Tài liệu Luận án nghiên cứu khai thác dữ liệu mưa vệ tinh nâng cao chất lượng mô phỏng dòng chảy lũ khu vực thiếu số liệu trên lưu vực sông mã

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TIẾN KIÊN NGHIÊN CỨU KHAI THÁC DỮ LIỆU MƯA VỆ TINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ KHU VỰC THIẾU SỐ LIỆU TRÊN LƯU VỰC SÔNG MÃ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN TIẾN KIÊN NGHIÊN CỨU KHAI THÁC DỮ LIỆU MƯA VỆ TINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ KHU VỰC THIẾU SỐ LIỆU TRÊN LƯU VỰC SÔNG MÃ Ngành: Thủy văn học Mã số: 9440224 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS LÊ ĐÌNH THÀNH 2. PGS. TS NGÔ LÊ AN HÀ NỘI, NĂM 2023 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Tiến Kiên i LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cám ơn tới Trường Đại học Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành luận án tiến sĩ. Tác giả xin trân trọng cám ơn người thầy hướng dẫn nghiên cứu khoa học GS.TS. Lê Đình Thành và PGS.TS. Ngô Lê An đã luôn tận tình hướng dẫn, đưa ra những định hướng đúng đắn và động viên trong những thời điểm khó khăn. Tác giả cũng vô cùng biết ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy lợi đã có những đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thiện luận án. Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn quốc gia luôn hỗ trợ, tạo điều kiện về thời gian để tác giả hoàn thành luận án. Đặc biệt chân thành cám ơn các đồng nghiệp tại Phòng Dự báo thủy văn Bắc Bộ, Phòng Dự báo thủy văn Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ đã có những giúp đỡ tận tình tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin được gửi tới những người thân trong gia đình của mình lời biết ơn sâu sắc vì sự yêu thương và ủng hộ, dành thời gian và điều kiện tốt nhất để giúp tác giả hoàn thành nghiên cứu. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của luận án ........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ..........................................................................3 4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..........................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu ......................................................5 6. Bố cục của luận án ...................................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƯA VỆ TINH………….. ..............................................................................................................7 1.1 Tổng quan về mưa vệ tinh..................................................................................7 1.1.1 Tổng quan về sản phẩm mưa vệ tinh ..........................................................8 1.1.2 Các nghiên cứu đánh giá chất lượng mưa vệ tinh .....................................13 1.2 Tổng quan các nghiên cứu khai thác sản phẩm mưa vệ tinh trên thế giới .......17 1.2.1 Các nghiên cứu và phương pháp điển hình ...............................................17 1.2.2 Nghiên cứu ứng dụng mưa vệ tinh trong lĩnh vực thủy văn .....................21 1.2.3 Nhận xét các nghiên cứu trên thế giới.......................................................27 1.3 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đến khai thác mưa vệ tinh ở Việt Nam .28 1.4 Lưu vực sông Mã và những đặc điểm liên quan đến đề tài luận án ................30 1.4.1 Lưu vực sông Mã, địa hình và sông suối ..................................................30 1.4.2 Đặc điểm mưa trên lưu vực sông Mã ........................................................32 1.4.3 Đặc điểm dòng chảy trên lưu vực sông Mã ..............................................34 1.4.4 Các hình thế thời tiết chính gây mưa - lũ lớn trên lưu vực .......................36 1.4.5 Hiện trạng mạng lưới trạm đo mưa và những khó khăn trong tính toán dòng chảy lũ trên lưu vực sông Mã ................................................................................37 1.5 Định hướng nghiên cứu của đề tài luận án ......................................................40 1.5.1 Những hạn chế, tồn tại trong nghiên cứu ứng dụng mưa vệ tinh cho lĩnh vực thủy văn và những khó khăn trong tính toán lũ trên lưu vực sông Mã ..........40 1.5.2 1.6 Định hướng nghiên cứu của đề tài luận án ................................................41 Kết luận chương 1 ............................................................................................43 iii CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH MƯA VỆ TINH VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG LŨ SÔNG MÃ ......................................................................45 2.1 Phân tích, lựa chọn mưa vệ tinh sử dụng trong nghiên cứu ............................45 2.1.1 Đánh giá chất lượng sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP ................................ 