Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Ninh Thuận, thuộc vùng duyên hải Nam Trung Bộ Việt Nam, là khu vực chịu ảnh hưởng nghiêm trọng của hạn hán kéo dài, đặc biệt trong giai đoạn từ năm 2014 đến giữa năm 2016. Theo báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh, thiệt hại do hạn hán trong năm 2015 ước tính lên đến trên 100 tỷ đồng, với diện tích gieo trồng bị ảnh hưởng nghiêm trọng, nhiều hộ dân thiếu nước sinh hoạt và sản xuất. Hạn hán không chỉ làm giảm năng suất nông nghiệp mà còn đẩy nhanh quá trình sa mạc hóa, gây khó khăn cho việc canh tác và phát triển kinh tế địa phương.

Trong bối cảnh đó, việc giám sát dung tích hồ chứa nước trở thành nhiệm vụ cấp thiết nhằm phục vụ công tác ứng phó hạn hán và quản lý nguồn nước hiệu quả. Tỉnh Ninh Thuận hiện có 21 hồ chứa với tổng dung tích khoảng 194 triệu m³, phục vụ tưới tiêu cho hơn 16.600 ha đất nông nghiệp. Tuy nhiên, hệ thống quan trắc truyền thống còn nhiều hạn chế về độ chính xác và tính liên tục do điều kiện địa hình, khí hậu và hạn chế về kinh phí.

Mục tiêu nghiên cứu là ứng dụng công nghệ viễn thám, đặc biệt là ảnh radar SAR từ vệ tinh Sentinel-1 kết hợp với dữ liệu mô hình số độ cao (DEM) để xây dựng đường đặc tính hồ chứa, giám sát diện tích mặt nước và dung tích hồ chứa theo thời gian thực tại tỉnh Ninh Thuận. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 5 hồ chứa lớn gồm Sông Sắt, Lanh Ra, Tân Giang, Bà Râu và Trà Cổ, nhằm cung cấp công cụ hỗ trợ quản lý nguồn nước, phục vụ sản xuất nông nghiệp và ứng phó hạn hán hiệu quả.

Việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong giám sát hồ chứa không chỉ giúp giảm chi phí, tăng độ chính xác mà còn cung cấp dữ liệu kịp thời, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước trong điều kiện biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Lý thuyết viễn thám và xử lý ảnh radar SAR: Viễn thám là khoa học thu nhận và xử lý hình ảnh từ không gian để phân tích các đối tượng trên bề mặt Trái Đất mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Ảnh radar SAR có ưu điểm vượt trội trong việc xuyên mây, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, phù hợp để giám sát mặt nước hồ chứa.

  • Mô hình đường đặc tính hồ chứa (Z-F, Z-V, F-V): Mối quan hệ giữa cao độ mặt nước (Z), diện tích mặt nước (F) và dung tích hồ chứa (V) được xây dựng dựa trên dữ liệu DEM và số liệu quan trắc thực tế. Đây là cơ sở để tính toán dung tích hồ chứa từ diện tích mặt nước quan sát được.

  • Phương pháp phân loại ảnh sub-pixel: Phân loại ảnh theo sub-pixel giúp xác định chính xác diện tích mặt nước trong từng pixel ảnh vệ tinh, giảm sai số so với phương pháp phân loại theo pixel truyền thống.

Các khái niệm chính bao gồm: dung tích hồ chứa, diện tích mặt nước, mực nước hồ, ảnh radar SAR, mô hình số độ cao (DEM), đường đặc tính hồ chứa, phân loại ảnh sub-pixel.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Ảnh radar SAR từ vệ tinh Sentinel-1A và 1B (Chương trình Copernicus, ESA), ảnh số mô hình độ cao SRTM DEM 30m, số liệu quan trắc mực nước và dung tích hồ chứa từ Tổng cục Thủy lợi, dữ liệu khí tượng thủy văn tỉnh Ninh Thuận giai đoạn 2015-2017.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xử lý ảnh SAR trên nền tảng Google Earth Engine (GEE) để phân loại diện tích mặt nước theo phương pháp sub-pixel.
    • Sử dụng DEM để xây dựng đường đặc tính hồ chứa (quan hệ Z-F, Z-V).
    • Kết hợp diện tích mặt nước từ ảnh SAR với đường đặc tính để tính toán dung tích hồ chứa theo thời gian thực.
    • Kiểm định kết quả tính toán với số liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác.

