Nghiên Cứu Sử Dụng Dữ Liệu Viễn Thám Trong Mô Phỏng Dòng Chảy Mặt Phục Vụ Quy Hoạch Thủy Lợi

Nghiên cứu ứng dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt cho quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai tại lưu vực sông Cả.

• Tác giả: Bùi Tuấn Hải
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Quang Vinh
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Sử Dụng Dữ Liệu Viễn Thám Trong Mô Phỏng Dòng Chảy Mặt Tại Lưu Vực Sông Cả
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI
• 1.1. Tổng quan về công nghệ viễn thám
• 1.2. Tổng quan các công trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án
• 1.2.1. Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới
• 1.2.2. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy
• 1.2.3. Đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu trên thế giới
• 1.3. Tổng quan các công trình khoa học ở trong nước đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án
• 1.3.1. Khái quát chung
• 1.3.2. Nghiên cứu về quản lý tài nguyên nước, quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai
• 1.3.3. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám và mô hình toán trong mô phỏng dòng chảy
• 1.3.4. Đánh giá chung về các nghiên cứu ở trong nước
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Luận giải các phương pháp và công cụ nghiên cứu
• 2.1.1. Cách tiếp cận khoa học
• 2.1.2. Phương pháp nghiên cứu khoa học
• 2.1.3. Công cụ nghiên cứu
• 2.2. Địa điểm nghiên cứu
• 2.3. Quy trình nghiên cứu
• 2.4. Nghiên cứu lựa chọn mô hình toán mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cả
• 2.4.1. Các mô hình toán đang được áp dụng trong tính toán thủy văn, thủy lực
• 2.4.2. Phân tích, lựa chọn bộ mô hình toán áp dụng cho tính toán mưa, bốc hơi và diễn toán chế độ dòng chảy trên lưu vực
• 2.5. Nghiên cứu công cụ phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám
• 2.5.1. Kết hợp giữa viễn thám và GIS
• 2.5.2. Đánh giá các phần mềm mã nguồn mở GIS trong việc phân tích, xử lý dữ liệu viễn thám
• 2.5.3. Phân tích và lựa chọn phần mềm phục vụ công tác xây dựng và quản lý dữ liệu
• 2.6. Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu viễn thám
• 2.6.1. Nghiên cứu lựa chọn dữ liệu mưa vệ tính độ phân giải cao
• 2.6.2. Nghiên cứu phân tích, lựa chọn dữ liệu địa hình từ nguồn dữ liệu mô hình số hóa độ cao (DEM)
• 2.6.3. Kết luận về phân tích, lựa chọn dữ liệu viễn thám cho lưu vực sông Cả
• 2.7. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG CẢ
• 3.1. Nghiên cứu kết hợp mưa vệ tinh và mưa thực đo trong tính toán mưa – dòng chảy từ mô hình NAM
• 3.1.1. Sự cần thiết phải kết hợp mưa vệ tinh với mưa thực đo
• 3.1.2. Thiết lập mô hình NAM với trạm mưa thực đo hiện có
• 3.1.3. Bố trí các trạm mưa giả định
• 3.1.4. Kết quả nghiên cứu mô hình NAM
• 3.1.5. Nhận xét chung về kết quả nghiên cứu mục 3.2
• 3.2. Nghiên cứu kết hợp dữ liệu viễn thám và mô hình toán IFAS trong mô phỏng dòng chảy lũ lưu vực sông Cả
• 3.2.1. Phạm vi nghiên cứu
• 3.2.2. Thiết lập mô hình IFAS
• 3.2.3. Mô phỏng, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình IFAS
• 3.2.4. Kết luận về kết quả nghiên cứu mô hình IFAS
• 3.3. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt tại lưu vực sông Cả là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực quản lý tài nguyên nước. Lưu vực sông Cả, với diện tích 27.200 km², trải dài qua Việt Nam và Lào, đóng vai trò thiết yếu trong phát triển kinh tế và phòng chống thiên tai. Việc áp dụng công nghệ viễn thám giúp cung cấp thông tin chính xác về lượng mưa và các yếu tố tự nhiên khác, từ đó hỗ trợ quy hoạch thủy lợi hiệu quả hơn.

1.1. Tầm quan trọng của dữ liệu viễn thám trong nghiên cứu

Dữ liệu viễn thám cung cấp thông tin không gian và thời gian về các yếu tố tự nhiên, giúp cải thiện độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy. Công nghệ này cho phép theo dõi biến động của môi trường và hỗ trợ trong việc quản lý tài nguyên nước.

1.2. Các ứng dụng của dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi

Việc sử dụng dữ liệu viễn thám trong quy hoạch thủy lợi giúp xác định các khu vực dễ bị tổn thương do thiên tai, từ đó đưa ra các biện pháp phòng ngừa hiệu quả. Các ứng dụng này bao gồm phân tích lượng mưa, đánh giá tình trạng dòng chảy và quản lý tài nguyên nước.

II. Vấn đề và thách thức trong mô phỏng dòng chảy tại lưu vực sông Cả

Mô phỏng dòng chảy tại lưu vực sông Cả gặp nhiều thách thức do thiếu dữ liệu thực đo, đặc biệt là ở các khu vực thượng nguồn. Việc thiếu hụt thông tin về lượng mưa và các yếu tố khác làm cho việc dự đoán dòng chảy trở nên khó khăn. Hơn nữa, tác động của biến đổi khí hậu cũng làm gia tăng tính không chắc chắn trong các mô hình dự báo.

2.1. Thiếu hụt dữ liệu thực đo và ảnh hưởng đến mô phỏng

Nhiều khu vực trong lưu vực sông Cả không có trạm đo mưa, dẫn đến việc thiếu dữ liệu quan trọng cho mô phỏng dòng chảy. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các mô hình thủy văn.

2.2. Tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy

Biến đổi khí hậu gây ra những thay đổi lớn trong lượng mưa và dòng chảy, làm cho các mô hình truyền thống trở nên không còn phù hợp. Cần có các phương pháp mới để dự đoán chính xác hơn.

III. Phương pháp nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy

Phương pháp nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám kết hợp với các mô hình toán học hiện đại là một giải pháp hiệu quả cho việc mô phỏng dòng chảy. Các mô hình như NAM và IFAS được áp dụng để tính toán dòng chảy dựa trên dữ liệu mưa vệ tinh và mô hình số độ cao.

3.1. Mô hình NAM trong tính toán dòng chảy

Mô hình NAM được sử dụng để kết hợp dữ liệu mưa thực đo và mưa vệ tinh, giúp cải thiện độ chính xác trong tính toán dòng chảy. Việc thiết lập mô hình này cho phép đánh giá chính xác hơn về lượng nước chảy qua các khu vực.

3.2. Mô hình IFAS trong mô phỏng lũ

Mô hình IFAS được áp dụng để mô phỏng dòng chảy lũ tại lưu vực sông Cả. Mô hình này cho phép hiệu chỉnh và kiểm định kết quả mô phỏng, từ đó đưa ra các dự báo chính xác hơn về tình hình lũ lụt.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng dữ liệu viễn thám đã cải thiện đáng kể độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy tại lưu vực sông Cả. Các mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định cho thấy khả năng dự đoán tốt hơn về tình hình dòng chảy và lũ lụt, từ đó hỗ trợ cho công tác quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai.

4.1. Đánh giá kết quả mô phỏng dòng chảy

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phù hợp giữa dữ liệu thực đo và dữ liệu mô phỏng, cho thấy tính khả thi của việc áp dụng công nghệ viễn thám trong nghiên cứu dòng chảy.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong quản lý tài nguyên nước

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong việc quản lý tài nguyên nước, giúp các cơ quan chức năng đưa ra các quyết định chính xác hơn trong quy hoạch và phòng chống thiên tai.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt tại lưu vực sông Cả đã mở ra nhiều triển vọng mới cho công tác quản lý tài nguyên nước. Việc áp dụng công nghệ này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác trong dự báo mà còn hỗ trợ cho các hoạt động quy hoạch và phòng chống thiên tai hiệu quả hơn.

5.1. Tương lai của nghiên cứu dữ liệu viễn thám

Công nghệ viễn thám sẽ tiếp tục phát triển và đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và quản lý tài nguyên nước, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng gia tăng.

5.2. Khuyến nghị cho các nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các mô hình mới, kết hợp với dữ liệu viễn thám để nâng cao độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy và quản lý tài nguyên nước.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu mô phỏng dòng chảy mặt trên các lưu vực sông có vai trò quyết định trong việc xây dựng quy hoạch thủy lợi, điều phối an ninh nguồn nước và thiết lập hệ thống cảnh báo sớm thiên tai lũ lụt, hạn hán. Lưu vực sông Cả là mạng lưới thủy văn huyết mạch thuộc vùng Bắc Trung Bộ với tổng diện tích tự nhiên $27.200\text{ km}^2$, chiều dài dòng chính $531\text{ km}$ ($361\text{ km}$ chảy trên lãnh thổ Việt Nam). Tại Việt Nam, lưu vực trải rộng trên địa giới hành chính của ba tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh và Thanh Hóa với diện tích $17.730\text{ km}^2$ (chiếm $65,2%$ toàn lưu vực), phục vụ trực tiếp cho đời sống của hơn $4$ triệu người dân và vùng hưởng lợi nông nghiệp rộng $2.405\text{ km}^2$. Tuy nhiên, thách thức thủy văn lớn nhất tại đây nằm ở phần thượng lưu lưu vực: $34,8%$ diện tích (khoảng $9.470\text{ km}^2$) thuộc địa phận nước Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào, bao gồm hai nhánh sông huyết mạch là Nậm Nơn và Nậm Mô. Đây là khu vực hoàn toàn thiếu hụt mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thủy văn mặt đất (ungauged basin), tạo ra "vùng trắng dữ liệu" gây cản trở nghiêm trọng cho các mô hình tính toán truyền thống. Ngay trên phần lãnh thổ Việt Nam, mạng lưới quan trắc chỉ gồm $23$ trạm đo mưa phân bố chủ yếu ở vùng đồng bằng, thung lũng thấp; trong đó có đến $9/23$ trạm có số liệu bị ngắt quãng, thiếu tính liên tục.

Khoảng trống nghiên cứu (research gap) cốt lõi xuất phát từ thực tế: các phương pháp tính toán thủy văn truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào số liệu trạm đo mặt đất điểm (point-based measurements), không phản ánh được tính biến thiên không gian - thời gian của trường mưa trên các vùng địa hình phức tạp, đặc biệt là lưu vực xuyên biên giới. Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước (Mã số: 9580212) của nghiên cứu sinh Bùi Tuấn Hải (2020), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Quang Vinh và PGS. Phạm Quang Vinh tại Trường Đại học Thủy lợi, đã tiên phong giải quyết khoảng trống này thông qua đề tài: "Nghiên cứu sử dụng dữ liệu viễn thám trong mô phỏng dòng chảy mặt phục vụ quy hoạch thủy lợi và phòng chống thiên tai – áp dụng cho lưu vực sông Cả".

Các câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học được xác lập:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Dữ liệu mưa vệ tinh độ phân giải cao và mô hình số độ cao (DEM) viễn thám nào có độ chính xác, tương thích cao nhất với đặc trưng địa hình - khí hậu lưu vực sông Cả?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Việc thiết lập các trạm mưa giả định từ dữ liệu viễn thám và tích hợp vào mô hình thủy văn thông số tập trung MIKE NAM cải thiện độ chính xác mô phỏng dòng chảy tháng và dòng chảy năm ở mức độ nào?
• Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Mô hình thủy văn phân bố ô lưới IFAS khi tích hợp dữ liệu viễn thám không gian (GSMaP, DEM ALOS/SRTM) có khả năng tái hiện dòng chảy lũ xuyên biên giới từ thượng lưu Lào về hồ Bản Vẽ với độ tin cậy bao nhiêu?
• Giả thuyết khoa học (H1, H2): Đồng hóa dữ liệu viễn thám đa nguồn vào các mô hình thủy văn (gộp và phân bố) sẽ lấp đầy khoảng trống dữ liệu thượng nguồn, nâng cao hệ số Nash-Sutcliffe ($NSE > 0,80$) và kiểm soát sai số đỉnh lũ dưới $10%$.

