyên nước của các tỉnh
ven biển miền Trung Việt Nam nói chung và lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn nói
riêng có xu hướng suy giảm do phải đối mặt với vấn đề thiên tai ngày càng gia tăng
mà nguyên nhân chủ yếu là do biến đổi khí hậu, nước biển dâng và sự bùng nổ đô
thị hóa. Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn với diện tích hứng nước 10.350 km2 thuộc
địa phận thành phố Đà Nẵng và tỉnh Quảng Nam là một trong 9 lưu vực sông lớn
của Việt Nam. Điều kiện địa lý của lưu vực sông đã hình thành nên tiềm năng
nguồn nước ở đây được xếp vào loại phong phú nhất Việt Nam nhưng cũng là nơi
chịu tác động mạnh mẽ của các loại hình thiên tai, trong đó các thiên tai liên quan
đến dòng chảy trên lưu vực sông như lũ lụt, lũ quét, hạn hán,… thường xuyên xảy
ra. Các thiên tai này đã và đang hạn chế sự phát triển nền kinh tế đồng thời tàn phá
môi trường, tác động mạnh đến đời sống xã hội trên lưu vực. Vì vậy việc xác định
lượng nước trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn làm cơ sở khoa học cho việc định
hướng sử dụng bền vững tài nguyên nước của lưu vực.
Viễn thám cung cấp nguồn tư liệu phong phú và việc áp dụng tư liệu viễn
thám trong nghiên cứu tài nguyên nước đang diễn ra mạnh mẽ trong đó có ứng dụng
viễn thám và GIS nghiên cứu chất lượng nước, xác định diện tích nước mặt, số
lượng nước. Hiện nay, nguồn tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi ở nước ta
trong hầu hết tất cả các lĩnh vực nghiên cứu. Cùng với đó thiết bị tin học được đồng
bộ hóa tăng khả năng xử lý một cách nhanh chóng và chính xác. Vì việc kết hợp
2
giữa viễn thám và công nghệ các phần mềm GIS góp phần khắc phục nhiều hạn chế
của phương pháp truyền thống, đặc biệt hiệu quả trong xử lý số liệu nhằm xác định
tài nguyên nước mặt. Vì những lý do trên, học viên thực hiện đề tài “Nghiên cứu
ứng dụng viễn thám và GIS xác định lượng nước mặt lưu vực Vu Gia - Thu Bồn”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng viễn thám và GIS xác định được lượng nước mặt lưu vực Vu Gia -
Thu Bồn.
3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS xác định lượng nước mặt của lưu vực
Vu Gia - Thu Bồn.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp kế thừa
+ Thu thập các tài liệu đã có, các tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có liên
quan đã được công bố, cập nhật các thông tin mới trên mạng, kế thừa các thành quả
có liên quan đến nội dung của luận văn.
+ Phân tích nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó lựa chọn phương pháp nghiên
cứu phù hợp.
- Phương pháp đánh giá và khai thác công nghệ
Khai thác các công nghệ viễn thám và công nghệ Gis. Kết hợp có hiệu quả
giữa hai phương pháp.
- Phương pháp chuyên gia
Xin ý kiến góp ý của giáo viên hướng dẫn, các nhà khoa học, các đồng nghiệp
về các nội dung trong luận văn.
- Phương pháp tích hợp
Tích hợp các tư liệu ảnh viễn thám và các phần mềm xử lý của công nghệ GIS
để tính toán , xử lý xác định được lượng nước mặt.
5. Cấu trúc luận văn
Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, phần nội dung nghiên cứu
được trình bày trong 3 chương.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC MẶT
1.1 Khái quát tài nguyên nước mặt
1.1.1. Khái niệm
Nước mặt là nước tồn tại trên mặt đất liền hoặc hải đảo [4] và là nước phân bố
trên mặt đất, nước trong sông, suối, ao hồ, đầm lầy. Đặc điểm của tài nguyên nước mặt
là sự chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện khí hậu và các tác động khác do hoạt động kinh
tế của con người, nước mặt dễ bị ô nhiễm và thành phần hóa lý của nó dễ bị thay đổi,
khả năng hồi phục trữ lượng nước nhanh nhất ở vùng thường có mưa.
Đánh giá tài nguyên nước dựa trên ba đặc trưng: lượng, chất, động thái.
- Lượng là đặc trưng biểu thị mức độ phong phú của tài nguyên nước trên lưu
vực, lãnh thổ.
- Chất bao gồm các đặc trưng về hàm lượng các hòa tan hoặc không hòa tan
trong nước (có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn của đối tượng sử dụng).
- Động thái của nước được đánh giá bởi sự thay đổi của các đặc trưng dòng
chảy theo thời gian, sự thay đổi giữa các khu vực chứa nước, sự chuyển động nước
dưới đất, các quá trình trao đổi chất hòa tan, truyền mặn,…
Việc xác định lượng nước của sông hay trong lưu vực thường không theo khối
lượng tĩnh mà phải xác định theo lượng dòng chảy hoặc theo dòng chảy bề mặt.
Đối với tài nguyên nước mặt lượng nước trong lưu vực được xác định thông qua lưu
lượng nước. Lưu lượng nước là lượng nước chảy qua mặt cắt của một con sông nào
đó trong đơn vị thời gian là 1 giây. Ký hiệu là Q, đơn vị đo lưu lượng là (m3/s).
Ngoài lưu lượng tức thời trên, còn sử dụng lưu lượng bình quân theo ngày, tháng,
năm và nhiều năm,… [1].
1.1.2. Tài nguyên nước mặt trên thế giới
Tổng khối lượng nước sông suối trên toàn thế giới ước tính là 2120 km3, nó
chiếm 2% lượng nước sạch trên toàn cầu. Sự phân bố dòng chảy bề mặt trên Trái
Đất là không đồng đều [22].
4
Bảng 1.1. Lượng và phần trăm dòng chảy sông theo các châu lục trên thế giới
Dòng chảy sông Phần trăm
Châu lục
(km³/năm) (%)
Châu Á ( không bao gồm Trung Đông) 13300 30.6
Châu ÚC 440 1.0
Châu ÂU 2 900 6.7
Trung Đông và Bắc Phi 140 0.3
Bắc Mỹ 7 800 17.9
Châu Đại Dương 6 500 14.9
Nam Mỹ 2 000 27.6
Châu Phi cận Sahara 4 000 9.2
Trong bảng 1.1 cho thấy có sự khác biệt lớn giữa lượng dòng chảy sông của
các Châu lục, lượng dòng chảy thấp nhất tại hai khu vực Trung Đông và Bắc Phi,
Châu Úc tương ứng là 140 km3/năm và 440 km3/năm. Trung Đông là khu vực rộng
lớn với tổng diện tích khoảng 9 triệu km2, trong đó sa mạc chiếm gần 4 triệu km2,
khu vực này thường có khí hậu nóng và khô hạn. Nhiều nước trong khu vực phải
đối mặt với nắng nóng dữ dội và bão bụi. Lượng mưa trong khu vực này rất thấp
điển hình như ở Ai Cập và Ả Rập. Ả Rập lượng mưa trung bình là 4 inches. Với
lượng mưa trung bình từ 0.1 - 0.2 inches mỗi năm tại khu vực phía Nam của Cairo
thì Ai cập được cho là quốc gia khô hạn nhất trên thế giới. Nước Úc có gần 50%
diện tích là sa mạc, tài nguyên nước chủ yếu tồn tại ở dạng sông băng và mũ băng
tại các cực. Là một trong những quốc gia chịu tác động lớn của biến đổi khí hậu trên
thế giới, từ năm 2007 đến nay, nước Úc đang phải trải qua đợt hạn hán nặng nề nhất
trong gần 100 năm qua. Chính phủ đã thực hiện một số giải pháp cấp bách nhằm tiết
kiệm nguồn nước ngọt [3].
