Nghiên cứu công cụ GIS trong quản lý tài nguyên nước tại thủy văn học

• Tác giả: Trương Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Trung
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Thủy Văn
• Đề tài: Công Cụ GIS Hỗ Trợ Quản Lý Tài Nguyên Nước Trong Thủy Văn Học
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TONG QUAN VE LƯU VUC SÔNG VU GIA - THU BON VA TINH HÌNH KHAI THÁC, SU DUNG, QUAN LY TÀI NGUYEN NUOC
• 1.1. Điều kiện tự nhiên của hệ thống sông Vu Gia - Thu Bồn
• 1.2. Địa hình, địa mạo
• 1.3. Đặc điểm khí hậu lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn
• 1.4. Tình hình khai thác, sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn
• 1.5. Tình hình quản lý tài nguyên nước trên lưu vực sông
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC CÔNG CỤ ỨNG DỤNG VÀ QUY TRÌNH KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU
• 2.1. Các công cụ ứng dụng xây dựng cơ sở dữ liệu
• 2.1.1. Microsoft Office Access
• 2.1.2. Khái niệm về cơ sở dữ liệu Microsoft Office Access
• 2.1.3. Tổng quan về tình hình sử dụng Access trên thế giới và Việt Nam
• 2.1.4. Mục đích sử dụng Microsoft Office Access
• 2.2. Geographics information system (GIS)
• 2.2.1. Khái niệm về GIS
• 2.2.2. Quá trình hình thành và phát triển của hệ thống thông tin địa lý
• 2.2.3. Xu hướng phát triển của GIS
• 2.2.4. Mục đích và yêu cầu xây dựng bản đồ đối với lưu vực sông
• 2.3. Phần mềm MapInfo
• 2.4. Microsoft Office Word và Excel. Quy trình và kỹ thuật xây dựng cơ sở dữ liệu
• 2.4.1. Các cơ sở dữ liệu trên Access. Phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu
• 2.4.2. Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu
• 2.4.3. Kỹ thuật xây dựng cơ sở dữ liệu
• 2.4.4. Cơ sở dữ liệu bản đồ lưu vực sông
• 2.4.4.1. Quy trình xây dựng bản đồ
• 2.4.4.2. Kỹ thuật số hóa, nắn chỉnh bản đồ vector
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CƠ SỞ DỮ LIỆU LƯU VỰC SÔNG
• 3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu kinh tế xã hội, cơ sở dữ liệu khí tượng thủy văn
• 3.2. Xây dựng cơ sở dữ liệu tập bản đồ lưu vực sông
• 3.3. Các lớp bản đồ cần thiết phải xây dựng
• 3.4. Xây dựng phần mềm chuyên dụng kết nối các cơ sở dữ liệu
• 3.4.1. Giới thiệu ngôn ngữ lập trình sử dụng xây dựng phần mềm
• 3.4.2. Các khái niệm về ngôn ngữ lập trình C#
• 3.4.3. Quá trình hình thành và phát triển ngôn ngữ lập trình C#
• 3.4.4. Quy trình và kỹ thuật xây dựng phần mềm (ngân hàng dữ liệu)
• 3.4.4.1. Quy trình xây dựng ngân hàng dữ liệu
• 3.4.4.2. Kỹ thuật sử dụng
• 3.4.5. Giải pháp an toàn và đảo mã lỗi
• 3.4.6. Bắt lỗi và quản lý lỗi trong quá trình lập trình ngân hàng dữ liệu
• 3.4.7. Kết nối cơ sở dữ liệu kinh tế xã hội, khí tượng thủy văn
• 3.4.8. Các chức năng chính của ngân hàng dữ liệu
• 3.5. Số liệu các trạm khí tượng - thủy văn
• 3.6. Quản lý tài liệu, báo cáo, văn bản
• 3.7. Hỗ trợ khai thác sử dụng và xây dựng các biểu đồ so sánh
• 3.8. Kết xuất số liệu khí tượng - thủy văn làm đầu vào cho một số phần mềm
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về hệ thống GIS trong quản lý tài nguyên nước

