Luận văn thạc sĩ hay nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian xây dựng chỉ số hạn hán trong đánh giá và giám sát tình trạng hạn hán thiếu nước lưu vực sông cả

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian trong xây dựng chỉ số hạn hán, đánh giá và giám sát tình trạng hạn hán lưu vực sông Cả.

• Tác giả: Nguyễn Thị Lệ Quyên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Lương Bằng
• Trường học: Trường Đại học Thủy lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian trong đánh giá hạn hán lưu vực sông Cả
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 0.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
• 0.4.1. Cách tiếp cận
• 0.4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÔNG GIAN TRONG NGHIÊN CỨU HẠN HÁN VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tổng quan ứng dụng công nghệ không gian trong nghiên cứu hạn hán
• 1.1.1. Tổng quan trên thế giới
• 1.2. Đặc điểm vùng nghiên cứu
• 1.2.1. Đặc điểm địa hình vùng nghiên cứu
• 1.2.2. Đặc điểm thổ nhưỡng, địa chất
• 1.2.2.1. Đặc điểm địa chất
• 1.2.3. Đặc điểm sông ngòi
• 1.2.4. Đặc điểm khí tượng
• 1.2.4.1. Tình hình hạn hán khí tượng
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (Cần viết chi tiết hơn)
• 2.1. Cách tiếp cận nghiên cứu
• 2.2. Thu thập, phân tích số liệu mưa thực đo
• 2.2.1. Xác định mạng lưới trạm
• 2.2.2. Xác định chuỗi số liệu mưa thực đo
• 2.3. Lựa chọn, thu thập và xử lý mưa vệ tinh
• 2.4. Xây dựng công thức tính toán chỉ số SPI
• 2.5. Ứng dụng công cụ GIS để lập bản đồ sự thiếu hụt nguồn nước
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Diễn biến lượng mưa
• 3.2. Phân tích tình trạng thiếu hụt nguồn nước dựa trên chỉ số SPI
• 3.3. Xây dựng bản đồ thiếu hụt nguồn nước theo các năm
• 3.4. Phân tích diện tích hạn hán tại các địa phương
• 3.5. Đề xuất giải pháp ứng phó, khắc phục thiếu hụt nguồn nước lưu vực sông Cả
• 3.5.1. Một số giải pháp công trình
• 3.5.2. Một số giải pháp phi công trình
• 3.5.3. Một số giải pháp khoa học công nghệ
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian trong đánh giá hạn hán lưu vực sông Cả

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian trong đánh giá hạn hán lưu vực sông Cả là một lĩnh vực quan trọng trong việc quản lý tài nguyên nước. Hạn hán không chỉ ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp mà còn tác động đến đời sống của người dân. Việc áp dụng công nghệ hiện đại như công nghệ GIS và viễn thám giúp theo dõi và đánh giá tình hình hạn hán một cách hiệu quả hơn. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc sử dụng công nghệ khổng gian có thể cung cấp thông tin chính xác về lượng mưa và tình trạng nước trong khu vực.

1.1. Tình hình hạn hán và tác động đến lưu vực sông Cả

Hạn hán tại lưu vực sông Cả đã diễn ra trong nhiều năm qua, gây ra tình trạng thiếu nước nghiêm trọng. Theo thống kê, năm 2010, diện tích hạn hán lên tới 17.000ha tại Nghệ An và 12.000ha tại Hà Tĩnh. Những năm gần đây, tình trạng này ngày càng gia tăng do biến đổi khí hậu và nhu cầu nước tăng cao cho sản xuất.

1.2. Vai trò của công nghệ không gian trong nghiên cứu hạn hán

Công nghệ không gian, đặc biệt là công nghệ GIS và viễn thám, đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi và đánh giá tình trạng hạn hán. Các công cụ này cho phép thu thập dữ liệu từ xa, giúp xác định các khu vực bị ảnh hưởng và đưa ra các giải pháp kịp thời.

II. Vấn đề và thách thức trong đánh giá hạn hán lưu vực sông Cả

Đánh giá hạn hán lưu vực sông Cả gặp nhiều thách thức do sự biến đổi khí hậu và sự phát triển kinh tế. Các yếu tố như biến đổi khí hậu, khai thác tài nguyên nước quá mức và sự thay đổi trong mô hình thời tiết đã làm cho việc dự đoán hạn hán trở nên khó khăn hơn. Hơn nữa, việc thiếu dữ liệu chính xác từ các trạm quan trắc cũng là một vấn đề lớn.

2.1. Biến đổi khí hậu và tác động đến nguồn nước

Biến đổi khí hậu đã làm thay đổi mô hình lượng mưa và nhiệt độ, dẫn đến tình trạng hạn hán kéo dài hơn. Các nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ tăng cao sẽ làm tăng quá trình bốc hơi, gây ra tình trạng thiếu nước nghiêm trọng hơn.

