Ứng dụng ảnh viễn thám trong việc nâng cao độ chính xác của mô phỏng ngập lụt lưu vực Sông Trà khúc tỉnh Quảng Ngãi
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
ỨNG DỤNG ẢNH VI ỄN THÁM TRO NG VIỆC NÂNG CAO
ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA MÔ PHỎNG NGẬP LỤT LƯU VỰC
SÔNG TRÀ KHÚC TỈNH QUẢNG NGÃI
Vũ Đình Cương, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Thành Luân, Nguyễn Thu Huyền,
Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về ĐLHSB
Phạm Thanh Tâm
Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Nguyễn Hiệp
Chi cục Phòng chống thiên tai khu vực Miền trung - Tây nguyên
Tóm tắt: Phân tích ảnh viễn thám phục vụ nâng cao độ chính xác trong bài toán mô phỏng ngập
lụt lưu vực được thể hiện trong nghiên cứu này tập trung vào 2 điểm: 1) Ảnh viễn thám giúp xác
định được hệ số nhám của từng ô lưới cho vùng nghiên cứu để chính xác hóa số liệu đầu vào; 2)
Phạm vi ngập phân tích xác định từ ảnh viễn thám được so sánh với kết quả mô phỏng của mô
hình, giúp kiểm nghiệm độ chính xác của mô hình mô phỏng. Ảnh viễn thám có độ phân giải
không gian khá chi tiết phản ánh khách quan được những biến động của các đối tượng trên bề
mặt lưu vực và cho phép cập nhật kịp thời những biến động này cho mô hình mô phỏng. Diện
ngập xác từ kết quả phân tích ảnh viễn thám có tính khách quan và là nguồn dữ liệu độc lập để
so sánh đối chiều với kết quả tính toán từ mô hình. Sự kết hợp giữa mô hình mô phỏng ngập lụt
Mike Flood và ảnh viễn thám được thực hiện trong nghiên cứu ngập lụt lưu vực sông Trà Khúc
tỉnh Quảng Ngãi đã cho thấy sự hỗ trợ rất hữu hiệu của ảnh viễn thám để nâng cao độ chính xác
của mô hình mô phỏng và là một hướng nghiên cứu đúng đắn cần phát huy nhân rộng.
Từ khóa: sông Trà Khúc, mô hình ngập lụt, ảnh viễn thám và GIS.
Summary: Remote sensing analysis serving for improving accuracy of flood model for river
basin is approached in this study focusing on 2 aspects: 1) Remote sensing image helps to
determine the roughness coefficient of each grid cell of the model thus correcting input data; 2)
The extent of inundation area from remote sensing image is compared with results of model
calculation to test the accuracy of the simulation. Remote sensing data has a good spatial
resolution, and objectives in the basin surface have been reflected quite clear thus allowing
timely updates the changes of the basin’s surface to the simulation model; The results of remote
sensing analysis are useful for combining with simulated results to accurately determine the
extent of flooding in the basin. The flood inundation modeling and remote sensing analysis was
conducted for Tra Khuc river basin show the way of improving the accuracy of the modeling,
and this is a proper research direction to extend.
Keyword: Tra Khuc river, flood model, Remote sensing and GIS
1. ĐẶT VẤN ĐỀ *
công tác phòng chống lụt bão nói riêng (Đinh
Ngọc Đạt, 2015; Kebede Bishaw, 2012). Ảnh
viễn thám với nhiều ưu điểm như giàu thông
tin, chu kỳ thu nhận thông tin ngắn, xử lý
thông tin trên diện rộng và thông tin có tính
khách quan cao. Kết quả chiết tách từ ảnh vệ
tinh cho ta các thông tin về các đối tượng trên
Trong những năm gần đây, công nghệ viễn
thám và GIS đang được ứng dụng rộng rãi
trong công tác quản lý thiên tai nói chung và
Ngày nhận bài: 24/7/2017
Ngày thông qua phản biện: 05/9/2017
Ngày duyệt đăng: 22/12/2017
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
1
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
bề mặt đất và phạm vi ngập lụt tại thời điểm
chụp ảnh. Những lớp thông tin này là dữ liệu
đầu vào rất quan trọng cho mô hình mô phỏng
ngập lụt trên lưu vực sông, giúp nâng cao độ
chính xác của các kết quả tính toán từ mô hình
(Chu Hải Tùng và nnk, 2008).
qua điều tra thực địa để bổ sung dữ liệu địa
hình cho mô hình mô phỏng.
2.2. Cơ sở dữ liệu phục vụ nghiên cứu
1) Dữ liệu thủy văn:
- Mục nước (H) và lưu lượng (Q) thực đo tại
các trạm biên Sơn Giang, An Chỉ và tại các
trạm Trà Khúc, Sông Vệ để kiểm tra mô hình.