49 2.1.2 Lựa chọn sản phẩm mưa GSMaP ..............................................................60 2.2 Phương pháp hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..............................................................61 2.2.1 Phương pháp kết hợp, lân cận gần nhất và hiệu chỉnh theo vị trí trạm .....61 2.2.2 Lựa chọn phương án hiệu chỉnh ................................................................ 65 2.2.3 Kết quả dữ liệu mưa lưới kết hợp giữa mưa vệ tinh và thực đo ...............66 2.3 Đánh giá dữ liệu mưa trong mô phỏng dòng chảy lũ ......................................78 2.3.1 Các mô hình thủy văn thường được ứng dụng tính toán lũ ......................79 2.3.2 Lựa chọn mô hình thủy văn cho nghiên cứu .............................................83 2.3.3 Một số đặc điểm chính của mô hình NAM ...............................................86 2.3.4 Phương pháp Muskingum .........................................................................90 2.3.5 Thiết lập mô hình NAM cho lưu vực sông Mã .........................................91 2.4 Lựa chọn thời gian xuất hiện mưa – lũ trên lưu vực sông Mã .........................93 2.5 Số liệu sử dụng trong nghiên cứu ....................................................................95 2.5.1 Số liệu mưa thực đo từ các trạm bề mặt ....................................................95 2.5.2 Số liệu thủy văn .........................................................................................97 2.6 Kết luận chương 2 ............................................................................................99 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƯA VỆ TINH NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LŨ SÔNG MÃ .........................100 3.1 Đánh giá chất lượng dữ liệu mưa không gian trong mô phỏng dòng chảy lũ sông Mã…. .......................................................................................................................100 3.1.1 Tính toán mô phỏng dòng chảy lũ sông Mã............................................100 3.1.2 Chỉ tiêu đánh giá .....................................................................................101 3.1.3 Cách đánh giá chất lượng dữ liệu mưa bằng mô hình thuỷ văn..............102 3.2 Phân tích kết quả mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực sông Mã ..................102 3.2.1 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa thực đo ........................................102 3.2.2 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa GSMaP_NRT .............................104 3.2.3 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa kết hợp ........................................105 3.2.4 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa lân cận gần nhất..........................107 iv 3.2.5 Mô phỏng dòng chảy lũ sử dụng mưa hiệu chỉnh theo vị trí trạm ..........108 3.2.6 Đánh giá khả năng nâng cao chất lượng mô phỏng lũ ............................109 3.3 Kết luận chương 3 ..........................................................................................123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................124 1. Kết luận ..........................................................................................................124 2. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................125 3. Kiến nghị và định hướng nghiên cứu tiếp theo ..............................................125 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................127 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................128 PHỤ LỤC ....................................................................................................................135 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Mã: địa hình và mạng lưới trạm đo khí tượng thủy văn trong lưu vực..................................................................................................................31 Hình 1.2 Bản đồ đẳng trị mưa năm lưu vực sông Mã trên lãnh thổ Việt Nam .............33 Hình 1.3 Phân bố tổng lượng mưa tháng trung bình nhiều năm khu vực thượng lưu đến hạ lưu sông Mã (%) .......................................................................................................34 Hình 1.4 Sơ đồ các bước thực hiện nghiên cứu trong luận án ......................................43 Hình 2.1 Vị trí các trạm trên lưu vực sông Mã và lân cận ............................................52 Hình 2.2 Sơ đồ nội dung đánh giá chất lượng mưa vệ tinhh GSMaP ...........................53 Hình 2.3 Lượng mưa GSMaP và thực đo (mm) của một số trận mưa năm 2017/2018 lưu vực sông Mã ..................................................................................................................55 Hình 2.4 Chênh lệch giữa lượng mưa GSMaP và thực đo (mm) của một số trận mưa năm 2017/2018 lưu vực sông Mã ..................................................................................57 Hình 2.5 Đường quá trình mưa thời đoạn 6 giờ trung bình lưu vực theo thực đo và các sản phẩm GSMaP ..........................................................................................................59 Hình 2.6 Quan hệ giữa lượng mưa mô phỏng theo các sản phẩm GSMaP với lượng mưa thực tế ước tính từ trạm đo thời đoạn 6 giờ ...................................................................59 Hình 2.7 Các bước hiệu chỉnh mưa vệ tinh GSMaP .....................................................64 Hình 2.8 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VIII – 31/X/2000 .........................................67 Hình 2.9 Phân bố tổng lượng mưa từ 15/VI – 15/IX/2002 ..........................................67 Hình 2.10 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VII – 30/IX/2003 .......................................68 Hình 2.11 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VII – 15/X/2005 ........................................69 Hình 2.12 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VII – 30/IX/2006 .......................................70 Hình 2.13 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VIII – 31/X/2007 .......................................71 Hình 2.14 Phân bố tổng lượng mưa từ 01/VIII – 15/XI/2008 ......................................72 Hình 2.15 Phân bố tổng lượng mưa từ 15/VI – 15/X/2012 ...........................................73 Hình 2.16 Phân bố chênh lệch về tổng lượng giữa mưa GSMaP_NRT (Raw), mưa kết hợp (Bias), mưa lân cận gần nhất (NR), mưa hiệu chỉnh theo vị trí trạm (MLR) với mưa thực đo ...........................................................................................................................78 Hình 2.17 Cấu trúc cơ bản của mô hình NAM ..............................................................87 Hình 2.18 Các tiểu lưu vực được phân chia cho lưu vực sông Mã ...............................92 Hình 2.19 Bản đồ phân bố tổng lượng mưa từ ngày 1 – 5/X/2007 (a) [78] và từ 19h/03 – 19h/08/IX/2012 (b) [80] .............................................................................................95 Hình 3.1 Sơ đồ thực hiện tính toán lũ cho lưu vực sông Mã.......................................100 vi Hình 3.2 Kết quả mô phỏng lũ năm 2000 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..........................................................................................114 Hình 3.3 Kết quả mô phỏng lũ năm 2002 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..........................................................................................115 Hình 3.4 Kết quả mô phỏng lũ năm 2003 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..........................................................................................116 Hình 3.5 Kết quả mô