Luận Văn Ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thống thông tin địa lý và mô hình toán tính toán cân bằng nước lưu

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NĂM 2012

MỤC LỤC
TRANG TỰA . i
LỜI CẢM ƠN .ii
TÓM TẮT . iii
MỤC LỤC v
DANH MỤC VIẾT TẮT xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU . xii
DANH MỤC HÌNH ẢNH xiv

CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU . 1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu . 3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . 3
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu . 3
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu 3
1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . 3
1.4.1. Ý nghĩa khoa học . 3
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn 3
1.5. Cấu trúc khóa luận tốt nghiệp 4

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ CÂN BẰNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG 5
2.1. Lưu vực sông 5
2.2. Phương trình cân bằng nước 6
2.2.1. Phương trình cân bằng nước thông dụng 6
2.2.2. Phương trình cân bằng thủy lợi 7
2.3. Cấu trúc của cân bằng nước 8
2.4. Nội dung tính toán cân bằng nước . 10
2.4.1. Đánh giá tiềm năng nước . 10
2.4.1.1. Lưu lượng dòng chảy 11
2.4.1.2. Tổng lượng dòng chảy 11
2.4.1.3. Độ sâu dòng chảy 12 2.4.1.4. Mô đun dòng chảy . 12
2.4.1.5. Hệ số dòng chảy 12
2.4.2. Xác định nhu cầu nước . 12
2.4.2.1. Nhu cầu nước trong nông nghiệp . 13
2.4.2.2. Nhu cầu nước trong chăn nuôi . 14
2.4.2.3. Nhu cầu nước cho công nghiệp . 14
2.4.2.4. Nhu cầu nước cho sinh hoạt 15
2.4.2.5. Nhu cầu nước cho nhà máy thủy điện 15
2.4.2.6. Nhu cầu nước môi trường 15
2.5. Mô hình tính toán cân bằng nước 16
2.6. Tình hình nghiên cứu tính toán cân bằng nước lưu vực sông . 17
2.6.1. Nghiên cứu trên thế giới . 17
2.6.2. Nghiên cứu tại Việt Nam 18

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT . 20
3.1. Viễn thám . 20
3.1.1. Lược sử của viễn thám . 20
3.1.2. Định nghĩa viễn thám . 20
3.1.3. Nguyên lý của bức xạ điện từ . 21
3.1.4. Đặc điểm của dữ liệu ảnh viễn thám . 24
3.1.4.1. Độ phân giải không gian . 24
3.1.4.2. Độ phân giải phổ . 25
3.1.4.3. Độ phân giải bức xạ 25
3.1.4.4. Độ phân giải thời gian . 26
3.1.5. Giải đoán, phân tích dữ liệu viễn thám . 26
3.1.5.1. Giải đoán và trắc đạc ảnh 26
3.1.5.2. Tiền xử lý ảnh số . 27
3.1.5.3. Tăng cường chất lượng ảnh và trích xuất đối tượng . 27
3.1.5.4. Phân loại ảnh . 27
3.2. Hệ thống thông tin địa lý (GIS) . 28
3.2.1. Lược sử của GIS 28
3.2.2. Định nghĩa GIS 28 3.2.3. Thành phần của GIS . 29
3.2.4. Dữ liệu địa lý trong GIS . 31
3.2.4.1. Mô hình dữ liệu raster và vector 31
3.2.4.2. Mô hình dữ liệu thuộc tính 32
3.2.5. Chức năng của GIS 33
3.3. Mô hình SWAT 34
3.3.1. Lược sử phát triển 34
3.3.2. Lý thuyết mô hình 35
3.3.2.1. Pha đất của chu trình thủy văn . 37
3.3.2.2. Pha nước của chu trình thủy văn 39
3.3.3. Nguyên lý mô phỏng dòng chảy . 39
3.3.3.1. Phương pháp đường cong số SCS . 40
3.3.3.2. Phương trình Manning 42
3.4. Mô hình WEAP 43
3.4.1. Lược sử phát triển 43
3.4.2. Lý thuyết mô hình 44
3.4.3. Cấu trúc của WEAP . 45
3.4.3.1. Sơ đồ . 45
3.4.3.2. Dữ liệu 46
3.4.3.3. Kết quả 46
3.4.3.4. Khám phá kịch bản . 46
3.4.3.5. Ghi chú . 46