2.2. Khó khăn trong việc thu thập dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu từ các trạm quan trắc gặp nhiều khó khăn do sự phân bố không đồng đều của các trạm. Điều này dẫn đến việc thiếu thông tin chính xác về tình trạng nước trong khu vực, ảnh hưởng đến khả năng đánh giá hạn hán.

III. Phương pháp nghiên cứu chính trong đánh giá hạn hán

Để đánh giá tình trạng hạn hán, nhiều phương pháp đã được áp dụng, bao gồm việc sử dụng chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (SPI) và công nghệ GIS. Các phương pháp này giúp xác định mức độ hạn hán và đưa ra các giải pháp ứng phó hiệu quả. Việc kết hợp giữa dữ liệu thực đo và dữ liệu vệ tinh cũng là một phương pháp quan trọng.

3.1. Sử dụng chỉ số SPI trong đánh giá hạn hán

Chỉ số SPI là một công cụ hữu ích để đánh giá tình trạng hạn hán. Nó cho phép xác định mức độ thiếu hụt nước dựa trên lượng mưa trong một khoảng thời gian nhất định, từ đó đưa ra các cảnh báo kịp thời.

3.2. Ứng dụng công nghệ GIS trong phân tích dữ liệu

Công nghệ GIS giúp phân tích và trực quan hóa dữ liệu về tình trạng nước trong khu vực. Việc sử dụng GIS cho phép xây dựng bản đồ phân bố hạn hán, từ đó hỗ trợ các quyết định quản lý tài nguyên nước.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu trong quản lý tài nguyên nước

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian trong đánh giá hạn hán đã mang lại nhiều giá trị thực tiễn cho việc quản lý tài nguyên nước. Các bản đồ phân bố hạn hán được xây dựng từ dữ liệu vệ tinh giúp các cơ quan chức năng có cái nhìn tổng quan về tình hình nước trong khu vực, từ đó đưa ra các giải pháp kịp thời.

4.1. Xây dựng bản đồ phân bố hạn hán

Bản đồ phân bố hạn hán được xây dựng từ dữ liệu vệ tinh giúp xác định các khu vực bị ảnh hưởng nặng nề nhất. Điều này hỗ trợ cho việc phân bổ nguồn lực và đưa ra các biện pháp ứng phó hiệu quả.

4.2. Đề xuất giải pháp ứng phó với hạn hán

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giải pháp ứng phó với hạn hán như cải thiện hệ thống tưới tiêu, quản lý tài nguyên nước bền vững đã được đề xuất. Những giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu thiệt hại do hạn hán mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng nước.

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

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ không gian trong đánh giá hạn hán lưu vực sông Cả đã mở ra nhiều triển vọng mới cho việc quản lý tài nguyên nước. Việc áp dụng công nghệ hiện đại sẽ giúp nâng cao khả năng dự đoán và ứng phó với hạn hán, từ đó bảo vệ nguồn nước và đảm bảo an ninh lương thực cho khu vực.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong quản lý tài nguyên nước

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quan trọng về tình trạng nước mà còn giúp các cơ quan chức năng đưa ra các quyết định kịp thời và chính xác trong việc quản lý tài nguyên nước.

5.2. Triển vọng phát triển công nghệ trong tương lai

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, việc ứng dụng các công cụ mới trong nghiên cứu hạn hán sẽ ngày càng trở nên quan trọng. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả trong việc quản lý tài nguyên nước và ứng phó với các thách thức do hạn hán gây ra.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Lưu vực sông Cả là một trong những hệ thống sông lớn nhất vùng Bắc Trung Bộ với tổng diện tích tự nhiên tính cả vùng phụ cận hưởng lợi lên tới 19.627 km². Khu vực này giữ vai trò huyết mạch trong việc bảo đảm an ninh nguồn nước, sinh kế nông nghiệp và phát triển kinh tế cho 3 tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An và Hà Tĩnh. Tuy nhiên, theo số liệu quan trắc khí tượng thủy văn, có tới 75% số năm trong giai đoạn từ năm 1960 đến năm 2015 xuất hiện tình trạng hạn hán với mức độ từ trung bình đến khốc liệt. Điển hình như đợt hạn lịch sử năm 2010 đã làm hơn 29.000 ha đất canh tác nông nghiệp bị khô hạn nghiêm trọng, trong đó diện tích hạn nặng chiếm tới 30%, đẩy hàng trăm hồ đập xuống dưới mực nước chết và gây suy kiệt nghiêm trọng dòng chảy sông suối.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn xuất phát từ quy luật thời tiết biến đổi phức tạp kết hợp tác động của gió phơn Tây Nam khô nóng kéo dài, trong khi mạng lưới trạm đo mưa mặt đất còn thưa thớt tại vùng núi cao hiểm trở. Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm: đánh giá định lượng diễn biến hạn hán thông qua chỉ số chuẩn hóa lượng mưa SPI, tích hợp nguồn dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS độ phân giải cao cùng hệ thống thông tin địa lý GIS để biên tập bản đồ phân bố không gian thiếu hụt nguồn nước, từ đó đề xuất hệ thống giải pháp kiểm soát hạn hán mang tính khả thi cao. Nghiên cứu được thực hiện trên toàn bộ không gian lưu vực sông Cả với chuỗi dữ liệu lịch sử kéo dài 55 năm. Ý nghĩa then chốt của công trình là cung cấp cơ sở khoa học chuẩn xác giúp nâng cao hiệu quả cảnh báo sớm thiếu hụt nguồn nước lên trên 85%, hỗ trợ đắc lực cho công tác vận hành điều tiết hàng tỷ mét khối nước hồ chứa và giảm thiểu thiệt hại kinh tế hàng trăm tỷ đồng mỗi năm cho ngành nông nghiệp địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết chu trình thủy văn và biến động hoàn lưu khí quyển nhiệt đới gió mùa, kết hợp lý thuyết phân tích thống kê chuỗi thời gian khí tượng để lượng hóa mức độ khô hạn. Mô hình nghiên cứu tích hợp đa nguồn dữ liệu dựa trên sự kết nối giữa công nghệ viễn thám không gian và Hệ thống thông tin địa lý GIS nhằm chuyển đổi chuỗi lượng mưa điểm thành trường phân bố liên tục trên toàn bộ lưu vực.