phỏng lũ năm 2005 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..........................................................................................117 Hình 3.6 Kết quả mô phỏng lũ năm 2006 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..........................................................................................118 Hình 3.7 Kết quả mô phỏng lũ năm 2007 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..........................................................................................119 Hình 3.8 Kết quả mô phỏng lũ năm 2008 tại Cẩm Thủy, Xã Là, Cửa Đạt trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ..........................................................................................120 Hình 3.9 Kết quả mô phỏng lũ năm 2012 tại Cẩm Thủy, Xã Là trước và sau khi hiệu chỉnh mưa vệ tinh ........................................................................................................121 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp một số bộ dữ liệu mưa vệ tinh chính hiện nay [14] .........................9 Bảng 1.2 Tổng hợp một số nghiên cứu đánh giá hiệu quả ứng dụng liệu mưa vệ tinh bằng mô hình thủy văn ..................................................................................................22 Bảng 1.3 Danh sách các trạm mưa trên lưu vực sông Mã .............................................37 Bảng 2.1 Các sản phẩm dữ liệu mưa vệ tinh GSMaP, phân loại và thời gian ..............45 Bảng 2.2 Các sản phẩm GSMaP trong nghiên cứu .......................................................50 Bảng 2.3 Các trận lũ trong năm 2017 và 2018 được sử dụng để đánh giá các nguồn mưa .......................................................................................................................................52 Bảng 2.4 Sai số trung bình giữa mưa thực đo và mô phỏng hiệu chỉnh (mm) .............65 Bảng 2.5 Phân tích ưu nhược điểm của các mô hình toán thủy văn .............................84 Bảng 2.6 Các thông số của mô hình NAM ....................................................................89 Bảng 2.7 Thời gian xuất hiện mưa - lũ lớn được lựa chọn trong nghiên cứu ...............94 Bảng 2.8 Các trạm mưa trên lưu vực sông Mã và khu vực lân cận được sử dụng trong nghiên cứu .....................................................................................................................96 Bảng 2.9 Các trận lũ được lựa chọn để tính toán trong mô hình NAM ........................98 Bảng 3.1 Đánh giá mức độ chính xác của kết quả mô hình theo các chỉ số NSE và PBIAS [83]...............................................................................................................................102 Bảng 3.2 Kết quả đánh giá chất lượng tính toán dòng chảy lũ tại Cẩm Thủy, Xã Là và Cửa Đạt với số liệu đầu vào là mưa thực đo ...............................................................103 Bảng 3.3 Kết quả đánh giá chất lượng tính toán dòng chảy lũ tại Cẩm Thủy, Xã Là và Cửa Đạt với số liệu đầu vào mưa GSMaP_NRT.........................................................104 Bảng 3.4 Kết quả đánh giá chất lượng tính toán dòng chảy lũ tại Cẩm Thủy, Xã Là và Cửa Đạt với số liệu đầu vào là mưa kết hơp ...............................................................106 Bảng 3.5 Kết quả đánh giá chất lượng tính toán dòng chảy lũ tại Cẩm Thủy, Xã Là và Cửa Đạt với số liệu đầu vào là mưa NR ......................................................................107 Bảng 3.6 Kết quả đánh giá chất lượng tính toán dòng chảy lũ tại Cẩm Thủy, Xã Là và Cửa Đạt với số liệu đầu vào là mưa MLR ...................................................................109 Bảng 3.7 Tổng hợp kết quả đánh giá chất lượng dòng chảy lũ theo chỉ tiêu NSE tại Cẩm Thủy, Bái Thượng, Xã Là với từng loại mưa đầu vào mô hình NAM ........................112 Bảng 3.8 Tổng hợp kết quả đánh giá chất lượng dòng chảy lũ theo chỉ số PBIAS tại Cẩm Thủy, Bái Thượng, Xã Là với từng loại mưa đầu vào mô hình NAM ........................113 viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ 1. Danh mục các từ viết tắt ATNĐ: Áp thấp nhiệt đới CHDCND: Cộng hòa Dân chủ Nhân dân CPC: Trung tâm Dự