CHƯƠNG 4. ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC SÔNG BÉ 49
4.1. Đặc điểm tự nhiên . 49
4.1.1. Vị trí địa lý . 49
4.1.2. Địa hình . 50
4.1.3. Khí hậu 51
4.1.3.1. Nhiệt độ 52
4.1.3.2. Lượng mưa 53
4.1.3.3. Độ ẩm không khí . 54
4.1.3.4. Bốc hơi . 54 4.1.3.5. Số giờ nắng . 55
4.1.3.6. Gió 55
4.1.4. Thủy văn 56
4.1.5. Địa chất thủy văn . 58
4.1.6. Thổ nhưỡng 59
4.1.7. Thảm thực vật 61
4.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội 62
4.2.1. Dân cư, xã hội 62
4.2.2. Hiện trạng phát triển kinh tế . 62
4.3. Hiện trạng nguồn nước 63
4.3.1. Hệ thống công trình thủy lợi . 63
4.3.2. Tiềm năng và nhu cầu sử dụng nước 64

CHƯƠNG 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 66
5.1. Lược đồ phương pháp . 66
5.2. Thành lập bản đồ thực phủ từ ảnh vệ tinh 67
5.2.1. Thu thập dữ liệu . 68
5.2.1.1. Ảnh vệ tinh . 68
5.2.1.2. Dữ liệu bản đồ . 69
5.2.2. Ghép ảnh, cắt ảnh . 69
5.2.3. Tăng cường chất lượng ảnh 69
5.2.4. Phát triển lược đồ phân loại thực phủ . 70
5.2.5. Giải đoán ảnh . 72
5.2.6. Phân loại thực phủ 73
5.2.7. Đánh giá độ chính xác của kết quả phân loại 74
5.3. Mô phỏng lưu lượng dòng chảy trên lưu vực bằng mô hình SWAT 76
5.3.1. Thu thập, xử lý dữ liệu . 76
5.3.1.1. Dữ liệu địa hình 77
5.3.1.2. Dữ liệu sử dụng đất . 78
5.3.1.3. Dữ liệu thổ nhưỡng . 80
5.3.1.4. Dữ liệu thời tiết . 82
5.3.1.5. Dữ liệu lưu lượng dòng chảy thực đo 83 5.3.2. Tiến trình thực hiện trong SWAT . 84
5.3.2.1. Phân định lưu vực . 84
5.3.2.2. Phân tích đơn vị thủy văn 84
5.3.2.3. Ghi chép dữ liệu đầu vào . 86
5.3.2.4. Chạy mô hình 87
5.3.2.5. Đánh giá mô hình 87
5.4. Phân vùng cân bằng nước trên lưu vực trong GIS . 88
5.4.1. Phạm vi nút cân bằng . 88
5.4.2. Các loại hình sử dụng đất trong từng nút cân bằng . 89
5.4.3. Nhu cầu nước từng nút cân bằng 90
5.4.3.1. Nhu cầu tưới trong nông nghiệp 91
5.4.3.2. Nhu cầu nước trong chăn nuôi . 91
5.4.3.3. Nhu cầu nước cho công nghiệp . 91
5.4.3.4. Nhu cầu nước cho sinh hoạt 91
5.4.3.5. Nhu cầu nước môi trường 91
5.4.4. Dòng chảy tại các nút cân bằng 92
5.5. Tính toán cân bằng nước trên lưu vực trong mô hình WEAP 92
5.5.1. Xác định vùng nghiên cứu 93
5.5.2. Phác họa hệ thống nguồn nước . 93
5.5.3. Khai báo thông tin 95
5.5.4. Chạy mô hình . 96

CHƯƠNG 6. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN . 98
6.1. Kết quả phân loại thực phủ 98
6.1.1. Bản đồ phân loại thực phủ 98
6.1.2. Đánh giá độ chính xác 100
6.2. Kết quả mô phỏng dòng chảy lưu vực . 102
6.2.1. Đánh giá mô hình . 102
6.2.2. Diễn biến lưu lượng dòng chảy 107
6.3. Kết quả phân vùng cân bằng nước . 109
6.3.1. Nhu cầu nước . 109
6.3.1.1. Nhu cầu nước toàn lưu vực 109 6.3.1.2. Nhu cầu nước từng vùng . 109
6.3.2. Nhu cầu nước môi trường 109
6.3.3. Lưu lượng dòng chảy . 111
6.4. Kết quả tính toán cân bằng nước . 112
6.4.1. Kịch bản cân bằng nước năm 2002 . 112
6.4.2. Kịch bản cân bằng nước năm 2010 . 113
6.4.3. Đánh giá kết quả tính toán cân bằng nước 116

CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT . 118
7.1. Kết luận 118
7.2. Đề xuất . 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO 12

MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Sông Bé là một phụ lưu lớn của hệ thống sông Đồng Nai, với diện tích lưu vực 7.650 km2, nằm trên địa bàn các tỉnh Đắc Nông, Bình Phước, Bình Dương, Đồng Nai và một phần nhỏ ở thượng lưu thuộc Campuchia. Lưu vực sông Bé có nguồn nước dồi dào, với lưu lượng dòng chảy trung bình hàng năm trên lưu vực là 251,4 m3/s và tổng lượng nước mặt hàng năm trên lưu vực nhận được khoảng 7.929,45 triệu m3. Tuy nhiên, trên lưu vực vẫn xảy ra tình trạng thiếu nước cục bộ. Nguyên nhân là do nhu cầu sử dụng nước ngày một tăng cao dưới áp lực gia tăng dân số và phát triển kinh tế - xã hội. Bên cạnh đó, sự phân bố nguồn nước không đều theo thời gian và không gian cùng với yêu cầu dòng chảy môi trường, dẫn đến sự thiếu hụt nước ngày càng nghiêm trọng hơn. Chính vì vậy, vấn đề quản lý nguồn nước lưu vực, trong đó có tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông Bé là một trong những nội dung cấp thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao cho sự phát triển tổng hợp của lưu vực.
Trong những năm gần đây, viễn thám được đánh giá là một công cụ mạnh mẽ trong quản lý tài nguyên thiên nhiên với khả năng cung cấp dữ liệu trên phạm vi không gian rộng lớn, trong khoảng thời gian lặp lại theo chu kì. Kết hợp với Hệ thống thông tin địa lý (GIS), viễn thám trở thành một công nghệ mạnh mẽ và được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên (R. K. Singh and V. Hari Prasad, 2003). Một trong số những khả năng của viễn thám và GIS là cung cấp thông tin về thực phủ, tình hình sử dụng đất, đặc trưng vật lý của vùng/lưu vực sông theo không gian và thời gian, có thể phục vụ cho việc đánh giá tiềm năng, nhu cầu nước, hỗ trợ cho việc tính toán cân bằng nước trên lưu vực sông. [2]

