Tài liệu ứng dụng viễn thám đánh giá thực trạng căng thẳng nước mặt và đề xuất giải pháp quản lý tài nguyên nước mặt cho thành phố buôn ma thuột

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------oOo-------------- NGUYỄN THỊ TUYẾT NHUNG ỨNG DỤNG VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG CĂNG THẲNG NƢỚC MẶT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC MẶT CHO THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT Chuyên ngành: Chính sách công trong bảo vệ môi trƣờng Mã số: 60.34.04.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 02 năm 2018 i Công trình đƣợc hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Thị Vân Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Lê Văn Trung Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lâm Đạo Nguyên Luận văn Thạc sĩ đã đƣợc bảo vệ tại trƣờng Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM ngày 02 tháng 02 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch hội đồng: PGS.TS. Lê Văn Khoa 2. Cán bộ nhận xét 1: PGS.TS. Lê Văn Trung 3. Cán bộ nhận xét 2: TS. Lâm Đạo Nguyên 4. Ủy viên hội đồng: PGS.TS. Lê Trung Chơn 5. Thƣ ký hội đồng: TS. Võ Nguyễn Xuân Quế Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Thị Tuyết Nhung MSHV: 7141261 Ngày sinh: 16/01/1986 Nơi sinh: Đắk Lắk Chuyên ngành: Chính sách công trong bảo vệ môi trƣờng Mã số: 60.34.04.02 TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG VIỄN THÁM ĐÁNH GIÁ THỰC TRẠNG CĂNG THẲNG NƢỚC MẶT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC MẶT CHO THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT. I. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG 1. Nhiệm vụ: Đánh giá tình trạng căng thẳng/thiếu hụt nguồn tài nguyên nƣớc mặt trên địa bàn TP.BMT bằng chỉ số căng thẳng nƣớc tính từ ảnh viễn thám, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên nƣớc mặt một cách hiệu quả và bền vững cho thành phố Buôn Ma Thuột. 2. Nội dung: (1) Tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến tài nguyên nƣớc mặt, tình trạng căng thẳng nƣớc và cơ sở khoa học về kỹ thuật viễn thám ứng dụng trong giám sát căng thẳng nƣớc. (2) Tính toán chỉ số WSI theo các tiêu chí chọn lựa và thành lập bản đồ phân bố không gian theo mỗi thời kỳ quan sát. (3) Phân tích mối quan hệ giữa căng thẳng nƣớc với phân bố thực vật thông qua chỉ số NDVI. (4) Đề xuất các giải pháp quản lý phù hợp để giảm nguy cơ căng thẳng nƣớc và các tác động của căng thẳng nƣớc trên địa bàn thành phố Buôn Ma Thuột. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 16/01/2017 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 18/12/2017 IV. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN: PGS.TS. Trần Thị Vân TP.HCM, ngày 22 tháng 02 năm 2018 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN PGS.TS. Trần Thị Vân CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.TS. Lê Văn Trung TRƢỞNG KHOA iii LỜI CẢM ƠN ---------oOo-------- Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Trần Thị Vân, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn, dành thời gian quý báu và tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô Khoa Môi Trƣờng và Tài Nguyên, Trƣờng Đại học Bách Khoa TP. HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian học tập. Xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các cán bộ công tác tại Sở Tài nguyên và Môi trƣờng tỉnh Đắk Lắk, Đài Khí tƣợng Thủy văn tỉnh Đắk Lắk, UBND thành phố Buôn Ma Thuột đã hỗ trợ cung cấp thông tin cho tôi để thực hiện luận văn. Cảm ơn gia đình, ngƣời thân và bạn bè đã giúp đỡ tôi về mọi mặt để tôi có thể hoàn thành tốt luận văn này. Trong quá trình thực hiện, mặc dù đã cố gắng hết sức để hoàn thiện luận văn, trao đổi và tiếp thu ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và bạn bè, tham khảo nhiều tài liệu song cũng không thể tránh khỏi những sai sót. Tôi rất mong nhận đƣợc những thông tin đóng góp, phản hồi quý báu từ quý Thầy Cô. Xin chân thành cảm ơn! TP. HCM, ngày 22 tháng 02 năm 2018 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Tuyết Nhung iv TÓM TẮT Nƣớc là một loại tài nguyên thiết yếu cho mọi sự sống trên trái đất. Để đáp ứng cho nhu cầu của con ngƣời cũng