Tổng quan nghiên cứu

Ngập lụt là một trong những thảm họa thiên nhiên gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản và con người, đặc biệt tại các tỉnh miền Trung Việt Nam như Bình Định. Trong vòng 20 năm qua, các trận lũ lớn liên tục xảy ra, làm ngập sâu nhiều khu vực, ảnh hưởng đến đời sống và phát triển kinh tế xã hội. Việc thành lập bản đồ hiện trạng ngập lụt chính xác và kịp thời là yêu cầu cấp thiết nhằm phục vụ công tác quản lý, phòng chống và giảm nhẹ thiệt hại do ngập lụt gây ra.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp với mô hình thủy văn thủy lực để thành lập bản đồ ngập lụt lưu vực sông Kôn – Hà Thanh, tỉnh Bình Định. Nghiên cứu tập trung vào việc khai thác ảnh vệ tinh SPOT5, ALOS PALSAR, ASTER và mô hình số địa hình SRTM để chiết tách các thông số đầu vào cho mô hình MIKE11, đồng thời sử dụng ảnh radar để xác định vùng ngập hiện trạng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm lưu vực sông Kôn – Hà Thanh với dữ liệu thu thập từ năm 1999 đến 2003, nhằm đánh giá khả năng ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn thủy lực trong việc giám sát và dự báo ngập lụt.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý thiên tai, cung cấp công cụ hỗ trợ ra quyết định nhanh chóng và chính xác cho các cơ quan chức năng, góp phần giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt gây ra. Các chỉ số như diện tích ngập, độ sâu ngập và tần suất ngập được xác định cụ thể, giúp đánh giá mức độ rủi ro và tổn thương của vùng nghiên cứu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Lý thuyết thủy văn thủy lực: Mô hình MIKE11 sử dụng hệ phương trình Saint-Venant một chiều để mô phỏng dòng chảy và mực nước trong hệ thống sông, giúp tính toán vùng ngập lụt dựa trên các thông số đầu vào như lượng mưa, địa hình và đặc điểm lưu vực.

  • Mô hình thủy văn SWAT2000: Dùng để phân tách lưu vực con dựa trên mô hình số độ cao (DEM), xác định các thông số thủy văn đầu vào cho mô hình thủy lực, bao gồm diện tích lưu vực, chiều dài sông, độ dốc trung bình.

  • Công nghệ viễn thám và GIS: Ứng dụng ảnh vệ tinh SPOT5, ALOS PALSAR, ASTER để chiết tách lớp phủ đất, hiện trạng sử dụng đất, vùng ngập lụt. Phương pháp phân loại có giám định (Supervised Classification) và phân loại tự động được sử dụng để phân tích ảnh vệ tinh, kết hợp với GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu không gian và lập bản đồ ngập lụt.

Các khái niệm chính bao gồm: bản đồ hiện trạng ngập lụt, bản đồ dự báo ngập lụt, bản đồ nguy cơ ngập lụt, ảnh radar, mô hình số độ cao (DEM), phân loại ảnh viễn thám.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng 7 cảnh ảnh vệ tinh SPOT5 độ phân giải 2,5m, ảnh ALOS PALSAR độ phân giải 7m, 2 cảnh ảnh ASTER độ phân giải 15m, mô hình số địa hình SRTM, cùng các số liệu khí tượng thủy văn từ năm 1999-2003 (lượng mưa, mực nước, lưu lượng dòng chảy).

  • Phương pháp phân tích:

    • Xử lý ảnh viễn thám bằng phần mềm ENVI, ArcGIS, ArcView để phân loại lớp phủ đất và chiết tách vùng ngập.
    • Sử dụng mô hình SWAT2000 để phân tách lưu vực con từ DEM, xác định các thông số đầu vào cho mô hình MIKE11.
    • Mô hình MIKE11 được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực đo và ảnh radar để mô phỏng dòng chảy và vùng ngập lụt.
    • Ảnh radar được xử lý bằng phương pháp "Density Slice" để chiết tách vùng ngập hiện trạng, giảm nhiễu speckle bằng bộ lọc Gamma và Frost.
    • Kết quả mô hình được so sánh với ảnh radar để hiệu chỉnh và nâng cao độ chính xác.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập dữ liệu và xử lý ảnh từ năm 1999-2003, phân tích và mô hình hóa trong vòng 12 tháng, hoàn thiện bản đồ và báo cáo trong 6 tháng tiếp theo.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lưu vực sông Kôn – Hà Thanh với diện tích khoảng 3.244 km² được phân chia thành các lưu vực con theo cấp 2, cấp 3 để mô hình hóa chi tiết. Dữ liệu khí tượng thủy văn lấy từ các trạm đo mưa và thủy văn trong khu vực.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng ứng dụng ảnh vệ tinh SPOT5 và ALOS PALSAR trong chiết tách lớp phủ đất và vùng ngập: Ảnh SPOT5 với độ phân giải 2,5m cho phép phân loại chính xác các lớp phủ đất, phân biệt rõ vùng có thực phủ và không có thực phủ. Ảnh ALOS PALSAR với khả năng thu ảnh trong mọi điều kiện thời tiết giúp xác định vùng ngập hiện trạng chính xác, đặc biệt trong mùa mưa bão.

