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.

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.