  • Timeline nghiên cứu:

    • Thu thập và xử lý dữ liệu ảnh SAR và DEM: 3 tháng.
    • Xây dựng đường đặc tính hồ chứa và tính toán dung tích: 4 tháng.
    • Kiểm định và phân tích kết quả: 2 tháng.
    • Tổng hợp, viết báo cáo và luận văn: 3 tháng.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Nghiên cứu tập trung vào 5 hồ chứa lớn có dung tích và vai trò quan trọng trong tưới tiêu nông nghiệp tại Ninh Thuận, đại diện cho các đặc điểm địa hình và khí hậu đa dạng của tỉnh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng thành công đường đặc tính hồ chứa:
    Đã xây dựng được đường đặc tính Z-F, Z-V cho 5 hồ chứa lớn tại Ninh Thuận, trong đó hồ Sông Sắt có dung tích lớn nhất với 69 triệu m³. Đường đặc tính mới được xây dựng có độ chính xác cao, sai số trung bình so với số liệu thiết kế và quan trắc thực tế dưới 5%.

  2. Giám sát diện tích mặt nước bằng ảnh SAR:
    Ảnh radar Sentinel-1 cho phép xác định diện tích mặt nước hồ chứa với độ phân giải 10m, phân loại sub-pixel giúp giảm sai số phân đoạn. Ví dụ, diện tích mặt nước hồ Lanh Ra dao động từ 8,000 đến 10,500 m² trong các tháng mùa khô và mùa mưa, phù hợp với số liệu quan trắc thực tế.

  3. Tính toán dung tích hồ chứa theo thời gian thực:
    Kết hợp diện tích mặt nước từ ảnh SAR với đường đặc tính hồ chứa, dung tích hồ được tính toán chính xác theo từng thời điểm. Sai số trung bình so với số liệu quan trắc thực tế đạt dưới 7%, cho thấy phương pháp có tính ứng dụng cao trong giám sát và quản lý nguồn nước.

  4. Phân tích biến động dung tích hồ chứa theo mùa vụ:
    Dung tích hồ chứa giảm mạnh trong mùa khô, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tưới tiêu nông nghiệp. Ví dụ, hồ Tân Giang giảm dung tích đến 40% trong mùa khô so với mùa mưa, gây khó khăn cho sản xuất nông nghiệp vụ Hè Thu.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy công nghệ viễn thám, đặc biệt là ảnh radar SAR, là công cụ hiệu quả để giám sát dung tích hồ chứa trong điều kiện hạn chế về hệ thống quan trắc truyền thống. Việc xây dựng đường đặc tính hồ chứa dựa trên DEM kết hợp với ảnh SAR giúp khắc phục các hạn chế về chi phí và thời gian của phương pháp đo đạc thủ công.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, như nghiên cứu tại Nam Á và Congo, phương pháp sử dụng ảnh SAR và DEM cho kết quả tương đương hoặc tốt hơn về độ chính xác và tính kịp thời. Việc áp dụng phân loại sub-pixel giúp giảm sai số phân đoạn diện tích mặt nước, phù hợp với đặc điểm hồ chứa có bờ không rõ ràng hoặc có sự thay đổi nhỏ về mặt nước.

Kết quả cũng phản ánh rõ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và hạn hán đến nguồn nước mặt, qua đó cung cấp dữ liệu quan trọng cho công tác lập kế hoạch tưới tiêu và ứng phó hạn hán tại Ninh Thuận. Các biểu đồ biến động diện tích mặt nước và dung tích hồ chứa theo tháng có thể minh họa rõ ràng xu hướng giảm dung tích trong mùa khô và phục hồi trong mùa mưa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống giám sát dung tích hồ chứa bằng công nghệ viễn thám:
    Áp dụng công cụ tính toán dung tích hồ chứa dựa trên ảnh SAR và DEM cho toàn bộ 21 hồ chứa tại Ninh Thuận, cập nhật dữ liệu hàng tuần để phục vụ quản lý nguồn nước kịp thời. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh, thời gian: 1 năm.

  2. Nâng cấp và đồng bộ hệ thống quan trắc truyền thống:
    Kết hợp dữ liệu viễn thám với hệ thống quan trắc mặt đất để tăng độ chính xác và độ tin cậy của số liệu. Đầu tư nâng cấp thiết bị đo mực nước tự động tại các hồ chứa lớn. Chủ thể thực hiện: Tổng cục Thủy lợi, thời gian: 2 năm.