Công nghệ GIS (Hệ thống thông tin địa lý) đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc quản lý tài nguyên nước. Nó cho phép tổng hợp và phân tích dữ liệu không gian, từ đó hỗ trợ việc ra quyết định trong quản lý nước. Hệ thống này giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quát về tình hình sử dụng và khai thác tài nguyên nước trong khu vực, từ đó xây dựng các chiến lược phát triển bền vững. Theo một nghiên cứu, việc sử dụng GIS trong thủy văn học không chỉ giúp cải thiện độ chính xác của các dự báo thủy văn mà còn tối ưu hóa việc phân bổ nguồn nước cho các hoạt động nông nghiệp và công nghiệp. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu, khi mà nguồn nước ngày càng trở nên khan hiếm. Như vậy, công nghệ GIS không chỉ là một công cụ hỗ trợ mà còn là một phần thiết yếu trong quy trình quản lý tài nguyên nước hiện đại.

II. Ứng dụng của GIS trong phân tích dữ liệu thủy văn

Việc phân tích dữ liệu không gian thông qua GIS cho phép nhận diện các xu hướng và mô hình trong thủy văn học. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng công nghệ GIS để xây dựng các mô hình mô phỏng dòng chảy, giúp dự đoán các hiện tượng như lũ lụt và hạn hán. Theo một báo cáo, việc áp dụng GIS trong phân tích thủy văn đã giúp cải thiện khả năng giám sát tài nguyên nước, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục kịp thời. Hơn nữa, công nghệ này còn hỗ trợ trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu địa lý, nơi lưu trữ các thông tin về lưu vực sông, các trạm quan trắc và các yếu tố môi trường khác. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc chia sẻ thông tin giữa các cơ quan quản lý, từ đó nâng cao hiệu quả trong quản lý tài nguyên nước.

III. Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu GIS cho tài nguyên nước

Quy trình xây dựng cơ sở dữ liệu trong GIS bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc thu thập dữ liệu đến phân tích và trình bày kết quả. Đầu tiên, việc thu thập dữ liệu địa lý và thủy văn là rất cần thiết. Dữ liệu này có thể được thu thập từ các nguồn khác nhau như trạm quan trắc, ảnh vệ tinh và các báo cáo nghiên cứu trước đó. Sau khi thu thập, dữ liệu sẽ được xử lý và chuẩn hóa để đảm bảo tính chính xác. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ sử dụng công cụ GIS để phân tích dữ liệu, từ đó tạo ra các bản đồ và mô hình phục vụ cho quản lý tài nguyên nước. Cuối cùng, các kết quả phân tích sẽ được trình bày dưới dạng bản đồ trực quan và báo cáo, giúp các nhà quản lý dễ dàng hiểu và đưa ra quyết định. Quy trình này không chỉ giúp nâng cao chất lượng dữ liệu mà còn tạo ra các công cụ hữu ích cho việc quản lý nước hiệu quả hơn.

IV. Thách thức và triển vọng trong ứng dụng GIS

Mặc dù GIS đã chứng minh được giá trị của mình trong quản lý tài nguyên nước, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Một trong những thách thức lớn nhất là việc thiếu hụt dữ liệu chất lượng cao và đồng bộ. Nhiều khu vực vẫn chưa có hệ thống quan trắc nước đầy đủ, dẫn đến việc phân tích dữ liệu không chính xác. Hơn nữa, việc đào tạo nhân lực có kỹ năng sử dụng công nghệ GIS cũng là một vấn đề cần được giải quyết. Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và sự gia tăng nhận thức về tầm quan trọng của quản lý nước, triển vọng ứng dụng GIS trong lĩnh vực này là rất lớn. Các chương trình đào tạo và hợp tác quốc tế có thể giúp nâng cao năng lực cho các chuyên gia trong nước, từ đó thúc đẩy việc áp dụng công nghệ GIS trong thủy văn học và quản lý tài nguyên nước.