Hệ thống khái niệm học thuật cốt lõi được ứng dụng xuyên suốt đề tài bao gồm:

• Hạn khí tượng: Hiện tượng lượng mưa thực tế bị thiếu hụt nghiêm trọng so với trung bình nhiều năm trong một khoảng thời gian dài, làm mất cân bằng ẩm và là nguyên nhân khởi đầu cho hạn nông nghiệp và hạn thủy văn.
• Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa SPI (Standardized Precipitation Index): Chỉ số toán học chuẩn hóa hàm phân phối xác suất lượng mưa trên các thang thời gian linh hoạt (1, 3, 6 tháng), cho phép so sánh khách quan mức độ khô hạn giữa các vùng khí hậu khác biệt.
• Dữ liệu mưa vệ tinh ước tính CHIRPS (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data): Nguồn dữ liệu kết hợp ảnh hồng ngoại vệ tinh có độ phân giải không gian 0,05° với số liệu quan trắc trạm bề mặt nhằm tái lập chuỗi mưa liên tục.
• Hệ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe (NSE): Thước đo thống kê định lượng dùng để đánh giá mức độ tương thích và độ chính xác giữa số liệu mưa vệ tinh ước tính và mưa thực tế quan trắc mặt đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào của luận văn bao gồm chuỗi số liệu lượng mưa và các yếu tố khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, bốc hơi, số giờ nắng, tốc độ gió) được quan trắc liên tục từ năm 1960 đến năm 2015 tại 23 trạm đo mưa và 12 trạm khí hậu cơ bản trực thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường. Nguồn dữ liệu này được tích hợp đồng bộ với bộ số liệu mưa vệ tinh CHIRPS dạng lưới ô vuông độ phân giải 0,05° giai đoạn 1981-2015, dữ liệu mô hình số độ cao DEM và bản đồ phân loại thổ nhưỡng trên diện tích 19.650 ha điều tra.

Phương pháp phân tích chủ đạo bao gồm: phương pháp phân tích thống kê xác suất để tính toán giá trị chỉ số SPI theo phân phối Gamma; phương pháp nội suy không gian bằng kỹ thuật nghịch đảo khoảng cách và Kriging trong ArcGIS; phương pháp kiểm định sai số tương quan thống kê giữa mưa vệ tinh và mưa trạm bề mặt.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm chuỗi quan trắc 55 năm đại diện cho 3 dạng địa hình chính: vùng núi cao (chiếm 60-70% diện tích lưu vực), vùng đồi trung du (chiếm 25-30%) và vùng đồng bằng ven biển (chiếm khoảng 10%). Phương pháp chọn mẫu phân tầng theo đặc trưng tiểu vùng khí hậu được lựa chọn nhằm bảo đảm tính đại diện cao nhất cho các vùng tiểu khí hậu khác biệt từ thượng lưu xuống hạ lưu sông Cả. Toàn bộ quy trình thu thập số liệu, hiệu chỉnh mô hình và phân tích không gian được tiến hành xuyên suốt từ năm 2018 đến năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích chuỗi số liệu khí tượng nhiều năm và mô hình tính toán chỉ số SPI đã chỉ ra các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, lượng mưa trên lưu vực sông Cả phân hóa sâu sắc theo không gian và thời gian. Lượng mưa trung bình nhiều năm dao động rất lớn, từ vùng ít mưa như thung lũng Mường Xén chỉ đạt 1.133 mm/năm, Cửa Rào đạt 1.278 mm/năm đến các tâm mưa lớn tại hạ lưu như Hà Tĩnh đạt 2.657 mm/năm và Kỳ Anh lên tới 2.812 mm/năm. Đáng chú ý, 80-87% tổng lượng mưa tập trung trong 5 tháng mùa mưa (từ tháng V đến tháng X), trong khi 5 tháng mùa khô (từ tháng XII đến tháng IV năm sau) chỉ nhận được 10-20% lượng mưa cả năm.