nhƣ các hệ sinh thái khác nhau thì nƣớc phải đƣợc cung cấp một cách đầy đủ về số lƣợng cũng nhƣ chất lƣợng nƣớc. Sự thiếu hụt nguồn nƣớc là một vấn đề quan trọng trên toàn cầu cũng nhƣ ở Việt Nam, bởi vì các tác động chủ yếu của nó lên vấn đề an ninh lƣơng thực, môi trƣờng ở mỗi quốc gia cũng nhƣ toàn cầu. Luận văn đã thực hiện nghiên cứu sử dụng ảnh vệ tinh Landsat để xác định tình trạng căng thẳng nƣớc theo quan hệ nhiệt độ và thực vật thông qua chỉ số căng thẳng nƣớc (WSI). Kết quả nghiên cứu cho thấy, phân bố nhiệt độ bề mặt (LST) trên địa bàn TP.BMT không đồng nhất giữa các loại hình thảm phủ khác nhau. Những khu vực đất trống có nhiệt độ bề mặt trung bình khoảng 360C, tiếp đến là đất đô thị đạt trên 340C. Chỉ số thực vật càng lớn thì nhiệt độ bề mặt giảm dần, khi NDVI lớn hơn 0,4 thì LST nhỏ hơn 300C. Phần lớn diện tích trên địa bàn Thành phố thuộc mức căng thẳng vào năm 2015 (> 70%). Riêng mức rất căng thẳng năm 2015 chiếm diện tích lớn hơn rất nhiều so với năm 2000 với tỉ lệ tƣơng ứng là 11,73% và 0,04%. Phần lớn diện tích ở mức rất căng thẳng nƣớc tập trung ở khu vực đất trống và đô thị, với giá trị LST trung bình từ 36,1 - 41,80C. Đây cũng là một điều đáng cảnh báo về khả năng thiếu hụt nguồn nƣớc trong tƣơng lai trên địa bàn thành phố. Mô hình tƣơng quan thể hiện mối quan hệ giữa chỉ số căng thẳng nƣớc WSI và chỉ số khác biệt thực vật NDVI cho thấy với các khu vực có chỉ số thực vật nhỏ hơn 0,4 thì xảy ra hiện tƣợng căng thẳng nƣớc (trừ mặt nƣớc). Khi chỉ số NDVI lớn hơn 0,4 thì chỉ số căng thẳng nƣớc bắt đầu giảm dần. Vì vậy, để hạn chế tình trạng căng thẳng nƣớc thì cần phải sử dụng các biện pháp làm tăng cƣờng độ che phủ thực vật. Kết quả của luận văn là nguồn tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhà quản lý địa phƣơng trong điều kiện biến đổi khí hậu hiện nay. v ABSTRACT Water is a kind of essential resource for all life on earth. In order to meet the needs of different people and ecosystems, water must be provided with sufficient quantity and quality. Water shortage is a global issue as well as in Vietnam because of its impact on national, global food security and the environment. This thesis has conducted a reswarch on using Landsat satellite image to identify the water stress status related to the relationship with land surface temperature and vegetation through water stress index (WSI). Research results shown that land surface temperature (LST) distribution in Buon Ma Thuot city is not uniform among different types of land cover. Bare lands usually have LST have about 36.5 0C on average, following is urban land with the average is more than 340C. When NDVI increase, LST will be decreased. With NDVI is greater 0.4, LST will be less than 300C. Water stress index was classified into three levels: No stress, stress and very stress. A large portion of the city are classified at stress level in 2015 (> 70%). The very stress level alone in 2015 dominated a large area compare to it in 2000 with the value is 11.73% and 0.04% one after another. Water stress at very stress level distributed in bare land and urban area with the LST average value about from 36.1 - 41.80C. This is a significant issue about water shortage of the city in the future. The correlation model between the WSI index and Normalize different vegetation index (NDVI) indicates that for areas with NDVI less than 0.4, water stress occurs (except for water surface). When the NDVI is greater than 0.4, the WSI index starts declining. Therefore, to reduce water stress, increasing plant cover should be used. The results of this thesis are a useful reference for local managers on the context of climate change. vi LỜI CAM ĐOAN ------oOo------ Tôi tên là Nguyễn Thị Tuyết Nhung (MSHV: 7141261) khóa 2014 xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Những hình ảnh, số liệu, thông tin đƣợc trình bày trong luận văn đƣợc thu thập từ những nguồn đáng tin cậy và có trích dẫn rõ ràng ở phần tài liệu tham khảo. Các số liệu tính toán, bản đồ, kết quả nghiên cứu là do bản thân tôi thực hiện nghiêm túc, trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong các công trình nghiên cứu nào khác trƣớc đây. Tôi xin lấy danh dự của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này. Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Thị Tuyết Nhung vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iii TÓM TẮT ................................................................................................................ iv ABSTRACT ...............................................................................................................v LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................x DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... xi DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... xii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Lý do lựa chọn đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3 3. Phƣơng pháp thực hiện .......................................................................................3 4. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn ...............................................................4 4.1. Ý nghĩa khoa học .........................................................................................4 4.2. Ý nghĩa thực tiễn .........................................................................................4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .........................................5 1.1. TÀI NGUYÊN NƢỚC ....................................................................................5 1.2.1. Khái niệm .................................................................................................5 1.2.2. Vai trò của nƣớc .......................................................................................7 1.2. CĂNG THẲNG NƢỚC ..................................................................................8 1.2.1. Khái niệm căng thẳng nƣớc ......................................................................8 1.2.2. Nguyên nhân gây căng thẳng nƣớc ........................................................11 1.2.3. Hệ quả tác động của căng thẳng nƣớc ....................................................13 1.3. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ CĂNG THẲNG NƢỚC ..........................15 1.3.1. Trên thế giới ...........................................................................................15 1.3.2. Ở Việt Nam.............................................................................................22 viii 1.4. TÌNH HÌNH ỨNG DỤNG GIS VÀ VIỄN THÁM NGHIÊN CỨU VỀ CĂNG THẲNG NƢỚC........................................................................................25 1.5. TỔNG QUAN KHU VỰC NGHIÊN CỨU ..................................................29 1.5.1. Vị trí địa lý..............................................................................................29 1.5.2. Đặc điểm địa hình...................................................................................30 1.5.3. Đặc điểm khí hậu, khí tƣợng ..................................................................30 1.5.4. Đặc điểm thủy văn ..................................................................................31 1.5.5. Tài nguyên rừng .....................................................................................33 1.5.6. Thực trạng phát triển kinh tế - xã hội .....................................................34 1.5.7. Thực trạng phát triển đô thị và các khu dân cƣ nông thôn .....................36 1.5.8. Thực trạng phát triển cơ sở hạ tầng ........................................................36 1.6. NHU CẦU SỬ DỤNG NƢỚC VÀ HIỆN TRẠNG QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT .........37 1.6.1. Nhu cầu sử dụng nƣớc tại thành phố Buôn Ma Thuột ...........................37 1.6.2. Hiện trạng quản lý tài nguyên nƣớc tại thành phố Buôn Ma Thuột .......38 1.7. THỰC TRẠNG CĂNG THẲNG NƢỚC TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 40 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU......43 2.1. CƠ SỞ KHOA HỌC ......................................................................................43 2.1.1. Cơ sở viễn thám và thông tin đối tƣợng .................................................43 2.1.2. Bức xạ và nguyên lý ..............................................................................46 2.1.3. Cơ sở khoa học về căng thẳng nƣớc từ viễn thám .................................49 2.1.4. Cơ sở thống kê và phân tích hồi quy ......................................................52 2.