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn là hệ thống sông lớn nhất khu vực Trung Trung Bộ Việt Nam, với diện tích khoảng 10.500 km², chiếm gần 90% diện tích tự nhiên của tỉnh Quảng Nam và thành phố Đà Nẵng. Hệ thống sông này có vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội, cung cấp nguồn nước cho nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và thủy điện. Tuy nhiên, theo báo cáo của Trung tâm Nghiên cứu, ứng dụng và chuyển giao khoa học công nghệ Quảng Nam, dữ liệu về tài nguyên nước trên lưu vực chưa được quản lý khoa học, thống nhất, gây khó khăn trong khai thác và bảo vệ nguồn nước. Các biến động dòng chảy như xâm thực, bồi tích, nhiễm mặn và đổi dòng sông đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống và phát triển kinh tế của địa phương.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng hệ thống thông tin địa lý (GIS) để xây dựng công cụ hỗ trợ quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, bao gồm xây dựng cơ sở dữ liệu kinh tế - xã hội, khí tượng - thủy văn và bản đồ lưu vực, đồng thời kết nối với mô hình toán để mô phỏng và dự báo thủy lực, thủy văn. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, với dữ liệu thu thập từ các trạm khí tượng thủy văn, số liệu kinh tế xã hội và bản đồ địa hình.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ quản lý tài nguyên nước hiệu quả, góp phần phát triển bền vững kinh tế - xã hội, giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ môi trường trên lưu vực sông. Việc xây dựng ngân hàng dữ liệu và phần mềm quản lý sẽ hỗ trợ các cơ quan quản lý trong việc ra quyết định chính xác và kịp thời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quản lý tài nguyên nước và lý thuyết hệ thống thông tin địa lý (GIS). Lý thuyết quản lý tài nguyên nước tập trung vào khai thác, sử dụng và bảo vệ nguồn nước một cách bền vững, đảm bảo cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường. Lý thuyết GIS cung cấp nền tảng công nghệ để thu thập, lưu trữ, phân tích và trình bày dữ liệu không gian liên quan đến tài nguyên nước.

Mô hình nghiên cứu bao gồm các khái niệm chính:

• Cơ sở dữ liệu quan hệ: tổ chức dữ liệu dưới dạng bảng có quan hệ chặt chẽ, hỗ trợ truy vấn và cập nhật hiệu quả.
• Mô hình vector và raster trong GIS: mô hình vector dùng để biểu diễn các đối tượng điểm, đường, vùng; mô hình raster dùng để biểu diễn dữ liệu liên tục như lượng mưa, địa hình.
• Mô hình toán thủy văn: sử dụng các phương trình và thuật toán để mô phỏng dòng chảy, dự báo lũ lụt và phân tích biến động thủy văn.
• Quản lý tài nguyên nước theo lưu vực sông: quản lý tổng hợp tài nguyên nước dựa trên phạm vi lưu vực, đảm bảo sự phối hợp giữa các ngành và địa phương.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khí tượng thủy văn từ các trạm quan trắc trên lưu vực, số liệu kinh tế - xã hội của các huyện, tỉnh thuộc lưu vực, bản đồ địa hình và các tài liệu liên quan. Dữ liệu được thu thập từ các cơ quan chức năng như Sở Khoa học và Công nghệ Quảng Nam, Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng và chuyển giao khoa học công nghệ, các trạm khí tượng thủy văn.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Phân tích tổng hợp số liệu để đánh giá tình hình sử dụng tài nguyên nước, bao gồm phân tích thống kê thủy văn với cỡ mẫu dữ liệu từ nhiều năm quan trắc.
• Phương pháp lập trình xây dựng cơ sở dữ liệu sử dụng Microsoft Office Access để thiết kế và quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ, kết hợp ngôn ngữ lập trình C# để xây dựng phần mềm quản lý và kết nối dữ liệu.
• Phương pháp mô hình toán thủy văn chuẩn bị số liệu đầu vào cho các mô hình mô phỏng thủy lực, thủy văn nhằm hỗ trợ dự báo và quản lý tài nguyên nước.
• Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian từ năm 2010 đến 2012, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng cơ sở dữ liệu, phát triển phần mềm và thử nghiệm ứng dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xây dựng thành công cơ sở dữ liệu lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn với các thành phần: dữ liệu kinh tế - xã hội, khí tượng thủy văn và bản đồ lưu vực. Cơ sở dữ liệu bao gồm hơn 820 công trình cấp nước tưới, 72 hồ chứa, 546 đập dâng và 202 trạm bơm, phục vụ tưới cho diện tích thực tế khoảng 28.98% năng lực thiết kế.
2. Phân tích khí tượng thủy văn cho thấy lượng mưa trung bình năm khoảng 2.700 mm, phân bố không đều với giá trị từ 2.200 - 4.000 mm tùy vùng, gây ra hiện tượng lũ lụt và hạn hán theo mùa. Lượng mưa từ tháng 9 đến tháng 12 chiếm 60-75% tổng lượng mưa năm, trong đó tháng 10 có lượng mưa lớn nhất, lên đến gần 1.000 mm tại một số địa phương.
3. Chế độ dòng chảy sông Vu Gia - Thu Bồn có sự biến động lớn theo mùa, với mùa lũ kéo dài khoảng 3 tháng (tháng 10 đến 12), chiếm 65-70% tổng lượng dòng chảy năm. Lưu lượng trung bình năm đạt khoảng 634 m³/s, trong đó sông Thu Bồn và Vu Gia đóng góp tương ứng 10,3 và 11 tỷ m³ nước.
4. Phần mềm quản lý dữ liệu được phát triển trên nền Microsoft Access và ngôn ngữ C# cho phép nhập liệu, cập nhật, truy vấn và hiển thị dữ liệu dưới dạng bảng, biểu đồ và bản đồ GIS. Phần mềm hỗ trợ kết nối dữ liệu kinh tế xã hội, khí tượng thủy văn và bản đồ lưu vực, đồng thời xuất dữ liệu đầu vào cho các mô hình toán thủy văn.