Thứ hai, tần suất xuất hiện hạn hán trên lưu vực diễn ra với mật độ dày đặc. Trong giai đoạn 1960-2015 có tới 36 năm bị hạn trên tổng số 48 năm có đủ tài liệu quan trắc (chiếm tỷ lệ 75%). Số tháng hạn trung bình năm toàn lưu vực là 5,7 tháng, trong đó trạm Quỳnh Lưu ghi nhận số tháng hạn cao nhất lên tới 6,9 tháng/năm. Các đợt hạn hán đặc biệt khốc liệt diễn ra tập trung vào các năm 1983, 1988, 1993, 1998, 2005 và đỉnh điểm là năm 2010.

Thứ ba, yếu tố nhiệt độ cao và hiện tượng gió phơn Tây Nam đóng vai trò gia tăng cường độ hạn. Hàng năm khu vực chịu ảnh hưởng từ 5 đến 7 đợt gió Lào với tổng thời gian kéo dài 30-40 ngày. Nhiệt độ không khí mùa hè thường xuyên vượt ngưỡng 40-42°C, lượng bốc hơi Piche cực đại trong tháng VII lên tới 175 mm tại trạm Vinh, làm dòng chảy trên các sông suối sụt giảm nghiêm trọng từ 20-60% so với trung bình nhiều năm.

Thứ tư, nguồn dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS cho thấy mức độ tương thích vượt trội khi kiểm định với trạm thực đo, cho phép mô phỏng chính xác không gian hạn hán theo các thang thời gian SPI-1, SPI-3 và SPI-6, làm rõ ranh giới các vùng trọng điểm thiếu nước năm 2005 và 2015.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn tới tình trạng thiếu hụt nguồn nước nghiêm trọng trên lưu vực sông Cả là sự kết hợp giữa các yếu tố tự nhiên và nhân tạo. Về mặt tự nhiên, sự kết thúc sớm của mùa mưa kết hợp với sự thiếu hụt từ 10-30% lượng mưa so với trung bình nhiều năm tạo nên sự sụt giảm nguồn bổ cập. Đồng thời, cấu trúc địa hình đón gió Tây Nam khiến lượng hơi ẩm bị triệt tiêu sau khi vượt qua dãy Trường Sơn, tạo ra hiệu ứng sấy nóng cực đoan làm gia tăng bốc thoát hơi mặt đất. Về mặt nhân sinh, nhu cầu dùng nước tăng vọt do quá trình đô thị hóa, chuyển đổi kinh tế và bồi lắng dung tích các hồ chứa khiến mức độ tổn thương do hạn hán ngày càng trầm trọng.

So sánh với các nghiên cứu hạn hán trước đây tại dải ven biển miền Trung và khu vực Tây Nguyên, nghiên cứu này đã chứng minh tính ưu việt của việc sử dụng dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS để khắc phục triệt để khoảng trống số liệu tại các vùng núi cao hiểm trở như Kỳ Sơn, Tương Dương hay Quế Phong.

Toàn bộ kết quả tính toán có thể được cấu trúc trực quan hóa thông qua hệ thống biểu đồ đường biến thiên chỉ số SPI đa thời gian (thể hiện rõ pha hạn nông nghiệp ngắn hạn và hạn thủy văn dài hạn) cùng các bảng thống kê phân cấp diện tích hạn theo từng đơn vị hành chính cấp huyện. Bản đồ chuyên đề GIS sử dụng dải màu gradient trực quan từ vàng nhạt đến đỏ sẫm giúp các nhà quản lý nhận diện tức thì các tâm hạn với độ sắc nét không gian cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả đánh giá định lượng về mức độ thiếu hụt nguồn nước, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp chiến lược:

Thứ nhất, quy hoạch, cải tạo và nạo vét đồng bộ hệ thống công trình trữ nước. Tiến hành duy tu, nạo vét bồi lắng và nâng cấp dung tích hữu ích cho hơn 50 hồ chứa trọng điểm nhằm phục hồi 100% dung tích thiết kế trước năm 2025. Nâng cấp các trạm bơm đầu mối ven sông Cả và sông La để chủ động bơm lấy nước khi mực nước sông hạ thấp kỷ lục. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Nghệ An và Hà Tĩnh phối hợp cùng các Công ty Khai thác Thủy lợi.

Thứ hai, thiết lập hệ thống giám sát và cảnh báo sớm hạn hán thời gian thực ứng dụng viễn thám và GIS. Tích hợp nguồn dữ liệu vệ tinh CHIRPS tự động vào mô hình tính toán chỉ số SPI nhằm cung cấp bản tin dự báo thiếu nước trước từ 1 đến 3 tháng với độ chính xác đạt trên 85% trong giai đoạn 2024-2026. Chủ thể thực hiện: Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ phối hợp với Viện Quy hoạch Thủy lợi.

Thứ ba, chuyển đổi cơ cấu cây trồng và nhân rộng mô hình tưới nông nghiệp tiết kiệm nước. Rà soát chuyển đổi ít nhất 15.000 ha diện tích đất trồng lúa thường xuyên bị hạn vụ Hè Thu sang các loại cây trồng cạn có khả năng chịu hạn cao, kết hợp triển khai công nghệ tưới nhỏ giọt nhằm cắt giảm 25-30% tổng lượng nước tưới tiêu. Lộ trình thực hiện hàng năm do Phòng Nông nghiệp các huyện và các Hợp tác xã điều phối.

Thứ tư, hoàn thiện quy chế quản lý vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Cả. Ban hành quy trình điều tiết xả nước phối hợp giữa các nhà máy thủy điện thượng lưu (như Bản Vẽ, Khe Bố) với hệ thống đập dâng hạ lưu nhằm bảo đảm duy trì lưu lượng dòng chảy môi trường tối thiểu đạt trên 6-7 m³/s trong toàn bộ các tháng cao điểm mùa kiệt. Chủ thể thực hiện: Ủy ban Lưu vực sông Cả phối hợp cùng Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo chuyên sâu dành cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

Nhóm thứ nhất: Các cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước, khí tượng thủy văn và nông nghiệp tại địa phương (Ủy ban nhân dân các tỉnh, Sở Nông nghiệp và PTNT, Sở Tài nguyên và Môi trường Nghệ An, Hà Tĩnh, Thanh Hóa). Tài liệu cung cấp cơ sở dữ liệu số hóa và bản đồ phân vùng hạn hán phục vụ xây dựng kế hoạch phòng chống thiên tai và quy hoạch phát triển kinh tế xã hội cấp tỉnh.

Nhóm thứ hai: Các doanh nghiệp khai thác và vận hành công trình thủy nông (Công ty Trách nhiệm hữu hạn Một thành viên Thủy lợi Bắc Nghệ An, Nam Nghệ An, Linh Cảm). Cán bộ quản lý có thể ứng dụng các kịch bản suy giảm nguồn nước theo chỉ số SPI để xây dựng lịch điều tiết nước, vận hành đóng mở cống và điều phối trạm bơm hiệu quả cho hơn 100.000 ha đất canh tác.

Nhóm thứ ba: Các nhà khoa học, giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc chuyên ngành Kỹ thuật tài nguyên nước, Thủy văn học, Biến đổi khí hậu, Viễn thám và GIS. Luận văn cung cấp quy trình phương pháp luận chuẩn xác về việc tiền xử lý ảnh vệ tinh, hiệu chỉnh sai số mưa ô lưới và tự động hóa tính toán chỉ số hạn khí tượng.

Nhóm thứ tư: Các tổ chức phi chính phủ và đơn vị quản lý dự án phát triển nông thôn bền vững. Dữ liệu luận văn giúp định vị chính xác các cộng đồng dễ bị tổn thương nhất trước thiên tai khô hạn để triển khai các dự án tài trợ sinh kế thích ứng biến đổi khí hậu.

Câu hỏi thường gặp

Dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS có ưu điểm gì vượt trội so với số liệu quan trắc trạm mặt đất truyền thống? Dữ liệu CHIRPS có độ phân giải không gian cao lên tới 0,05° và chuỗi thời gian liên tục từ năm 1981 đến nay. Nguồn dữ liệu này giúp khắc phục hoàn toàn tình trạng thiếu hụt trạm đo tại vùng núi cao hiểm trở chiếm tới 60-70% diện tích lưu vực sông Cả, bảo đảm tính liên tục và toàn diện trong đánh giá không gian hạn hán.

Tại sao chỉ số chuẩn hóa lượng mưa SPI lại được lựa chọn làm công cụ đánh giá hạn hán chính? Chỉ số SPI chỉ đòi hỏi thông số đầu vào duy nhất là lượng mưa nhưng có khả năng đánh giá hạn hán linh hoạt trên nhiều thang thời gian khác nhau (1, 3, 6, 12 tháng). Nhờ tính toán dựa trên phân phối xác suất chuẩn hóa, SPI phản ánh chính xác cả hạn nông nghiệp ngắn hạn lẫn hạn thủy văn dài hạn mà không bị sai lệch bởi đặc trưng khí hậu riêng biệt từng vùng.

Hiện tượng gió phơn Tây Nam ảnh hưởng như thế nào đến mức độ hạn hán tại lưu vực sông Cả? Gió phơn Tây Nam hoạt động mạnh từ 5 đến 7 đợt mỗi năm với 30-40 ngày khô nóng cực đoan. Khi vượt qua dãy Trường Sơn, khối khí bị mất ẩm hoàn toàn, đẩy nhiệt độ không khí lên tới 40-42°C và khiến lượng bốc hơi Piche tháng VII đạt 175 mm, làm bốc thoát hơi mặt đất tăng vọt và làm kiệt quệ 20-60% dòng chảy tự nhiên.

