Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Tây Nguyên sở hữu hệ thống mạng lưới sông ngòi dày đặc với vai trò sống còn đối với an ninh nguồn nước và phát triển kinh tế, trong đó hệ thống sông Sê San có diện tích lưu vực lên tới 17.000 km2 và chiều dài dòng chính đạt 237 km. Phần thượng lưu sông Sê San nằm trọn trên địa bàn tỉnh Kon Tum với diện tích tự nhiên khoảng 9.676 km2, được kiến tạo bởi hai nhánh sông huyết mạch là sông Đăk Bla ở tả ngạn và sông Pô Kô ở hữu ngạn. Dưới tác động cộng hưởng của biến đổi khí hậu với lượng mưa bình quân năm đạt 2.121 mm cùng áp lực vận hành từ chuỗi công trình thủy điện quy mô lớn, hình thái lòng dẫn và bờ sông tại đây đang trải qua những đợt xói lở và bồi tụ vô cùng phức tạp. Hiện tượng biến dạng lòng sông không chỉ đe dọa trực tiếp đến tính mạng, tài sản của hơn 453.000 người dân địa phương mà còn phá vỡ cấu trúc sinh thái ven bờ của 23 xã, phường trọng điểm.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng bộ cơ sở dữ liệu số hóa và thành lập sơ đồ biến động lòng sông giai đoạn 1990 – 2013 cho hai nhánh Đăk Bla và Pô Kô thông qua việc khai thác tư liệu ảnh vệ tinh quang học Landsat đa phổ độ phân giải trung bình 30 m. Đề tài tập trung định lượng chi tiết mức độ, tốc độ xói lở, bồi tụ đường bờ hai bên, đồng thời phân tích sự dịch chuyển các kiểu lớp phủ khu vực lòng sông cực đại qua chu kỳ 23 năm. Về mặt khoa học và thực tiễn, nghiên cứu xác lập quy trình công nghệ kết hợp viễn thám và hệ thông tin địa lý mang lại độ tin cậy đạt 92,74%, cung cấp luận cứ định lượng chính xác phục vụ công tác quy hoạch thủy lợi, phòng chống thiên tai và giảm thiểu thiệt hại sinh kế cho cộng đồng dân cư lưu vực sông Sê San.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết phản xạ phổ điện từ của các đối tượng tự nhiên trên bề mặt Trái Đất. Nước có đặc tính hấp thụ gần như toàn bộ bức xạ ở dải sóng cận hồng ngoại và hồng ngoại sóng ngắn, trong khi đất và thực vật lại phản xạ rất mạnh ở các dải sóng này. Đây là cơ sở vật lý then chốt để phân tách ranh giới mép nước và đất liền. Đề tài vận dụng lý thuyết động lực học hình thái sông ngòi để phân tích quy luật uốn khúc, xói lở bờ lõm và bồi tụ bờ lồi dưới tác động của dòng chảy tự nhiên kết hợp dòng điều tiết nhân tạo.

Mô hình nghiên cứu kết hợp giữa công cụ phân tích đường bờ tự động DSAS và thuật toán phân cụm không giám sát K-means. Năm khái niệm nền tảng được chuẩn hóa trong nghiên cứu bao gồm:

  • Đặc trưng phản xạ phổ: Mức độ phản xạ năng lượng sóng điện từ của từng đối tượng bề mặt theo các bước sóng chuyên biệt.
  • Ảnh tỷ số: Phép toán kết hợp giữa các kênh phổ nhằm khuếch đại sự khác biệt quang phổ giữa nước và các đối tượng thổ nhưỡng, thực vật.
  • Đường trắc ngang: Tuyến đo vuông góc được phóng từ đường cơ sở cắt qua các đường bờ đa thời kỳ để đo đạc khoảng cách dịch chuyển.
  • Đường cơ sở: Tuyến mốc chuẩn xây dựng từ vùng đệm của lòng sông cổ nhất làm điểm tựa tính toán không gian.
  • Biến động sau phân loại: Kỹ thuật so sánh độc lập từng pixel trên hai bản đồ hiện trạng đã phân loại để xác định bản chất chuyển dịch từ loại hình lớp phủ này sang loại hình khác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thứ cấp bao gồm 9 cảnh ảnh vệ tinh Landsat 5 TM và Landsat 7 ETM+ được thu thập từ Cục Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ, bao quát các mốc thời gian 1990, 1994, 1997, 2002, 2004, 2008, 2010 và 2013 với độ phân giải không gian 30 m. Tiêu chí chọn mẫu nghiêm ngặt là các ảnh đều chụp vào mùa khô (từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau) nhằm đảm bảo tính đồng nhất về mặt thủy văn, hạn chế ảnh hưởng của mây dưới 10% và mực nước sông ở trạng thái dòng chảy kiệt ổn định.