Thảo luận kết quả

Việc xây dựng cơ sở dữ liệu và phần mềm quản lý tài nguyên nước trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn đã đáp ứng được yêu cầu quản lý thống nhất và hiệu quả nguồn tài nguyên nước. Số liệu khí tượng thủy văn và dòng chảy được tích hợp giúp nhận diện rõ ràng các biến động theo mùa, từ đó hỗ trợ công tác dự báo và phòng chống thiên tai. So với các nghiên cứu trước đây, công trình này đã nâng cao tính ứng dụng thực tiễn nhờ tích hợp công nghệ GIS và lập trình phần mềm quản lý.

Các biểu đồ so sánh lượng mưa và dòng chảy giữa các năm, các huyện được xây dựng trong phần mềm giúp trực quan hóa dữ liệu, hỗ trợ các nhà quản lý trong việc ra quyết định. Việc ứng dụng Microsoft Access làm nền tảng cơ sở dữ liệu vừa đảm bảo hiệu năng vừa dễ sử dụng cho các cán bộ kỹ thuật và quản lý.

Tuy nhiên, việc khai thác dữ liệu còn gặp khó khăn do sự phân tán và thiếu đồng bộ trong thu thập số liệu từ các đơn vị khác nhau. Ngoài ra, các biến động dòng chảy do xâm thực, bồi tích và nhiễm mặn vẫn là thách thức lớn cần được theo dõi liên tục. Luận văn đã đề xuất kết nối cơ sở dữ liệu với mô hình toán thủy văn để nâng cao khả năng dự báo và quản lý tổng hợp tài nguyên nước.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Xây dựng và hoàn thiện hệ thống quản lý dữ liệu tập trung trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, bao gồm cập nhật thường xuyên dữ liệu khí tượng thủy văn, kinh tế xã hội và bản đồ địa lý. Mục tiêu đạt 100% dữ liệu được số hóa và đồng bộ trong vòng 2 năm, do Ban Quản lý lưu vực sông chủ trì thực hiện.
2. Phát triển phần mềm quản lý tài nguyên nước tích hợp GIS và mô hình toán thủy văn để hỗ trợ dự báo lũ lụt, xâm nhập mặn và điều phối khai thác nước. Thời gian triển khai trong 3 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và cơ quan quản lý địa phương.
3. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ quản lý và kỹ thuật về ứng dụng GIS, cơ sở dữ liệu và mô hình thủy văn nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng công cụ quản lý. Đào tạo định kỳ hàng năm, do các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành tổ chức.
4. Xây dựng kế hoạch bảo vệ và phát triển rừng phòng hộ đầu nguồn, kết hợp trồng mới và bảo vệ rừng hiện có nhằm giảm thiểu xói mòn, bồi lắng và duy trì cân bằng sinh thái lưu vực. Kế hoạch thực hiện trong 5 năm, phối hợp giữa Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, các địa phương và cộng đồng dân cư.
5. Tăng cường công tác giám sát và kiểm soát khai thác tài nguyên nước, đặc biệt là kiểm soát ô nhiễm, khai thác cát sỏi và xử lý nước thải chưa đạt chuẩn nhằm bảo vệ nguồn nước và môi trường. Thực hiện liên tục, do các cơ quan chức năng phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và thủy lợi: Sử dụng công cụ quản lý dữ liệu và phần mềm GIS để nâng cao hiệu quả quản lý, quy hoạch và giám sát tài nguyên nước trên lưu vực sông.
2. Các nhà nghiên cứu và chuyên gia thủy văn, môi trường: Tham khảo phương pháp xây dựng cơ sở dữ liệu, ứng dụng GIS và mô hình toán thủy văn trong nghiên cứu và dự báo biến động tài nguyên nước.
3. Các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành: Là tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, GIS và công nghệ thông tin địa lý.
4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực thủy điện, nông nghiệp và phát triển đô thị: Áp dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá tác động môi trường, quy hoạch sử dụng nước và phát triển bền vững trên lưu vực sông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần xây dựng cơ sở dữ liệu quản lý tài nguyên nước lưu vực sông?
   Cơ sở dữ liệu giúp tập trung, lưu trữ và quản lý thông tin một cách khoa học, hỗ trợ phân tích, dự báo và ra quyết định hiệu quả trong khai thác và bảo vệ nguồn nước, tránh lãng phí và xung đột sử dụng.