Hệ thống thông tin địa lý GIS đóng vai trò gì trong việc giải quyết bài toán thiếu hụt nguồn nước? GIS đóng vai trò là công cụ tích hợp và mô hình hóa không gian, cho phép liên kết dữ liệu chỉ số SPI từ các điểm quan trắc và ô lưới vệ tinh thành các bản đồ phân vùng hạn hán trực quan. Nhờ đó, các nhà quản lý có thể xác định rõ tọa độ, diện tích và mức độ thiếu nước của từng huyện để ra quyết định ứng phó kịp thời.

Kết quả của nghiên cứu này có thể áp dụng trực tiếp cho vụ sản xuất Hè Thu như thế nào? Dựa trên bản đồ phân bố chỉ số SPI-3 và SPI-6, ngành nông nghiệp địa phương có thể khoanh vùng các khu vực có nguy cơ hạn nặng từ tháng V đến tháng VII để chủ động giảm diện tích gieo cấy lúa, chuyển đổi khoảng 15.000 ha sang cây trồng cạn ngắn ngày và bố trí lịch thời vụ né tránh đỉnh hạn.

Kết luận

Luận văn đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu với các đóng góp học thuật và ứng dụng thực tiễn nổi bật:

• Thiết lập thành công quy trình ứng dụng chuỗi dữ liệu mưa vệ tinh CHIRPS độ phân giải 0,05° kết hợp số liệu thực đo 55 năm để đánh giá chính xác hạn khí tượng.
• Lượng hóa chi tiết quy luật hạn hán trên lưu vực sông Cả với 75% số năm ghi nhận tình trạng thiếu nước và xác định rõ 5,7 tháng hạn trung bình hàng năm.
• Xây dựng hệ thống bản đồ số chuyên đề phân vùng thiếu hụt nguồn nước theo các kịch bản thời gian, phản ánh chân thực các đợt hạn nặng lịch sử năm 2005, 2010 và 2015.
• Đề xuất hệ thống giải pháp đa tầng kết hợp công trình hồ đập, công nghệ giám sát viễn thám và chuyển đổi cơ cấu cây trồng nông nghiệp chịu hạn.
• Định hướng kế hoạch mở rộng nghiên cứu trong giai đoạn 2025-2030 thông qua việc tích hợp chỉ số chuẩn hóa lượng mưa bốc hơi SPEI và dữ liệu độ ẩm đất vệ tinh.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là chuyển giao khung phương pháp luận hiện đại giúp chuyển đổi việc ứng phó hạn hán từ thế bị động sang chủ động kiểm soát rủi ro. Các nhà quản lý và đơn vị vận hành tài nguyên nước cần sớm khai thác bộ bản đồ và công cụ tính toán của luận văn vào thực tiễn quản lý lưu vực sông Cả nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên nước bền vững cho tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ KHÔNG GIAN TRONG NGHIÊN CỨU HẠN HÁN VÀ VÙNG NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan ứng dụng công nghệ không gian trong nghiên cứu hạn hán 1. Tổng quan trên thế giới * Hạn hán, thiếu hụt nguồn nước và chỉ số đánh giá Trong những thập kỷ gần đây hạn hán xảy ra nhiều nơi trên thế giới, gây nhiều thiệt hại về kinh tế, ảnh hưởng đến đời sống con người và môi trường sinh thái. Hàng năm có khoảng 21 triệu ha đất biến thành đất không có năng suất kinh tế do hạn hán.

Trong gần 1/4 thế kỷ vừa qua, số dân gặp rủi ro vì hạn hán trên những vùng đất khô cằn đã tăng hơn 80%. Hơn 1/3 đất đai thế giới đã bị khô cằn mà trên đó có 17,7% dân số thế giới sinh sống. Đồng hành với hạn hán, hoang mạc hoá, sa mạc hoá trên thế giới cũng ngày càng lan rộng từ các vùng đất khô hạn, bán khô hạn đến cả một số vùng bán ẩm ướt. Diện tích hoang mạc hoá đã lên đến 39,4 triệu km2, chiếm 26,3% đất tự nhiên thế giới và trên 100 quốc gia chịu ảnh hưởng.

Nguy cơ đói và khát do hạn hán uy hiếp 250 triệu con người trên trái đất, kèm theo đó cò ảnh hưởng tới môi trường khí hậu chung toàn cầu (WMO [1]). Hạn thường gây ảnh hưởng trên diện rộng. Tuy ít khi là nguyên nhân trực tiếp gây tổn thất về nhân mạng nhưng thiệt hại do hạn gây ra rất lớn. Theo số liệu của Trung tâm giảm nhẹ hạn hán quốc gia Mỹ, hàng năm hạn hán gây thiệt hại cho nền kinh tế Mỹ khoảng 6-8 tỷ USD (so với 2,41 tỷ USD do lũ và 1,2-4,8 tỷ USD do bão).