Theo Giám đốc UNESCO Koichiro Matsuura, trong tình trạng thiếu nước gia
5
tăng như hiện nay, vấn đề quản lý hiệu quả tài nguyên nước trở nên quan trọng hơn
bao giờ hết và việc đấu tranh với cái nghèo còn tùy thuộc vào khả năng chúng ta
đầu tư vào lĩnh vực tài nguyên nước. Nhu cầu về nước ngày càng tăng, tại nhiều
quốc gia trên thế giới tài nguyên nước đã bị khai thác quá mức, vượt quá khả năng
của nguồn nước. Hơn nữa, do tác động của biến đổi khí hậu, tình trạng khan hiếm
nước càng thêm trầm trọng hơn. Do đó, vấn đề cạnh tranh về nước đang ngày càng
trở nên căng thẳng giữa các quốc gia, khu vực, đô thị, nông thôn, hoặc giữa các
ngành nghề, lĩnh vực hoạt động khác nhau. Điều đó khiến cho nước đang dần trở
thành một trong những vấn đề chính trị tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Nhằm hạn chế nhu cầu cũng như chống thất thoát nước, đồng thời tăng cường
quản lý tài nguyên nước, nhiều chính sách đã được áp dụng. Luật pháp về bảo vệ và
quản lý tài nguyên nước đã được ban hành tại nhiều quốc gia. Song, trên thực tế
những cải cách, đổi mới này vẫn chưa thực sự có hiệu quả, công việc thường chỉ
giới hạn trong ngành nước. Vì vậy, muốn thực sự có hiệu lực, các quyết định cho
vấn đề nước cần thiết có sự tham gia của lãnh đạo, của tất cả các ngành, trong đó có
các ngành nông nghiệp, năng lượng, thương mại và tài chính, bởi tất cả các ngành
này đều có ảnh hưởng quyết định đến quản lý tài nguyên nước. Ngoài ra, sự cộng
tác, phối hợp giữa khối nhà nước với khối tư nhân và cộng đồng xã hội cũng hết sức
quan trọng.
Nhu cầu về nước chưa bao giờ cao như hiện nay. Khai thác nước sạch đã tăng
gấp 3 lần trong vòng 50 năm qua. Diện tích đất tưới cũng tăng gấp đôi trong chừng ấy
năm và hiện tượng này liên quan mật thiết với sự gia tăng dân số. Dân số thế giới
hiện nay là 6,6 tỷ người và mỗi năm tăng thêm 80 triệu người. Điều đó có nghĩa, nhu
cầu về nước sạch mỗi năm tăng thêm khoảng 64 tỷ m3 khối. Đáng tiếc là 90% số dân
trong số 3 tỷ người dự kiến tăng thêm vào năm 2050 lại tập trung ở các nước đang
phát triển, nơi mà ngay từ bây giờ đã đang chịu cảnh khan hiếm nước.
Gia tăng dân số đồng nghĩa với gia tăng nhu cầu lương thực và tất nhiên nhu
cầu về nước cũng tăng. Cho đến nay, nông nghiệp vẫn là đối tượng tiêu thụ nhiều
nước nhất, chiếm tới 70% lượng nước tiêu thụ (so với 20% dành cho công nghiệp
6
và 10% dùng trong sinh hoạt đời sống). Nếu không có quy hoạch sử dụng hợp lý, nhu
cầu nước cho nông nghiệp trên toàn thế giới sẽ tăng lên từ 70% đến 90% vào
năm 2050, mặc dù sử dụng tài nguyên nước của một số nước hiện đã chạm đến mức
giới hạn. Đồng thời, những thay đổi về lối sống và thói quen ăn uống đã diễn ra trong
nhiều năm gần đây, nhất là gia tăng tỷ lệ mức tiêu thụ thịt và các sản phẩm bơ sữa tại
những nước vừa giàu lên đã tác động rất lớn đến tài nguyên nước. Để sản xuất 1 kg
ngũ cốc cần từ 800 đến 4000 lít nước, trong khi đó để có được 1 kg thịt bò phải tốn
từ 2000 đến 16000 lít nước. Nếu vào thời điểm năm 1985, một người Trung Quốc
tiêu thụ 20 kg thịt thì vào năm 2009 con số này đã là 50 kg. Điều đó có nghĩa, Trung
Quốc cần có thêm 390 km3 nước. Để giúp so sánh, năm 2002, lượng thịt tiêu thụ tính
theo đầu người tại Thụy Điển và tại Mỹ tương ứng là 76 kg và 125 kg.
Sản xuất nhiên liệu sinh học tăng nhanh trong những năm qua đã gây những
tác động đáng kể đến nhu cầu về nước. Sản lượng ethanol năm 2008 là 77 tỷ lít, gấp
3 lần giai đoạn từ 2000 đến 2007 và dự kiến sẽ đạt 127 tỷ lít vào năm 2017. Mỹ và
Brazil là các nhà sản xuất hàng đầu, đáp ứng 77 % nhu cầu của toàn thế giới. Năm
2007, 23% sản lượng ngô ở Mỹ và 54% mía đường của Brazil là dành để sản xuất
ethanol. Trong năm 2008, 47% lượng dầu thực vật sản xuất tại Cộng đồng Châu Âu
được dùng làm nhiên liệu diesel sinh học. Tuy vậy, mặc dù việc gia tăng sử dụng
cây trồng cho nhiên liệu sinh học, nhưng tỷ lệ so với tổng sản lượng vẫn còn nhỏ.
Trong năm 2008, ước tính thị phần về ethanol trên thị trường nhiên liệu vận tải của
Mỹ, Brazil và Cộng đồng Châu Âu tương ứng là 4.5%, 40 % và 2.2%. Với khả năng
giúp làm giảm bớt sự lệ thuộc vào năng lượng chất đốt, xem ra với công nghệ hiện
tại, nhiên liệu sinh học đang đặt lên môi trường và đa dạng sinh học một áp lực
không tương ứng. Vấn đề chính là phải cần một lượng lớn nước và phân bón để
gieo trồng. Để làm ra 1 lít nhiên liệu sinh học phải cần khoảng từ 1000 đến
4000 lít nước, trong khi đó, nhu cầu về năng lượng đang tăng nhanh, đồng nghĩa với
tăng nhu cầu về nước. Nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến tăng lên khoảng 55%
vào năm 2030 và chỉ riêng Trung Quốc và Ấn Độ đã chiếm tới 45% lượng tăng này.