Phân tích ảnh viễn thám phục vụ nâng cao độ
chính xác trong bài toán mô phỏng ngập lụt
lưu vực được thể hiện trong nghiên cứu này
tập trung vào 2 điểm: 1) Ảnh viễn thám giúp
xác định được hệ số nhám của từng ô lưới cho
vùng nghiên cứu để chính xác hóa số liệu đầu
vào; 2) Phạm vi ngập lụt phân tích trên ảnh
viễn thám được so sánh với kết quả mô phỏng
của mô hình giúp kiểm nghiệm độ chính xác
của mô phỏng. Nghiên cứu này ứng dụng ảnh
viễn thám trong mô phỏng lũ lưu vực sông Trà
Khúc và sông Vệ tỉnh Quảng Ngãi. Để có
thêm dữ liệu kiểm chứng mô hình, số liệu vết
lũ lịch sử trên lưu sông cũng đã được thu thập
để phục vụ nghiên cứu.
- Mực nước thủy triều dự tính từ các hằng số
điều hòa thiên văn tại các biên cửa sông.
- Lưu lượng lũ tính toán bằng mô hình thủy
văn Mike NAM tại các biên nhập lưu.
2) Dữ liệu vết lũ lịch sử trên lưu vực:
- Tài liệu vết lũ lịch sử điều tra và thu thập
được trên lưu vực sông Trà Khúc, sông Vệ của
các trận lũ lớn lịch sử năm 2009 và 2013.
3) Dữ liệu ảnh vệ tinh:
- Ảnh vệ tinh quang học để chiết tách thông tin
lớp phủ và ảnh vệ tinh radar để chiết tách
thông tin phạm vi ngập trên bề mặt lưu vực
sông Trà Khúc, sông Vệ. Cụ thể:
2. CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
NGHIÊN CỨU
+ Ảnh quang học: bao gồm 03 cảnh ảnh
Landsat (độ phân giải không gian 30m x 30m)
chụp vào thời điểm mùa khô trước thời điểm
xảy ra lũ lớn vào các năm 1999, 2009, 2013
để chiết tách lớp phủ trên bề mặt lưu vực.
2.1. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu đã ứng dụng mô hình mô phỏng
ngập lụt MIKE FLOOD kết hợp giữa mô hình
MIKE11 mô phỏng dòng chảy lũ trong sông
+ Ảnh radar: không có ảnh vệ tinh chụp trùng
và mô hình MIKE21 FM mô phỏng dòng chảy thời gian xảy ra các trận lũ lớn lịch sử năm
1999, 2009, 2013 trên lưu vực. Nghiên cứu
này đã sử dụng ảnh Sentinel chụp tại thời điểm
ngập lụt của trận lũ ngày 01/12/2016 (độ phân
giải không gian 10m x 10m) để chiết tách
phạm vi vùng ngập lụt.
lũ tràn trên bề mặt lưu vực. Mô hình MIKE
FLOOD được thiết lập trong hệ tọa độ đồng bộ
với các dữ liệu đầu vào của mô hình được lấy
từ các kết quả phân tích ảnh viễn thám bằng
phần mềm GIS. Các phần mềm được sử dụng
trong phân tích ảnh viễn thám của nghiên cứu
này gồm ENVI, SNAP, ArcGIS (Luân N.T. và
nnk, 2017) nhằm chi tiết hóa các thông tin về
lớp phủ cũng như phạm vi ngập lụt trên bề mặt
4) Dữ liệu địa hình và công trình khu vực hạ
du lưu vực sông Trà Khúc, sông Vệ:
- Tài liệu mặt cắt địa hình cho mô hình
Mike11 mạng sông: sử dụng 370 mặt cắt
lưu vực sông. Ngoài ra, những khu vực có biến ngang sông đo đạc từ năm 2010-2014 để thiết
lập cho mô hình Mike11.
động lớn về địa hình trên lưu vực (như các khu
công nghiệp, đường giao thông) cũng được
kiểm tra thông tin và xác định cao độ thông
- Tài liệu địa hình vùng ngập lũ trên lưu vực:
2
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
sử dụng số liệu bình đồ tỷ lệ 1:10.000 cho toàn Trên cơ sở phân tích mạng sông và địa hình tự
lưu vực và 1:2.000 cho khu vực TP. Quảng nhiên lưu vực sông Trà Khúc, sông Vệ, nghiên
Ngãi do Cục Đo đạc và Bản đồ xu ất bản năm cứu thiết mô hình mô phỏng trong mô hình
2011 để thiết lập địa hình vùng ngập lũ vùng Mike FLood như Hình 1. Trong đó: Các sông
hạ du lưu vực.
chính được đưa vào mô hình Mike11 gồm 10
tuyến sông (Trà Khúc dài 53,96 km, sông Vệ
dài 21,67 km, Trà Câu dài 22,51 km, sông
Thoa dài 28,35 km, sông Kinh dài 10,55 km,
Phúc Thọ dài 6,11 km, Lệ Thủy dài 28 km,
Phước Giang dài 30 km, Bàu Giang dài 24,69
km và sông Đá dài 4,78 km).
