Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cầu, với diện tích khoảng 6.030 km², là một trong những lưu vực sông lớn tại miền Bắc Việt Nam, trải dài trên 6 tỉnh với dân số hơn 5,1 triệu người. Lượng mưa trung bình hàng năm tại lưu vực dao động khoảng 1.900 mm, trong đó mùa mưa chiếm từ 74% đến 79% tổng lượng mưa năm. Sự biến đổi thảm phủ thực vật trong lưu vực đã và đang ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên nước, đặc biệt là dòng chảy mặt. Việc đánh giá tác động của sự thay đổi thảm phủ đến tài nguyên nước là cần thiết để quản lý và bảo vệ nguồn nước bền vững.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn phân bố SWAT nhằm phân tích sự biến động thảm phủ thực vật và đánh giá ảnh hưởng của nó đến dòng chảy trên lưu vực sông Cầu trong các năm 2000, 2010 và 2015. Phạm vi nghiên cứu bao gồm toàn bộ lưu vực sông Cầu với dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS và ảnh Landsat làm đầu vào. Mục tiêu chính là xây dựng bản đồ thảm phủ chính xác, mô phỏng dòng chảy và đánh giá tác động của sự thay đổi thảm phủ đến tài nguyên nước, từ đó cung cấp cơ sở khoa học cho công tác quản lý tài nguyên nước tại khu vực.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ hiện đại để giám sát biến đổi môi trường, hỗ trợ ra quyết định quản lý tài nguyên nước hiệu quả, đồng thời góp phần nâng cao nhận thức về tác động của biến đổi sử dụng đất đến hệ sinh thái thủy văn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn phân bố SWAT (Soil and Water Assessment Tool).

  • Công nghệ viễn thám: Là kỹ thuật thu thập và phân tích dữ liệu từ xa thông qua ảnh vệ tinh, cho phép quan sát biến đổi thảm phủ thực vật trên diện rộng với độ phân giải không gian cao và chu kỳ thu nhận dữ liệu ngắn. Ảnh Landsat 5 và Landsat 8 được sử dụng để xây dựng bản đồ thảm phủ các năm 2000, 2010 và 2015. Công nghệ Google Earth Engine hỗ trợ xử lý và phân loại ảnh vệ tinh, giúp tạo ra bản đồ thảm phủ chính xác với 5 lớp chính: đất đô thị, nước mặt, đất nông nghiệp, đất cỗi và rừng.

  • Mô hình thủy văn phân bố SWAT: Là mô hình mã nguồn mở, tích hợp nhiều nguồn dữ liệu đầu vào như thảm phủ, địa hình, khí tượng thủy văn để mô phỏng quá trình dòng chảy và cân bằng nước trên lưu vực. SWAT cho phép mô phỏng tác động của sự thay đổi thảm phủ đến dòng chảy mặt, hỗ trợ đánh giá biến động tài nguyên nước theo không gian và thời gian.

Các khái niệm chính bao gồm: thảm phủ thực vật, dòng chảy mặt, mô hình thủy văn phân bố, dữ liệu viễn thám, và chỉ số hiệu quả mô hình (NSE, KGE, PBIAS).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm ảnh vệ tinh Landsat 5 và 8, dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS, bản đồ độ cao số DEM từ SRTM, bản đồ thổ nhưỡng từ FAO và bản đồ thảm phủ tham khảo từ Servir-Mekong.

Phương pháp nghiên cứu gồm các bước:

  1. Xử lý ảnh viễn thám: Sử dụng Google Earth Engine để lọc ảnh có tỷ lệ mây dưới 40%, tổ hợp màu RGB, phân loại và xây dựng bản đồ thảm phủ cho các năm 2000, 2010 và 2015.

  2. Chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT: Bao gồm bản đồ thảm phủ, bản đồ độ cao số, bản đồ thổ nhưỡng và dữ liệu khí tượng thủy văn (mưa, nhiệt độ).

  3. Thiết lập và hiệu chỉnh mô hình SWAT: Mô phỏng dòng chảy tại trạm thủy văn Gia Bảy với ba kịch bản thảm phủ tương ứng các năm nghiên cứu. Cỡ mẫu dữ liệu dòng chảy thực đo từ 1997 đến 2011 được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

  4. Phân tích kết quả: So sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng với thực đo, đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi thảm phủ đến dòng chảy mặt.

Thời gian nghiên cứu tập trung vào giai đoạn 2000-2015, phạm vi không gian là toàn bộ lưu vực sông Cầu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Sự thay đổi thảm phủ thực vật: Diện tích rừng và đất cỗi giảm khoảng 8% từ năm 2000 đến 2015, trong khi diện tích đất nông nghiệp và đô thị tăng tương ứng. Bản đồ thảm phủ xây dựng bằng công nghệ Google Earth Engine có độ chính xác cao, tỷ lệ tương đồng với bản đồ Servir-Mekong đạt trên 90%.

  2. Đánh giá dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS: So sánh với số liệu thực đo tại các trạm Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Ninh cho thấy chỉ số NSE dao động từ 0.65 đến 0.78, KGE từ 0.60 đến 0.75, chứng tỏ dữ liệu mưa vệ tinh phù hợp làm đầu vào cho mô hình thủy văn.

  3. Hiệu chỉnh và mô phỏng dòng chảy bằng SWAT: Mô hình đạt chỉ số NSE trung bình 0.72 và PBIAS dưới 10% trong giai đoạn hiệu chỉnh và kiểm định, cho thấy mô hình mô phỏng dòng chảy khá chính xác. Lưu lượng dòng chảy tại trạm Gia Bảy giảm khoảng 5-7% trong các kịch bản thảm phủ năm 2010 và 2015 so với năm 2000, phản ánh tác động của sự giảm diện tích rừng và tăng đất nông nghiệp đến dòng chảy mặt.

  4. Ảnh hưởng của thảm phủ đến dòng chảy: Sự thay đổi thảm phủ làm tăng dòng chảy bề mặt do giảm khả năng thấm nước và giữ nước của đất, đồng thời làm giảm dòng chảy cơ bản. Điều này có thể dẫn đến tăng nguy cơ lũ lụt trong mùa mưa và giảm nguồn nước trong mùa khô.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự biến đổi dòng chảy là do chuyển đổi mục đích sử dụng đất, đặc biệt là giảm diện tích rừng tự nhiên và tăng diện tích đất nông nghiệp, đô thị. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về tác động của thay đổi thảm phủ đến thủy văn lưu vực. Việc sử dụng dữ liệu viễn thám làm đầu vào cho mô hình SWAT đã giúp khắc phục hạn chế về số liệu thực đo tại các vùng khó tiếp cận, đồng thời nâng cao độ chính xác và tính kịp thời của mô hình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh lưu lượng dòng chảy thực đo và mô phỏng theo từng năm, bảng thống kê diện tích thảm phủ theo loại và thời gian, cũng như bản đồ phân bố thảm phủ qua các năm nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường trồng rừng và phục hồi thảm phủ tự nhiên: Động viên các địa phương trong lưu vực thực hiện các chương trình trồng rừng, bảo vệ rừng nhằm tăng diện tích rừng tự nhiên, giảm dòng chảy bề mặt, cải thiện cân bằng nước. Mục tiêu tăng diện tích rừng ít nhất 5% trong vòng 5 năm tới.

  2. Ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn trong quản lý tài nguyên nước: Các cơ quan quản lý cần xây dựng hệ thống giám sát biến đổi thảm phủ và dòng chảy liên tục bằng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình SWAT để kịp thời phát hiện và xử lý các biến động bất thường.

  3. Quản lý sử dụng đất hợp lý: Kiểm soát việc chuyển đổi đất rừng sang đất nông nghiệp và đô thị, ưu tiên phát triển nông nghiệp bền vững, giảm thiểu tác động tiêu cực đến tài nguyên nước. Thực hiện quy hoạch sử dụng đất định kỳ 5 năm.

  4. Nâng cao nhận thức cộng đồng và đào tạo chuyên môn: Tổ chức các chương trình đào tạo, tuyên truyền về tác động của thay đổi thảm phủ đến tài nguyên nước, khuyến khích cộng đồng tham gia bảo vệ môi trường và tài nguyên nước.

Các giải pháp trên cần được phối hợp thực hiện bởi các cơ quan quản lý tài nguyên nước, địa phương, viện nghiên cứu và cộng đồng dân cư trong lưu vực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý tài nguyên nước và môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách quản lý, giám sát biến đổi thảm phủ và dòng chảy, từ đó đưa ra các biện pháp bảo vệ nguồn nước hiệu quả.