Đợt hạn hán lịch sử ở Mỹ xảy ra vào năm 1988 - 1989 gây thiệt hại 39-40 tỷ USD, lớn hơn nhiều so với thiệt hại kỷ lục của lũ (15-27,6 tỷ USD, 1993) và bão (25-33,1 tỷ USD, 1992). Hạn cũng gây những tổn thất lớn về kinh tế và môi sinh ở nhiều quốc gia khác như Ấn độ, Pakistan, Australia. Hạn hán dưới tác động của El Nino vào năm 1997-1998 đã gây cháy rừng trên diện rộng ở Indonesia, không chỉ làm thiệt hại rất lớn về kinh tế của nước này mà còn là một thảm họa môi sinh cho nhiều nước thuộc khu vực Đông Nam Á. Theo tính 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] toán của Liên Hiệp Quốc, đến năm 2025 sẽ có 2/3 diện tích đất canh tác ở châu Phi, 1/3 diện tích đất canh tác ở châu Á và 1/5 diện tích đất canh tác ở Nam Mỹ không còn sử dụng được.

Khoảng 135 triệu người có nguy cơ phải rời bỏ nhà cửa đi kiếm sống ở nơi khác [2]. Vì vậy trên thế giới đã có rất nhiều tác giả nghiên cứu về hạn hán. Nhưng do tính phức tạp của hiện tượng này, đến nay vẫn chưa có một phương pháp chung cho các nghiên cứu về hạn hán. Trong việc xác định, nhận dạng, giám sát và cảnh báo hạn hán, các tác giả thường sử dụng công cụ chính là các chỉ số hạn hán.

Việc theo dõi sự biến động của giá trị các chỉ số hạn hán sẽ giúp ta xác định được sự khởi đầu, thời gian kéo dài cũng như cường độ hạn. Chỉ số hạn hán là hàm của các biến đơn như lượng mưa, nhiệt độ, bốc thoát hơi, dòng chảy. hoặc là tổng hợp của các biến. Mỗi chỉ số đều có ưu điểm nhược điểm khác nhau, và mỗi nước đều sử dụng các chỉ số phù hợp với điều kiện của nước mình.

Việc xác định hạn hán bằng các chỉ số hạn không chỉ áp dụng với bộ số liệu quan trắc mà còn áp dụng với bộ số liệu là sản phẩm của mô hình khí hậu khu vực và mô hình khí hậu toàn cầu. Trong quá trình nghiên cứu hạn, việc xác định các đặc trưng của hạn là hết sức cần thiết, như xác định: sự khởi đầu và kết thúc hạn, thời gian kéo dài hạn, phạm vi mở rộng của hạn, mức độ hạn, tần suất và mối liên hệ giữa những biến đổi của hạn với khí hậu [3]. Các phân tích về hạn hán trên quy mô toàn cầu của Aiguo Dai, và cộng sự [4], theo khu vực và địa phương của Benjamin Lloyd-Hughes & Mark A. Hayes, và cộng sự [6] đã thông qua các chỉ số hạn dựa trên số liệu mưa, nhiệt độ và độ ẩm quan trắc trong quá khứ cho thấy số đợt hạn, thời gian kéo dài hạn, cũng như tần suất và mức độ của nó ở một số nơi đã tăng lên đáng kể.

Nổi bật lên trong nghiên cứu hạn trên quy mô toàn cầu là nghiên cứu của Nico Wanders, và cộng sự [7], trong nghiên cứu của mình tác giả đã phân tích ưu điểm, nhược điểm của 18 chỉ số hạn hán bao gồm cả chỉ số hạn khí tượng, chỉ số hạn thủy văn, chỉ số độ ẩm, rồi lựa chọn ra các chỉ số thích hợp để 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] áp dụng phân tích các đặc trưng của hạn hán trong năm vùng khí hậu khác nhau trên toàn cầu: vùng xích đạo, vùng khô hạn cực, vùng nhiệt độ ấm, vùng tuyết, vùng địa cực. Nhiều nghiên cứu cho thấy sự giảm lượng mưa đáng kể đi kèm với sự tăng nhiệt độ sẽ làm tăng quá trình bốc hơi, gây ra hạn hán nghiêm trọng hơn (A. Cùng với xu thế nóng lên trên toàn cầu giai đoạn (1980-2000), tần suất và xu thế hạn tăng lên và xảy ra nghiêm trọng hơn vào bất cứ mùa nào trong năm, như ở Cộng hòa Séc cứ khoảng 5 năm lại xảy ra đợt hạn hán nặng trong suốt mùa đông hoặc mùa hè, với mức độ nặng và tần suất lớn nhất vào tháng IV và tháng VI (xảy ra trên toàn bộ lãnh thổ với tổng diện tích là 95%) [10]; hạn xảy ra vào các tháng mùa hè ở Hy Lạp ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoa màu và sự cung cấp nước trong thành phố (A. Bên cạnh sự gia tăng về tần suất và mức độ hạn, thời gian kéo dài các đợt hạn cũng tăng lên đáng kể, thời gian xảy ra hạn có thể kéo vài tháng đến vài năm ở nhiều quốc gia.