- Tài liệu các công trình trên khu vực hạ du lưu
vực sông: Tổng hợp tài liệu về các công trình
giao thông, thủy lợi trên lưu vực có ảnh hưởng
đến quá trình lũ tràn trên lưu vực, như các cầu
giao thông, tuyến đường bộ, đường sắt, các
tuyến kênh tưới ngăn cản lũ rõ rệt. Các công
trình này được đưa vào trong mô hình mô Miền lưới tính của mô hình Mike21 FM có
phỏng.
tổng số 130.000 phần tử ô lưới phi cấu trúc.
Kích thước trung bình mỗi cạnh ô lưới
100m, khu vực quan trọng kích thước cạnh ô
lưới 30m.
2.3. Thiết lập mô hình
a) Thiết lập mạng sông và lưới tính mô hình
MIKE FLOOD:
Hình 1: Mô hình Mike Flood thiết lập cho vùng hạ du lưu vực sông Trà Khúc, sông Vệ
b) Thiết lập các điều kiện biên cho mô hình:
Câu, sông Lệ Thủy, sông Đá, sông Phước
Giang không có trạm đo lưu lượng được tính
toán từ mô hình thủy văn MIKE NAM (đã
được hiệu chỉnh kiểm định đảm bảo sai số
cho phép).
Mô hình gồm có các biên lưu lượng phía trên,
các biên nhập lưu khu giữa và các biên mực
nước phía dưới.
- Các biên lưu lượng: Các biên lưu lượng
thực đo tại Sơn Giang sông Trà Khúc, tại An
Chỉ sông Vệ; Các biên lưu lượng sông Trà
- Các biên nhập lưu khu giữa: sông Trà
Khúc, từ trạm Sơn Giang đến cửa sông có 7
nhập lưu: (1) tại xã Sơn Nham cách đập Thạch
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
3
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Nham 8,5 km về phía thượng lưu; (2) tại xã cho hệ số nhám phân bố biến đổi theo không
Sơn Hạ cách đập Thạch Nham 10 km về phía gian lưu vực. Tuy nhiên hạn chế của phương
thượng lưu; (3) sông Giang cách đập Thạch pháp này là phụ thuộc hoàn toàn vào bản đồ
Nham 2,6 km về phía hạ lưu; (4) sông Bằng hiện trạng sử dụng đất trên lưu vực; các bản đồ
Đằng cách đập Thạch Nham 5,4km về phía hạ thường có mức độ chi tiết không cao (bản đồ
lưu; (5) sông Phước cách đập Thạch Nham 9 tỷ lệ 1:25.000) nên hệ số nhám cũng đã bị
km về phía hạ lưu; (6) sông An Mỹ Trại cách trung bình hóa giữa các đối tượng; thời gian
đập Thạch Nham 11,5 km về phía hạ lưu; (7) cập nhật bản đồ lâu (ít nhất 5 năm một lần)
sông Tam Hàn cách đập Thạch Nham 14,4 km nên chưa phản ánh đúng được các đối tượng
về phía hạ lưu. Lưu lượng các nhập lưu được bề mặt lưu vực tại thời điểm trận lũ mô phỏng.
tính toán từ mô hình thủy văn MIKE NAM.
Những hạn này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ
chính xác của mô phỏng.
- Các biên mực nước: biên mực nước tại các
cửa sông đổ ra biển, gồm 4 cửa sông Trà Ứng dụng ảnh viễn thám để xác định hệ số
Khúc, cửa sông Vệ, cửa sông Kinh và cửa nhám cho mô hình với các đối tượng trên bề
sông Trà Câu. Các cửa sông không có số liệu mặt lưu vực có thể khắc phục được những hạn
đo mực nước nên trong nghiên cứu sử dụng chế đối với số liệu đầu vào như phân tích ở
mực nước triều dự tính từ các hằng số điều hòa trên. Nghiên cứu này xác định hệ số nhám bề
thiên văn.