Nội dung tính toán cân bằng nước lưu vực sông thường liên quan đến nhiều vấn đề, nhiều đối tượng và các đối tượng này không đơn nhất nên thường tạo ra một hệ thống rất phức tạp. Để giải quyết vấn đề có tính hệ thống phức tạp như vậy, cần phải có sự hỗ trợ của các công cụ máy tính, công cụ mô hình toán. Hiện nay, có khá nhiều mô hình toán liên quan đến cân bằng nước lưu vực sông đang được dùng nhiều trên thế giới và trong nước bao gồm các mô hình mưa - dòng chảy như mô hình TANK, NAM, SSARR, RRMOD, SWAT, các mô hình cân bằng nước lưu vực sông như mô hình MITSIM, MIKE BASIN, RIVERBASIM, WEAP, . Trong số các mô hình này, mô hình đánh giá đất và nước (SWAT) và mô hình đánh giá - quy hoạch tài nguyên nước (WEAP) là hai trong số những mô hình đang được sử dụng, giảng dạy tại một số trường đại học và các viện nghiên cứu, quy hoạch ở Việt Nam. Mô hình SWAT là mô hình mô phỏng tài nguyên nước lưu vực sông. Một trong những mô đun chính yếu của mô hình này là mô phỏng dòng chảy từ mưa và các đặc trưng vật lý trên lưu vực. Kết quả mô phỏng dòng chảy từ mô hình này có thể trợ giúp trong đánh giá cân bằng nước lưu vực sông. Bên cạnh đó, mô hình tích hợp được các dữ liệu GIS, nhờ đó giúp nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng. Mô hình WEAP được phát triển bởi Viện Môi trường Stockholm (SEI) là một công cụ hỗ trợ cho việc quy hoạch, quản lý nguồn nước. Mô hình này tính toán cân bằng nước ngầm và nước mặt ứng với nhu cầu ở thời điểm hiện tại cũng như trong tương lai ở cấp độ lưu vực, hoặc tiểu lưu vực (Droubi, A et al., 2008). Công cụ hữu ích này dễ sử dụng, miễn phí, có giao diện thân thiện với sự hỗ trợ của GIS và chỉ yêu cầu cấu hình máy tính vừa phải nên có thể ứng dụng để thiết lập và kiểm tra sự tương xứng giữa nhu cầu về nước trong một khu vực, một vùng nào đó với tiềm năng nước lưu vực theo cách tối ưu nhất (Hoff, H et al., 2007). Bên cạnh đó, nó còn hỗ trợ các nhà quản lý định lượng các phương án thay đổi cơ cấu dùng nước, phương án bổ sung nguồn nước, khai thác tổng hợp tài nguyên nước và lựa chọn đưa ra các giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên nước.
Xuất phát từ các lý do trên, đề tài “Ứng dụng công nghệ viễn thám, hệ thống thông tin địa lý và mô hình toán tính toán cân bằng nước lưu vực sông Bé” vừa mang tính cần thiết, vừa mang tính khoa học và thực tiễn đã được đề xuất thực hiện. Công nghệ viễn thám, GIS và mô hình toán được chọn vì đây là những công nghệ có thể [3]giúp việc tính toán cân bằng nước chính xác và nhanh chóng trên phạm vi lưu vực rộng lớn, trong khoảng thời gian dài.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung của nghiên cứu là ứng dụng công nghệ viễn thám, GIS và mô hình toán (SWAT, WEAP) tính toán cân bằng nước lưu vực sông Bé. Qua đó, đề xuất cơ sở khoa học hỗ trợ cho việc quản lý hiệu quả tài nguyên nước trên lưu vực. Chi tiết các mục tiêu cụ thể được đặt ra như sau:
- Xác định nhu cầu nước trên lưu vực sông Bé,
- Đánh giá tiềm năng nước lưu vực sông Bé,
- Phân vùng, tính toán cân bằng nước lưu vực sông Bé,
- Đề xuất giải pháp khắc phục tình trạng thiếu hụt nước trên lưu vực sông Bé.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tài nguyên nước lưu vực sông Bé, các phương thức khai thác, sử dụng, quản lý và bảo vệ tài nguyên nước.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong lưu vực sông Bé nằm trên địa phận các tỉnh Đắc Nông, Bình Phước, Bình Dương, Đồng Nai và một phần thuộc Campuchia.

1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
1.4.1. Ý nghĩa khoa học
Nghiên cứu đã chứng minh cách tiếp cận kết hợp công nghệ viễn thám, GIS với các công cụ mô hình toán (SWAT, WEAP) trong tính toán cân bằng nước lưu vực sông Bé là phương pháp có độ tin cậy cao, phản ánh chính xác, nhanh chóng mối liên hệ giữa nhu cầu nước và tài nguyên nước của lưu vực.
1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
Kết quả của nghiên cứu phản ánh hiện trạng cân bằng nước của lưu vực nên có thể được sử dụng như tài liệu tham khảo hữu ích trong quá trình quy hoạch, quản lý tài nguyên nước lưu vực sông với mục đích đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, bảo vệ môi trường theo hướng bền vững.

1.5. Cấu trúc khóa luận tốt nghiệp
Nội dung của khóa luận được trình bày trong 7 chương. Chương 1 giới thiệu những vấn đề cơ bản của nghiên cứu (tính cấp thiết, mục tiêu, đối tượng, phạm vi, ý nghĩa của nghiên cứu). Chương 2 cung cấp cái nhìn bao quát về bài toán cân bằng nước. Những công nghệ, mô hình toán được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm công nghệ viễn thám, GIS, mô hình SWAT, mô hình WEAP được khái quát ở chương 3. Tổng quan về đặc điểm tự nhiên, kinh tế, xã hội cũng như thực trạng nguồn nước trên lưu vực sông Bé được thể hiện trong chương 4. Phương pháp tiếp cận của nghiên cứu được mô tả chi tiết ở chương 5. Kết quả phân loại ảnh viễn thám, mô phỏng dòng chảy trong SWAT, phân vùng cân bằng nước trong GIS và tính toán cân bằng nước trong WEAP được trình bày ở chương 6. Chương 7 tóm tắt những kết quả nghiên cứu đã đạt được và đề xuất hướng phát triển tiếp theo.