báo khí hậu Hoa Kỳ (Climate Prediction Center) CGWM: Ủy ban bản đồ địa chất thế giới (Commission for the geological map of the world) DMSP: Chương trình Vệ tinh khí tượng quân sự Mỹ định danh F13, F14, F15 (Defense Meteorological Satellite Program F13, F14, F15) GIS: Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) GLCC: Đặc tính lớp thảm phủ bề mặt toàn cầu (Global Land Cover Characterization) HTTT: Hình thế thời tiết ICHARM: Trung tâm Quốc tế về Quản lý Rủi ro và Thiên tai liên quan đến nước (International Centre for Water Hazard and Risk Management) IFAS: Hệ thống Phân tích lũ tổng hợp (Integrated Flood Analysis System) JAXA: Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (Japan Aerospace Exploration Agency) KKL: Khối không khí lạnh KTTV: Khí tượng thủy văn NAM: Mô hình Nedbør-Afstrømnings (Nedbør-Afstrømnings-Model) NOAA: Cơ quan Khí quyển và Đại dương Quốc gia, Mỹ (National Oceanic and Atmospheric Administration, USA) NSE: Hệ số hiệu quả của mô hình Nash-Sutcliffe (Nash–Sutcliffe model efficiency coefficient) PWRI: Viện nghiên cứu công chính Nhật (Public Works Research Institute) RT: Rãnh thấp ix USGS: Cơ quan Khảo sát Địa chất Mỹ (United States Geological Survey) USDA: Cục nông nghiệp Hoa Kỳ (United States Department of Agriculture) UNEP: Chương trình Môi trường của Liên hiệp quốc (United Nation Environment Programme) SWFDP-SeA: Chương trình dự báo thời tiết nguy hiểm khu vực Đông Nam Á (Severe Weather Forecasting Demonstration Project for Southeast Asia) WMO: Tổ chức Khí tượng Thế giới (World Meteorological Organization) 2. Giải thích thuật ngữ APHRODITE: Lượng mưa khu vực Châu Á - Tích hợp dữ liệu quan trắc có độ phân giải cao để đánh giá (Asian Precipitation – Highly Resolved Observational Data Integration towards Evaluation) CDF: Phân phối tần suất tích lũy (Cumulative distribution of frequency) CHRIPS: Sản phẩm mưa hồng ngoại kết hợp mưa từ trạm đo thuộc Nhóm hiểm họa khí hậu- Mỹ (Climate Hazards Group InfraRed Precipitation with Station data) CMORPH: Kỹ thuật MORPHing của Trung tâm Dự báo Khí hậu (Climate Prediction Center (CPC) MORPHing technique) QMORPH: Là biến thể của CMORPH với kỹ thuật ước tính tương tự CPC_REF 2.0: Sản phẩm ước lượng mưa vệ tinh thế hệ 2.0 của Trung tâm dự báo khí hậu Mỹ (Rainfall Estimator version 2.0 product) DEM: Mô hình số độ cao (Digital Elevation Model) GPM: Đo lượng mưa toàn cầu (Global Precipitation Measurement) GSMAP: Global Satellite Mapping of Precipitation (Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu) GSMaP_MVK: Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu kết hợp vi sóng – hồng ngoại (Global Satellite Mapping of Precipitation Microwave-IR Combined Product) GSMaP_RNL: Sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP đã được hiệu chỉnh GSMaP_NRT: Sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP thời gian gần thực (near real-time) x GSMaP_NOW: Sản phẩm mưa vệ tinh thời gian thực (real-time) IMERG: Truy xuất đa vệ tinh tích hợp cho GPM (Integrated Multi-Satellite Retrievals for GPM) MSWEP: Sản phẩm mưa tổ hợp có trọng số đa nguồn (Multi-source weighted-ensemble precipitation) PERSIANN: Ước tính lượng mưa từ thông tin cảm biến từ xa bằng mạng nơ ron nhân tạo (Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Network) SRE: Sản phẩm mưa ước lượng từ ảnh mây vệ tinh (Satellite Rainfall Estimator) TRMM: Chương trình đo mưa Nhiệt đới (Tropical Rainfall Measuring Mission) TMPA: Phân tích mưa dựa trên nhiều sản phẩm vệ tinh thuộc Chương trình đo mưa Nhiệt đới (TRMM Multi-satellite Precipitation Analysis) TRMM 3B42: Là sản phẩm ước lượng mưa vệ tinh thuộc Chương trình đo mưa nhiệt đới QPE: Ước lượng mưa định lượng (Quantitative Precipitation Estimate) QPF: Dự báo mưa định lượng (Quantitative Precipitation Forecast) xi MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Theo báo cáo “Quy hoạch mạng lưới quan trắc tài nguyên và môi trường quốc gia, giai đoạn 2016 – 2025, tầm nhìn đến năm 2030” của Bộ Tài nguyên và Môi trường đã đánh giá mạng lưới trạm khí tượng bề mặt, điểm đo mưa và trạm thủy văn ở nước ta còn thưa, chưa đáp ứng được các yêu cầu của công tác dự báo khí tượng thủy văn và nghiên cứu, quy hoạch của các ngành kinh