mặt từ phân tích ảnh viễn Landsat độ phân giải
30m x 30m cho mô hình mô phỏng ngập lụt
trên lưu vực. Mặt khác chu kỳ chụp lặp của
ảnh Landsat là 16 ngày cho phép xác định
được chính xác hệ số nhám tức thời gần sát với
thời điểm xảy ra trận lũ cần tính toán mô
phỏng từ đó nâng cao được độ chính xác của
mô hình. Từ kết quả phân tích ảnh Landsat sẽ
phân loại được các đối tượng cụ thể trên bề
mặt lưu vực như Hình 2(a). Sau khi quy đổi
giá trị hệ số nhám cho mỗi loại đối tượng cụ
thể sẽ xác định được hệ số nhám phân bố theo
không gian bề mặt lưu vực.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết hợp dữ liệu ảnh viễn thám để hiệu
chỉnh, kiểm định nâng cao chính xác của
mô hình mô phỏng
1. Thiết lập thông số nhám cho mô hình
Mỗi loại đối tượng thực tế trên bề mặt lưu vực
(đối tượng công trình dân cư, thủy lợi, giao
thông, đất trồng cây, đất trồng lúa, đất xây
dựng…) được đặc trưng bởi một giá trị hệ số
nhám khác nhau trong mô hình toán 2 chiều,
biểu thị cho mức độ cản trở dòng chảy lũ tràn
trên bề mặt lưu vực. Mô phỏng ngập lụt cho Dựa vào độ phân giải của ảnh viễn thám mỗi
lưu vực sông Trà Khúc của một số nghiên cứu vùng ô lưới vuông kíchthước 30m x 30m sẽđược
trước đây t hường sử dụng hai phương pháp để gán một giá trị hệ số nhám. Giá trị hệ số nhám
xác định hệ số nhám cho mô hình: (1)-Hệ số của các đối tượng trên bề mặt lưu vực trong mô
nhám là hằng số trung bình cho toàn lưu vực phỏng thủy lực đã được rất nhiều các nhà khoa
hoặc (2)-Hệ số nhám phân bố dựa vào bản đồ học trên thế giới nghiên cứu và công bố, các tác
sử dụng đất. Khu vực hạ du lưu vực sông Trà giả nổi tiếng có thểkể đến như Chow VT., 1959];
Khúc có kinh tế xã hội khá phát triển nên các Fazlul Karim, 2011; Connell Wagner, 2006; R.
đối tượng trên bề mặt lưu vực có sự biến động Lomulder, 2004]; Alexander Salmonsson, 2015.
lớn theo không gian, do đó việc sử dụng hệ số Nghiên cứu này trên cơ sở tham khảo các giá trị
nhám theo phương pháp (1) chưa thỏa đáng do hệ số nhámcủa các tác giả đã công bố kết hợp với
không phản ánh đúng được điều kiện bề mặt phân tích điều kiện bề mặt thực tế của lưu vực để
lưu vực. Xác định hệ số nhám theo phương sơ bộ lựa chọn được giá trị hệ số nhám làm đầu
pháp (2) có ưu điểm hơn phương pháp (1) là vào cho mô hình Mike Flood, hệ số nhám phân
4
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
bố thiết lập dưới dạng ô lưới 30m x 30m như quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mô
Hình 2(b). Hệsố nhám này sẽđược điều chỉnh để phỏng với một số trận lũ.
tìm ra giá trịphù hợp nhất cho lưu vực thông qua
(a) Chiết tách lớp phủ từ ảnh Landsat
(b) Hệ số nhám quy đổi cho các đối tượng
Hình 2: Thiết lập thông số nhám mô hình từ kết quả phân tích ảnh viễn thám
2. Hiệu chỉnh mô hình
- Hiệu chỉnh mực nước tại các trạm đo:
Mô hình được hiệu chỉnh với trận lũ năm Hiệu chỉnh mực nước tại các trạm đo cho
2009. Trận lũ năm 2009 là trận lũ lịch sử đặc kết quả tốt: Trên sông Trà Khúc tại trạm
biệt lớn trên cả sông Trà Khúc và sông Vệ: tại Trà Khúc, mực nước tính toán Hmax = 8.0m
trạm Sơn Giang Qmax = 11800 m3/s, tại trạm thấp hơn đỉnh lũ thực đo 0.12m; Trên sông
Trà Khúc Hmax = 8.12 m (trên báo động 3 là Vệ tại trạm Sông Vệ, mực nước tính toán
1.62 m), tại trạm An Chỉ Qmax = 2420 m3/s, tại Hmax = 5.27m thấp hơn đỉnh lũ thực đo
trạm Sông Vệ Hmax = 5.38 m (trên báo động 3 0.11m (Hình 3). Chỉ số Nash đánh giá sai số
là 0.88 m). Sử dụng tài liệu thực đo mực nước hiệu chỉnh mô hình giữa kết quả tính toán
các trạm Trà Khúc, Sông Vệ, Trà Câu kết hợp và số liệu thực đo cho kết quả tốt: trạm Trà
với số liệu khảo sát của 57 vết lũ lịch sử trên Khúc Nash = 0.93, trạm Sông Vệ Nash =
lưu vực để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình.
0.98 (Bảng 2).