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................................53 2.2.1. Tiền xử lý ảnh .........................................................................................53 2.2.2. Tính chỉ số thực vật NDVI .....................................................................57 2.2.3. Tính nhiệt độ bề mặt đất LST .................................................................59 2.2.4. Tính chỉ số căng thẳng nƣớc ..................................................................61 2.2.5. Phân tích mối quan hệ giữa WSI với NVDI...........................................63 2.2.6. Quy trình thực hiện .................................................................................64 ix CHƢƠNG 3: THỰC TRẠNG CĂNG THẲNG NƢỚC TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU .........................................................................................................66 3.1. PHÂN BỐ LỚP PHỦ BỀ MẶT TẠI THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT ..66 3.1.1. Tiền xử lý ảnh .......................................................................................66 3.1.2. Phân loại lớp phủ bề mặt thành phố Buôn Ma Thuột ............................68 3.1.3. Đánh giá kết quả phân loại .....................................................................71 3.2. PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ BỀ MẶT THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT ........74 3.2.1. Cơ sở đánh giá nhiệt độ bề mặt ..............................................................74 3.2.2. Phân bố nhiệt độ bề mặt thành phố Buôn Ma Thuột ..............................74 3.3. CHỈ SỐ CĂNG THẲNG NƢỚC TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT .........................................................................................................85 3.4. BẢN ĐỒ CĂNG THẲNG NƢỚC THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT ......89 CHƢƠNG 4: QUAN HỆ GIỮA ĐỘ CHE PHỦ THỰC VẬT VỚI CĂNG THẲNG NƢỚC – ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ .......................................94 4.1. TƢƠNG QUAN GIỮA NDVI VÀ WSI .......................................................94 4.2. KIỂM TRA TÍNH CHÍNH XÁC CỦA MÔ HÌNH ......................................96 4.3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƢỚC BỀN VỮNG CHO THÀNH PHỐ BUÔN MA THUỘT............................................................99 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..............................................................................103 1. KẾT LUẬN.....................................................................................................103 2. KIẾN NGHỊ ....................................................................................................105 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................106 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BĐKH : Biến đổi khí hậu CTN : Căng thẳng nƣớc CWSI : Crop water stress index – Chỉ số căng thẳng nƣớc đối với cây trồng DEM : Digital Elevation Model – Mô hình số độ cao DN : Digital number – Giá trị ảnh ENVI : Enviroment for Visualizing Images – Phần mềm xử lý ảnh viễn thám EWR : Environmental water requirement - Lƣợng nƣớc cần thiết cho môi trƣờng FAO : Food and Agriculture Organization – Tổ chức nông lƣơng Liên hợp quốc GIS : Geographic Information systems – Hệ thống thông tin địa lý GPS : Global Positioning system – Hệ thống định vị toàn cầu HDI : Human Developent Index – Chỉ số phát triển con ngƣời IWMI : International Water Management Instittute – Viện quản lý nƣớc quốc tế LST : Land surface temperature - Nhiệt độ bề mặt đất MAR : Mean annual runoff – Tổng lƣợng chảy mặt trung bình năm NDVI : Normalized Difference Vegation Index – chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hóa, thƣờng gọi tắt “chỉ số thực vật” RMSRs : Root mean square errors – Sai số trung phƣơng RS : Remote sensing – Viễn thám TN&MT : Tài nguyên và Môi trƣờng TP.BMT : Thành phố Buôn Ma Thuột TVDI : Temperature vegetation dryness index – Chỉ số khô hạn nhiệt và thực vật UBND : Ủy ban nhân dân USGS : United States Geological Survey – Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ VPD : Vapor pressure deficit – Suy giảm áp suất bốc hơi WaSSI : Water supply stress index – Chỉ số căng thẳng nƣớc cấp WDI : Water deficit index – Chỉ số khan hiếm nƣớc WS : Water stress – Căng thẳng nƣớc Wsci : Water scarcity index – Chỉ số khan hiếm nƣớc WSI : Water stress index – Chỉ số căng thẳng nƣớc WTA : Water resources vulnenability index – Chỉ số tổn thƣơng tài nguyên nƣớc xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng phân loại tình trạng căng thẳng nƣớc (Falkenmark, 1989) .............16 Bảng 1.2: Phân loại khan hiếm nƣớc môi trƣờng (Smakhtin và cộng sự, 2005) ......21 Bảng 2.1: Đặc điểm các kênh ảnh của ảnh Landsat (USGS, 2016) ..........................57 Bảng 2.2: Giá trị K1, K2 đối với dữ liệu ảnh hồng ngoại nhiệt Landsat ..................59 Bảng 3.1: Biến động diện tích lớp phủ TP.BMT giai đoạn 2000-2015 ....................71 Bảng 3.2: Ma trận sai số phân loại lớp phủ bề mặt ảnh năm 2000 (a) và năm 2015 (b) ..............................................................................................................................73 Bảng 3.3: Thống kê % diện tích theo cấp NDVI thành phố Buôn Ma Thuột ...........77 Bảng 3.4: Nhiệt độ bề mặt bình quân theo xã/phƣờng – TP.BMT ...........................79 Bảng 3.5: Thống kê phân loại nhiệt độ TP.BMT theo từng khoảng giá trị NDVI tại thời điểm ảnh chụp ....................................................................................................81 Bảng 3.6: Thống kê phân loại nhiệt độ bề mặt TP.BMT theo từng lớp phủ bề mặt vào thời điểm ảnh chụp .............................................................................................82 Bảng 3.7: Tỉ lệ diện tích các ngƣỡng nhiệt độ bề mặt thành phố BMT ....................83 Bảng 3.8: Sai số tính nhiệt độ qua các thời điểm chụp ảnh ......................................85 Bảng 3.9: Phân cấp mức căng thẳng nƣớc theo chỉ số WSI .....................................89 Bảng 3.10: Diện tích các cấp căng thẳng nƣớc trên địa bàn TP.BMT tại thời điểm ảnh chụp năm 2000 và 2015......................................................................................90 Bảng 3.11: Thống kê cấp căng thẳng nƣớc theo nhiệt độ bề mặt .............................93 Bảng 4.1: Các thông số thống kê mô hình tƣơng quan hồi quy ................................98 xii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Chu trình thủy văn tổng quát (Texas Watershed Steward Handbook – 2008)............................................................................................................................7 Hình 1.2: Bản đồ hành chính thành phố Buôn Ma Thuột .........................................29 Hình 2.1: Phổ điện từ thể hiện các kênh sử dụng trong các vùng hấp thụ của khí quyển của viễn thám quang học ................................................................................46 Hình 2.2: Sơ đồ khái niệm về tam giác quan hệ LST và NDVI (Sandholt et al., 2002)..........................................................................................................................51 Hình 2.3: Xác định chỉ số WSI (phỏng theo Lambin và Ehrlich, 1996 và Sandholt et al., 2002) ....................................................................................................................62 Hình 2.4: Sơ đồ các bƣớc thực hiện ..........................................................................65 Hình 3.1: Các điểm khống chế và sai số nắn chỉnh ảnh............................................67 Hình 3.2: Ảnh cắt sơ bộ khu vực nghiên cứu............................................................68 Hình 3.3: Các vùng mẫu đƣợc xác định cho các kiểu thảm phủ ...............................69 Hình 3.4: Các kiểu lớp phủ vào các thời điểm ảnh năm 2000 (a) và 2015 (b) .........70 Hình 3.5: Biểu đồ thể hiện biến động % che phủ các kiểu lớp phủ TP.BMT giai đoạn 