Sản xuất điện từ nguồn thủy điện dự kiến tăng trung bình hàng năm ở mức 1.7% từ
7
năm 2004 đến 2030, gia tăng tổng thể là 60%. Tuy bị chỉ trích là nguyên nhân gây
ảnh hưởng nặng nề đến môi trường và khiến nhiều người dân bị mất chỗ ở, nhưng
với nhiều người các đập thủy điện vẫn được xem là một giải pháp nhằm đáp ứng
các nhu cầu năng lượng hiện nay. Bên cạnh các áp lực gia tăng nhu cầu về nước nêu
trên, sự ấm lên toàn cầu sẽ làm cho chu trình thủy văn trở nên biến động mạnh hơn
như thay đổi về chế độ mưa và bốc hơi. Mặc dù chưa xác định được cụ thể những
ảnh hưởng nào của hiện tượng này tác động đến tài nguyên nước, nhưng tình trạng
thiếu nước chắc chắn sẽ tác động trở lại đến chất lượng nước và tần suất các hiện
tượng cực đoan như hạn hán, lũ lụt.
Theo ước tính, đến năm 2030 sẽ có 47% dân số thế giới sinh sống tại các vùng
chịu căng thẳng về nước. Chỉ tính riêng ở Châu Phi, do biến đổi khí hậu, số người
chịu cảnh thiếu nước nhiều hơn vào năm 2020 là từ 75 đến 250 triệu người. Khan
hiếm nước ở một số vùng khô hạn và bán khô hạn sẽ tác động lớn tới sự di cư do
hiếm nước, sẽ có từ 24 triệu đến 700 triệu người dân mất chỗ ở [20].
Chính vì thế, hơn bao giờ hết, tài nguyên nước đang rất cần được bảo vệ, tiết
kiệm và sử dụng thật hợp lý. Các nước phát triển trên thế giới đã thực hiện nhiều
giải pháp tổng thể nhằm quản lý, phát triển và sử dụng tiết kiệm tài nguyên nước đạt
hiệu quả kinh tế cao.
- Singapore
Nước là một trong những yếu tố trọng yếu đảm bảo sự tồn tại và phát triển của
con người. Nguồn nước ngọt tự nhiên của Singapore được cho là ít nhất thế giới.
Nguồn nước mưa, nước ngầm và nước ở các sông suối nhỏ không đủ cho 5 triệu
người dân sử dụng nhưng đảo quốc này vẫn có thể tồn tại và phát triển mạnh mẽ
trong gần 50 năm. Năm 1961, Singapore phải ký 2 hiệp ước nhập khẩu nước ngọt
chưa qua xử lý từ Malaysia với số lượng khoảng 155 triệu lít mỗi ngày, tình trạng lệ
thuộc vào nguồn nước ngọt nhập khẩu kéo dài trong nhiều năm đã gây những tổn
thất nặng cho nền kinh tế. Trước thực trạng đó, chính phủ Singapore xem chính
sách tiết kiệm và bảo vệ nguồn nước ngọt là quốc sách hàng đầu. Chiến lược tiết
kiệm, tái tạo nguồn nước ngọt và sạch được đặt ra và thực hiện bằng nhiều biện
8
pháp gắn với lộ trình phát triển cụ thể của đất nước.
- Israel
Israel là một quốc gia khan hiếm tài nguyên nước. Điều kiện tự nhiên của quốc
gia này đặc biệt khô hạn. Lượng mưa rất thấp, thay đổi theo từng mùa: phía Bắc,
lượng mưa khoảng 800 mm/năm, phía Nam chỉ khoảng 50 mm/năm. Mùa mưa kéo
dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Lượng bốc hơi nước tự nhiên lên tới
1.900 - 2.600 mm/năm. Nguồn nước mặt tự nhiên của quốc gia này chủ yếu được
cung cấp bởi sông Jordan và biển hồ Galilee. Trong quá trình phát triển, Israel đã
thực hiện nhiều giải pháp sử dụng tiết kiệm và cải thiện nguồn cung cấp nước ngọt
dựa vào sự phát triển khoa học kỹ thuật.
Trước hết, Chính phủ hoàn thiện luật bảo vệ tài nguyên nước, kiểm soát
khai thác nước ngầm, ngăn chặn ô nhiễm nước, đo lường, đánh thuế các mức tiêu
thụ nước, quy định các mức xử phạt đối tượng có hành vi làm thất thoát nước.
Tiếp theo, Israel lập kế hoạch xây dựng hệ thống dẫn và chứa nước trên toàn
quốc. Năm 1964, Israel bắt đầu vận hành một đập ngăn nước, chuyển hướng dòng
chảy từ biển hồ Galilee vào hệ thống dẫn nước quốc gia và đào một kênh dẫn nước
từ sông Yarmouk, một chi lưu chính của sông Jordan chảy vào hệ thống này.
Để khắc phục sự suy giảm lượng nước từ các hồ chứa tự nhiên, quốc gia này
cho xây dựng nhiều bể chứa nước ngọt. Bể chứa nước lớn nhất mang tên Shizaf,
lòng bể chia thành nhiều lớp khác nhau, có đáy chìm 3,5 m dưới mặt sa mạc, mặt
nổi 10m, được thiết kế đặc biệt để chống lại chế độ bốc hơi tự nhiên cũng như thu
gom nước một cách hoàn hảo. Shizaf có khả năng dự trữ 150.000 m3 nước sạch.
1.1.3 . Tài nguyên nước mặt ở Việt Nam
Tổng lượng dòng chảy sông ngòi trung bình hằng năm của nước ta bằng
khoảng 847 km3, trong đó tổng lượng ngoài vùng chảy vào là 507 km3 chiếm 60%
và dòng chảy nội địa là 340 km3 chiếm 40%. Nếu xét chung cho cả nước thì tài
nguyên nước mặt của nước ta tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng
dòng chảy của các sông trên thế giới. Tuy nhiên một đặc điểm quan trọng của tài
nguyên nước mặt là những biến đổi mạnh mẽ theo thời gian và còn phân bố không
9
đều giữa các hệ thống sông và các vùng.
Nước có vai trò rất quan trọng đối với sản xuất và đời sống. Vai trò của nước
thể hiện trong mọi sinh hoạt của con người, đảm bảo an ninh lương thực cho xã hội
và cần thiết trong mọi hoạt động kinh tế. Để thỏa mãn các nhu cầu vệ sinh cá nhân
và sinh hoạt, mỗi người cần tới khoảng 120 lít nước/ngày. Nước tạo ra năng lượng
điện để cung cấp cho hoạt động của nền kinh tế, là nguồn năng lượng sạch và chiếm
20 % lượng điện của thế giới. Nước tham gia vào phần lớn việc sản xuất ra các sản
phẩm để trao đổi, mua bán trên thị trường.