2. Microsoft Access có ưu điểm gì trong xây dựng cơ sở dữ liệu?
   Access là phần mềm quản lý cơ sở dữ liệu quan hệ dễ sử dụng, tích hợp tốt với các ứng dụng Microsoft Office, hỗ trợ truy vấn, báo cáo và phát triển phần mềm quản lý quy mô vừa và nhỏ hiệu quả.

3. GIS hỗ trợ quản lý tài nguyên nước như thế nào?
   GIS cho phép lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian liên quan đến tài nguyên nước như bản đồ địa hình, mạng lưới sông suối, phân bố lượng mưa, giúp nhận diện các vùng nguy cơ và lập kế hoạch quản lý chính xác.

4. Phần mềm quản lý dữ liệu được xây dựng có thể kết nối với mô hình toán thủy văn không?
   Có, phần mềm được thiết kế để xuất dữ liệu đầu vào cho các mô hình toán thủy văn, hỗ trợ mô phỏng dòng chảy, dự báo lũ lụt và phân tích tác động môi trường, nâng cao hiệu quả quản lý.

5. Làm thế nào để đảm bảo dữ liệu luôn được cập nhật và chính xác?
   Cần xây dựng quy trình thu thập, kiểm tra và cập nhật dữ liệu định kỳ, đào tạo cán bộ kỹ thuật và sử dụng công nghệ tự động hóa trong thu thập số liệu, đồng thời phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan liên quan.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công cơ sở dữ liệu kinh tế - xã hội, khí tượng thủy văn và bản đồ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn trên nền tảng Microsoft Access và GIS.
• Phần mềm quản lý dữ liệu tích hợp các chức năng nhập liệu, truy vấn, hiển thị bản đồ và xuất dữ liệu cho mô hình toán thủy văn.
• Phân tích khí tượng thủy văn và dòng chảy cho thấy sự biến động lớn theo mùa, ảnh hưởng đến khai thác và sử dụng tài nguyên nước.
• Đề xuất các giải pháp quản lý tổng hợp, bảo vệ rừng đầu nguồn, nâng cao năng lực cán bộ và phát triển công nghệ quản lý tài nguyên nước.
• Khuyến nghị triển khai hệ thống quản lý dữ liệu tập trung và phần mềm quản lý tích hợp GIS để hỗ trợ phát triển bền vững lưu vực sông trong giai đoạn tiếp theo.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và nhà nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng phần mềm quản lý và cập nhật dữ liệu thường xuyên, đồng thời mở rộng nghiên cứu mô hình toán thủy văn để nâng cao khả năng dự báo và quản lý tài nguyên nước hiệu quả.