2000-2015 .........................................................................................................71 Hình 3.6: Thay đổi chỉ số NDVI vào các thời điểm ảnh năm 2000 (a) và 2015 (b) .76 Hình 3.7: Bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt (oC) TP.BMT tại các thời điểm ảnh năm 2000 (a) và 2015 (b) ..................................................................................................80 Hình 3.8: Biểu đồ LST trung bình TP.BMT tại các thời điểm ảnh năm 2000 và 2015 ...................................................................................................................................81 Hình 3.9: Biểu đồ nhiệt độ bề mặt trung bình theo các kiểu che phủ TP.BMT........82 Hình 3.10: Biểu đồ tỉ lệ diện tích các ngƣỡng nhiệt độ bề mặt TP.BMT .................83 Hình 3.11: Đồ thị biểu diễn quan hệ LST và NDVI năm 2000 (a) và 2015 (b) .......87 Hình 3.12: Bản đồ chỉ số căng thẳng nƣớc TP.BMT vào thời điểm ảnh 2000 (min=0, max=0,76)....................................................................................................88 xiii Hình 3.13: Bản đồ chỉ số căng thẳng nƣớc TP.BMT vào thời điểm ảnh 2015 (min=0, max=1).........................................................................................................88 Hình 3.14: Biểu đồ tỉ lệ diện tích cấp căng thẳng nƣớc TP.BMT.............................90 Hình 3.15: Bản đồ phân cấp WSI thành phố Buôn Ma Thuột năm 2000 .................92 Hình 3.16: Bản đồ phân cấp WSI thành phố Buôn Ma Thuột năm 2015 .................92 Hình 4.1: Mô hình hồi quy giữa WSI và NDVI năm 2000 .......................................95 Hình 4.2: Mô hình hồi quy giữa WSI và NDVI năm 2015 .......................................96 Hình 4.3: Biểu đồ tƣơng quan WSI và NDVI theo mô hình hồi quy – 2000 ...........97 Hình 4.4: Biểu đồ tƣơng quan WSI và NDVI theo mô hình hồi quy – 2015 ...........98 Hình 4.5: Mô hình tƣới nƣớc tiết kiệm cho cây cà phê (Ảnh Thanh Sơn) ..............100 Hình 4.6: Mô hình nông nghiệp công nghệ cao ......................................................100 Hình 4.7: Mô hình cà phê trồng xen cây gỗ lớn......................................................101 1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI Nƣớc là một loại tài nguyên thiết yếu cho mọi sự sống trên trái đất. Để đáp ứng cho nhu cầu của con ngƣời cũng nhƣ các hệ sinh thái khác nhau thì nƣớc phải đƣợc cung cấp một cách đầy đủ về số lƣợng cũng nhƣ chất lƣợng nƣớc và phụ thuộc vào nhu cầu của mỗi ngành dùng nƣớc khác nhau nhƣ nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt và nhu cầu môi trƣờng… Tài nguyên nƣớc đƣợc quan tâm quản lý trên phạm vi toàn cầu, các quốc gia, các tổ chức quốc tế tiếp tục nghiên cứu những tác động tiềm ẩn của việc thiếu hụt nguồn nƣớc và gia tăng tốc độ ô nhiễm nƣớc (Tanriverdi, 2010). Tổng lƣợng nƣớc trên trái đất khoảng 1.410 triệu Km3, trong đó chỉ có 1,3% là nƣớc ngọt (USGS, 2006a). Nƣớc dùng để tƣới là lĩnh vực sử dụng nƣớc nhiều nhất trên toàn cầu nhƣng mang lại hiệu quả kinh tế, xã hội thấp hơn so với các ngành công nghiệp (Perry, 2005). Hiện nay, gần 60% lƣợng nƣớc ngọt trên trái đất đƣợc sử dụng cho mục đích tƣới (USGS, 2006b). Ở Mexico giá nƣớc đã tăng 45 – 180% vào năm 1996 và nông dân ở đây phải đầu tƣ nhiều vào hệ thống tƣới hơn trƣớc đây để cải thiện hệ thống quản lý nƣớc (Salas và Wilson, 2004). Ở Trung Quốc, các kỹ thuật tƣới tiết kiệm nƣớc đã đƣợc áp dụng để tiết kiệm nƣớc tƣới (48,5%) và tăng năng suất cây trồng (từ 8,9 đến 12,9%) (Xiaoping và cộng sự, 2004). Tại Mỹ, việc cải thiện các thiết kế của các hệ thống tƣới tiêu ở California nhằm gia tăng hiệu quả của nƣớc tƣới và quản lý nông nghiệp (Hanson và Ayars, 2002). Bên cạnh đó, sự gia tăng lo lắng về thiếu nƣớc trên toàn cầu cho thấy sử dụng nƣớc hiệu quả là vấn đề rất quan trọng (Abu-Zeid và Rady 1990; Engelmanvà LeRoy 1993; Khairy và cộng sự, 2001; Gal và cộng sự, 2003; Naor và cộng sự, 2008). Việt Nam là một quốc gia có nguồn tài nguyên nƣớc dồi dào với lƣợng mƣa trung bình nhiều năm khoảng 1.940 mm, nhƣng do ảnh hƣởng của địa hình đồi núi, lƣợng mƣa phân bố không đều trên cả nƣớc và biến đổi mạnh theo thời gian đã tác