Đối với nước ta, nước có vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp, góp
phần đưa Việt Nam trở thành nước xuất khẩu gạo đứng đầu thế giới. Hiện nay, nước
phục vụ cho sản xuất nông nghiệp nhiều nhất ở đồng bằng sông Cửu Long và sông
Hồng, chiếm tỷ lệ 70% lượng nước sử dụng. Nước cũng đóng vai trò quyết định
trong sự tăng trưởng các sản phẩm cây công nghiệp như: chè, cà phê, hồ tiêu, mía
đường, cao su,... Trong điều kiện nhu cầu về năng lượng không ngừng gia tăng,
nước đã góp phần quan trọng trong việc bảo đảm an ninh năng lượng của Việt Nam.
Tiềm năng thuỷ điện của Việt Nam là khá lớn, tập trung chủ yếu trên lưu vực sông
Hồng, sông Đồng Nai và các lưu vực sông ở miền Trung và Tây Nguyên. Dự báo
tổng công suất thủy điện đến năm 2025 là 33.310 MW, trong đó trên 80% trong số
này là từ các nhà máy thuỷ điện xây dựng trên các sông của Việt Nam.
Nước cũng có vai trò rất quan trọng trong nuôi trồng thủy sản. Mức tăng trưởng
bình quân trên 12% trên một năm của ngành nuôi trồng thủy sản đóng góp đáng kể
cho tăng trưởng kinh tế, đồng thời tạo được nhiều cơ hội về việc làm cho người lao
động. Nước cũng đã góp phần không nhỏ trong sự phát triển các ngành sản xuất công
nghiệp, du lịch, dịch vụ, góp phần tăng trưởng kinh tế cao và ổn định thời gian qua.
Trong đời sống, đến nay hầu hết các thành phố, thị xã ở Việt Nam đều có hệ thống
cấp nước tập trung. Nhu cầu cấp nước cho cư dân đô thị cùng với nước cho các hoạt
động sản xuất kinh doanh, dịch vụ, vệ sinh môi trường tại các đô thị cần khoảng từ 8
đến 10 triệu m3/ngày. Đối với khu vực nông thôn, cùng với quá trình xây dựng nông
thôn mới, nhiều khu vực dân cư đã được cấp nước sinh hoạt hợp vệ sinh.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS
XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC MẶT LƯU VỰC VU GIA – THU BỒN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Trắc địa – Bản đồ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH CƯỜNG
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS
XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC MẶT LƯU VỰC VU GIA – THU BỒN
Chuyên ngành : KỸ THUẬT TRẮC ĐỊA BẢN ĐỒ
Mã số : 8520503
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2018
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn chính: TS. Trịnh Thị Hoài Thu
Cán bộ chấm phản biện 1: PGS. TS Trần Xuân Trường
Cán bộ chấm phản biện 2: TS. Lê Minh Hằng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 19 tháng 01 năm 2019
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Kết quả nghiên cứu của luận văn là những đóng góp riêng dựa trên số liệu
thu thập, những kết quả nghiên cứu kế thừa các công trình khoa học khác đều được
trích dẫn theo đúng quy định.
Nếu luận văn có sự sao chép từ các công trình khoa học khác, tác giả xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Học viên
Nguyễn Mạnh Cường
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ
của nhiều cá nhân và cơ quan đơn vị. Nay luận văn đã hoàn thành, tôi xin bày tỏ
lòng biết ơn chân thành, sâu sắc tới:
TS. Trịnh Thị Hoài Thu, người đã tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện
thuận lợi, cùng những ý kiến đóng góp sâu sắc nhất để tôi hoàn thành luận văn tốt
nghiệp này.
Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô khoa Trắc địa bản đồ và
Thông tin địa lý, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã hết lòng
giảng dạy, truyền đạt kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè và những người
thân yêu nhất, đã giành cho tôi hết tình cảm và điều kiện, chia sẻ với tôi những lúc
khó khăn nhất để tôi có thể hoàn thành tốt khóa học này.
Hà Nội, ngày 16 tháng 01 năm 2019
Học viên
Nguyễn Mạnh Cường
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................ v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...............................................................................vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ ...................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ........................................................................ viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH LƯỢNG
NƯỚC MẶT .............................................................................................................. 3
1.1. Khái quát tài nguyên nước mặt ............................................................................ 3
1.1.1. Khái niệm ....................................................................................................... 3
1.1.2. Tài nguyên nước mặt trên Thế Giới ............................................................... 3
1.1.3. Tài nguyên nước mặt ở Việt Nam .................................................................. 8
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu xác định lượng nước mặt .......................... 25
1.3. Vấn đề nghiên cứu của đề tài ............................................................................. 27
CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC
MẶT THEO LƯU VỰC SÔNG ............................................................................. 28
2.1. Quy trình xác định lượng nước mặt tích hợp viễn thám và GIS ........................ 28
2.1.1. Dữ liệu DEM ................................................................................................ 28
2.1.2. Dữ liệu viễn thám ......................................................................................... 30
2.1.3. Dữ liệu thổ nhưỡng ...................................................................................... 32
2.1.4. Dữ liệu khí tượng ......................................................................................... 33
2.2. Phương pháp chiết tách thông tin từ viễn thám ................................................. 33
2.3. Ứng dụng GIS xác định lượng nước mặt ........................................................... 35
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM VÀ GIS XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC
MẶT LƯU VỰC VU GIA-THU BỒN ................................................................... 40
3.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên .................................................................................... 40
iv
3.1.1. Vị trí địa lý ................................................................................................... 40
3.1.2. Địa hình - Địa mạo ....................................................................................... 40
3.1.3. Địa chất - thổ nhưỡng................................................................................... 41
3.1.4. Thực vật........................................................................................................ 41
3.1.5. Khí hậu ......................................................................................................... 42
3.1.6. Thủy văn....................................................................................................... 43
3.1.7. Đặc điểm kinh tế xã hội và dân cư ............................................................... 43
3.2. Tư liệu sử dụng .................................................................................................. 45
3.3. Xây dựng bản đồ lớp phủ từ tư liệu ảnh viễn thám Landsat .............................. 47
3.3.1. Tiền xử lý ..................................................................................................... 47
3.3.2. Xây dựng chú giải ........................................................................................ 51
3.3.3. Phân loại lớp phủ.......................................................................................... 52
3.4. Xác định lượng nước .......................................................................................... 57
3.4.1. Chuẩn hóa dữ liệu đưa vào mô hình ............................................................ 57
3.4.2. Phân định lưu vực ........................................................................................ 59
3.4.3. Phân tích đơn vị thủy văn ............................................................................. 60
3.4.4. Lượng dòng chảy bề mặt .............................................................................. 60
KẾT LUẬN .............................................................................................................. 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 66
v
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ tên học viên: Nguyễn Mạnh Cường
Lớp: CH2BTĐ Khóa: 2
Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Thị Hoài Thu
Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS xác định lượng nước mặt
lưu vực Vu Gia - Thu Bồn.