  2. Các nhà nghiên cứu và học viên ngành thủy văn, môi trường: Tham khảo phương pháp ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn phân bố trong đánh giá tác động môi trường, phục vụ nghiên cứu và giảng dạy.

  3. Cơ quan quy hoạch và phát triển đô thị, nông nghiệp: Áp dụng kết quả để điều chỉnh quy hoạch sử dụng đất, phát triển nông nghiệp bền vững, giảm thiểu tác động tiêu cực đến tài nguyên nước.

  4. Các tổ chức phi chính phủ và cộng đồng dân cư trong lưu vực: Nâng cao nhận thức về vai trò của thảm phủ thực vật trong bảo vệ tài nguyên nước, tham gia các hoạt động bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ viễn thám có ưu điểm gì trong nghiên cứu tài nguyên nước?
    Công nghệ viễn thám cho phép thu thập dữ liệu diện rộng, liên tục và kịp thời với chi phí thấp hơn so với phương pháp truyền thống. Ví dụ, ảnh Landsat có độ phân giải không gian 30m giúp xây dựng bản đồ thảm phủ chính xác, phục vụ mô hình thủy văn.

  2. Mô hình SWAT được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    SWAT mô phỏng quá trình dòng chảy và cân bằng nước dựa trên dữ liệu đầu vào như thảm phủ, địa hình và khí tượng. Trong nghiên cứu, SWAT mô phỏng dòng chảy tại trạm Gia Bảy với ba kịch bản thảm phủ các năm 2000, 2010 và 2015 để đánh giá tác động của sự thay đổi thảm phủ.

  3. Dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS có độ tin cậy ra sao?
    So sánh với số liệu thực đo tại các trạm cho thấy chỉ số hiệu quả mô hình (NSE) từ 0.65 đến 0.78, chứng tỏ dữ liệu CHIRPS phù hợp làm đầu vào cho mô hình thủy văn, đặc biệt ở những vùng thiếu số liệu thực đo.

  4. Sự thay đổi thảm phủ ảnh hưởng thế nào đến dòng chảy?
    Giảm diện tích rừng và tăng đất nông nghiệp làm tăng dòng chảy bề mặt do giảm khả năng thấm nước, đồng thời giảm dòng chảy cơ bản, dẫn đến nguy cơ lũ lụt cao hơn và nguồn nước mùa khô giảm.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào quản lý thực tiễn?
    Kết quả cung cấp cơ sở khoa học cho việc quy hoạch sử dụng đất, phát triển chương trình trồng rừng, giám sát biến đổi môi trường bằng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn, giúp các nhà quản lý đưa ra quyết định chính xác và kịp thời.

Kết luận

  • Ứng dụng công nghệ viễn thám kết hợp mô hình thủy văn SWAT đã xây dựng được bản đồ thảm phủ chính xác cho lưu vực sông Cầu các năm 2000, 2010 và 2015.
  • Dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS được đánh giá phù hợp làm đầu vào cho mô hình thủy văn với chỉ số NSE trung bình trên 0.7.
  • Mô hình SWAT mô phỏng dòng chảy tại trạm Gia Bảy đạt hiệu quả cao với NSE khoảng 0.72 và PBIAS dưới 10%.
  • Sự thay đổi thảm phủ thực vật làm giảm diện tích rừng, tăng đất nông nghiệp, ảnh hưởng rõ rệt đến dòng chảy mặt và cân bằng nước lưu vực.
  • Đề xuất các giải pháp trồng rừng, quản lý sử dụng đất, ứng dụng công nghệ viễn thám và mô hình thủy văn trong quản lý tài nguyên nước nhằm bảo vệ và phát triển bền vững lưu vực sông Cầu.

Tiếp theo, cần triển khai các chương trình giám sát liên tục biến đổi thảm phủ và dòng chảy, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các yếu tố khác như nước ngầm và nhu cầu sử dụng nước để có cái nhìn toàn diện hơn về tài nguyên nước lưu vực. Các cơ quan quản lý và nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước.

Hãy liên hệ với các chuyên gia thủy văn và công nghệ viễn thám để được tư vấn chi tiết và hỗ trợ triển khai các giải pháp quản lý tài nguyên nước hiệu quả.