động rất lớn đến trữ lƣợng và phân bố nƣớc ngọt. Tuy có nguồn tài nguyên 2 nƣớc dồi dào nhƣng Việt Nam cũng đang đối mặt với tình trạng thiếu nƣớc trong những năm gần đây do tác động của biến đổi khí hậu, đô thị hóa, sử dụng nƣớc không bền vững, ô nhiễm nƣớc… Ở khu vực Tây Nguyên các đợt hạn hán xuất hiện nhiều hơn trong những năm gần đây, việc mở rộng diện tích nông nghiệp cũng góp phần làm cho nguồn nƣớc thiếu hụt không chỉ cho cây trồng mà cả cho sinh vật và con ngƣời trong mùa khô. Trong đó, thành phố Buôn Ma Thuột (TP.BMT) cũng là địa phƣơng đang đối mặt với tình trạng khan hiếm nguồn nƣớc sử dụng trong nông nghiệp và sinh hoạt trong mùa khô. Tất cả các xu hƣớng trên cho thấy thiếu hụt nguồn nƣớc là một vấn đề quan trọng trên toàn cầu cũng nhƣ ở Việt Nam bởi vì các tác động chủ yếu của nó lên vấn đề an ninh lƣơng thực ở quốc gia cũng nhƣ toàn cầu (Khairy và cộng sự, 2001); bên cạnh đó nhiều nhà khoa học cũng khẳng định rằng tài nguyên nƣớc chắc chắn sẽ trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong tƣơng lai (Rey và cộng sự, 2007; Naor và cộng sự, 2008; Wang và cộng sự, 2009; Geiger và Xin Jin, 2009); chính vì vậy quản lý tài nguyên nƣớc sẽ trở thành một lĩnh vực rất quan trọng trong thế kỷ 21 (Tanriverdi, 2005). Xuất phát từ những lý do nêu trên, đề tài “Ứng dụng viễn thám đánh giá thực trạng căng thẳng nước mặt và đề xuất giải pháp quản lý tài nguyên nước mặt cho thành phố Buôn Ma Thuột” đƣợc đề xuất. Kết quả của nghiên cứu sẽ là cơ sở cho việc hoạch định chính sách và quản lý tài nguyên nƣớc mặt ở các khu vực có căng thẳng nƣớc trên địa bàn TP.BMT. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Đánh giá tình trạng căng thẳng/thiếu hụt nguồn tài nguyên nƣớc mặt trên địa bàn TP.BMT bằng chỉ số căng thẳng nƣớc tính từ ảnh viễn thám, từ đó đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên nƣớc mặt một cách hiệu quả và bền vững cho TP.BMT. 3 3. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: là chỉ số căng thẳng nƣớc đƣợc xác định từ các kênh phổ ảnh vệ tinh Landsat dùng để đánh giá tài nguyên nƣớc mặt trong bối cảnh nóng ấm toàn cầu dẫn đến nguy cơ bị thiếu hụt nguồn nƣớc. Phạm vi nghiên cứu: thành phố Buôn Ma Thuột, tỉnh Đắk Lắk. Thời gian nghiên cứu: theo thời gian chụp ảnh vệ tinh Landsat ở hai thời điểm là ngày 04/3/2000 và ngày 06/3/2015 3. PHƢƠNG PHÁP THỰC HIỆN (1) Phƣơng pháp tổng quan tài liệu, thu thập dữ liệu Phƣơng pháp này dùng để tổng hợp thông tin tài liệu về vấn đề nghiên cứu trong đề tài. Các thông tin đƣợc thu thập từ các bài báo khoa học, luận văn, luận án, các sách, tập san cũng nhƣ từ các nguồn thông tin đáng tin cậy trên mạng Internet và các cơ quan quản lý liên quan nhƣ: Sở Tài nguyên và Môi trƣờng (TN&MT) tỉnh Đắk Lắk, Đài Khí tƣợng thủy văn tỉnh Đắk Lắk, Ủy ban nhân dân (UBND) TP.BMT,… (2) Phƣơng pháp thống kê Phƣơng pháp đƣợc sử dụng chủ yếu trong đề tài là phân tích tƣơng quan, phân tích hồi quy tuyến tính (hoặc phi tuyến) để tìm ra mối quan hệ giữa chỉ số căng thẳng nƣớc với tỉ lệ che phủ thực vật. Ngoài ra, đề tài còn sử dụng các phép thống kê theo phần trăm, phân tích xu hƣớng biến động để đánh giá sự biến động của chỉ số căng thẳng nƣớc theo tỉ lệ che phủ thực vật. Phần mềm thống kê đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là phần mềm Statgraphic Centurion XV và phần mềm thống kê R. (3) Phƣơng pháp viễn thám Các bƣớc thực hiện trong luận văn bao gồm: - Xử lý ảnh. 4 - Hiệu chỉnh bức xạ. - Tính toán trích xuất thông tin nhiệt độ bề mặt (LST), chỉ số khác biệt thực vật (NDVI). - Tính toán chỉ số căng thẳng nƣớc (WSI). - Lập bản đồ phân bố LST, NDVI và WSI. Phần mềm sử dụng: ENVI để xác định giá trị LST, chỉ số NDVI và WSI trên cơ sở đặc trƣng phổ trên ảnh Landsat. 4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN 4.1. Ý nghĩa khoa học Nhu cầu sử dụng nguồn tài nguyên nƣớc mặt phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt trên các lƣu vực là rất lớn. Tuy nhiên, khả năng cung cấp nƣớc ở các lƣu vực là rất khác nhau. Hơn nữa các trạm thủy văn đƣợc bố trí thƣa thớt nên chỉ quan trắc đƣợc tình trạng nƣớc mặt ở những địa điểm nhất định. Chính vì vậy, để đánh giá tình trạng căng thẳng nƣớc cho một khu vực rộng lớn cần rất nhiều thông tin bao phủ một vùng rộng lớn, thậm chí là các khu vực khó tiếp cận. Vì vậy, việc áp dụng những ƣu điểm của ảnh viễn thám để đánh giá chỉ số căng thẳng nƣớc mang tính khoa học cao và đủ độ tin cậy để đề xuất các giải pháp về mặt chính sách trong quản lý nguồn tài nguyên nƣớc. 4.