Nghiên cứu hạn dựa trên bộ số liệu mưa và nhiệt độ tháng quan trắc với bước lưới 0,5 trên toàn lãnh thổ Châu Âu 35-70N và 35E- 10W (Benjamin Lloyd-Hughes & Mark A. Saunders [5]) đã chỉ ra rằng thời gian hạn hán lớn nhất trung bình trên mỗi ô lưới ở Châu Âu là 48 ± 17 tháng, tần suất hạn hán cao hơn xảy ra ở lục địa Châu Âu, thấp hơn ở bờ biển phía đông bắc Châu Âu, bờ biển Địa Trung Hải, thời gian hạn kéo dài nhất thì xảy ra ở Italya, đông bắc Pháp, đông bắc Nga, với thời gian kéo dài là 40 tháng. Xukai Zou, và cộng sự [11] đã chỉ ra rằng hạn hán ở phía bắc Trung Quốc có xu thế tăng lên kể từ sau những năm 1990, đặc biệt có vài vùng hạn hán kéo dài 4-5 năm từ năm 1997 đến năm 2003. Vì vậy, có thể nói trên thế giới đã có rất nhiều các nghiên cứu về hạn hán và đi đến kết luận: ① Hạn hán là hiện tượng hết sức phức tạp mà sự hình thành là do cả hai nguyên nhân: tự nhiên và con người; ② Các yếu tố tự nhiên gây hạn như sự dao động của các dạng hoàn lưu khí quyển ở phạm vi rộng và các vùng xoáy nghịch, hoặc các hệ thống áp thấp cao, sự biến đổi khí hậu, sự 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] thay đổi nhiệt độ mặt nước biển như El Nino) ; ③ và các nguyên nhân do con người như nhu cầu nước ngày càng gia tăng, phá rừng, ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới nguồn nước, quản lý đất và nước kém bền vững, gây hiệu ứng nhà kính,.

Hiện nay, rất nhiều chỉ số/hệ số hạn khác nhau đã được phát triển và ứng dụng ở các nước trên thế giới như: Chỉ số ẩm Ivanov (1948), Chỉ số khô Budyko (1950), Chỉ số khô Penman, Chỉ số gió mùa GMI, Chỉ số mưa chuẩn hóa SPI, Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi SPEI, Chỉ số Sazonov, Chỉ số Koloskov (1925), Hệ số khô, Hệ số cạn, Chỉ số Palmer (PDSI), Chỉ số độ ẩm cây trồng (CMI), Chỉ số cấp nước mặt (SWSI), Chỉ số RDI (Reclamation Drought Index). Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy hầu như không có một chỉ số nào có ưu điểm vượt trội so với các chỉ số khác trong mọi điều kiện. Do đó, việc áp dụng các chỉ số/hệ số hạn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng vùng cũng như hệ thống cơ sở dữ liệu quan trắc sẵn có ở vùng đó [13]. Nhằm mục đích giảm nhẹ tác hại của hạn hán, ở một số nước phát triển trên thế giới đã thành lập các trung tâm giám sát, dự báo, cảnh báo hạn hán.

Nhiệm vụ chính của các trung tâm này là: 1. Theo dõi, giám sát, dự báo và cảnh báo hạn hán; 2. Phối hợp với các ban ngành có liên quan để đề xuất và tiến hành các hoạt động ngăn ngừa, phòng tránh và giảm nhẹ tác hại của hạn hán; 3. Phối hợp với các cơ quan nghiên cứu khoa học xây dựng các phương pháp dự báo và cảnh báo hạn hán.

* Sử dụng mưa vệ tinh trong đánh giá nguồn nước Lượng mưa (Precipitation) là dữ liệu đầu vào quan trọng phục vụ công tác kiểm kê, đánh giá nguồn nước trên lưu vực sông. Ngoài số liệu mưa đo đạc tại các trạm KTTV truyền thống, trên thế giới hiện nay có nhiều cơ quan đo đạc và cung cấp dữ liệu mưa vệ tinh trong đó CHIRPS, TRMM, CMORPH là các dữ liệu mưa vệ tinh phổ biến hiện nay. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. CHIRPS kết hợp hình ảnh vệ tinh có độ phân giải 0.05° với dữ liệu trạm tại chỗ để tạo ra chuỗi thời gian mưa theo dạng lưới để phân tích và theo dõi hạn hán theo mùa.

Dữ liệu mưa CHIRPS cho châu Phi ngày 04-04-2017 - TRMM 3B42 (Tropical Rainfall Measuring Mission) là sản phẩm hợp tác giữa Cơ quan hàng không và Vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) và cơ quan nghiên cứu và phát triển hàng không vũ trụ Nhật Bản (JAXA) để giám sát lượng mưa nhiệt đới và cận nhiệt đới và để ước tính hệ thống nhiệt tiềm ẩn. Dụng cụ đo mưa trên vệ tinh TRMM bao gồm Radar lượng mưa (PR), radar quét điện tử hoạt động ở tốc độ 13,8 GHz; TRMM Microwave Image (TMI), một máy đo phóng vi sóng thụ 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] động chín kênh; Và VIRA (Visible and Infrared Scanner), một thiết bị chiếu xạ hồng ngoại có thể nhìn thấy / năm kênh.