  2. Hiệu quả mô hình SWAT2000 trong phân tách lưu vực con: Mô hình SWAT2000 đã phân tách lưu vực sông Kôn – Hà Thanh thành các lưu vực con với diện tích từ 200ha đến 500ha, phù hợp với đặc điểm địa hình và thủy văn. Các thông số như diện tích lưu vực, chiều dài sông, độ dốc trung bình được xác định chính xác, làm cơ sở đầu vào cho mô hình thủy lực MIKE11.

  3. Mô hình thủy lực MIKE11 mô phỏng chính xác vùng ngập lụt: Kết quả mô phỏng mực nước và vùng ngập lụt của MIKE11 tương đồng với dữ liệu thực đo và ảnh radar, với sai số mực nước dưới 0,5m và diện tích ngập sai lệch dưới 10%. Mô hình cho phép dự báo vùng ngập lụt với các chu kỳ tái hiện khác nhau, hỗ trợ công tác phòng chống thiên tai.

  4. Ảnh radar giúp hiệu chỉnh và xác nhận bản đồ ngập lụt: Ảnh radar được xử lý và chiết tách vùng ngập hiện trạng cho thấy diện tích ngập lụt năm 1999 tại lưu vực sông Kôn – Hà Thanh lên đến khoảng 1.500 ha, phù hợp với kết quả mô hình. Việc so sánh bản đồ hiện trạng từ ảnh radar với bản đồ dự báo từ mô hình giúp hiệu chỉnh các tham số mô hình, nâng cao độ chính xác.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự chính xác trong kết quả nghiên cứu là do sự kết hợp hiệu quả giữa công nghệ viễn thám hiện đại và mô hình thủy văn thủy lực tiên tiến. Ảnh vệ tinh SPOT5 và ALOS PALSAR cung cấp dữ liệu không gian với độ phân giải cao và khả năng thu nhận trong mọi điều kiện thời tiết, khắc phục hạn chế của phương pháp khảo sát truyền thống. Mô hình SWAT2000 và MIKE11 được hiệu chỉnh dựa trên dữ liệu thực tế, đảm bảo tính thực tiễn và độ tin cậy.

So sánh với các nghiên cứu trong khu vực và trên thế giới, kết quả nghiên cứu phù hợp với các hệ thống giám sát ngập lụt tại Bangladesh, Trung Quốc và Thái Lan, nơi cũng sử dụng mô hình thủy văn thủy lực kết hợp viễn thám để quản lý ngập lụt. Việc ứng dụng ảnh radar trong nghiên cứu ngập lụt tại Bình Định là bước tiến quan trọng, giúp giám sát hiện trạng ngập lụt kịp thời và chính xác hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh diện tích ngập lụt theo năm, bảng số liệu mực nước thực đo và mô hình, bản đồ phân bố vùng ngập lụt theo các chu kỳ tái hiện, giúp trực quan hóa kết quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát ngập lụt liên tục bằng ảnh vệ tinh và mô hình thủy lực: Cơ quan quản lý nên xây dựng hệ thống thu nhận và xử lý ảnh vệ tinh SPOT5, ALOS PALSAR định kỳ 16 ngày hoặc nhanh hơn, kết hợp mô hình MIKE11 để cập nhật bản đồ ngập lụt hiện trạng và dự báo. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: Trung tâm Viễn thám Quốc gia, Sở Tài nguyên và Môi trường Bình Định.

  2. Nâng cao năng lực phân tích và xử lý dữ liệu viễn thám và mô hình thủy văn: Đào tạo chuyên sâu cho cán bộ kỹ thuật về xử lý ảnh radar, phân loại ảnh viễn thám và vận hành mô hình thủy lực MIKE11, SWAT2000 nhằm đảm bảo chất lượng và độ chính xác của bản đồ ngập lụt. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: các viện nghiên cứu, trường đại học.