Bảng 1: Bảng chỉ số Nash đánh giá sai số hiệu chỉnh mô hình
Hmax tính
toán (m)
8.0
Hmax thực Sai số đỉnh
TT Tên trạm
Tên sông
Trà Khúc Sông Trà Khúc
Sông Vệ Sông Vệ
Chỉ số Nash
đo (m)
8.12
(m)
0.12
0.11
1
2
0.93
0.98
5.27
5.38
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
5
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Hình 3: Hiệu chỉnh mực nước tại trạm Trà Khúc và Sông Vệ với trận lũ năm 2009
- Hiệu chỉnh với vết lũ điều tra:
Hiệu chỉnh với số liệu điều tra vết
lũ trên lưu vực cho kết quả tốt:
- Về phạm vi ngập: phạm vi ngập
từ kết quả tính toán mô hình có sự
tương đồng tốt với phạm vi của các
vết lũ điều tra thu thập được trên
lưu vực (Hình 4);
- Về cao trình mực nước lũ: so
sánh cao trình mực nước lũ giữa
kết quả tính toán và thực tế tại các
điểm vết lũ điều tra cũng có sự phù
hợp tốt. Sai số mực nước lũ trung
bình khoảng 0.5-1.0m (Hình 5).
Hình 4: So sánh phạm vi ngập lụt trận lũ 2009
với các vết lũ điều tra trên lưu vực
Hình 5: So sánh hiệu chỉnh mực nước trận lũ 2009 với cao trình vết lũ điều tra
6
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
3. Kiểm định mô hình
thám Sentinel để kiểm chứng mô hình.
Mô hình được kiểm định lại với trận lũ từ ngày - Kiểm định mực nước tại các trạm đo:
30/11/2016 - 04/12/2016. Đây là trận lũ lớn
Kiểm định mực nước tại các trạm đo cho kết
gây ngập lụt phía sông Vệ và sông Trà Câu,
quả tốt: tại trạm Trà Khúc mực nước tính toán
nhưng lũ không lớn trên sông Trà Khúc: tại
Hmax = 5.34 m thấp hơn đỉnh lũ thực đo 0.11
trạm Sơn Giang Qmax = 2750 m3/s, tại trạm Trà
m; tại trạm Sông Vệ mực nước tính toán Hmax
Khúc Hmax = 5.45 m (trên báo động 2 là 0.45
= 5.06 m thấp hơn đỉnh lũ thực đo 0.12 m
m), tại trạm An Chỉ Qmax = 1530 m3/s, tại trạm
(Hình 6). Chỉ số Nash đánh giá sai số kiểm
Sông Vệ Hmax = 5.18 m (trên báo động 3 là
định mô hình giữa kết quả tính toán và số liệu
0.68 m). Sử dụng tài liệu thực đo mực nước
thực đo cho kết quả tốt: trạm Trà Khúc Nash =
các trạm Trà Khúc, Sông Vệ kết hợp so sánh
0.89, trạm Sông Vệ Nash = 0.76 (Bảng 2).
với phạm vi vùng ngập chiết tách từ ảnh viễn
Bảng 2: Bảng chỉ số Nash đánh giá sai số kiểm định mô hình
Sai số đỉnh
Hmax
Hmax
TT Tên trạm
Tên sông
Chỉ số Nash
tính toán (m) thực đo (m)
(m)
1
2
Trà Khúc Sông Trà Khúc
Sông Vệ Sông Vệ
5.34
5.06
5.45
5.18
0.11
0.12
0.89
0.76
Hình 6: Kiểm định mực nước tại trạm Trà Khúc và Sông Vệ với trận lũ năm 2016
- Kiểm định với phạm vi vùng ngập chiết tách Phước Giang, Bàu Giang, nhưng có sự khác
từ ảnh viễn thám Sentinel
biệt rất lớn về diện ngập ở các khu vực khác,
đặc biệt là phía sông Trà Khúc. Điều nay có
thể lý giải như sau: Trên sông Trà Khúc mực
nước lũ mới trên báo động 2 nên lũ chưa thể
tràn bờ gây ngập lụt trên lưu vực được, các
khu vực ngập xác định được trên ảnh vệ tinh là
các khu có địa hình trũng thấp bị ngập úng cục
bộ do mưa trực tiếp trên bề mặt.
Kết quả kiểm định mô hình với phạm vi ngập
lụt chiết tách từ ảnh Sentinel thể hiện như
Hình 7(b). Phạm vi ngập tính toán từ mô hình
có sự tương đồng khá tốt đối với phạm vi ngập
xác định từ ảnh Sentinel ở những khu vực địa
hình thấp dọc các tuyến sông Vệ, Trà Câu,
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
7
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
(a) Vùng ngập chiết tách từ ảnh Sentinel
(b) So sánh vùng ngập
Hình 7: So sánh phạm vi ngập lụt trận lũ 2016 với vùng ngập chiết tách từ ảnh Sentinel
- Bộ thông số nhám của mô hình Mike Flood: 0.04. Đối với mô hình Mike21 FM, hệ số
nhám bề mặt lưu vực trong khoảng 0.035 -
Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình đã
0.30 tùy thuộc vào từng loại đối tượng. Giá trị
xác định được bộ thông số nhám phù hợp cho
hệ số nhám cụ thể như Bảng 3.