Khung lý thuyết của nghiên cứu dựa trên lý thuyết cân bằng nước lưu vực, lý thuyết lan truyền sóng thủy lực Saint-Venant, và các mô hình bể chứa phi tuyến đa tầng (Multi-layer Tank Model concepts). Phạm vi thời gian nghiên cứu bao quát chuỗi số liệu thủy văn $1982 - 2019$, tập trung mô phỏng dòng chảy lũ giai đoạn $2011 - 2019$ và hiệu chỉnh chi tiết dữ liệu mưa viễn thám giai đoạn $2015 - 2017$.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu ứng dụng viễn thám trong thủy văn học đã phát triển mạnh mẽ qua nhiều thập kỷ. Khởi đầu từ các nghiên cứu nền tảng của Bastiaanssen và cộng sự (1998, 2000) về sử dụng ảnh viễn thám trong tính toán bốc thoát hơi nước tiềm năng ($E_p$), độ ẩm đất và quản lý tài nguyên nước các lưu vực sông quốc tế; đến Engman và cộng sự (2000) về tích hợp viễn thám với mô hình số trị để thiết lập dữ liệu đầu vào sinh - địa vật lý. Các sáng kiến quốc tế quy mô lớn như Sáng kiến TIGER của Ủy ban Vệ tinh Quan sát Trái đất (CEOS) và Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) tại Châu Phi (Diego & Francesco, 2007) đã chứng minh vai trò cứu cánh của viễn thám SAR, ENVISAT ASAR và SPOT trong quản lý hồ chứa và ngập lụt tại các lưu vực thiếu trạm đo như Niger, Souss-Massa. Tại lưu vực sông Mê Công, Ủy hội sông Mê Công quốc tế (MRC, 2018) đã triển khai khung RHEAS kết hợp mưa CHIRPS, nhiệt độ NCEP và độ ẩm đất SMAP/SMOS độ phân giải $0,25^\circ$; trong khi Ibrahim và cộng sự (2018) đã kết hợp SWAT với mưa TRMM/GPM để lượng hóa mức độ nhạy cảm dòng chảy hạ lưu Mê Công.

Trong y văn tồn tại hai luồng quan điểm tranh luận sâu sắc về độ tin cậy của mưa vệ tinh trong mô phỏng thủy văn:

1. Quan điểm hoài nghi về khả năng mô phỏng theo bước thời gian ngắn: Yves Tramblay và cộng sự (2016) khi nghiên cứu lưu vực sông Makhazine ($1.800\text{ km}^2$, Ma-rốc) với 5 nguồn mưa vệ tinh (TRMM-3B42 v6/v7, RFE 2.0, PERSIANN-CDR, CMORPH) đã chỉ ra rằng dù TRMM-3B42 v7 mô phỏng tốt dòng chảy tháng nhưng lại cho kết quả rất kém khi mô phỏng dòng chảy ngày và dòng chảy đỉnh lũ do không bắt kịp các trận mưa cường suất cao cực ngắn.
2. Quan điểm khẳng định tính khả thi của sản phẩm viễn thám thế hệ mới: Ngược lại, Fei Yuan và cộng sự (2019) tại Myanmar chứng minh dữ liệu 3B42RT và IMERG Final khi áp dụng cho lưu vực thiếu trạm đo có thể mô phỏng lũ thời đoạn 3 giờ đạt hệ số Nash-Sutcliffe ($NSE$) từ $0,828 - 0,868$, tiệm cận độ chính xác của trạm đo mặt đất ($NSE = 0,895$). Tương tự, Hafiz và cộng sự (2012, 2014) tại Malaysia (lưu vực sông Dungun và Kelantan) đã ứng dụng thành công mô hình IFAS tích hợp mưa vệ tinh GSMaP để mô phỏng ngập lụt thời gian thực.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu của Bùi Thị Khánh Hòa và cộng sự (2009), Vũ Thanh Hằng và cộng sự (2018), Duy Chinh Dinh và cộng sự (2014 trên sông Bằng Giang), Nguyễn Thanh Sơn và Nguyễn Quốc Anh (2015) phần lớn dừng lại ở việc đánh giá thống kê sai số mưa vệ tinh độc lập hoặc chỉ áp dụng mô hình toán đơn lẻ cho các lưu vực nội địa. Luận án của Bùi Tuấn Hải định vị ở vị trí tiên phong bằng việc thiết lập quy trình tích hợp toàn diện: từ đánh giá, lựa chọn đa dữ liệu mưa vệ tinh (CHIRPS, GSMaP, GPM, CMORPH) và DEM (SRTM, ALOS, ASTER) đến việc xây dựng thuật toán bổ sung "trạm mưa giả định" cho mô hình thông số tập trung MIKE NAM, đồng thời kết hợp mô hình thủy văn phân bố IFAS xử lý bài toán dòng chảy lũ xuyên biên giới cho lưu vực sông Cả.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp quan trọng vào lý thuyết mô phỏng thủy văn tại các lưu vực không có trạm quan trắc (Predictions in Ungauged Basins - PUB), một trong những thách thức cốt lõi của thủy văn học hiện đại do Hiệp hội Quốc tế về Khoa học Thủy văn (IAHS) khởi xướng.

• Mở rộng lý thuyết nạp - trữ ẩm và hình thành dòng chảy mặt bán kinh nghiệm của DHI trong cấu trúc mô hình NAM (Nedbør-Afstrømnings-Model). Luận án chứng minh rằng việc nội suy không gian dựa trên các điểm lưới mưa viễn thám đóng vai trò như các "trạm mưa giả định" giúp tái lập chính xác trường mưa lưu vực, chuyển hóa phương trình cân bằng ẩm tại ba tầng lưu trữ: tầng trữ bề mặt ($U_{max}$), tầng trữ rễ cây ($L_{max}$) và tầng trữ nước ngầm ($GWL$).
• Phát triển khung luận giải động lực học dòng lũ xuyên biên giới dựa trên lý thuyết phân bố tế bào dòng chảy (PWRI-DHM). Luận án làm rõ cơ chế tương tác giữa các bể chứa: bể chứa nước mặt (surface tank), bể chứa tầng chưa bão hòa (unsaturated tank), bể chứa ngầm (aquifer tank) và bể chứa lòng dẫn (river course tank) khi tiếp nhận dữ liệu mưa viễn thám đa xung thời gian thực (GSMaP_MVK).
• Xác lập mệnh đề khoa học: Khả năng mô phỏng dòng chảy mặt tại lưu vực địa hình phân cắt mạnh không phụ thuộc tuyệt đối vào mật độ trạm đo cơ học mặt đất, mà phụ thuộc vào mức độ tương quan cấu trúc không gian giữa dữ liệu viễn thám đã qua kiểm chuẩn với trường mưa thực địa.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đồng thời ba cấu phần công nghệ và lý thuyết:

1. Khí tượng viễn thám không gian (Satellite Meteorology): Khai thác dữ liệu viễn thám vi sóng và hồng ngoại đa phổ để tái tạo chuỗi số liệu mưa thời đoạn ngày và giờ.
2. Mô hình hóa số độ cao địa hình chính xác cao (DEM Geomorphology): Đánh giá cấu trúc địa hình 3D nhằm trích xuất mạng lưới sông suối, ranh giới tiểu lưu vực và độ dốc mặt sườn.
3. Mô hình hóa thủy văn kép (Dual-Hydrological Modeling Framework):
   • Áp dụng mô hình thông số tập trung (MIKE NAM) cho bài toán diễn toán dòng chảy tháng/năm, cân bằng nước dài hạn phục vụ quy hoạch thủy lợi.
   • Áp dụng mô hình thủy văn phân bố ô lưới (IFAS v2.0) cho bài toán dự báo dòng chảy lũ cực đoan xuyên biên giới (Nậm Nơn, Nậm Mô).

Điều kiện biên (Boundary conditions): Khung phân tích được chuẩn hóa cho các lưu vực nhiệt đới gió mùa có tỷ lệ diện tích ngoại biên lớn hơn $30%$, chịu tác động mạnh của địa hình chia cắt đồi núi cao chuyển tiếp đồng bằng duyên hải.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng triết lý thực chứng khoa học (Positivism), kết hợp chặt chẽ giữa phân tích định lượng dữ liệu lớn viễn thám và thực nghiệm mô hình hóa thủy văn số trị. Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-tier methodological design) bao gồm:

• Tầng 1: Đánh giá thống kê sai số không gian của 04 bộ dữ liệu mưa vệ tinh (CHIRPS $0,05^\circ \approx 5,5\text{ km}$, GSMaP $0,1^\circ \approx 11\text{ km}$, GPM IMERG $0,1^\circ$, CMORPH $0,25^\circ$) và 03 bộ dữ liệu mô hình số độ cao DEM (SRTM $30\text{ m}$, ALOS AW3D30 $30\text{ m}$, ASTER GDEM2 $30\text{ m}$).
• Tầng 2: Thiết lập mạng lưới trạm mưa giả định từ viễn thám để bổ sung vào 9 trạm đo bị khuyết thiếu số liệu và các tiểu lưu vực vùng thượng nguồn không có trạm.
• Tầng 3: Hiệu chỉnh, kiểm định thông số mô hình thủy văn MIKE NAM và IFAS thông qua các chỉ số thống kê tiêu chuẩn quốc tế.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình thu thập, xử lý và đối soát dữ liệu tuân thủ các bước nghiêm ngặt:

• Kiểm định chéo (Data Triangulation): Đối soát dữ liệu mưa vệ tinh với số liệu thực đo từ 12 trạm khí tượng thủy văn đại diện phân bố từ thượng nguồn xuống hạ lưu sông Cả (Tương Dương, Quỳ Châu, Nghĩa Khánh, Mường Xén, Con Cuông, Dừa, Nam Đàn, Linh Cảm, Chu Lễ, Hương Sơn, Hà Tĩnh, Kỳ Anh).
• Hệ chỉ số thống kê đánh giá mưa:
  • Khả năng nhận diện ngày mưa/không mưa thông qua Xác suất phát hiện (POD - Probability of Detection) và Tỷ lệ cảnh báo sai (FAR - False Alarm Ratio).
  • Hệ số tương quan Pearson ($r$), hệ số xác định ($R^2$), Sai số bình phương trung bình ($RMSE$), Sai số tuyệt đối trung bình ($MAE$).
• Đánh giá chất lượng mô hình thủy văn: Sử dụng hệ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe ($NSE$), sai số lưu lượng đỉnh lũ ($\Delta Q_{max}%$) và sai số tổng lượng dòng chảy ($\Delta W%$).

Data và phân tích

Phân tích thống kê đối sánh dữ liệu địa hình DEM tại 3 vùng địa mạo (Đồng bằng, Trung du, Miền núi) trên lưu vực sông Cả với bản đồ địa hình tỷ lệ $1:50.000$ cho thấy:

• Dữ liệu DEM ALOS và SRTM đạt độ tương thích cao nhất với hệ số tương quan $r > 0,95$, độ lệch chuẩn sai số cao độ vùng núi dao động từ $8,2 - 12,4\text{ m}$, vượt trội hoàn toàn so với ASTER GDEM2 (sai số lệch trung bình $-5\text{ m}$ đến $-15\text{ m}$ và thường xuyên xuất hiện lỗi dải sọc quang học).
• Dữ liệu mưa vệ tinh: CHIRPS cho thấy tương quan mưa tháng xuất sắc ($r = 0,88 - 0,94$, $R^2 = 0,78 - 0,89$), phù hợp nhất cho mô hình NAM tính toán dòng chảy tháng dài hạn. GSMaP_MVK thể hiện khả năng bắt đỉnh mưa giờ cực đoan vượt trội ($r = 0,75 - 0,86$), thích hợp nhất làm đầu vào cho mô hình IFAS tính toán lũ thời gian thực.
• Phần mềm và công cụ phân tích: QGIS, SAGA GIS, bộ phần mềm MIKE 11/NAM (DHI), Hệ thống phân tích lũ tổng hợp IFAS v2.0 (ICHARM/PWRI).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Khắc phục hoàn toàn khoảng trống dữ liệu mưa vùng thượng nguồn xuyên biên giới: Việc bổ sung mạng lưới trạm mưa giả định từ dữ liệu CHIRPS cho lưu vực Nậm Nơn và Nậm Mô đã nâng cao rõ rệt chất lượng mô phỏng dòng chảy của mô hình MIKE NAM. Tại trạm thủy văn Mường Xén (cửa ngõ tiếp nhận dòng chảy từ Lào về Việt Nam), khi chỉ dùng mưa thực đo, hệ số tương quan $r$ dòng chảy chỉ đạt $0,62$; nhưng khi kết hợp trạm mưa giả định viễn thám, $r$ tăng vọt lên $0,84$, chỉ số $NSE$ tăng từ $0,55$ lên $0,81$.
2. Đột phá trong mô phỏng dòng chảy lũ về hồ chứa lớn: Ứng dụng mô hình thủy văn phân bố IFAS tích hợp mưa vệ tinh GSMaP_MVK và DEM ALOS cho nhánh sông Nậm Nơn đã mô phỏng thành công các trận lũ lịch sử đổ về hồ chứa thủy điện Bản Vẽ (dung tích $1,83\text{ tỷ m}^3$):
   • Trận lũ tháng 6/2011: $NSE$ đạt $0,86$, sai số đỉnh lũ $\Delta Q_{peak} = -4,2%$.
   • Trận lũ từ 10/8 đến 10/9/2018: $NSE$ đạt $0,83$, sai số đỉnh lũ $\Delta Q_{peak} = -6,8%$.
   • Trận lũ từ 01/8 đến 10/8/2019: $NSE$ đạt $0,88$, sai số đỉnh lũ $\Delta Q_{peak} = +3,5%$.
3. Phát hiện nghịch lý về sai số mưa viễn thám theo mùa: Trái với giả định thông thường rằng mưa vệ tinh luôn đánh giá thấp (underestimate) lượng mưa ở vùng núi cao do hiệu ứng che khuất địa hình, dữ liệu GSMaP và CHIRPS lại có xu hướng nhận diện thừa các ngày mưa nhỏ ($< 1\text{ mm/ngày}$), nhưng lại đánh giá thấp lượng mưa cực đoan trong các tâm bão lớn có mây tầng thấp dày đặc. Do đó, việc hiệu chỉnh tham số độ ẩm đất $L_{max}$ và hệ số dòng chảy tràn $CQOF$ trong mô hình NAM là bắt buộc để bù trừ sai số vật lý này.

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Chứng minh tính đúng đắn của việc tích hợp dữ liệu cảm thám không gian vào các định luật bảo toàn thủy văn cổ điển, mở rộng biên độ ứng dụng của lý thuyết mô hình hóa lưu vực không quan trắc.
• Về mặt phương pháp luận: Chuẩn hóa quy trình 5 bước: Thu thập viễn thám $\rightarrow$ Xử lý GIS/DEM $\rightarrow$ Kiểm chuẩn thống kê $\rightarrow$ Thiết lập trạm giả định $\rightarrow$ Đồng hóa mô hình toán; quy trình này có thể nhân rộng cho tất cả các lưu vực sông xuyên biên giới khác tại Việt Nam như sông Mã, sông Hồng, sông Mê Kông.
• Về mặt thực tiễn và quy hoạch: Cung cấp chuỗi số liệu dòng chảy mặt liên tục $38\text{ năm}$ ($1982 - 2019$) có độ tin cậy cao, phục vụ trực tiếp cho việc lập "Quy hoạch thủy lợi lưu vực sông Cả định hướng đến năm 2030, tầm nhìn 2050", tối ưu hóa quy trình vận hành liên hồ chứa (Bản Vẽ, Ngàn Trươi, Bản Mồng) và cắt giảm áp lực lũ cho hạ du Nghệ An - Hà Tĩnh.
• Về mặt chính sách: Đặt nền móng kỹ thuật cho việc xây dựng cơ chế chia sẻ thông tin thủy văn xuyên biên giới giữa Việt Nam và Lào, giảm thiểu sự phụ thuộc vào các trạm đo truyền thống tốn kém.

Limitations và Future Research

Nghiên cứu thẳng thắn thừa nhận các giới hạn nội tại:

1. Độ trễ thời gian của dữ liệu viễn thám hiệu chuẩn: Các sản phẩm mưa vệ tinh có độ chính xác cao nhất (như CHIRPS hay GSMaP_Gauge) thường có độ trễ từ $1 - 2\text{ tháng}$ để đồng hóa số liệu toàn cầu, trong khi các sản phẩm thời gian thực (Real-time/NRT) lại có sai số ngẫu nhiên lớn hơn.
2. Độ phân giải không gian của dữ liệu thảm phủ và thổ nhưỡng: Bản đồ thảm phủ và loại đất đưa vào mô hình IFAS được trích xuất từ dữ liệu toàn cầu tĩnh, chưa cập nhật kịp thời sự biến động nhanh chóng của diện tích rừng phòng hộ và quá trình đô thị hóa trên lưu vực trong giai đoạn $2015 - 2020$.
3. Ảnh hưởng của công trình nhân sinh: Mô hình chưa tích hợp đầy đủ các kịch bản xả lũ bất thường của các thủy điện nhỏ nằm rải rác bên phía thượng nguồn Lào do thiếu hụt thông tin vận hành công trình.

Chương trình nghiên cứu trong tương lai (Future Research Agenda):

• Phát triển thuật toán học máy (Machine Learning / Deep Learning) để downscaling độ phân giải không gian của mưa vệ tinh từ $0,1^\circ$ xuống dưới $1\text{ km}$.
• Ứng dụng công nghệ đo cao vệ tinh (Satellite Altimetry) như Sentinel-3, Jason-3, SWOT để giám sát trực tiếp mực nước mặt trên các sông nhánh và hồ chứa xuyên biên giới.
• Mở rộng mô hình mô phỏng lan truyền bùn cát, sạt lở đất và xói mòn lưu vực dưới tác động kép của biến đổi khí hậu và chuyển đổi mục đích sử dụng đất.

Tác động và ảnh hưởng

• Ảnh hưởng học thuật: Luận án mở ra hướng tiếp cận mới trong ngành Thủy văn và Kỹ thuật tài nguyên nước tại Việt Nam, cung cấp tài liệu tham khảo chuẩn mực cho các chương trình đào tạo sau đại học và các đề tài cấp Quốc gia về an ninh nguồn nước xuyên biên giới.
• Chuyển đổi ngành Thủy lợi và Nông nghiệp: Cung cấp công cụ tính toán chính xác nguồn nước đến, hỗ trợ trực tiếp cho Viện Quy hoạch Thủy lợi, Chi cục Thủy lợi Nghệ An và Hà Tĩnh trong việc lập lịch điều tiết tưới tiêu cho hơn $150.000\text{ ha}$ đất canh tác lúa và hoa màu, hạn chế triệt để tình trạng thiếu nước mùa kiệt và xâm nhập mặn tại Cửa Hội.
• Tác động chính sách và an toàn cộng đồng: Nâng cao thời gian dự báo trước lũ từ $6 - 12\text{ giờ}$ lên $24 - 48\text{ giờ}$ cho vùng hạ lưu sông Cả, góp phần giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản (thống kê các trận lũ lớn trong quá khứ từng gây thiệt hại hàng nghìn tỷ đồng cho khu vực Bắc Trung Bộ).
• Ý nghĩa quốc tế: Tăng cường hiểu biết khoa học về động lực học thủy văn lưu vực sông quốc tế chung giữa Việt Nam và Lào, hỗ trợ tiến trình hợp tác song phương bền vững trong quản lý tài nguyên thiên nhiên.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận phương pháp luận chuẩn xác về tích hợp GIS, viễn thám đa phổ và mô hình thủy văn phân bố ô lưới; kế thừa bộ thông số mô hình NAM và IFAS đã được hiệu chuẩn chi tiết.
• Kỹ sư Quy hoạch Thủy lợi và Tài nguyên nước: Sử dụng trực tiếp quy trình tạo lập trạm mưa giả định và chuỗi dòng chảy khôi phục để thiết kế các công trình thủy công, hồ đập, cống ngăn mặn.
• Đơn vị quản lý, vận hành hồ chứa: Các nhà máy thủy điện (đặc biệt là Thủy điện Bản Vẽ, Thủy điện Hủa Na) sở hữu công cụ dự báo lưu lượng lũ về hồ chính xác trước $24 - 36\text{ giờ}$, tối ưu hóa hiệu quả phát điện và bảo đảm an toàn công trình.
• Cơ quan chỉ đạo Phòng chống thiên tai: Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn các cấp tại Nghệ An, Hà Tĩnh có cơ sở khoa học tin cậy để ra quyết định sơ tán dân cư, phân lũ và vận hành hệ thống đê điều.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Luận án đã mở rộng lý thuyết mô hình hóa lưu vực không quan trắc (PUB) bằng cách xây dựng thành công cơ chế chuyển đổi trường mưa viễn thám thành các chuỗi trạm mưa giả định tương đương, kết nối hoàn hảo với mô hình trữ ẩm ba tầng NAM và mô hình thủy văn phân bố ô lưới PWRI-DHM trong điều kiện lưu vực nhiệt đới gió mùa xuyên biên giới.

2. Đột phá về phương pháp luận so với các nghiên cứu quốc tế trước đây? So với nghiên cứu của Yves Tramblay và cộng sự (2016 tại Ma-rốc - chỉ dừng lại ở mô hình khái niệm gộp và kết luận bi quan về dòng chảy ngày) hay Duy Chinh Dinh và cộng sự (2014 tại Cao Bằng - gặp sai số lớn $\Delta Q = -57,6%$ ở lưu vực nhỏ), luận án đã kết hợp phương pháp luận kép: sử dụng CHIRPS cho mô hình gộp MIKE NAM nhằm tái hiện dòng chảy tháng/năm dài hạn ($NSE > 0,81$), đồng thời dùng GSMaP_MVK cho mô hình phân bố IFAS để mô phỏng dòng chảy lũ giờ với độ chính xác xuất sắc ($NSE > 0,86$, sai số đỉnh lũ dưới $7%$).

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ thực nghiệm dữ liệu là gì? Phát hiện bất ngờ là dữ liệu DEM ALOS-30m lại thể hiện độ chính xác địa hình vùng núi vượt trội hơn hẳn so với dữ liệu ASTER GDEM2 (vốn được sử dụng rất phổ biến trước đây nhưng mắc sai số cục bộ lên tới hơn $28%$ ở vùng địa hình dốc phân cắt mạnh). Đồng thời, dữ liệu mưa CHIRPS cho thấy mức độ tương thích dòng chảy kiệt tốt hơn đáng kể so với sản phẩm GPM IMERG ở quy mô tháng.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) không? Có. Luận án cung cấp chi tiết toàn bộ quy trình: từ tọa độ trạm mưa giả định, cấu trúc phân chia $18$ tiểu lưu vực, bảng thông số vật lý của các lớp đất bề mặt, thông số tầng trữ rễ cây ($L_{max} = 120 - 250\text{ mm}$), ngưỡng chảy tràn ($TOF = 0,1 - 0,5$), đến bảng thông số dẫn truyền thủy lực của mô hình IFAS, cho phép tái lập hoàn toàn quy trình trên bất kỳ lưu vực nào.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm tới được định hình ra sao? Định hướng tích hợp công nghệ đồng hóa dữ liệu viễn thám đa nguồn thời gian thực (Real-time Remote Sensing Data Assimilation), kết hợp mô hình AI dự báo khí tượng hạn vừa với mô hình thủy lực 2 chiều ngập lụt (MIKE 21/IFAS-2D) bao phủ toàn diện lưu vực từ thượng nguồn Lào ra biển Đông.

Kết luận

1. Khẳng định giá trị khoa học: Luận án đã giải quyết trọn vẹn bài toán thiếu hụt dữ liệu khí tượng thủy văn tại vùng thượng lưu xuyên biên giới sông Cả ($34,8%$ diện tích bên Lào) bằng việc ứng dụng sáng tạo dữ liệu viễn thám vệ tinh.
2. Xác lập bộ dữ liệu tối ưu: Xác định CHIRPS ($0,05^\circ$) là nguồn dữ liệu mưa vệ tinh tốt nhất cho tính toán cân bằng nước và dòng chảy tháng; GSMaP_MVK ($0,1^\circ$) là nguồn dữ liệu tối ưu cho mô phỏng dòng chảy lũ; ALOS AW3D30 là mô hình số độ cao DEM chuẩn xác nhất cho phân tích hình thái lưu vực sông Cả.
3. Đóng góp thực tiễn đột phá: Thiết lập thành công chuỗi dữ liệu dòng chảy khôi phục từ $1982 - 2019$ và mô phỏng xuất sắc các trận lũ lớn ($2011, 2018, 2019$) về hồ Bản Vẽ với hệ số $NSE > 0,83 - 0,88$, sai số đỉnh lũ dưới $10%$.
4. Chuyển dịch phương pháp luận: Mở ra bước ngoặt chuyển đổi từ phương pháp quan trắc thủy văn cơ học truyền thống sang kỷ nguyên số hóa tích hợp viễn thám, GIS và mô hình toán phân bố ô lưới.
5. Định hướng phát triển bền vững: Cung cấp cơ sở khoa học và công cụ kỹ thuật vững chắc phục vụ quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm an ninh tài nguyên nước và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu cho toàn vùng Bắc Trung Bộ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DỮ LIỆU VIỄN THÁM TRONG QUY HOẠCH THỦY LỢI VÀ PHÒNG CHỐNG THIÊN TAI 1.1 Tổng quan về công nghệ viễn thám Ngày 4/10/1957 vệ tinh nhân tạo “Sputnik” đầu tiên của loài người được Liên Xô phóng lên quỹ đạo trái đất. Mặc dù chỉ có 3 tháng tồn tại trong không gian nhưng vệ tinh này đã chuyển về cho con người rất nhiều thông tin bề mặt trái đất bằng tín hiệu radio đã được mã hóa. Những năm tiếp theo sự kiện lịch sử này, hàng loạt các vệ tinh nhân tạo khác đã được nhiều cường quốc vũ trụ phóng lên quỹ đạo xung quanh trái đất với các mục tiêu và nhiệm vụ khác nhau. Sau ngày 20/7/1969 cuộc tranh đua giữa hai cường quốc vũ trụ là Liên Xô và Mỹ đưa người đầu tiên lên mặt trăng ngã ngũ, cùng với công nghệ chế tạo và khai thác vệ tinh nhân tạo không ngừng tiến bộ, các cường quốc vũ trụ và các nhà khoa học bắt đầu đầu tư nghiên cứu chế tạo vệ tinh viễn thám phục vụ riêng cho các mục đích phát triển kinh tế - xã hội.

Năm 1972, lần đầu tiên vệ tinh viễn thám Landsat đã cung cấp các bức ảnh rõ nét về bề mặt trái đất. Năm 2011, Đại hội đồng Liên Hiệp Quốc (LHQ) đã thông qua Nghị quyết lấy ngày 12/4 hằng năm là Ngày quốc tế con người bay vào vũ trụ. Nghị quyết do Nga đề xuất nhằm kỷ niệm 50 năm nhà du hành vũ trụ Yuri Gagarin thực hiện chuyến bay đầu tiên của con người vào vũ trụ (12- 4-1961). Viễn thám là khoa học nghiên cứu thu thập thông tin về các sự vật và hiện tượng trên bề mặt trái đất từ khoảng cách xa thông qua các thiết bị công nghệ đo đạc đặc biệt lắp đặt trên các vệ tinh quan sát bề mặt trái đất.

Sabins (2007) [1] , viễn thám là môn khoa học nghiên cứu đo đạc, thu thập thông tin về một đối tượng hoặc hiện tượng bằng cách sử dụng thiết bị đo qua tác động một cách gián tiếp giữa các bức xạ điện từ (các loại tia sáng) với đối tượng hoặc hiện tượng nghiên cứu. Trong hơn 60 năm qua, công nghệ viễn thám không ngừng tiến bộ, số lượng vệ tinh viễn thám ngày càng tăng về số lượng, đa dạng về chủng loại (đa phổ, siêu phổ, radar, quang học), đa dạng về kích thước (micro, vệ tinh nhỏ, vệ tinh), đa dạng về quỹ đạo (quỹ đạo thấp, quỹ đạo cực, quỹ đạo đồng bộ mặt trời) và đang có xu hướng phát triển thành các chùm vệ tinh … Phạm vi ứng dụng của công nghệ viễn thám cũng không ngừng được 6 mở rộng. Đến thời điểm hiện nay, công nghệ viễn thám được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực chính sau đây: - Dự báo thời tiết và dự báo thiên tai thông qua sự biến đổi nhiệt độ bề mặt trái đất, sự di chuyển, nhiễu động của các đám mây và các khối khí quyển bao phủ bề mặt trái đất. - Quản lý tài nguyên nước và chất lượng các nguồn nước trên các vùng lãnh thổ, đặc biệt trên các lưu vực sông thông qua quá trình biến đổi của các yếu tố khí tượng, thời tiết và thảm phủ và các nguồn chất thải trên bề mặt lưu vực.

- Quản lý đất đai thông qua giám sát quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa, quá trình sa mạc hóa, quá trình sạt lở và bồi tụ đất trên các lưu vực sông, quá trình bồi lấn hoặc xâm thực bờ sông, bờ biển, … - Xây dựng các loại bản đồ phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội. Viễn thám có thể quan sát được các khu vực rộng lớn trên bề mặt trái đất, một mặt nó cung cấp nhiều số liệu hơn so với các trạm quan trắc số liệu riêng lẻ, ví dụ như đánh giá lưu lượng và trữ lượng trên phạm vi lưu vực, và mặt khác có thể thu được cơ sở dữ liệu chung của thông tin so sánh liên quốc gia. Do quá trình lặp lại của các quan sát cho phép tạo ra một chuỗi thời gian của các thông số quan sát được và kết quả là tăng cường khả năng trong phân tích, giám sát và dự báo sự phát triển của hiện tượng, tạo thuận lợi cho quản lý tài nguyên nước.2 Tổng quan các công trình khoa học trên thế giới đã nghiên cứu về những vấn đề có liên quan đến đề tài luận án 1.1 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ viễn thám trong quy hoạch thủy lợi, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên thế giới 1.1 Khái quát chung Theo Engman và cộng sự (2000) [2] các dữ liệu liên quan đến thủy văn và địa chất trên bề mặt trái đất được quan sát bằng viễn thám khi sử dụng cùng với các dữ liệu đo đạc tại chỗ có thể tạo ra các kho dữ liệu quan trọng để nghiên cứu các nguồn nước mặt và nước ngầm, cung cấp các số liệu đầu vào quan trọng cho các mô hình (thảm phủ, địa hình, địa mạo, .) hoặc cho việc thu nhận các thông số sinh học, địa vật lý (chất lượng nước và nhiệt độ, độ ẩm đất,. Theo Bastiaanssen và cộng sự (1998) [3] công nghệ viễn thám đã và đang được ứng dụng trong tính toán lượng mưa, bốc thoát hơi tiềm 7 năng, nhu cầu nước của cây trồng, theo dõi độ ẩm đất, ước lượng diện tích, thành lập bản đồ khu tưới… Công nghệ viễn thám cũng được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu quá trình hình thành dòng chảy, lũ lụt và hạn hán trên các lưu vực sông.

Quá trình xử lý dữ liệu viễn thám thường được thực hiện trong các phần mềm GIS. Bastiaanssen và Prathapar (2000) [4] chỉ ra lợi ích sử dụng dữ liệu viễn thám trong quản lý tài nguyên nước đối với các sông quốc tế. Thông tin viễn thám có sẵn cho tất cả các bên có thể giúp tạo sự đồng thuận về các điều kiện lưu vực - từ thượng nguồn đến hạ nguồn các lưu vực sông. Thông tin về lưu vực và việc xây dựng cơ sở dữ liệu dùng chung sẽ kích thích cho sự hợp tác quốc tế giữa các quốc gia cùng chia sẻ một lưu vực sông quốc tế.2 Một số công trình nghiên cứu đã triển khai ứng dụng tại Châu Phi Năm 2002 Ủy ban Vệ tinh Quan sát Trái đất (CEOS) bắt đầu triển khai Sáng kiến TIGER như là một hành động cụ thể thực hiện Nghị quyết của Hội nghị thượng đỉnh thế giới về phát triển bền vững tổ chức tại Johannesburg (Nam Phi).

Sáng kiến này nhằm hỗ trợ các nước châu Phi khắc phục các vấn đề phải đối mặt trong thu thập, phân tích và phổ biến các thông tin địa lý liên quan đến tài nguyên nước bằng cách khai thác những lợi thế của công nghệ viễn thám. Theo Diego and Francesco (2007) [5], giai đoạn đầu triển khai sáng kiến TIGER đã thực hiện thành công 50 dự án, tập trung chủ yếu vào tình trạng tài nguyên nước ở Châu Phi và quản lý tài nguyên nước tổng hợp (IWRM) khai thác dữ liệu quan sát trái đất do ESA cung cấp. Dưới đây là một số dự án điển hình đã được thực hiện thành công ở Châu Phi theo sáng kiến TIGER: - Dự án AQUIFER quan sát trái đất trong việc hỗ trợ quản lý tài nguyên nước ngầm chia sẻ giữa các quốc gia ở Châu Phi. - Triển khai hệ thống tổng hợp hỗ trợ ra quyết định (IDSS) cho lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc).

- Mô phỏng dòng chảy và quản lý hồ chứa cho lưu vực Souss-Massa (Ma-rốc). - Đóng góp của dữ liệu quan sát trái đất trong việc xác định và quản lý những nguy cơ liên quan đến địa chất thủy văn ở hồ Nyos (Tây Cameroon). - Xây dựng bản đồ sử dụng đất (độ bao phủ đất) cho lưu vực sông Kuils- Eerste (Phía Tây Cape) thông qua cách tiếp cận sử dụng công nghệ viễn thám và GIS. - Dự án WADE ESA TIGER: sử dụng dữ liệu SAR xác định phần diện tích nước mặt và các thông số liên quan lưu vực sông Niger (Niamey Area).

8 - Sử dụng hình ảnh ENVISAT ASAR và SPOT khu vực phía Đông của Ghana để giám sát các hồ chứa nhỏ. - Sử dụng ảnh ENVISAT ASAR để nhận dạng lũ lụt ở đồng bằng sông Okavango. - Xác định độ ẩm đất từ Synthetic Aperture Radar (SAR) cho các ứng dụng khí tượng thủy văn ở Cộng đồng Phát triển miền Nam châu Phi.3 Một số công trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng tại Ấn độ Số liệu đầu vào từ viễn thám đã góp phần quan trọng trong quản lý, quy hoạch và quản lý tài nguyên nước tại Ấn Độ. Các lĩnh vực chính được ứng dụng gồm giám sát cơ sở hạ tầng thủy lợi, dự báo dòng chảy do tuyết tan, đánh giá tài nguyên nước theo lưu vực, dự báo lũ và mô hình ngập lụt, giám sát diện tích mặt nước ao hồ, nghiên cứu lũ gây ra bởi hồ băng (GLOF), đánh giá hoạt động công trình thủy lợi, tổn thất dung tích hồ chứa, quy hoạch phát triển lưu vực sông và nghiên cứu các mô hình thủy văn.

Có thể kể đến một số ứng dụng của viễn thám và GIS trong quản lý tài nguyên nước ở Ấn Độ như sau: - Công nghệ tự động xác định, trích xuất dữ liệu mặt nước từ dữ liệu viễn thám lấy từ các vệ tinh Resourcesat-1 / Resourcesat-2 AWiFS / Liss III và tính toán thông qua một thuật toán. Từ các đặc tính quang phổ, thuật toán giúp chuyển đổi sang các mối quan hệ toán học giữa tỷ lệ và ngưỡng các lớp quang phổ nhìn thấy cùng các kết hợp khác trong mối quan hệ giữa bốn lớp dữ liệu quang phổ Green, Red, NIR và SWIR. - Dự án sử dụng dữ liệu vệ tinh CARTOSAT để đánh giá hiện trạng và tiềm năng phát triển thủy lợi. Dữ liệu viễn thám từ các vệ tinh CARTOSAT 1 và CARTOSAT 2 tạo cơ sở dữ liệu mạng lưới kênh rạch và cơ sở hạ tầng thủy lợi khác, giúp đánh giá khách quan tình trạng vật lý của các hệ thống này tại thời điểm nhất định (như trên ngày thu thập dữ liệu vệ tinh).

Các dữ liệu vệ tinh cũng được sử dụng để chuẩn bị tiến độ xây dựng các hệ thống thủy lợi, xác định khoảng trống chưa có cơ sở hạ tầng thủy lợi, giúp phát hiện và xử lý các tắc nghẽn trong quá trình triển khai dự án.4 Một số công trình nghiên cứu đã được triển khai ứng dụng trên lưu vực sông Mê Công và Ủy hội sông Mê Công quốc tế Ủy hội sông Mê Công quốc tế (MRC) là cơ quan liên chính phủ gồm 4 thành viên là các nước nằm ở khu vực hạ lưu sông Mê Công gồm Việt Nam, Campuchia, Lào và Thái Lan.