  3. Xây dựng cơ sở dữ liệu GIS tích hợp đa nguồn: Tích hợp dữ liệu địa hình, khí tượng thủy văn, ảnh vệ tinh và kết quả mô hình vào hệ thống GIS để quản lý, phân tích và ra quyết định nhanh chóng trong công tác phòng chống ngập lụt. Thời gian: 1 năm; chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường, Trung tâm GIS tỉnh Bình Định.

  4. Phát triển bản đồ nguy cơ và tổn thương ngập lụt chi tiết: Dựa trên bản đồ hiện trạng và dự báo ngập lụt, xây dựng bản đồ nguy cơ và tổn thương để phục vụ công tác quy hoạch, xây dựng và ứng phó thiên tai hiệu quả. Thời gian: 1-2 năm; chủ thể: các cơ quan quản lý địa phương, viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý thiên tai và tài nguyên nước: Sở Tài nguyên và Môi trường, Ban chỉ huy Phòng chống thiên tai tỉnh Bình Định có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả giám sát, dự báo và ứng phó ngập lụt.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Địa lý, Môi trường, Thủy lợi: Luận văn cung cấp phương pháp kết hợp công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn thủy lực, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài nghiên cứu liên quan.

  3. Các đơn vị tư vấn quy hoạch và xây dựng: Các công ty tư vấn có thể ứng dụng bản đồ ngập lụt và phân tích nguy cơ để thiết kế các công trình phòng chống ngập, quy hoạch đô thị bền vững.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Các tổ chức hỗ trợ cộng đồng có thể sử dụng bản đồ và dữ liệu để nâng cao nhận thức, xây dựng kế hoạch ứng phó và giảm thiểu rủi ro thiên tai cho người dân vùng ngập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ảnh vệ tinh nào phù hợp nhất để nghiên cứu ngập lụt?
    Ảnh SPOT5 với độ phân giải 2,5m rất phù hợp để phân loại lớp phủ đất và xác định vùng ngập. Ảnh radar ALOS PALSAR có ưu điểm thu nhận dữ liệu trong mọi điều kiện thời tiết, rất hữu ích để giám sát ngập lụt hiện trạng.

  2. Mô hình thủy văn thủy lực MIKE11 hoạt động như thế nào?
    MIKE11 sử dụng hệ phương trình Saint-Venant một chiều để mô phỏng dòng chảy và mực nước trên hệ thống sông, giúp dự báo vùng ngập dựa trên dữ liệu mưa, địa hình và đặc điểm lưu vực.

  3. Làm thế nào để hiệu chỉnh mô hình thủy lực cho chính xác?
    Hiệu chỉnh mô hình dựa trên so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực đo và ảnh radar hiện trạng ngập lụt, điều chỉnh các tham số mô hình để giảm sai số mực nước và diện tích ngập.

  4. Ảnh radar có ưu điểm gì so với ảnh quang học trong nghiên cứu ngập lụt?
    Ảnh radar không bị ảnh hưởng bởi mây, mưa hay ánh sáng mặt trời, có thể thu nhận dữ liệu cả ngày lẫn đêm, giúp giám sát ngập lụt kịp thời trong điều kiện thời tiết xấu.

  5. Phạm vi áp dụng của phương pháp nghiên cứu này?
    Phương pháp có thể áp dụng cho các lưu vực sông có đặc điểm địa hình và khí hậu tương tự, giúp xây dựng hệ thống giám sát và dự báo ngập lụt hiệu quả tại nhiều vùng miền khác nhau.

Kết luận

  • Ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn thủy lực là giải pháp hiệu quả để thành lập bản đồ ngập lụt hiện trạng và dự báo tại lưu vực sông Kôn – Hà Thanh.
  • Ảnh vệ tinh SPOT5 và ALOS PALSAR cung cấp dữ liệu không gian chất lượng cao, hỗ trợ phân loại lớp phủ đất và xác định vùng ngập chính xác.
  • Mô hình SWAT2000 và MIKE11 giúp phân tách lưu vực con và mô phỏng dòng chảy, mực nước với độ chính xác cao, phù hợp với điều kiện thực tế.
  • Ảnh radar được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình và xác nhận bản đồ ngập, nâng cao độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.
  • Đề xuất xây dựng hệ thống giám sát ngập lụt liên tục, nâng cao năng lực phân tích và phát triển cơ sở dữ liệu GIS để phục vụ công tác quản lý thiên tai hiệu quả.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng quy trình công nghệ đã nghiên cứu vào thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các lưu vực khác để hoàn thiện hệ thống giám sát ngập lụt toàn diện. Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu được khuyến khích phối hợp để phát huy tối đa hiệu quả của công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn thủy lực trong phòng chống thiên tai.