khu vực nghiên cứu. Đối với mô hình Mike11,
hệ số nhám lòng sông trong khoảng 0.02 -
Bảng 3: Bộ thông số nhám của mô hình Mike Flood phù hợp cho vùng nghiên cứu
Phân loại các lớp phủ đặc trưng trên lưu vực
Cát: nền cát ở các khu vực bãi sông, cửa sông
Cây thấp: khu vực cây trồng, lúa và hoa màu
Dân cư: khu dân cư nông thôn và thành thị (nhà cửa)
Nước: khu vực lòng sông chính
Giá trị hệ số nhám (n)
0.04
0.04 - 0.05
0.1 - 0.3
0.033
Rừng: khu vực rừng nguyên sinh và rừng tái sinh (cây cao)
Đất trống: khu vực cây bụi, cỏ (ít thực vật)
Đất xây dựng: khu vực đang san lấp xây dựng công trình
0.12 - 0.2
0.07 - 0.1
0.035
4. Nhận xét kết quả hiệu chỉnh và kiểm định vết lũ có sự tương đồng tốt, mực nước tính
mô hình
toán so với cao trình vết lũ sai số trong khoảng
0.5 - 1.0 m trên phạm vi toàn lưu vực với 57
vết lũ là có thể chấp nhận được. Hệ số nhám
phân bố của mô hình phù hợp với các kết quả
đã công bố của các nghiên cứu trước đây. Như
vậy với việc ứng dụng kết hợp ảnh viễn thám
Mô hình đã được hiệu chỉnh và kiểm định cho
kết quả tốt. Sai số về mực nước tại các trạm
kiểm tra Trà Khúc và Sông Vệ đều chỉ nhỏ
hơn khoảng 10 cm. Phạm vi ngập từ kết quả
tính toán so với phân bố của các điểm điều tra
8
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
KHOA HỌC
làm đầu vào và số liệu kiểm chứng đã nâng 3 là 1.53 m).
CÔNG NGHỆ
cao được độ chính xác cho mô hình, bộ công
cụ mô hình đã đảm bảo độ tin cậy và có thể sử
dụng để tính toán mô phỏng cho các trận lũ
khác trên lưu vực.
Nghiên cứu đã điều tra thu thập được 114 vết
lũ (độ sâu ngập) trên phạm vi toàn lưu vực, độ
sâu ngập phổ biến từ 0.5 - 1.5m, một số điểm
ngập sâu trên 3m. Kết quả tính toán độ sâu
3.2. Mô phỏng ngập lụt trên lưu vực trong ngập so với số liệu điều tra tại các vết lũ cho
một số trận lũ lịch sử
thấy có sai khác khá lớn, phổ biến trong
khoảng 1.0 - 1.5m (Hình 8). Điều này có thể lý
giải là do nguyên nhân: độ sâu ngập lũ tại các
vết lũ điều tra là độ sâu ngập cục bộ với địa
hình thực tế tại điểm vết lũ, trong khi đó độ
sâu ngập lũ tính toán từ mô hình là độ sâu
ngập trung bình của ô lưới tính với địa hình ô
lưới đã trung bình hóa giữa các điểm địa hình.
Trận lũ lịch sử năm 2013
Trận lũ năm 2013 là trận lũ có lưu lượng lũ lớn
nhất đã xảy ra trên cả sông Trà Khúc và sông
Vệ: tại trạm Sơn Giang Qmax = 16400 m3/s, tại
trạm Trà Khúc Hmax = 8.76 m (trên báo động 3
là 2.26 m), tại trạm An Chỉ Qmax = 3770 m3/s,
tại trạm Sông Vệ Hmax = 6.03 m (trên báo động
Hình 8: Độ sâu ngập tại 114 vết lũ điều tra trên lưu vực trong trận lũ 2013
Diện tích ngập và độ sâu ngập: Phạm vi ngập lụt
từ kết quả mô hình có sự tương đồng tốt với
phạm viphân bố của các vết lũ lịch sử năm 2013
điều tra được trên lưu vực (Hình 9). Đạt được sự
tương đồng này là do mô hình đã được hiệu
chỉnh kiểm định tốt, nâng cao được độ chính xác
nhờ kết hợp ảnh viễn thám để xác định hệ số
nhám và diện tích ngập phù hợp cho mô hình.
Kết quả phân tích đã xác định được tổng diện
tích ngập lụt trên lưu vực trong trận lũ lịch sử
năm 2013 là 32030 ha, trong đó những khu vực
bị ngập sâu từ 0.5 - 1.0 m chiếm diện tích nhiều
nhất là 9266 ha, khu vực ngập sâu trên 2m chiếm
diện tích 4439 ha, đặc biệt khu vực ngập sâu trên
3m cũng chiếm tới diện tích 864 ha (Bảng 4).