Quy trình tiền xử lý sử dụng phần mềm ENVI 4.8 để nắn chỉnh hình học về hệ tọa độ UTM WGS-84 múi 49N và vá lỗi mất dữ liệu sọc đen đối với các ảnh Landsat 7 sau năm 2003. Phương pháp chiết tách thông tin mặt nước áp dụng chỉ số tỷ số kênh (Band 5 + Band 7) chia cho Band 2 theo thuật toán của Winasor và Budhiman, sau đó phân ngưỡng mật độ trong khoảng giá trị từ 0,17 đến 0,96 để trích xuất đa giác lòng sông.

Để tính toán biến động bờ sông, công cụ DSAS trong môi trường ArcGIS được ứng dụng để thiết lập mạng lưới các đường trắc ngang cách nhau đều đặn, tính tốc độ dịch chuyển đường bờ theo công thức Appeaning Addo. Phân loại lớp phủ lòng sông sử dụng thuật toán K-means, chia thành các lớp đối tượng nước, bãi cát sỏi, đất trống và thảm thực vật. Dữ liệu kiểm chứng thực địa năm 2013 và ảnh GeoEye độ phân giải siêu cao 0,4 m được sử dụng để lập ma trận sai số, xác nhận độ chính xác tổng thể đạt 92,74% cùng chỉ số Kappa đạt trên 0,88, chứng minh tính tin cậy tuyệt đối của phương pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích không gian qua chuỗi ảnh Landsat từ năm 1990 đến năm 2013 trên hai chi lưu chính sông Đăk Bla và sông Pô Kô đã chỉ ra những phát hiện cốt lõi:

  • Thứ nhất, trên đoạn sông Đăk Bla có chiều dài 74 km với hệ số uốn khúc cao 2,03, hiện tượng xói lở và bồi tụ diễn ra đan xen cực kỳ mạnh mẽ. Trong giai đoạn 1990 – 2002, tốc độ xói lở trung bình dao động từ 1,2 đến 2,5 m/năm; sang giai đoạn 2002 – 2013, tốc độ này tăng lên mức 1,8 đến 3,8 m/năm tại các khúc uốn thuộc khu vực thành phố Kon Tum, làm mất đi hàng chục hecta đất bãi bồi ven sông.
  • Thứ hai, chi lưu Pô Kô với chiều dài 121 km và diện tích lưu vực 3.530 km2 ghi nhận mức độ biến động đường bờ dị thường do tác động của các hồ chứa thủy điện. Khu vực xã Krong nằm kẹp giữa hai hồ thủy điện Pleikrông và Yaly có tốc độ sạt lở bờ sông vượt ngưỡng 4,2 m/năm trong giai đoạn 2002 – 2013, tăng hơn 45% so với giai đoạn trước năm 2002.
  • Thứ ba, phân tích diện tích sông cực đại cho thấy sự biến đổi sâu sắc của cấu trúc lớp phủ lòng sông. Ma trận biến động lớp phủ giai đoạn 1990 – 2013 chỉ ra diện tích bãi cát, sỏi trơ trọi tăng hơn 18%, trong khi diện tích mặt nước hẹp lại vào mùa khô và diện tích thảm thực vật cây bụi ven bờ bị suy giảm khoảng 14% do các hoạt động khai thác vật liệu xây dựng và canh tác nông nghiệp lấn chiếm lòng dẫn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự biến dạng lòng sông thượng lưu Sê San xuất phát từ hai yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Về mặt tự nhiên, địa hình Kon Tum có độ dốc lớn từ 1,3% đến 3,3%, kết hợp chế độ thủy văn phân mùa sâu sắc khi lượng dòng chảy mùa lũ chiếm từ 70% đến 75% trong tổng lượng hơn 10 tỷ m3 nước hàng năm, tạo ra động lực dòng chảy xiết gây khoét sâu lòng dẫn và xói lở bờ lõm.

Về mặt nhân tạo, sự xuất hiện của hệ thống các bậc thang thủy điện làm thay đổi hoàn toàn chế độ thủy lực tự nhiên, làm gia tăng hiện tượng thiếu hụt bùn cát ở hạ lưu đập gây ra xói lở cục bộ nghiêm trọng. Bên cạnh đó, hoạt động khai thác cát sỏi ồ ạt trên sông Đăk Bla đoạn qua thành phố Kon Tum đã hạ thấp cao trình đáy sông, làm gia tăng độ dốc bờ và kích hoạt các cung trượt lở quy mô lớn.

Khi so sánh với các công trình nghiên cứu biến động sông Hoàng Hà hay sông Pravara trên thế giới, việc áp dụng công nghệ viễn thám Landsat đa thời kỳ kết hợp DSAS tại thượng lưu sông Sê San đã chứng minh ưu thế vượt trội về mặt chi phí và khả năng tái lập chuỗi dữ liệu lịch sử tại vùng địa hình đồi núi hiểm trở. Toàn bộ các phát hiện này được trực quan hóa mạch lạc thông qua các biểu đồ trắc ngang thể hiện mức độ dịch chuyển mép nước, các bản đồ vector hóa đường bờ qua ba mốc thời gian 1990, 2002, 2013 và bảng ma trận chuyển dịch lớp phủ ma trận nhầm lẫn chi tiết.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ an toàn hành lang thoát lũ lưu vực sông Sê San, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể:

  1. Thiết lập hệ thống giám sát viễn thám và GIS định kỳ hàng năm cho 23 xã, phường ven sông Đăk Bla và Pô Kô do Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Kon Tum chủ trì, hướng tới mục tiêu phát hiện sớm các điểm nóng xói lở để giảm thiểu 40% thiệt hại tài sản cho nhân dân trước năm 2028.
  2. Quy hoạch và siết chặt công tác cấp phép khai thác khoáng sản cát, sỏi dọc sông Đăk Bla do Ủy ban nhân dân tỉnh Kon Tum chỉ đạo thực hiện từ năm 2024 đến năm 2026, đảm bảo kiểm soát 100% các điểm mỏ theo đúng trữ lượng và công suất thiết kế, nghiêm cấm khai thác tại các đoạn sông có bờ lõm xung yếu.
  3. Hoàn thiện quy chế phối hợp vận hành liên hồ chứa thủy điện trên lưu vực sông Sê San bao gồm hồ Pleikrông và hồ Yaly do Bộ Tài nguyên và Môi trường cùng Tập đoàn Điện lực Việt Nam triển khai trong giai đoạn 2025 – 2027, nhằm điều tiết lưu lượng xả lũ hợp lý, giảm sốc thủy lực và duy trì dòng chảy sinh thái tối thiểu.
  4. Triển khai dự án phục hồi thảm thực vật và xây dựng kè mềm sinh thái ven sông Pô Kô tại các xã Krong, Hơ Moong do Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Kon Tum thực hiện, đặt mục tiêu nâng độ che phủ rừng phòng hộ đầu nguồn lên thêm 5% vào năm 2030 để củng cố độ bền cơ học của nền đất bờ sông.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  • Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và phòng chống thiên tai tại Kon Tum và khu vực Tây Nguyên: Ứng dụng bản đồ cảnh báo sạt lở và cơ sở dữ liệu số hóa 23 năm để lập quy hoạch sử dụng đất ven sông và xây dựng phương án di dời dân cư vùng nguy hiểm.
  • Các đơn vị quản lý, vận hành nhà máy thủy điện trên lưu vực sông Sê San: Sử dụng số liệu thủy văn và biến động lòng dẫn để đánh giá lượng bùn cát bồi lắng lòng hồ, từ đó tối ưu hóa quy trình xả lũ và bảo vệ an toàn công trình.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Biến đổi khí hậu, Viễn thám và GIS, Địa lý tài nguyên: Kế thừa quy trình xử lý ảnh tỷ số kết hợp công cụ DSAS và thuật toán K-means làm tài liệu tham khảo giảng dạy và phát triển các đề tài phân tích không gian.
  • Các tổ chức tư vấn môi trường và ban quản lý lưu vực sông quốc tế: Khai thác tư liệu nghiên cứu để đánh giá tác động xuyên biên giới của dòng chảy sông Sê San sang hạ lưu Campuchia và vùng đồng bằng sông Cửu Long.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp chiết tách thông tin mặt nước từ ảnh Landsat trong luận văn có ưu điểm gì nổi bật? Nghiên cứu sử dụng công thức ảnh tỷ số kết hợp Band 5, Band 7 và Band 2 giúp khuếch đại tối đa sự tương phản giữa nước và các bề mặt khác. Kết quả phân ngưỡng phổ cho phép trích xuất ranh giới mép nước với độ chính xác phân loại tổng thể đạt 92,74%, vượt trội hơn hẳn so với việc giải đoán ảnh mắt thường.

Tại sao nghiên cứu chỉ lựa chọn các ảnh vệ tinh chụp trong mùa khô? Việc chọn ảnh từ tháng 12 đến tháng 3 giúp hạn chế mây che phủ dưới 10% và ghi nhận lòng sông ở trạng thái dòng chảy kiệt ổn định nhất. Điều này giúp loại bỏ sai số do hiện tượng ngập lụt cục bộ vào mùa mưa, đảm bảo tính đồng nhất khi so sánh đường bờ qua chu kỳ 23 năm.

Khu vực nào ghi nhận tốc độ xói lở bờ sông nghiêm trọng nhất trong giai đoạn nghiên cứu? Khu vực xã Krong trên sông Pô Kô nằm giữa hồ chứa Pleikrông và hồ Yaly ghi nhận tốc độ sạt lở cao nhất, vượt mức 4,2 m/năm giai đoạn 2002 – 2013. Nguyên nhân do biến động dòng chảy xả lũ thất thường từ thủy điện kết hợp nền địa chất bở rời ven sông.

Công cụ DSAS hỗ trợ đánh giá biến động đường bờ như thế nào? Công cụ DSAS tự động phóng các đường trắc ngang vuông góc từ một đường cơ sở chuẩn qua các đường bờ lịch sử. Từ đó, hệ thống tự động đo khoảng cách dịch chuyển và tính toán chính xác tốc độ xói lở hoặc bồi tụ theo từng mét trên mỗi năm cho từng đoạn sông.

Dữ liệu của luận văn có thể áp dụng cho các lưu vực sông miền núi khác không? Quy trình công nghệ tích hợp ảnh Landsat, ENVI và ArcGIS hoàn toàn có thể nhân rộng cho các lưu vực sông miền núi khác tại Việt Nam. Phương pháp này giúp tiết kiệm tới 70% kinh phí điều tra thực địa tại những khu vực có địa hình chia cắt phức tạp.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công quy trình ứng dụng ảnh viễn thám Landsat đa thời kỳ giai đoạn 1990 – 2013 để giám sát biến động lòng sông Đăk Bla và Pô Kô với độ chính xác đạt 92,74%.
  • Đề tài lượng hóa chi tiết tốc độ xói lở đường bờ đạt từ 1,8 đến 3,8 m/năm trên sông Đăk Bla và trên 4,2 m/năm tại các điểm nóng sông Pô Kô, đồng thời chỉ ra sự suy giảm 14% thảm thực vật lòng sông cực đại.
  • Đóng góp khoa học cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng phương pháp luận tích hợp ảnh tỷ số và công cụ DSAS, giải quyết bài toán thiếu hụt dữ liệu thủy văn thực địa tại vùng núi Tây Nguyên hiểm trở.
  • Lộ trình tiếp theo cần cập nhật dữ liệu từ các thế hệ vệ tinh mới như Landsat 8, Sentinel-2 kết hợp mô hình số hóa độ cao DEM để nâng cao độ phân giải không gian và mô phỏng thủy lực 2D trong giai đoạn 2025 – 2030.
  • Các nhà quản lý và nhà khoa học hãy chủ động ứng dụng ngay giải pháp viễn thám và GIS để xây dựng bản đồ số cảnh báo sạt lở, góp phần bảo vệ bền vững tài nguyên lưu vực sông Sê San.