Tóm tắt: Luận văn xác định lượng nước mặt tại lưu vực Vu Gia - Thu Bồn
bằng sự tích hợp viễn thám và GIS. Luận văn sử dụng phương pháp phân loại xác
suất cực đại để chiết tách thông tin lớp phủ bề mặt tại lưu vực thời điểm tháng 2
năm 2010 đạt hệ số Kappa là 0.7. Dữ liệu lớp phủ bề mặt, DEM, khí tượng, thổ
nhưỡng chuẩn hoá vào mô hình SWAT trên môi trường GIS xác định lưu lượng
dòng chảy theo tháng trên 33 tiểu lưu vực tại Vu Gia - Thu Bồn. Kết quả nghiên
cứu của luận văn cho thấy lưu lượng dòng vào những tháng 2, 3, 4 và 5 là những
tháng có dòng chảy thấp tương ứng với mùa khô với giá trị lưu lượng thấp nhất vào
tháng 1 năm 2005 với giá trị là 4.24 m3/s. Còn những tháng 8, 9, 10, 11 và 12 là
những tháng có lưu lượng dòng chảy lớn và là những tháng mùa mưa với đạt đỉnh
vào các tháng 9, 10 và 11 với giá trị 226.6 m3/s vào năm 2005.
vi
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt Giải thích
DEM Mô hình số độ cao
FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc
GIS Hệ thống thông tin địa lý
MW Đơn vị đo công suất
NASA Cơ quan hàng không và vũ trụ quốc gia Hoa Kỳ
Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa
UNESCO
Liên Hợp Quốc
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU, SƠ ĐỒ
Bảng 1.1. Lượng và phần trăm dòng chảy sông theo các châu lục trên thế giới................. 4
Bảng 2.1. Đặc trưng kỹ thuật của một số ảnh viễn thám quang học đang sử dụng
rộng rãi hiện nay........................................................................................................ 31
Bảng 3.1. Giới thiệu vệ tinh Landsat 5 ..................................................................... 45
Bảng 3.2. Loại chú giải trong bản đồ ........................................................................ 51
Bảng 3.3. Ma trận sai số (pixels)............................................................................... 56
Bảng 3.4. Ma trận sai số (%) .................................................................................... 56
Bảng 3.5. Bảng tra các loại hình sử dụng đất............................................................ 58
Bảng 3.6. Bảng tra các loại đất ................................................................................. 57
viii
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 2.1. Các bước xác định số lượng nước tích hợp viễn thám và GIS ................. 28
Hình 2.2. So sánh độ phân giải không gian của một số vệ tinh ................................ 32
Hình 2.3. Sơ đồ tính diện tích thành phần của thiết diện ướt.................................... 36
Hình 3.1. Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn ............................................................... 40
Hình 3.2. Ảnh lưu vực nghiên cứu (tổ hợp màu 4:3:2) ............................................. 45
Hình 3.3. Mô hình DEM STRM tại lưu vực ............................................................. 46
Hình 3.4. Dữ liệu thổ nhưỡng (FAO)........................................................................ 46
Hình 3.5. Dữ liệu khí tượng toàn cầu CFSR ............................................................. 47
Hình 3.6. Chuyển đổi ảnh giá trị bức xạ ................................................................... 48
Hình 3.7. Hiệu chỉnh Minnaert ................................................................................. 49
Hình 3.8. Các góc cần thiết để tính toán góc tới ....................................................... 50
Hình 3.9. Ảnh chưa hiệu chỉnh khí quyển và địa hình.............................................. 51
Hình 3.10. Ảnh hiệu chỉnh khí quyển ....................................................................... 51
Hình 3.11. Bản đồ lớp phủ lưu vực Vu Gia - Thu Bồn ............................................. 55
Hình 3.12. Diện tích lớp phủ lưu vực Vu Gia - Thu Bồn ......................................... 55
Hình 3.13. Ranh giới lưu vực và tiểu vùng lưu vực khi phân định qua DEM .............. 59
Hình 3.14. Kết quả phân tích đơn vị thủy văn .......................................................... 60
Hình 3.15. Biểu đồ lưu lượng dòng chảy trung bình ................................................ 63
Hình 3.16. Lưu lượng dòng chảy theo tháng của 33 tiểu lưu vực năm 2010............ 63
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận văn
Nước có ý nghĩa sống còn đối với cuộc sống con người, bảo đảm an ninh
nguồn nước là vấn đề cực kỳ quan trọng của mọi quốc gia trong đó có Việt Nam.
Nước ta có hệ thống sông ngòi dày đặc, tổng lượng nước mưa và nước mặt khá
phong phú, nếu xét lượng nước trung bình trên đầu người, nước ta được xếp vào
loại từ đủ đến thừa nước. Tuy nhiên do vị trí địa lý và các điều kiện tự nhiên quy
định nên tài nguyên nước của Việt Nam luôn tiềm ẩn những nguy cơ thiếu bền
vững, vấn đề suy giảm tài nguyên nước và mất an ninh nguồn nước là nguy cơ
không thể xem thường. Trong những năm gần đây, tài nguyên nước của các tỉnh
ven biển miền Trung Việt Nam nói chung và lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn nói
riêng có xu hướng suy giảm do phải đối mặt với vấn đề thiên tai ngày càng gia tăng
mà nguyên nhân chủ yếu là do biến đổi khí hậu, nước biển dâng và sự bùng nổ đô
thị hóa. Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn với diện tích hứng nước 10.350 km2 thuộc
địa phận thành phố Đà Nẵng và tỉnh Quảng Nam là một trong 9 lưu vực sông lớn
của Việt Nam. Điều kiện địa lý của lưu vực sông đã hình thành nên tiềm năng
nguồn nước ở đây được xếp vào loại phong phú nhất Việt Nam nhưng cũng là nơi
chịu tác động mạnh mẽ của các loại hình thiên tai, trong đó các thiên tai liên quan
đến dòng chảy trên lưu vực sông như lũ lụt, lũ quét, hạn hán,… thường xuyên xảy
ra. Các thiên tai này đã và đang hạn chế sự phát triển nền kinh tế đồng thời tàn phá
môi trường, tác động mạnh đến đời sống xã hội trên lưu vực. Vì vậy việc xác định
lượng nước trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn làm cơ sở khoa học cho việc định
hướng sử dụng bền vững tài nguyên nước của lưu vực.
Viễn thám cung cấp nguồn tư liệu phong phú và việc áp dụng tư liệu viễn
thám trong nghiên cứu tài nguyên nước đang diễn ra mạnh mẽ trong đó có ứng dụng
viễn thám và GIS nghiên cứu chất lượng nước, xác định diện tích nước mặt, số
lượng nước. Hiện nay, nguồn tư liệu viễn thám được sử dụng rộng rãi ở nước ta
trong hầu hết tất cả các lĩnh vực nghiên cứu. Cùng với đó thiết bị tin học được đồng
bộ hóa tăng khả năng xử lý một cách nhanh chóng và chính xác. Vì việc kết hợp
2
giữa viễn thám và công nghệ các phần mềm GIS góp phần khắc phục nhiều hạn chế
của phương pháp truyền thống, đặc biệt hiệu quả trong xử lý số liệu nhằm xác định
tài nguyên nước mặt. Vì những lý do trên, học viên thực hiện đề tài “Nghiên cứu
ứng dụng viễn thám và GIS xác định lượng nước mặt lưu vực Vu Gia - Thu Bồn”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng viễn thám và GIS xác định được lượng nước mặt lưu vực Vu Gia -
Thu Bồn.
3. Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu ứng dụng viễn thám và GIS xác định lượng nước mặt của lưu vực
Vu Gia - Thu Bồn.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp kế thừa
+ Thu thập các tài liệu đã có, các tài liệu chuyên môn, đề tài khoa học có liên
quan đã được công bố, cập nhật các thông tin mới trên mạng, kế thừa các thành quả
có liên quan đến nội dung của luận văn.
+ Phân tích nguồn dữ liệu thu thập được, từ đó lựa chọn phương pháp nghiên
cứu phù hợp.
- Phương pháp đánh giá và khai thác công nghệ
Khai thác các công nghệ viễn thám và công nghệ Gis. Kết hợp có hiệu quả
giữa hai phương pháp.
- Phương pháp chuyên gia
Xin ý kiến góp ý của giáo viên hướng dẫn, các nhà khoa học, các đồng nghiệp
về các nội dung trong luận văn.
- Phương pháp tích hợp
Tích hợp các tư liệu ảnh viễn thám và các phần mềm xử lý của công nghệ GIS
để tính toán , xử lý xác định được lượng nước mặt.
5. Cấu trúc luận văn
Luận văn ngoài phần mở đầu, kết luận và phụ lục, phần nội dung nghiên cứu
được trình bày trong 3 chương.
3
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH LƯỢNG NƯỚC MẶT
1.1 Khái quát tài nguyên nước mặt
1.1.1. Khái niệm
Nước mặt là nước tồn tại trên mặt đất liền hoặc hải đảo [4] và là nước phân bố
trên mặt đất, nước trong sông, suối, ao hồ, đầm lầy. Đặc điểm của tài nguyên nước mặt
là sự chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện khí hậu và các tác động khác do hoạt động kinh
tế của con người, nước mặt dễ bị ô nhiễm và thành phần hóa lý của nó dễ bị thay đổi,
khả năng hồi phục trữ lượng nước nhanh nhất ở vùng thường có mưa.
Đánh giá tài nguyên nước dựa trên ba đặc trưng: lượng, chất, động thái.
- Lượng là đặc trưng biểu thị mức độ phong phú của tài nguyên nước trên lưu
vực, lãnh thổ.
- Chất bao gồm các đặc trưng về hàm lượng các hòa tan hoặc không hòa tan
trong nước (có lợi hoặc có hại theo tiêu chuẩn của đối tượng sử dụng).
- Động thái của nước được đánh giá bởi sự thay đổi của các đặc trưng dòng
chảy theo thời gian, sự thay đổi giữa các khu vực chứa nước, sự chuyển động nước
dưới đất, các quá trình trao đổi chất hòa tan, truyền mặn,…
Việc xác định lượng nước của sông hay trong lưu vực thường không theo khối
lượng tĩnh mà phải xác định theo lượng dòng chảy hoặc theo dòng chảy bề mặt.
Đối với tài nguyên nước mặt lượng nước trong lưu vực được xác định thông qua lưu
lượng nước. Lưu lượng nước là lượng nước chảy qua mặt cắt của một con sông nào
đó trong đơn vị thời gian là 1 giây. Ký hiệu là Q, đơn vị đo lưu lượng là (m3/s).
Ngoài lưu lượng tức thời trên, còn sử dụng lưu lượng bình quân theo ngày, tháng,
năm và nhiều năm,… [1].
1.1.2. Tài nguyên nước mặt trên thế giới
Tổng khối lượng nước sông suối trên toàn thế giới ước tính là 2120 km3, nó
chiếm 2% lượng nước sạch trên toàn cầu. Sự phân bố dòng chảy bề mặt trên Trái
Đất là không đồng đều [22].
4
Bảng 1.1. Lượng và phần trăm dòng chảy sông theo các châu lục trên thế giới
Dòng chảy sông Phần trăm
Châu lục
(km³/năm) (%)
Châu Á ( không bao gồm Trung Đông) 13300 30.6
Châu ÚC 440 1.0
Châu ÂU 2 900 6.7
Trung Đông và Bắc Phi 140 0.3
Bắc Mỹ 7 800 17.9
Châu Đại Dương 6 500 14.9
Nam Mỹ 2 000 27.6
Châu Phi cận Sahara 4 000 9.2
Trong bảng 1.1 cho thấy có sự khác biệt lớn giữa lượng dòng chảy sông của
các Châu lục, lượng dòng chảy thấp nhất tại hai khu vực Trung Đông và Bắc Phi,
Châu Úc tương ứng là 140 km3/năm và 440 km3/năm. Trung Đông là khu vực rộng
lớn với tổng diện tích khoảng 9 triệu km2, trong đó sa mạc chiếm gần 4 triệu km2,
khu vực này thường có khí hậu nóng và khô hạn. Nhiều nước trong khu vực phải
đối mặt với nắng nóng dữ dội và bão bụi. Lượng mưa trong khu vực này rất thấp
điển hình như ở Ai Cập và Ả Rập. Ả Rập lượng mưa trung bình là 4 inches. Với
lượng mưa trung bình từ 0.1 - 0.2 inches mỗi năm tại khu vực phía Nam của Cairo
thì Ai cập được cho là quốc gia khô hạn nhất trên thế giới. Nước Úc có gần 50%
diện tích là sa mạc, tài nguyên nước chủ yếu tồn tại ở dạng sông băng và mũ băng
tại các cực. Là một trong những quốc gia chịu tác động lớn của biến đổi khí hậu trên
thế giới, từ năm 2007 đến nay, nước Úc đang phải trải qua đợt hạn hán nặng nề nhất
trong gần 100 năm qua. Chính phủ đã thực hiện một số giải pháp cấp bách nhằm tiết
kiệm nguồn nước ngọt [3].
Theo Giám đốc UNESCO Koichiro Matsuura, trong tình trạng thiếu nước gia
5
tăng như hiện nay, vấn đề quản lý hiệu quả tài nguyên nước trở nên quan trọng hơn
bao giờ hết và việc đấu tranh với cái nghèo còn tùy thuộc vào khả năng chúng ta
đầu tư vào lĩnh vực tài nguyên nước. Nhu cầu về nước ngày càng tăng, tại nhiều
quốc gia trên thế giới tài nguyên nước đã bị khai thác quá mức, vượt quá khả năng
của nguồn nước. Hơn nữa, do tác động của biến đổi khí hậu, tình trạng khan hiếm
nước càng thêm trầm trọng hơn. Do đó, vấn đề cạnh tranh về nước đang ngày càng
trở nên căng thẳng giữa các quốc gia, khu vực, đô thị, nông thôn, hoặc giữa các
ngành nghề, lĩnh vực hoạt động khác nhau. Điều đó khiến cho nước đang dần trở
thành một trong những vấn đề chính trị tại nhiều quốc gia trên thế giới.
Nhằm hạn chế nhu cầu cũng như chống thất thoát nước, đồng thời tăng cường
quản lý tài nguyên nước, nhiều chính sách đã được áp dụng. Luật pháp về bảo vệ và
quản lý tài nguyên nước đã được ban hành tại nhiều quốc gia. Song, trên thực tế
những cải cách, đổi mới này vẫn chưa thực sự có hiệu quả, công việc thường chỉ
giới hạn trong ngành nước. Vì vậy, muốn thực sự có hiệu lực, các quyết định cho
vấn đề nước cần thiết có sự tham gia của lãnh đạo, của tất cả các ngành, trong đó có
các ngành nông nghiệp, năng lượng, thương mại và tài chính, bởi tất cả các ngành
này đều có ảnh hưởng quyết định đến quản lý tài nguyên nước. Ngoài ra, sự cộng
tác, phối hợp giữa khối nhà nước với khối tư nhân và cộng đồng xã hội cũng hết sức
quan trọng.
Nhu cầu về nước chưa bao giờ cao như hiện nay. Khai thác nước sạch đã tăng
gấp 3 lần trong vòng 50 năm qua. Diện tích đất tưới cũng tăng gấp đôi trong chừng ấy
năm và hiện tượng này liên quan mật thiết với sự gia tăng dân số. Dân số thế giới
hiện nay là 6,6 tỷ người và mỗi năm tăng thêm 80 triệu người. Điều đó có nghĩa, nhu
cầu về nước sạch mỗi năm tăng thêm khoảng 64 tỷ m3 khối. Đáng tiếc là 90% số dân
trong số 3 tỷ người dự kiến tăng thêm vào năm 2050 lại tập trung ở các nước đang
phát triển, nơi mà ngay từ bây giờ đã đang chịu cảnh khan hiếm nước.
Gia tăng dân số đồng nghĩa với gia tăng nhu cầu lương thực và tất nhiên nhu
cầu về nước cũng tăng. Cho đến nay, nông nghiệp vẫn là đối tượng tiêu thụ nhiều
nước nhất, chiếm tới 70% lượng nước tiêu thụ (so với 20% dành cho công nghiệp
6
và 10% dùng trong sinh hoạt đời sống). Nếu không có quy hoạch sử dụng hợp lý, nhu
cầu nước cho nông nghiệp trên toàn thế giới sẽ tăng lên từ 70% đến 90% vào
năm 2050, mặc dù sử dụng tài nguyên nước của một số nước hiện đã chạm đến mức
giới hạn. Đồng thời, những thay đổi về lối sống và thói quen ăn uống đã diễn ra trong
nhiều năm gần đây, nhất là gia tăng tỷ lệ mức tiêu thụ thịt và các sản phẩm bơ sữa tại
những nước vừa giàu lên đã tác động rất lớn đến tài nguyên nước. Để sản xuất 1 kg
ngũ cốc cần từ 800 đến 4000 lít nước, trong khi đó để có được 1 kg thịt bò phải tốn
từ 2000 đến 16000 lít nước. Nếu vào thời điểm năm 1985, một người Trung Quốc
tiêu thụ 20 kg thịt thì vào năm 2009 con số này đã là 50 kg. Điều đó có nghĩa, Trung
Quốc cần có thêm 390 km3 nước. Để giúp so sánh, năm 2002, lượng thịt tiêu thụ tính
theo đầu người tại Thụy Điển và tại Mỹ tương ứng là 76 kg và 125 kg.
Sản xuất nhiên liệu sinh học tăng nhanh trong những năm qua đã gây những
tác động đáng kể đến nhu cầu về nước. Sản lượng ethanol năm 2008 là 77 tỷ lít, gấp
3 lần giai đoạn từ 2000 đến 2007 và dự kiến sẽ đạt 127 tỷ lít vào năm 2017. Mỹ và
Brazil là các nhà sản xuất hàng đầu, đáp ứng 77 % nhu cầu của toàn thế giới. Năm
2007, 23% sản lượng ngô ở Mỹ và 54% mía đường của Brazil là dành để sản xuất
ethanol. Trong năm 2008, 47% lượng dầu thực vật sản xuất tại Cộng đồng Châu Âu
được dùng làm nhiên liệu diesel sinh học. Tuy vậy, mặc dù việc gia tăng sử dụng
cây trồng cho nhiên liệu sinh học, nhưng tỷ lệ so với tổng sản lượng vẫn còn nhỏ.
Trong năm 2008, ước tính thị phần về ethanol trên thị trường nhiên liệu vận tải của
Mỹ, Brazil và Cộng đồng Châu Âu tương ứng là 4.5%, 40 % và 2.2%. Với khả năng
giúp làm giảm bớt sự lệ thuộc vào năng lượng chất đốt, xem ra với công nghệ hiện
tại, nhiên liệu sinh học đang đặt lên môi trường và đa dạng sinh học một áp lực
không tương ứng. Vấn đề chính là phải cần một lượng lớn nước và phân bón để
gieo trồng. Để làm ra 1 lít nhiên liệu sinh học phải cần khoảng từ 1000 đến
4000 lít nước, trong khi đó, nhu cầu về năng lượng đang tăng nhanh, đồng nghĩa với
tăng nhu cầu về nước. Nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến tăng lên khoảng 55%
vào năm 2030 và chỉ riêng Trung Quốc và Ấn Độ đã chiếm tới 45% lượng tăng này.
Sản xuất điện từ nguồn thủy điện dự kiến tăng trung bình hàng năm ở mức 1.7% từ
7
năm 2004 đến 2030, gia tăng tổng thể là 60%. Tuy bị chỉ trích là nguyên nhân gây
ảnh hưởng nặng nề đến môi trường và khiến nhiều người dân bị mất chỗ ở, nhưng
với nhiều người các đập thủy điện vẫn được xem là một giải pháp nhằm đáp ứng
các nhu cầu năng lượng hiện nay. Bên cạnh các áp lực gia tăng nhu cầu về nước nêu
trên, sự ấm lên toàn cầu sẽ làm cho chu trình thủy văn trở nên biến động mạnh hơn
như thay đổi về chế độ mưa và bốc hơi. Mặc dù chưa xác định được cụ thể những
ảnh hưởng nào của hiện tượng này tác động đến tài nguyên nước, nhưng tình trạng
thiếu nước chắc chắn sẽ tác động trở lại đến chất lượng nước và tần suất các hiện
tượng cực đoan như hạn hán, lũ lụt.
Theo ước tính, đến năm 2030 sẽ có 47% dân số thế giới sinh sống tại các vùng
chịu căng thẳng về nước. Chỉ tính riêng ở Châu Phi, do biến đổi khí hậu, số người
chịu cảnh thiếu nước nhiều hơn vào năm 2020 là từ 75 đến 250 triệu người. Khan
hiếm nước ở một số vùng khô hạn và bán khô hạn sẽ tác động lớn tới sự di cư do
hiếm nước, sẽ có từ 24 triệu đến 700 triệu người dân mất chỗ ở [20].
Chính vì thế, hơn bao giờ hết, tài nguyên nước đang rất cần được bảo vệ, tiết
kiệm và sử dụng thật hợp lý. Các nước phát triển trên thế giới đã thực hiện nhiều
giải pháp tổng thể nhằm quản lý, phát triển và sử dụng tiết kiệm tài nguyên nước đạt
hiệu quả kinh tế cao.
- Singapore
Nước là một trong những yếu tố trọng yếu đảm bảo sự tồn tại và phát triển của
con người. Nguồn nước ngọt tự nhiên của Singapore được cho là ít nhất thế giới.
Nguồn nước mưa, nước ngầm và nước ở các sông suối nhỏ không đủ cho 5 triệu
người dân sử dụng nhưng đảo quốc này vẫn có thể tồn tại và phát triển mạnh mẽ
trong gần 50 năm. Năm 1961, Singapore phải ký 2 hiệp ước nhập khẩu nước ngọt
chưa qua xử lý từ Malaysia với số lượng khoảng 155 triệu lít mỗi ngày, tình trạng lệ
thuộc vào nguồn nước ngọt nhập khẩu kéo dài trong nhiều năm đã gây những tổn
thất nặng cho nền kinh tế. Trước thực trạng đó, chính phủ Singapore xem chính
sách tiết kiệm và bảo vệ nguồn nước ngọt là quốc sách hàng đầu. Chiến lược tiết
kiệm, tái tạo nguồn nước ngọt và sạch được đặt ra và thực hiện bằng nhiều biện
8
pháp gắn với lộ trình phát triển cụ thể của đất nước.
- Israel
Israel là một quốc gia khan hiếm tài nguyên nước. Điều kiện tự nhiên của quốc
gia này đặc biệt khô hạn. Lượng mưa rất thấp, thay đổi theo từng mùa: phía Bắc,
lượng mưa khoảng 800 mm/năm, phía Nam chỉ khoảng 50 mm/năm. Mùa mưa kéo
dài từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau. Lượng bốc hơi nước tự nhiên lên tới
1.900 - 2.600 mm/năm. Nguồn nước mặt tự nhiên của quốc gia này chủ yếu được
cung cấp bởi sông Jordan và biển hồ Galilee. Trong quá trình phát triển, Israel đã
thực hiện nhiều giải pháp sử dụng tiết kiệm và cải thiện nguồn cung cấp nước ngọt
dựa vào sự phát triển khoa học kỹ thuật.
Trước hết, Chính phủ hoàn thiện luật bảo vệ tài nguyên nước, kiểm soát
khai thác nước ngầm, ngăn chặn ô nhiễm nước, đo lường, đánh thuế các mức tiêu
thụ nước, quy định các mức xử phạt đối tượng có hành vi làm thất thoát nước.
Tiếp theo, Israel lập kế hoạch xây dựng hệ thống dẫn và chứa nước trên toàn
quốc. Năm 1964, Israel bắt đầu vận hành một đập ngăn nước, chuyển hướng dòng
chảy từ biển hồ Galilee vào hệ thống dẫn nước quốc gia và đào một kênh dẫn nước
từ sông Yarmouk, một chi lưu chính của sông Jordan chảy vào hệ thống này.
Để khắc phục sự suy giảm lượng nước từ các hồ chứa tự nhiên, quốc gia này
cho xây dựng nhiều bể chứa nước ngọt. Bể chứa nước lớn nhất mang tên Shizaf,
lòng bể chia thành nhiều lớp khác nhau, có đáy chìm 3,5 m dưới mặt sa mạc, mặt
nổi 10m, được thiết kế đặc biệt để chống lại chế độ bốc hơi tự nhiên cũng như thu
gom nước một cách hoàn hảo. Shizaf có khả năng dự trữ 150.000 m3 nước sạch.
1.1.3 . Tài nguyên nước mặt ở Việt Nam
Tổng lượng dòng chảy sông ngòi trung bình hằng năm của nước ta bằng
khoảng 847 km3, trong đó tổng lượng ngoài vùng chảy vào là 507 km3 chiếm 60%
và dòng chảy nội địa là 340 km3 chiếm 40%. Nếu xét chung cho cả nước thì tài
nguyên nước mặt của nước ta tương đối phong phú, chiếm khoảng 2% tổng lượng
dòng chảy của các sông trên thế giới. Tuy nhiên một đặc điểm quan trọng của tài
nguyên nước mặt là những biến đổi mạnh mẽ theo thời gian và còn phân bố không
9
đều giữa các hệ thống sông và các vùng.
Nước có vai trò rất quan trọng đối với sản xuất và đời sống. Vai trò của nước
thể hiện trong mọi sinh hoạt của con người, đảm bảo an ninh lương thực cho xã hội
và cần thiết trong mọi hoạt động kinh tế. Để thỏa mãn các nhu cầu vệ sinh cá nhân
và sinh hoạt, mỗi người cần tới khoảng 120 lít nước/ngày. Nước tạo ra năng lượng
điện để cung cấp cho hoạt động của nền kinh tế, là nguồn năng lượng sạch và chiếm
20 % lượng điện của thế giới. Nước tham gia vào phần lớn việc sản xuất ra các sản
phẩm để trao đổi, mua bán trên thị trường.
Đối với nước ta, nước có vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp, góp
phần đưa Việt Nam trở thành nước xuất khẩu gạo đứng đầu thế giới. Hiện nay, nước
phục vụ cho sản xuất nông nghiệp nhiều nhất ở đồng bằng sông Cửu Long và sông
Hồng, chiếm tỷ lệ 70% lượng nước sử dụng. Nước cũng đóng vai trò quyết định
trong sự tăng trưởng các sản phẩm cây công nghiệp như: chè, cà phê, hồ tiêu, mía
đường, cao su,... Trong điều kiện nhu cầu về năng lượng không ngừng gia tăng,
nước đã góp phần quan trọng trong việc bảo đảm an ninh năng lượng của Việt Nam.
Tiềm năng thuỷ điện của Việt Nam là khá lớn, tập trung chủ yếu trên lưu vực sông
Hồng, sông Đồng Nai và các lưu vực sông ở miền Trung và Tây Nguyên. Dự báo
tổng công suất thủy điện đến năm 2025 là 33.310 MW, trong đó trên 80% trong số
này là từ các nhà máy thuỷ điện xây dựng trên các sông của Việt Nam.
Nước cũng có vai trò rất quan trọng trong nuôi trồng thủy sản. Mức tăng trưởng
bình quân trên 12% trên một năm của ngành nuôi trồng thủy sản đóng góp đáng kể
cho tăng trưởng kinh tế, đồng thời tạo được nhiều cơ hội về việc làm cho người lao
động. Nước cũng đã góp phần không nhỏ trong sự phát triển các ngành sản xuất công
nghiệp, du lịch, dịch vụ, góp phần tăng trưởng kinh tế cao và ổn định thời gian qua.
Trong đời sống, đến nay hầu hết các thành phố, thị xã ở Việt Nam đều có hệ thống
cấp nước tập trung. Nhu cầu cấp nước cho cư dân đô thị cùng với nước cho các hoạt
động sản xuất kinh doanh, dịch vụ, vệ sinh môi trường tại các đô thị cần khoảng từ 8
đến 10 triệu m3/ngày. Đối với khu vực nông thôn, cùng với quá trình xây dựng nông
thôn mới, nhiều khu vực dân cư đã được cấp nước sinh hoạt hợp vệ sinh.