Bảng 4: Thống kê diện tích ngập lụt trong
trận lũ lịch sử năm 2013
Diện tích ngập tương
Độ sâu ngập (m)
ứng độ sâu ngập (ha)
< 0.2
0.2 - 0.5
0.5 - 1.0
1275
5043
9266
7441
4566
2438
1137
864
1.0 - 1.5
1.5 - 2.0
2.0 - 2.5
2.5 - 3.0
> 3.0
Tổng diện tích ngập (ha)
32030
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
9
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
Bảng 5: Thống kê diện tích ngập lụt trong
trận lũ lịch sử năm 1999
Diện tích ngập
Độ sâu ngập (m)
tương ứng độ sâu
ngập (ha)
< 0.2
0.2 - 0.5
0.5 - 1.0
1.0 - 1.5
1.5 - 2.0
1484
4604
7960
6779
4553
2732
1024
364
2.0 - 2.5
2.5 - 3.0
> 3.0
Tổng diện tích ngập (ha)
29498
Hình 9: So sánh phạm vi ngập lụt trận lũ 2013
với các vết lũ điều tra trên lưu vực
5. Trận lũ lịch sử năm 1999
Trận lũ năm 1999 cũng là trận lũ lớn trên cả
sông Trà Khúc và sông Vệ: tại trạm Sơn
Giang Qmax = 10700 m3/s, tại trạm Trà Khúc
Hmax = 8.36 m (trên báo động 3 là 1.86 m),
tại trạm An Chỉ Qmax = 3500 m3/s, tại trạm
Sông Vệ Hmax = 6.03 m (trên báo động 3 là
1.53 m).
Diện tích ngập và độ sâu ngập: Tổng diện
tích ngập lụt trên lưu vực trong trận lũ lịch
sử năm 1999 là 29498 ha, trong đó những
khu vực bị ngập sâu từ 0.5 - 1.0 m chiếm
diện tích nhiều nhất là 7960 ha, khu vực
ngập sâu trên 2m chiếm diện tích 4120 ha,
khu vực ngập sâu trên 3m chiếm diện tích
364 ha (Bảng 5, Hình 10). Như vậy trận lũ
năm 2009 cũng gây ngập lụt diện rộng
nhưng phạm vi và mức độ ngập vẫn ít hơn
trận lũ năm 2013.
Hình 10: Độ sâu ngập lụt lưu vực trong trận lũ
lịch sử năm 1999
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã ứng dụng được ảnh viễn thám
kết hợp với mô hình mô phỏng để nâng cao độ
chính xác của mô hình Mike Flood tính toán
10
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
ngập lụt cho vùng hạ du lưu vực sông Trà quan trắc khách quan về diện ngập trên lưu
Khúc, sông Vệ. Kết quả nghiên cứu đã xác vực. Tuy nhiên, cần lưu ý phân biệt ngập lụt
định được hệ số nhám bề mặt lưu vực trong do lũ sông và ngập úng do mưa nội đồng khi
khoảng 0.035 - 0.30 tùy thuộc vào từng loại sử dụng kết quả phân tích diện ngập lụt từ ảnh
đối tượng, đây là dữ liệu đầu vào rất quan viễn thám.
trọng cho mô hình Mike Flood. Mô hình được
Phương pháp mô hình toán mô phỏng và
kiểm chứng cho kết quả khá tốt, phù hợp với
phương pháp phân tích ảnh viễn thám trong
dữ liệu các vết lũ điều tra trên lưu vực cũng
nghiên cứu ngập lụt lưu vực đều có những
như phạm vi ngập lụt chiết tách từ ảnh viễn
điểm mạnh và những điểm còn hạn chế, do đó
thám. Phương pháp kết hợp ảnh viễn thám
kết hợp giữa hai phương pháp với nhau, bổ trợ
nâng cao độ chính xác cho mô hình ngập lụt
cho nhau để nâng cao độ chính xác của mô
lần đầu tiên áp dụng cho lưu vực sông Trà
hình mô phỏng là một hướng nghiên cứu đúng
Khúc, sông Vệ tỉnh Quảng Ngãi bước đầu đã
đắn cần phát huy nhân rộng.
cho kết quả tốt, đây là cơ sở khoa học quan
Lời cảm ơn: Bài báo này là một phần kết quả
trọng để ứng dụng mở rộng nghiên cứu cho
của đề tài nghiên cứu cấp Bộ Nông nghiệp và
các lưu vực sông khác trên cả nước.