tế quốc dân và phân bố không đều [1]. Phần lớn các trạm đo đạc tập trung ở trung du và đồng bằng, nên mật độ trung bình của các lưu vực chưa đạt theo tiêu chuẩn, đặc biệt các vùng núi cao thượng lưu vực. Nhiều lưu vực sông lớn ở nước ta có phần diện tích ngoài nước hầu như không có số liệu thực đo khí tượng, thủy văn do nhiều nguyên nhân như thượng nguồn sông Hồng, sông Mã, sông Cả… Đây là một khó khăn thách thức rất lớn đối với công tác quản lý tài nguyên nước nói chung và cảnh báo, dự báo lũ cho phòng, chống thiên tai nói riêng. Những năm gần đây, với sự phát triển khoa học công nghệ viễn thám và hệ thống thông tin địa lý (GIS), các sản phẩm viễn thám đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực với hiệu quả tốt như quản lý tài nguyên nước, quản lý lưu vực sông hay dự báo thủy văn. Các sản phẩm viễn thám như số liệu địa hình, ước lượng mưa vệ tinh, thảm phủ thực vật, thông tin sử dụng đất, … đã được nghiên cứu và ứng dụng trong tính toán thủy văn với những ưu điểm bao trùm được toàn bộ khu vực rộng lớn, cung cấp thông tin dữ liệu cần thiết cho những khu vực thiếu hoặc không có số liệu thực đo. Sông Mã có tổng diện tích lưu vực 28.400 km2 trong đó diện tích thuộc Cộng hòa dân chủ nhân dân (CHDCND) Lào là 10.800 km2 (38%). Thiên tai lũ lụt và hạn hán trên hệ thống sông Mã liên tiếp diễn ra, trong một năm có thể vừa xảy ra hạn hán vừa xảy ra lũ lụt nghiêm trọng trên lưu vực. Trong những năm gần đây, sự xuất hiện thường xuyên của các hình thế thời tiết bất thường thậm chí cực đoan là tác nhân chính gây mưa lớn sinh lũ với nhiều đợt lũ, ví dụ trận mưa đặc biệt lớn tháng X/2017 trên lưu vực với tổng lượng mưa dao động từ 400 - 600 mm. 1 Dòng chính sông Mã dài 512 km chảy qua các tỉnh Điện Biên, Hủa Phăn của Lào, sau đó vào Thanh Hóa của Việt Nam và đổ ra biển qua cửa Lạch Trường. Hiện trạng mạng lưới các trạm đo khí tượng thủy văn trên lưu vực tập trung ở khu vực đông dân cư, thành thị kinh tế - xã hội phát triển nằm dưới vùng hạ lưu vực thuộc tỉnh Thanh Hóa và Nghệ An. Mật độ các trạm đo mưa, khí tượng, thủy văn khá thưa ở miền núi phía thượng lưu thuộc các tỉnh Sơn La, Điện Biên, phần diện tích lưu vực thuộc lãnh thổ Lào có rất ít trạm đo và chúng ta hầu như không thu thập được số liệu khí tượng thủy văn. Chính vì vậy, trong rất nhiều trường hợp khi tính toán dòng chảy lũ trên lưu vực sông Mã đã gặp nhiều khó khăn do nhiều vùng không có số liệu đo đạc dẫn đến thông tin về khí tượng thuỷ văn quan trắc được trên lưu vực chưa đại biểu về không gian. Đây cũng là vấn đề còn tồn tại lớn trong công tác quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai trên lưu vực sông Mã và nhiều lưu vực khác ở Việt Nam. Hiện nay nhiều nguồn dữ liệu mưa là sản phẩm của công nghệ viễn thám đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong công tác quản lý lưu vực sông, quản lý nguồn nước nhằm khắc phục việc thiếu số liệu cho những khu vực không có số liệu thực đo bằng các thông tin quan trắc gián tiếp. Tuy nhiên, các dữ liệu mưa dạng này vẫn còn có nhiều sai số khi so sánh với các dữ liệu thực đo tại các vùng có dữ liệu. Do vậy, việc nghiên cứu kết hợp dữ liệu mưa đo tại các trạm với các nguồn thông tin mưa là sản phẩm của công nghệ viễn thám nhằm cải thiện kết quả tính toán mô phỏng lũ cho lưu vực sông Mã có tính cấp thiết, tính thời sự, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn rất lớn trong điều kiện thiên tai bất thường trên lưu vực sông Mã. Từ hiện trạng và những khó khăn về thông tin mưa lũ theo không gian trên lưu vực sông Mã, trong khuôn khổ nội dung luận án sẽ nghiên cứu kết hợp nguồn số liệu mưa vệ tinh và mưa thực đo mặt đất nhằm nâng cao hiệu quả mô phỏng dòng chảy lũ cho lưu vực sông Mã. Giải quyết được bài toán này sẽ nâng cao hiệu quả trong quản lý nguồn nước, cảnh báo, dự báo lũ phục vụ công tác phòng chống thiên tai và bảo vệ môi trường do mưa lũ gây ra hàng năm. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu đề xuất được phương pháp hiệu chỉnh các sản phẩm mưa vệ tinh phù hợp, hiệu quả nhằm bổ sung và tăng cường về số liệu mưa cho các khu vực thiếu số liệu thực đo trên lưu vực sông Mã. - Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn mô phỏng dòng chảy lũ chứng minh tính hiệu quả của phương pháp hiệu chỉnh mưa vệ tinh cho lưu vực sông Mã với mức độ chính xác, tin cậy, góp phần phục vụ công tác quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Các sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP với các bước thời gian ngắn (1 giờ, 3 giờ, 6 giờ). - Dòng chảy lũ trên lưu vực sông Mã. b) Phạm vi nghiên cứu + Phạm vi không gian: Bao gồm phần lưu vực dòng chính sông Mã từ thượng nguồn thuộc tỉnh Điện Biện, qua lãnh thổ Lào đến tuyến trạm thuỷ văn Cẩm Thuỷ với diện tích khoảng 17.500 km2, chiếm 62,5 % diện tích toàn lưu vực sông Mã. + Phạm vi thời gian: Nghiên cứu tính toán dòng chảy lũ khu vực thượng lưu, trung lưu trên dòng chính sông Mã cho những trận lũ trong khoảng thời gian từ năm 2000 đến 2012. 4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu a) Hướng tiếp cận của luận án Tiếp cận tổng hợp và hệ thống là hướng chủ yếu của luận án, trên cơ sở thông tin, số liệu khí tượng, thủy văn hiện có luận án đánh giá, phân tích tổng hợp, tổng quan được các kết quả đã được nghiên cứu liên quan đến “khai thác dữ liệu mưa vệ tinh” trên thế giới và trong nước. Thông qua các kết quả nghiên cứu tính toán lũ từ các số liệu tổng hợp từ “mưa vệ tinh” và “mưa thực đo mặt đất”, phân tích ảnh hưởng của các điều kiện 3 lưu vực, các hạn chế của các nghiên cứu đã có nhằm ứng dụng cụ thể trong tính lũ cho lưu vực sông Mã phù hợp, đạt hiệu quả tốt hơn. Nhằm thể hiện hướng tiếp cận hệ thống, đề tài luận án coi lưu vực sông là một “hệ thống thủy văn”, từ đó việc hình thành lũ trên lưu vực phải tuân thủ theo quá trình phức tạp gồm hình thành từ mưa xuống lưu vực, với các điều kiện mặt đệm sẽ tạo dòng chảy trên sườn dốc, dòng chảy trong suối, sông nhánh và cuối cùng là quá trình truyền lũ trong sông đến tuyến nghiên cứu. Sử dụng mô hình toán thủy văn, thủy lực để tính lũ phải theo một quy trình từ hiệu chỉnh mô hình, kiểm định mô hình và ứng dụng mô hình. Các kết quả nghiên cứu được phân tích, đánh giá tính hợp lý trên quan điểm tổng hợp, hệ thống cùng các điều kiện lưu vực sông nhằm đảm bảo tính chính xác, độ tin cậy và đạt hiệu quả cao. b) Phương pháp nghiên cứu Để giải quyết các nội dung của đề tài luận án, nghiên cứu sinh sử dụng các phương pháp chính sau đây: 1) Phương pháp phân tích tổng hợp: Đề tài sử dụng nhiều nguồn thông tin, số liệu và trong quá trình nghiên cứu sẽ có nhiều kết quả, do vậy phải có phân tích tổng hợp để lựa chọn thông tin, số liệu đáng tin cậy làm đầu vào cho các bài toán hoặc các phân tích tiếp theo. Các kết quả đầu ra của tính toán của nghiên cứu phải được phân tích tổng hợp trên cơ sở thông tin đầu vào, cấu trúc mô hình, số liệu thực tế và điều kiện cụ thể của lưu vực để lựa chọn kết quả hợp lý, tin cậy. 2) Phương pháp thống kê: Sử dụng các chỉ số thống kê để đánh giá chất lượng kết quả phân tích, tính toán so với thực tế. Phương pháp thống kê giúp phân tích mức độ phù hợp, khả năng ứng dụng những nguồn dữ liệu khác nhau cho nội dung nghiên cứu, lựa chọn, xử lý số liệu mưa vệ tinh của luận án phù hợp và chính xác. 3) Phương pháp mô hình toán: Nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn, thủy lực làm công cụ để tính toán mô phỏng dòng chảy lũ cho lưu vực. Tích hợp được các nguồn dữ liệu mưa viễn thám đã xử lý và số liệu khí tượng thủy văn từ trạm đo mặt đất trong mô phỏng dòng chảy lũ của lưu vực sông Mã. 4 Ngoài ra, phương pháp lấy ý kiến chuyên gia được sử dụng thông qua các hội thảo, tư vấn của các chuyên gia, các nhà khoa học trong lĩnh vực khí tượng, thủy văn trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thiện và góp phần nâng cao chất lượng luận án. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu a) Ý nghĩa khoa học: Kết quả nghiên cứu của luận án bước đầu có đóng góp về phương pháp luận nghiên cứu khả năng ứng dụng sản phẩm mưa vệ tinh để tính toán mô phỏng dòng chảy lũ trên lưu vực khi thiếu số liệu thực đo mặt đất. Hiệu chỉnh nguồn số liệu mưa vệ tinh nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả ứng dụng là góp phần khoa học về mặt phương pháp khai thác số liệu mưa vệ tinh trong tính toán lũ cho lưu vực sông Mã. b) Ý nghĩa thực tiễn: Bổ sung phương án tính toán mô phỏng dòng chảy lũ cho lưu vực sông Mã thông qua khai thác, sử dụng nguồn số liệu mưa vệ tinh kết hợp với số liệu thực đo mặt đất nhằm khắc phục sự thiếu số liệu mưa thực đo ở các khu vực thượng lưu, từ đó nâng cao chất lượng tính toán dòng chảy lũ phục vụ công tác cảnh báo, dự báo và phòng chống thiên tai về lũ cho khu vực hạ lưu. 6. Bố cục của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung chính của luận án được cấu trúc thành 3 chương: + Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng mưa vệ tinh Chương này trình bày tổng quan những sản phẩm mưa vệ tinh, những nghiên cứu ứng dụng số liệu mưa vệ tinh, phương pháp đánh giá, hiệu chỉnh số liệu mưa vệ tinh trong tính toán thủy văn trên thế giới và Việt Nam. Qua các công trình nghiên cứu đã có, tác giả luận án tổng hợp với các nhận xét, đánh giá và phân tích khả năng ứng dụng cũng như những hạn chế của các nguồn số liệu mưa vệ tinh. Từ đó nhận định các vấn đề còn tồn tại trong lĩnh vực nghiên cứu về mưa vệ tinh và ứng dụng hay những khó khăn trong tính toán lũ tại khu vực nghiên cứu nhằm định hướng nội dung thực hiện của luận án. + Chương 2: Phương pháp hiệu chỉnh mưa vệ tinh và xây dựng mô hình mô phỏng lũ sông Mã 5 Nội dung chính của chương 2 tập trung đánh giá, lựa chọn số liệu mưa vệ tinh phù hợp với mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Đề xuất phương pháp hiệu chỉnh mưa vệ tinh, thiết lập nguồn số liệu mưa sau hiệu chỉnh cũng như phương pháp đánh giá chất lượng mưa vệ tinh trước và sau hiệu chỉnh. Mô hình toán thủy văn NAM - Muskingum được lựa chọn để ứng dụng trong luận án. + Chương 3: Kết quả nghiên cứu ứng dụng mưa vệ tinh nâng cao chất lượng mô phỏng dòng chảy lũ sông Mã Sử dụng số liệu mưa vệ tinh đã xử lý cho mô hình thủy văn NAM - Muskingum được thiết lập, từ đó phân tích các kết quả ứng dụng hiệu chỉnh mưa vệ tinh cho lưu vực sông Mã và đánh giá khả năng, hiệu quả trong việc nâng cao chất lượng tính toán mô phỏng dòng chảy lũ lưu vực sông Mã bằng mô hình toán thủy văn đã chọn với số liệu mưa vệ tinh và hiệu chỉnh. 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƯA VỆ TINH 1.1 Tổng quan về mưa vệ tinh Mưa luôn thay đổi theo không gian và thời gian, để có thông tin, số liệu mưa, các trạm quan trắc mưa được lắp đặt trên các lưu vực sông cũng như các vùng lãnh thổ. Mạng lưới trạm đo mưa hiện nay vẫn chưa đảm bảo mức độ chi tiết, chính xác về phân bố mưa theo không gian và thời gian trên phạm vi toàn cầu. Mặc dù có vai trò quan trọng đối với sự phát triển kinh tế xã hội, nhưng số liệu đo đạc ở các trạm bề mặt vẫn còn thưa thớt và phân bố không đều, chủ yếu ở các nước đang phát triển [2]. Mật độ mạng lưới trạm đo lượng mưa trên mặt đất ở các vùng nhiệt đới theo khuyến nghị là 600 - 900 km2/1 trạm đối với vùng bằng phẳng và 100 – 250 km2/1 trạm đối với vùng núi [3], [4]. Tuy nhiên, mạng lưới quan trắc mưa ở nhiều quốc gia không đáp ứng được mật độ trạm đo như vậy, đặc biệt ở các quốc gia đang phát triển [5]. Do nhiều yếu tố hạn chế khác nhau, bao gồm điều kiện khí hậu, địa lý, xã hội, các trạm đo mưa mặt đất có tình trạng thưa thớt hoặc không có phân bổ theo không gian và thời gian cần thiết [6]. Để khắc phục nhược điểm của trạm đo mưa chỉ cho kết quả trong một phạm vi hẹp, các nghiên cứu sử dụng dữ liệu radar ước đoán mưa đã được phát triển từ rất sớm. Tuy nhiên, kết quả ước tính số liệu mưa từ radar dễ bị sai số do kết quả ước tính phụ thuộc nhiều vào năng lượng phản hồi, hình dạng, kích thước hạt nước, phạm vi ảnh hưởng…[7]. Do chi phí lắp đặt và vận hành tốn kém, tương tự như các trạm đo mưa, các trạm radar cũng thường chỉ được lắp đặt ở những nơi thuận tiện. Vì vậy, không phải nơi nào cũng có thể sử dụng các dữ liệu mưa được ước tính từ radar thời tiết. Các quan trắc từ vệ tinh đã giúp cho việc ước tính mưa xảy ra gần như khắp mọi nơi ngay từ khi có vệ tinh không gian của thập niên 1960. Các hình ảnh của vệ tinh ban đầu từ các vệ tinh của Cục Quản lý Khoa học Môi trường Mỹ (ESSA) được sử dụng để phân tích cấu trúc và chuyển động của các hệ thống đám mây. Các biểu đồ này mô tả các đặc điểm của đám mây, giúp cho việc phán đoán các kiểu thời tiết chính xác hơn [8], bao gồm các khu vực có thể bị ảnh hưởng bởi lượng mưa [9]. Do mưa rơi từ các đám mây, 7