Chương 1 Cơ sã khoa hãc và phương pháp nghiên cāu tích hāp há cÁm biÁn và há tháng thông tin đáa lý phăc vă quÁn lý tài nguyên và môi trưáng nưßc trên lưu vực sông 1.1 Tổng quan một sá khái niám Tài nguyên nưßc và lưu vực sông Theo luật Tài nguyên nước năm 2012, tài nguyên nước bao gồm nước mặt, nước dưới đÁt, nước mưa và nước biển nằm trong lãnh thổ Việt Nam, lưu vực sông là vùng đÁt mà trong phạm vi đó nước mặt, nước dưới đÁt ch¿y tự nhiên vào sông và thoát ra một cửa chung hoặc thoát ra biển. Lưu vực sông liên tỉnh là lưu vực sông nằm trên địa bàn từ hai tỉnh, thành phá trực thuộc trung ương trá lên. Há tháng thông tin đáa lý và các phương pháp xử lý dữ liáu đáa không gian Hệ tháng thông tin địa lý (GIS), theo FAO, lịch sử cāa GIS bắt đầu từ những năm 1960 cùng với sự phát phát triển cāa hệ tháng thông tin địa lý Canada. Ăng dÿng GIS đầu tiên này được thiết kế để phÿc vÿ cho công tác qu¿n lý 8 nguồn tài nguyên thiên nhiên đang nằm r¿i rác á một vùng không gian rộng lớn [7].
Trong những năm qua các nhà khoa học Châu Âu và Bắc Mỹ đã khái sướng một sá nghiên cău tập trung vào việc nâng cÁp mô hình không gian địa lý và các chăc năng phân tích dữ liệu cāa công nghệ GIS [8]. Một sá gi¿i pháp tích hợp công nghệ GIS với mô hình thāy văn đã được triển khai thành công, chẳng hạn như tích hợp GIS với mô hình đánh giá chÁt lượng nước mặt, mô hình lưu vực sông, mô hình dòng ch¿y nước dưới đÁt, và mô hình giám sát vận chuyển chÁt ô nhiễm. Các nhà khoa học cho rằng việc kết hợp GIS vào mô hình sẽ gi¿i quyết được các bài toán á quy mô khu vực và lÿc địa trong lĩnh vực thāy văn. Một sá phương pháp tích hợp công nghệ GIS vào mô hình hóa được đề cập như phương pháp tích hợp không ràng buộc, ràng buộc, và phương pháp nhúng.
Phương pháp không ràng buộc được thực hiện thông qua việc trao đổi dữ liệu giữa công cÿ phần mềm khác nhau mà không có nền t¿ng ngưßi dùng chung. Phương pháp này yêu cầu một gói dữ liệu GIS ổn định, một phần mềm mô hình và một phần mềm phân tích tháng kê. Tuy nhiên gi¿i pháp này thưßng dễ x¿y ra tình trạng mÁt dữ liệu, việc chuyển đổi dữ liệu không đa dạng dẫn đến việc kéo dài thßi gian thiết lập mô hình.1: Phương pháp không ràng buộc [8] Phương pháp ràng buộc thưßng triển khai bằng cách tích hợp các mô hình thāy văn vào trong phần mềm GIS ổn định thông qua lập trình gi¿n đồ hoặc nhúng các Macro GIS. Việc này đòi hßi theo cách triển khai tùy chỉnh do vậy hầu hết các hãng cung cÁp phần mềm GIS (như ESRI) đều cung cÁp các tập 9 lệnh (Macro) và kh¿ năng lập trình kịch b¿n (Programing Script).
Do vậy các nhà phát triển phần mềm có thể phân đoạn các tập lệnh riêng lẻ để phát triển giao diện tùy chỉnh theo các ăng dÿng cÿ thể. Phương pháp ràng buộc cung cÁp cho ngưßi sử dÿng các công cÿ cần thiết giữa GIS và mô hình thāy văn để giúp cho việc truy vÁn, truy xuÁt, lưu trữ và chuyển đổi dữ liệu một cách hiệu qu¿. Tuy nhiên phương pháp này đòi hßi cần ph¿i có phân tích, thiết kế một giao diện chi tiết để phù hợp với cÁu trúc dữ liệu trong GIS.2: Phương pháp ràng buộc [8] Phương pháp nhúng được tiếp cận theo hai phương pháp a) nhúng GIS vào mô hình thāy văn và b) nhúng mô hình thāy văn vào GIS. Phương pháp nhúng công cÿ GIS vào mô hình thāy văn thưßng được các chuyên gia trong lĩnh vực thāy văn sử dÿng, tuy nhiên các chuyên gia thưßng coi GIS như một công cÿ để thành lập b¿n đồ và không quá hữu dÿng về mặt lý thuyết đái với các nguyên tắc cơ b¿n cāa mô hình.
à phương pháp này các nhà mô hình hóa không bị phÿ thuộc nhiều vào cÁu trúc dữ liệu GIS do vậy có nhiều quyền tự do để thiết kế hệ tháng. Tuy nhiên kh¿ năng trực quan hóa và qu¿n lý dữ liệu cāa phần mềm mô hình hóa trong phương pháp này sẽ không so sánh được với phương pháp tích hợp phần mềm mô hình hóa vào các nền tàng GIS thương mại có kh¿ năng chạy ổn định. Một sá mô hình sử dÿng phương pháp này như mô hình MODFLOW, HEC-RAS, RIVERCAD. Mặc dù công nghệ GIS không được phát triển riêng cho các ăng dÿng mô hình kỹ thuật, nhưng lại được đưa ra như một công cÿ chung để lưu trữ, truy 10 (a) Nhúng GIS vào mô hình (b) Nhúng mô hình vào GIS Hình 1.3: Phương pháp nhúng xuÁt, thao tác, phân tích và lập b¿n đồ dữ liệu không gian [9].