Phát triển nông thôn: “Nghiên cứu ứng dụng
Hệ số nhám của mô hình xác định từ kết quả
công nghệ GIS và viễn thám để theo dõi, đánh
phân tích ảnh viễn thám có nhiều ưu điểm so
giá, hoàn thiện và nâng cao độ chính xác của
với những phương pháp trước đây: phản ánh
công tác dự báo ngập lụt phục vụ công tác
khách quan và cập nhật kịp thời được những
quản lý phòng chống lũ lụt vùng hạ du các
biến động của các đối tượng trên bề mặt lưu
sông”, chủ nhiệm PGS.TS Nguyễn Thanh
vực; số liệu có độ phân giải không gian khá
Hùng - Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc
chi tiết để phục vụ nghiên cứu. Kết quả phân
gia về động lực học sông biển.
tích ảnh viễn thám cung cấp nguồn dữ liệu
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chu Hải Tùng, Đặng Trường Giang, Phạm Văn Mạnh, Nguyễn Minh Ngọc (2008). Ứng
dụng kết hợp ảnh vệ tinh radar và quang học để thành lập một số thông tin về lớp phủ mặt
đất. Đặc san của Trung tâm Viễn thám quốc gia - Bộ Tài nguyên và Môi trường, số 5 tháng
12 - 2008, tr.1 - 14.
[2] Đặng Văn Bào, Đào Đình Bắc, Nguyễn Quang Mỹ, Vũ Văn Phái, Nguyễn Hiệu (2002).
Bản đồ cảnh báo lũ lụt vùng đồng bằng ven biển Trung Bộ Việt Nam. Tạp chí Khoa học
ĐHQG HN, 2002. KHTN & CN, T.XVIII, N0 2, tr.17 - 25.
[3] Đinh Ngọc Đạt. Báo cáo ứng dụng địa không gian đánh giá nhanh về mưa lũ. Hà Nội,
2015.
[4] Lê Thị Bích Liên. Ứng dụng ảnh vệ tinh MODIS giám sát lũ Đồng Bằng Sông Cửu Long.
Luận văn tốt nghiệp đại học Nông Lâm thành phố Hồ ChíMinh, 2012.
[5] Nguyễn Thành Luân, Nguyễn Thanh Hùng, Vũ Đình Cương, Nguyễn Thu Huyền,
Phạm Quang Sơn, Đặng Hoàng Thanh. Nghiên cứu thành lập bản đồ ngập lụt từ ảnh
viễn thám radar áp dụng cho hạ du lưu vực sông Trà Khúc, sông Vệ, tỉnh Quảng Ngãi.
(Đã gửi và đang chờ chấp nhận đăng ở tạp chí Tạp chí khoa học và kỹ thuật Thủy Lợi
và Môi trường).
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
11
CHUYỂN GIAO
CÔNG NGHỆ
[6] Phạm Văn Chiến và nnk. Nghiên cứu, hiệu chỉnh bản đồ nguy cơ ngập lụt, mốc báo lũ theo
các mức báo động lũ mới phục vụ phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai tỉnh Quảng
Ngãi. Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ, 2013.
[7] Viện Địa lý, Viện hàn lâm KH&CN VN. Nghiên cứu quy hoạch phòng chống và tiêu thoát
lũ sông Trà Khúc và sông Vệ, tỉnh Quảng Ngãi. Hà Nội, 2010.
[8] Alexander Salmonsson. MIKE 21 FM in Urban Flood Risk Analysis. Master of Science
Thesis, 2015.
[9] Bofu Yu. Báo cáo Thủy văn và Hình thái địa hình bồi tích các sông Trà Bồng, Trà Khúc
và Sông Vệ tại Quảng Ngãi, Việt Nam. Dự án Giảm nhẹ thiên tai Quảng Ngãi do Australia
tài trợ. Quảng Ngãi, 2003.
[10] Chow VT. Open Channel Hydraulics. 1959.
[11] Connell Wagner. Tully-Murray Rivers Flood Study Calibration Phase Report. 2006.
[12] Fazlul Karim, Anne Kinsey-Hendersona, Jim Wallacea, Angela H. Arthingtonb and
Richard G.Pearsonc. Modelling wetland connectivity during overbank flooding in a
tropical floodplain in north Queensland, Australia.
[13] Kebede Bishaw. Application of GIS and Remote Sensing Techniques for Flood Hazard and
Risk Assessment: The Case of Dugeda Bora Woreda of Oromiya Regional State, Ethiopia.
Paper for the 2012 Berlin Conference on the Human Dimensions of Global Environmental
Change.
[14] Lomulder, R. Appropriate modelling: Application of Sobek 1D2D for dike break and
overtopping at the Elbe. Universiteit Twente, 2004.
12
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 41 - 2017
12 trang
13/01/2024
18220
Free
Bạn đang xem tài liệu "Ứng dụng ảnh viễn thám trong việc nâng cao độ chính xác của mô phỏng ngập lụt lưu vực Sông Trà khúc tỉnh Quảng Ngãi", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ung_dung_anh_vien_tham_trong_viec_nang_cao_do_chinh_xac_cua.pdf