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả đề tài sẽ cung cấp bản đồ về chỉ số căng thẳng nƣớc trong khu vực nghiên cứu. Từ đó giúp các nhà quản lý có thể đƣa ra các giải pháp giảm thiểu sự căng thẳng trong sử dụng tài nguyên nƣớc mặt trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu nhƣ hiện nay. Cung cấp cơ sở dữ liệu về tình trạng căng thẳng nguồn tài nguyên nƣớc mặt trên địa bàn TP.BMT, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu về biến đổi khí hậu cho tỉnh Đắk Lắk và các tỉnh thuộc khu vực Tây Nguyên. 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. TÀI NGUYÊN NƢỚC 1.2.1. Khái niệm Nƣớc là một chất lỏng rơi xuống từ những đám mây nhƣ mƣa, hình thành suối, hồ và biển, và là thành phần chủ yếu của tất cả các sinh vật sống. Nƣớc tinh khiết là một oxit lỏng không màu, không vị, là chất lỏng nén đƣợc từ hơi nƣớc, có màu xanh khi tạo thành lớp dày, đóng băng ở 00C và sôi ở 1000C, là một chất dẫn điện kém và dung môi tốt (Merriam Webster). Nƣớc là một hợp chất hóa học của ôxy và hiđrô, có công thức hóa học là H2O. Với các tính chất lí hóa đặc biệt (ví dụ nhƣ tính lƣỡng cực, liên kết hiđrô và tính bất thƣờng của khối lƣợng riêng) nƣớc là một chất rất quan trọng trong nhiều ngành khoa học và trong đời sống. 70% diện tích của Trái Đất đƣợc nƣớc che phủ nhƣng chỉ 0,3% tổng lƣợng nƣớc trên Trái Đất nằm trong các nguồn có thể khai thác dùng làm nƣớc uống. Theo “Thuật ngữ thủy văn và môi trƣờng nƣớc”, tài nguyên nƣớc là lƣợng nƣớc trên một vùng đã cho hoặc lƣu vực, biểu diễn ở dạng nƣớc có thể khai thác (nƣớc mặt và nƣớc dƣới đất). Điều 2 Luật Tài nguyên nƣớc Việt Nam (2012) quy định "Tài nguyên nƣớc bao gồm nguồn nƣớc mặt, nƣớc dƣới đất, nƣớc mƣa và nƣớc biển thuộc lãnh thổ của nƣớc Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam". Rõ ràng, tài nguyên nƣớc của một lãnh thổ là toàn bộ lƣợng nƣớc có trong đó mà con ngƣời có thể khai thác sử dụng đƣợc, xét cả về mặt lƣợng và chất, cho sinh hoạt, sản xuất, trong hiện tại và tƣơng lai. Nƣớc là dạng tài nguyên đặc biệt, nó vừa là thành phần thiết yếu của sự sống và môi trƣờng, quyết định sự tồn tại, phát triển của xã hội, vừa có thể mang tai họa đến cho con ngƣời. Nƣớc có khả năng tự tái tạo về lƣợng, về chất và về 6 năng lƣợng. J.A.Jonnes chia tài nguyên nƣớc thành ba loại (Nguyễn Thị Phƣơng Loan, 2005): Tài nguyên tiềm năng tương lai: Là toàn bộ lƣợng nƣớc có trên Trái Đất mà trong điều kiện hiện nay loài ngƣời hầu nhƣ chƣa có khả năng khai thác, nhƣ nƣớc ngầm nằm rất sâu, nƣớc trong băng tuyết hai cực, nƣớc biển và đại dƣơng… Tài nguyên tiềm năng thực tại: Là lƣợng nƣớc có trong lãnh thổ, nhƣng ở trạng thái tự nhiên con ngƣời khó khai thác và có nguy cơ bị nó gây hại, hoặc xảy ra rủi ro, ví dụ nhƣ nƣớc lũ, nƣớc ngầm nằm sâu… Tài nguyên hiện thực của một vùng: Là khái niệm trùng với quan điểm truyền thống hiện nay, chỉ toàn bộ lƣợng nƣớc có trong các thuỷ vực mặt và ngầm mà con ngƣời dễ dàng khai thác sử dụng. Sự hình thành và biến đổi của nƣớc ở các dạng khác nhau đƣợc thể hiện thông qua chu trình thủy văn của nƣớc trên trái đất. Chu trình thủy văn tổng quát đƣợc thể hiện trong Hình 1.1. Đầu tiên nƣớc mặt ở các đại dƣơng, ao hồ, sông suối đƣợc mặt trời đốt nóng và bốc hơi vào khí quyển, bên cạnh đó một phần hơi nƣớc thoát ra từ thực vật (Bốc hơi thủy xuất) cũng phát tán vào không khí. Các nguồn hơi nƣớc này bốc lên cao gặp không khí lạnh và ngƣng tụ thành mây, các khối hơi nƣớc này di chuyển và không ngừng tăng lên về kích thƣớc sau đó gây ra mƣa trên mặt các đại dƣơng, trên các đồng bằng, các vùng đồi núi,… dƣới dạng nƣớc mƣa hoặc băng tuyết. Lƣợng nƣớc này một phần đƣợc thực vật hấp thu và bốc hơi trở lại khí quyển, một phần ngấm vào trong đất hình thành nên các dòng chảy ngầm, phần lớn trong chúng tạo thành các dòng chảy mặt ra các ao, hồ, sông suối và ra biển và nó lại bắt đầu một chu trình mới.