Tuy nhiên, các nhà khoa học đã chăng minh rằng do tính chÁt không gian cāa dữ liệu cần thiết trong mô hình và qu¿n lý tài nguyên nước, GIS có thể được sử dÿng hiệu qu¿ trong c¿ hai quy trình nói trên [10]. Hiện nay, công nghệ GIS đang được kết hợp thành công với các mô hình thāy văn, mô hình nước ngầm, hệ tháng cÁp nước và tưới tiêu, mô hình thāy động lực để qu¿n lý vùng ngập lũ, mô hình chÁt lượng nước, giám sát và dự báo tài nguyên nước và qu¿n lý lưu vực sông [10, 11]. Hơn nữa, hiện nay phần lớn các mô hình liên quan đến mô phßng tài nguyên nước kết hợp các mô-đun được liên kết hoàn toàn với phần mềm GIS để truy xuÁt dữ liệu đầu vào và trực quan hóa kết qu¿ cuái cùng. Ví dÿ, mô hình đánh giá đÁt và nước (SWAT) là một mô hình lưu vực có kh¿ năng mô phßng sử dÿng giao diện ArcSWAT, là một phần má rộng cho môi trưßng ArcGIS để tạo đầu vào [12].
Tương tự, rÁt nhiều mô hình được phát triển bái Trung tâm thāy văn công trình cāa Quân đoàn cÿc công binh quân đội Hoa Kỳ (HEC), chẳng hạn như Mô hình chăc năng hệ sinh thái (HEC-EFM), Hệ tháng mô hình thāy văn (HEC-HMS) và Hệ tháng phân tích sông (HEC- RAS), có một bộ quy trình, công cÿ và tiện ích để xử lý dữ liệu không gian địa lý trong ArcGIS bằng giao diện ngưßi dùng đồ họa (GUI) để chuẩn bị dữ liệu. Trước khi thực hiện mô phßng thực tế, mô hình tài nguyên nước yêu cầu một sá bước tán nhiều thßi gian, bao gồm thu thập, biên soạn, lưu trữ, truy xuÁt và xử lý dữ liệu không gian. Với kh¿ năng kết hợp các bộ dữ liệu khác nhau, phần mềm GIS đã thay đổi cách vận hành kh¿ năng ăng dÿng cāa mô hình tài nguyên nước [13]. Ví dÿ, trong thāy văn nước mặt á quy mô lưu vực sông, dữ 11 liệu cần thiết để đánh giá các thông sá thāy văn như thßi gian tập trung, tác độ thÁm, v., phÿ thuộc vào một tập dữ liệu lớn liên quan đến: địa chÁt, địa hình, sử dÿng đÁt, che phā mặt đÁt.
Đồng thßi, thông tin khí tượng thưßng đến từ các trạm quan trắc cÿ thể, tăc là các nguồn điểm hoặc được cung cÁp dưới dạng dữ liệu raster. Công nghệ GIS cho phép chồng ghép tÁt c¿ các thông tin trước đó để được phân bổ theo không gian trong các đơn vị mô hình thāy văn và sau đó mô hình mô phßng quá trình mưa, dòng ch¿y [14]. Tính hữu ích cāa GIS cũng có thể được chăng minh qua các nghiên cău, ăng dÿng hoặc đánh giá biến đổi khí hậu tác động á quy mô lưu vực sông [15]. Trong đó dữ liệu biến đổi khí hậu dạng lưới được phân bá theo không gian trên các đơn vị thāy văn được mô phßng theo các kịch b¿n biến đổi khí hậu cÿ thể.
Mô hình hóa Theo tác gi¿ Nirmala Khandan cāa cuán sách ”Các công cÿ mô hình dành cho kỹ sư và nhà khoa học trong lĩnh vực môi trưßng (Modeling Tools for Environmental Engineers and Scientists)”: mô hình hóa là các quá trình vận dÿng những hiểu biết cơ b¿n và kinh nghiệm để tiến hành mô phßng hay mô t¿ một quá trình diễn ra trong hệ tháng tự nhiên theo một mÿc tiêu nào đó. Mô hình khi đó sẽ có thể trá thành một công cÿ rÁt mạnh và hiệu qu¿ khi có kh¿ năng giúp con ngưßi hiểu được một hệ tháng tự nhiên, thưßng là rÁt phăc tạp. Từ trước đến nay, việc các nhà khoa học sử dÿng các mô hình trong các hoạt động chuyên môn đã trá nên phổ biến, chẳng hạn như trong công tác tổ chăc, phân tích và sử dÿng sá liệu thực địa, mô phßng các hiện tượng x¿y ra trong tự nhiên để có thể hiểu được b¿n chÁt và đánh giá các tác động cāa các quá trình tự nhiên [16]. Phần lớn các nghiên cău mô hình hóa trong môi trưßng có thể sắp xếp vào một trong ba loại cơ b¿n: mô hình vật lý thực nghiệm, mô hình ước lượng và mô hình toán học (physical modeling, empirical modeling, and mathematical modeling).
Trong khi ba mô hình trên có đặc tính hoàn toàn khác nhau nhưng chúng bổ sung lẫn nhau và đều có vai trò quan trọng, c¿ mô hình vật lý thực nghiệm và mô hình ước lượng cung cÁp những thông tin vô cùng quan trọng cho quá trình mô hình hóa bằng phương pháp toán học. Ambrose và cộng sự lịch sử phát triển cāa một sá mô hình thāy văn á Hoa Kỳ có thể được chia thành 5 giai đoạn cùng với sự phát triển 12 cāa công nghệ [17], dưới đây là b¿ng đặc điểm các giai đoạn phát triển cāa mô hình, như B¿ng 1.