  3. Xây dựng kế hoạch sử dụng nước tưới linh hoạt theo mùa vụ:
    Dựa trên dữ liệu giám sát dung tích hồ chứa, điều chỉnh cơ cấu cây trồng và lịch tưới tiêu phù hợp nhằm tối ưu hóa nguồn nước, giảm thiểu thiệt hại do hạn hán. Chủ thể thực hiện: UBND tỉnh Ninh Thuận, các đơn vị nông nghiệp, thời gian: hàng năm.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng công nghệ viễn thám cho cán bộ quản lý:
    Tổ chức các khóa đào tạo về xử lý ảnh vệ tinh, phân tích dữ liệu viễn thám và ứng dụng trong quản lý tài nguyên nước cho cán bộ địa phương. Chủ thể thực hiện: Viện Nước, Tưới tiêu và Môi trường, thời gian: 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và thủy lợi:
    Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Tổng cục Thủy lợi có thể sử dụng kết quả để nâng cao hiệu quả quản lý hồ chứa, lập kế hoạch tưới tiêu và ứng phó hạn hán.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật tài nguyên nước, viễn thám:
    Luận văn cung cấp phương pháp luận và ứng dụng thực tiễn trong giám sát hồ chứa bằng công nghệ viễn thám, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu tiếp theo.

  3. Doanh nghiệp và tổ chức phát triển nông nghiệp:
    Các công ty tư vấn, doanh nghiệp sản xuất nông nghiệp có thể áp dụng công nghệ giám sát dung tích hồ chứa để tối ưu hóa sản xuất, giảm thiểu rủi ro do hạn hán.

  4. Cộng đồng nông dân và các tổ chức xã hội:
    Thông tin về tình trạng nguồn nước và dung tích hồ chứa giúp cộng đồng nông dân chủ động trong sản xuất, đồng thời hỗ trợ các tổ chức xã hội trong công tác hỗ trợ ứng phó thiên tai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ viễn thám có ưu điểm gì trong giám sát hồ chứa?
    Viễn thám cho phép thu thập dữ liệu diện tích mặt nước và mực nước hồ chứa nhanh chóng, liên tục, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và địa hình, giảm chi phí so với phương pháp truyền thống.

  2. Ảnh radar SAR khác gì so với ảnh quang học trong giám sát hồ chứa?
    Ảnh radar SAR có khả năng xuyên mây, không bị ảnh hưởng bởi mưa, sương mù, phù hợp với vùng khí hậu nhiệt đới có nhiều mưa như Ninh Thuận, trong khi ảnh quang học thường bị che phủ bởi mây.

  3. Phân loại sub-pixel giúp cải thiện kết quả như thế nào?
    Phân loại sub-pixel cho phép xác định tỷ lệ diện tích mặt nước trong mỗi pixel ảnh, giảm sai số do pixel chứa cả nước và đất liền, nâng cao độ chính xác trong tính toán diện tích mặt nước.

  4. Làm thế nào để xây dựng đường đặc tính hồ chứa?
    Đường đặc tính được xây dựng dựa trên dữ liệu mô hình số độ cao (DEM) để xác định mối quan hệ giữa cao độ mặt nước, diện tích mặt nước và dung tích hồ chứa, kết hợp với số liệu quan trắc thực tế để hiệu chỉnh.

  5. Phương pháp này có thể áp dụng cho các khu vực khác không?
    Có, phương pháp sử dụng ảnh radar SAR và DEM để giám sát dung tích hồ chứa có thể áp dụng cho nhiều khu vực khác có điều kiện tương tự, đặc biệt là vùng có hệ thống hồ chứa lớn và điều kiện quan trắc truyền thống khó khăn.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công hệ thống giám sát dung tích hồ chứa tại tỉnh Ninh Thuận dựa trên công nghệ viễn thám radar SAR và mô hình số độ cao DEM, với độ chính xác cao và tính kịp thời.
  • Phương pháp phân loại ảnh sub-pixel giúp nâng cao độ chính xác trong xác định diện tích mặt nước, giảm sai số so với phương pháp truyền thống.
  • Kết quả giám sát cho thấy biến động dung tích hồ chứa theo mùa vụ, phản ánh rõ ảnh hưởng của hạn hán đến nguồn nước phục vụ nông nghiệp.
  • Luận văn cung cấp công cụ và cơ sở khoa học hỗ trợ quản lý nguồn nước, lập kế hoạch tưới tiêu và ứng phó hạn hán hiệu quả tại Ninh Thuận.
  • Đề xuất triển khai áp dụng rộng rãi công nghệ viễn thám trong giám sát hồ chứa, đồng thời nâng cao năng lực cán bộ quản lý và kết hợp với hệ thống quan trắc truyền thống để tối ưu hóa hiệu quả quản lý tài nguyên nước.

Hành động tiếp theo: Khuyến nghị các cơ quan chức năng tỉnh Ninh Thuận và Tổng cục Thủy lợi triển khai áp dụng công nghệ viễn thám trong giám sát hồ chứa, đồng thời tổ chức đào tạo nâng cao năng lực sử dụng công nghệ cho cán bộ quản lý. Đây là bước quan trọng để nâng cao hiệu quả quản lý nguồn nước trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp.