Ứng dụng công nghệ viễn thám theo dõi biến động mực nước hồ chứa Ka Nak
07/09/2021
Tài nguyên nước luôn giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia nhất là trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như nước ta hiện nay. Trong nhiều thập niên gần đây, nhiều công nghệ tài nguyên nước đã được áp dụng trên các lưu vực sông. Nhiều nghiên cứu về lưu vực sông được thiết lập từ ngắn hạn tới dài hạn để kiểm kê và quy hoạch tài nguyên nước.

1. Mở đầu

Tài nguyên nước luôn giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia nhất là trong thời kỳ công nghiệp hóa và hiện đại hóa như nước ta hiện nay. Trong nhiều thập niên gần đây, nhiều công nghệ tài nguyên nước đã được áp dụng trên các lưu vực sông. Nhiều nghiên cứu về lưu vực sông được thiết lập từ ngắn hạn tới dài hạn để kiểm kê và quy hoạch tài nguyên nước.

Trong những thập kỷ gần đây, công nghệ viễn thám đã có những bước phát triển vượt bậc và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Công nghệ viễn thám và GIS đã giúp rút ngắn thời gian, tiết kiệm nhân lực và kinh phí một cách đáng kể trong xây dựng các bản đồ chuyên đề và theo dõi sự biến đổi theo không gian và thời gian của các đối tượng trên mặt đất. Trong quản lý tài nguyên và môi trường, công nghệ viễn thám giúp xây dựng các bản đồ địa hình, thảm thực vật, loại đất, phục vụ cung cấp tham số cho các mô hình thuỷ văn, thuỷ lực; kiểm kê biến động tài nguyên đất và nước; quan trắc và dự báo thiên tai (hạn hán, lũ lụt, sạt lở, sụt lún, cháy rừng) và các sự cố môi trường (tràn dầu, lan truyền ô nhiễm); tính toán và dự báo mưa, nhiệt độ khí quyển, bốc thoát hơi và độ ẩm đất, giúp cung cấp đầu vào quan trọng cho các mô hình dự báo lũ lụt, hạn hán.

Ở nước ta, công nghệ viễn thám và GIS ngày càng được quan tâm, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như quân sự, lâm nghiệp và môi trường. Tuy nhiên, trong lĩnh vực tài nguyên nước, ứng dụng của viễn thám và GIS còn tương đối hạn chế. Vì vậy, nhằm bắt kịp với thế giới, việc nghiên cứu công nghệ viễn thám phục vụ quản lý quy hoạch tài nguyên nước là nội dung hết sức cần thiết.

 

2. Giới thiệu đôi nét về lưu vực nghiên cứu

Lưu vực sông Ba là một trong 9 lưu vực sông lớn ở Việt Nam, thuộc địa phận của 4 tỉnh: Gia Lai, Đăk Lăk, Phú Yên và một phần nhỏ thuộc Kon Tum. Phạm vi lưu vực nằm trong khoảng 12035’ - 14038’ vĩ độ Bắc, 180000’ - 190055’ kinh độ Đông với diện tích lưu vực là 13.900 km2. Phía Bắc giáp thượng nguồn sông Trà Khúc, Bắc và Tây Bắc giáp sông Sê San, Tây và Tây Nam giáp sông Srepok. Phía Nam giáp sông Bàn Thạch. Phía Đông là dải Trường Sơn Đông ngăn cách với các lưu vực sông Kone, sông Kỳ Lộ. Sông Ba đổ ra biển Đông ở Đồng Bằng Tuy Hoà tỉnh Phú Yên. Hệ thống sông Ba có mật độ lưới sông là 0,22 km/km2; sông chính sông Ba có chiều dài là 372 km. Sông Ba thuộc loại sông kém phát triển so với các sông khác vùng lân cận. Trong đó, ba sông nhánh lớn nhất là Iayun, Krong Hnang và sông Hinh đều nằm bên phía hữu ngạn.

Lưu vực sông Ba đại bộ phận nằm ở phía Tây dải Trường Sơn, chỉ có phần nhỏ ở hạ lưu nằm phía sườn Đông Trường Sơn. Do tác dụng của dãy Trường Sơn mà lưu vực sông Ba chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của hai kiểu khí hậu gió mùa Đông Trường Sơn và Tây Trường Sơn mang lại khá rõ rệt.

Hình 1: Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Ba

3. Ứng dụng thí điểm công nghệ viễn thám và GIS xác định biến động mực nước hồ chứa

    1. Số liệu sử dụng

Thu thập các thông tin, tài liệu và số liệu thứ cấp về điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội của hồ Ka Nak. Nhà máy được khởi công xây dựng vào ngày 14 tháng 11 năm 2005. Sau 5 năm xây dựng, thủy điện An Khê - Kanak được khánh thành vào năm 2011. Nhà máy thủy điện Ka Nak gồm 2 tổ máy, công suất mỗi tổ máy 6,5MW. Đập dâng chính đổ bê tông bản mặt, cao 68 m. Đỉnh đập rộng 10 m. Đập tràn xả lũ bằng bê tông cốt thép có 3 khoang tràn cho phép đạt lưu lượng xả lũ lớn nhất từ 3311,3 m3/s đến 3907 m3/s. Đường hầm dài 3075,2 m, đường kính 4.5 m. Hồ chứa có dung tích 313,7 triệu m3. Công suất nhà máy là 13MW.

Đồng thời, thu thập các bản đồ sử dụng đất và bản đồ nền địa hình của lưu vực sông Ba, ảnh vệ tinh Landsat 7 chụp từ năm 2015 về trước và ảnh vệ tinh Landsat 8 từ năm 2015 cho đến nay của khu vực nghiên cứu; các kết quả nghiên cứu của các đề tài, dự án, luận văn liên quan đến vấn đề nghiên cứu và khu vực nghiên cứu:

  • Thu thập các tài liệu và số liệu về điều kiện tự nhiên liên quan trên khu vực hồ chứa An Khê và hồ chứa Ka Nak.
  • Thu thập bản đồ nền địa hình, ranh giới hành chính,

 

  • Thu thập một số công trình nghiên cứu liên quan đến ứng dụng của viễn thám đến thủy văn trên thế giới và ở Việt Nam.
  • Thu thập ảnh vệ tinh Landsat 7 và 8 từ Server của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA). https://earthexplorer.usgs.gov/

  • Thu thập 44 ảnh viễn thám từ năm 2001 đến năm 2018 tại khu vực hồ thủy điện Kanak ( chỉ có 21 ảnh từ năm 2012 đến năm 2018 là phù hợp và có thể sử dụng được)

Hình 2: Giao diện trang web của Cơ quan hàng không vũ trụ Mỹ

Bảng 1: Danh sách ảnh vệ tinh Landsat 7&8 thu thập trên khu vực hồ chứa An Khê và hồ chứa Ka Nak

STT

Ngày chụp

STT

Ngày chụp

1

17-Oct-01

23

15-Oct-12

2

16-May-03

24

24-Mar-13

3

8-Nov-03

25

7-Feb-14

4

28-Feb-04

26

3-Mar-14

5

31-Mar-04

27

19-Mar-14

6

10-Nov-04

28

25-Jan-15

7

29-Jan-05

29

26-Feb-15

8

21-May-05

30

6-Mar-15

9

25-Aug-05

31

10-Jun-15

10

13-Nov-05

32

6-Sep-15

11

22-Apr-06

33

17-Nov-15

12

8-May-06

34

13-Feb-16

13

25-Jun-06

35

8-Mar-16

14

21-Dec-07

36

1-Apr-16

15

25-Feb-09

37

25-Apr-16

16

29-Mar-09

38

30-Jul-16

17

20-Aug-09

39

7-Feb-17

 

STT

Ngày chụp

STT

Ngày chụp

18

10-Dec-09

40

11-Mar-17

19

12-Feb-10

41

9-Jul-17

20

6-Jul-10

42

11-Sep-17

21

8-Sep-10

43

14-Nov-17

22

6-Apr-12

44

10-Feb-18

 

    1. Nhận dạng nước và các yếu tố khác

Chỉ số thực vật chuẩn hóa (Normalized Difference Vegetation Index): Các chỉ số thực vật được phân tách từ các băng thị phổ, cận hồng ngoại, hồng ngoại và dải đỏ là các tham số trung gian mà từ đó có thể thấy được các đặc tính khác nhau của thảm thực vật như: sinh khối, chỉ số diện tích lá, khả năng quang hợp, tổng các sản phẩm sinh khối theo mùa. Công nghệ gần đúng để giám sát đặc tính các hệ sinh thái khác nhau là phép nhận dạng chuẩn và phép so sánh giữa chúng.

Có nhiều các chỉ số thực vật khác nhau, nhưng chỉ số thực vật chuẩn hóa (NDVI) được trung bình hóa trong một chuỗi số liệu theo thời gian sẽ là công cụ cơ bản để giám sát sự thay đổi trạng thái thực vật, trên cơ sở đo biết được tác động của thời tiết khí hậu đến tài nguyên nước mặt. Chỉ số NDVI được tính theo công thức sau:

𝑁𝐷𝑉𝐼 =(𝑁𝐼𝑅 − 𝑅)/ (𝑁𝐼𝑅 + 𝑅)

Trong đó NIR, R là phổ phản xạ của bề mặt ở dải sóng cận hồng ngoại và dải đỏ. Giá trị của NDVI là dãy số –1 đến +1; Giá trị NDVI thấp thể hiện nơi đó NIR (near infrared) và R có độ phản xạ gần bằng nhau, cho thấy khu vực đó độ phủ thực vật thấp. Giá trị NDVI có giá trị âm cho thấy ở đó Vi có độ phản xạ cao hơn độ phản xạ của NIR (near infrared), nơi đấy không có thực vật, là những thể mặt nước hay do mây phủ

Hình 3: Chỉ số NDVI tại hồ Ka Nak

Chỉ số khác biệt nước NDWI (Normalized-difference water index): Các chỉ số khác biệt nước được phân tách từ các băng thị phổ, cận hồng ngoại và dải xanh lá cây là các tham số trung gian mà từ đó có thể thấy được các đặc tính khác nhau của nước.

Chỉ số NDWI được tính theo công thức sau:

𝑁𝐷𝑊𝐼 =(𝐺 − 𝑁𝐼𝑅)/(𝐺 + 𝑁𝐼𝑅)

 

Hình 4: Chỉ số NDWI tại hồ Ka Nak

  1. Kết quả quả ứng dụng RS và GIS

 


Tiến hành tỉnh chỉ số thực vật NDVI và NDWI để phân loại tách yếu tố nước, đất thực vật thành các ô cell độc lập sau đó sử dụng công cụ Image classification của phần mềm Arcgis để tách riêng lớp nước mặt trên địa phận hồ An Khê và hồ Kanak với các yếu tố khác kết quả được thể hiện qua hình sau:

Hình 5: Trình tự đánh giá trạng thái lớp nước bề mặt hồ

    Hình 6: Kết quả tách lớp nước bề mặt và các yếu tố khác

Từ các ảnh vệ tinh thu thập được trên Server của Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) theo thời gian từ năm 2012 đến năm 2018 đáp ứng đủ các yêu cầu của ảnh chụp rõ nét không bị mây che phủ hai hồ trong thời gian đó. Kết quả tính diện tích mặt hồ tính toán từ những ảnh vệ tinh phù hợp được thể hiện qua bảng:

Bảng 2: Kết quả tính diện tích mặt hồ từ ảnh vệ tinh khu vực hồ chứa Ka Nak thu thập được từ năm 2012 – 2018

STT

Ngày chụp

Diện tích mặt hồ (km2)

1

14/03/2018

13.9

2

10/2/2018

14.34

3

11/9/2017

7.16

4

9/7/2017

11.33

5

11/3/2017

15.04

6

7/2/2017

14.97

7

13/2/2016

6.67

8

8/3/2016

8.16

9

25/4/2016

8.66

10

1/4/2016

8.59

11

30/7/2016

7.18

12

6/9/2015

4.39

13

6/3/2015

10.48

14

26/02/2015

9.44

15

25/1/2015

7.88

16

19/3/2014

13.62

17

3/3/2014

14.28

 

18

7/2/2014

13.98

19

24/3/2013

9.72

20

15/10/2012

10.16

21

6/4/2012

11.78

 


Để kiểm chứng lại kết quả nghiên cứu tiến hành nội suy mực nước của hồ chứa bằng đường đặc tính của hồ Ka Nak từ diện tích tính toán được từ ảnh vệ tinh Landsat thông qua hai chỉ số NDVI và NDWI.

Hình 7: Đường đặc tính hồ chứa của hồ Ka Nak

 


Với số liệu mực nước hồ Ka Nak được thu thập trích suất từ trang hệ thống thu thập số liệu quan trắc và vận hành hồ chứa thủy điện:

Hình 8: Giao diện trang web hồ chứa thủy điện

Kết quả so sánh từ diện tích mặt nước hồ tính toán từ ảnh vệ tinh và kết quả nội suy từ quan hệ F~Z của hồ được thể hiện qua bảng:

Bảng 3: Kết quả kiểm tra diện tích mặt nước hồ Ka Nak

 

Ngày chụp

H thực đo (m)

 

H ndvi (m)

H ndwi (m)

6-Apr-12

507.3

505.0

504.8

15-Oct-12

507.1

502.0

500.0

24-Mar-13

505.8

501.2

502.6

7-Feb-14

513.3

509.0

508.4

3-Mar-14

511.4

509.5

507.4

19-Mar-14

508.6

508.3

505.7

25-Jan-15

505.2

497.4

497.8

26-Feb-15

505.6

500.6

501.5

6-Mar-15

505.2

502.6

501.3

6-Sep-15

490.6

488.5

488.0

13-Feb-16

498.1

495.8

495.9

8-Mar-16

501.2

498.9

494.7

1-Apr-16

500.8

499.1

497.5

25-Apr-16

501.6

498.0

497.4

30-Jul-16

502.4

494.6

499.8

7-Feb-17

514.9

510.8

510.2

11-Mar-17

514.1

510.9

509.6

9-Jul-17

506.0

504.2

503.8

11-Sep-17

497.9

495.8

495.2

10-Feb-18

513.4

509.6

507.8

14-Mar-18

513.1

508.8

506.0

 

 

Hình 9: So sánh mực nước hồ Ka Nak

 


Qua kết quả so sánh diện tích mặt nước từ năm 2012 đến năm 2018 từ tính toán từ ảnh vệ tinh bằng chỉ số NDVI lẫn chỉ số NDWI có thể thấy mực nươc tính từ đường đặc tính hồ chứa từ ảnh vệ tinh có xu thế khá tương đồng với quá trình thay đổi mực nước hồ theo thời gian vận hành thực tế. Kết quả tính toán mực nước tại hồ Ka Nak bằng cả 2 chỉ số cho kết quả khá đúng với xu thế của mực nước thực tế . Qua Bảng 3 cho thấy chêch lệch lớn nhất giữa mực nước tính từ ảnh vệ tinh bằng chỉ số NDVI và mực nước từ đường đặc tính F~Z tại hồ Ka Nak là 7,8m.

Hình 10: Tương quan diện tích mặt nước hồ Ka Nak tính theo ảnh vệ tinh và tính từ đường quan hệ lòng hồ

Qua hình cho thấy sự tương quan giữa mực nước hồ tính từ ảnh vệ tinh và mực nước hồ thực tế đo đạc tại hồ Ka Nak lại cao lên tới 0.9 chứng tỏ ảnh vệ tinh phản ánh thay đổi mực nước tại hồ Ka Nak về xu thế là tốt. Kết quả cho thấy tính toán bằng ảnh vệ tinh Landsat 7 và 8 chưa phản ánh được hết diện tích mặt nước trên toàn bộ diện tích mặt hồ. Kết quả như vậy một là do chất lượng ảnh vệ tinh hiện tại đang sử dụng là 30m x 30m nên sai số khi tính toán là khá lớn hơn nữa ảnh vệ tinh hiện nay lại phụ thuộc nhiều vào mây nên khi tách nước và các yếu tố khác vẫn còn hạn chế cần khắc phục.

Kết luận

Chỉ số vật lý chiết xuất từ ảnh vệ tinh trong thời gian (2001 – 2018) cho phép tính toán chỉ số thực vật NDVI và chỉ số NDWI làm cơ sở mô tả, theo dõi trạng thái lớp nước mặt trên địa phận hồ chứa Ka Nak. Việc sử dụng các dữ liệu viễn thám để tính toán các chỉ số thực vật là rất khách quan, nó phản ánh trung thực diễn biến lớp phủ bề mặt mà không phụ thuộc vào tính chủ quan của con người.

Trong qua trình nghiên cứu đã sử dụng phần mềm ENVI để xử lý ảnh vệ tinh, rồi sau đó sử dụng phần mềm ARCGIS để phân tích tính toán đều là phần mềm phổ biến trên thế giới và Việt Nam thuận lợi cho các công tác nghiên cứu sau này.

Kết quả cho thấy phương pháp tính toán bằng ảnh vệ tinh Landsat 7 & 8 cho kết quả phù hợp với xu thế diễn biến chung của mực nước hồ Ka Nak thực tế. Kết quả như vậy một là do chất lượng ảnh vệ tinh còn thấp nên sai số khi tính toán là khá lớn hơn. Do vậy cần nghiên cứu sâu hơn để giảm sai số khi tách nước và yếu tố khác từ ảnh vệ tinh.

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

  1. Dương Văn Khảm, Đề tài “Nghiên cứu công nghệ viễn thám (RS) và hệ thống thông tin địa lý (GIS) trong khí tượng thủy văn” (2008), Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu.
  2. Trần Vân Anh, Nguyễn Thị Yên Giang (2011), Bài giảng Hệ thống thông tin địa lý, Đại học Mỏ địa chất.
  3. Luận văn “Sử dụng ảnh viễn thám Landsat nghiên cứu biến động thảm che phủ thực vật tại huyện Giao Thủy, tỉnh Nam Định” – Học viện môi trường Việt Nam
  4. Victor Klemas and Aline Pieterse, Using Remote Sensing to Map and Monitor Water Resources in Arid and Semiarid Regions
  5. Geospatial Applications for Natural Resources Management - Chander Kumar Singh
  6. Cơ quan Đo đạc địa chất Mỹ USGS, Thông tin chi tiết về vệ tinh Landsat 8, http://landsat.usgs.gov/landsat8.php, 10/3/2016.
  7. Cơ quan Đo đạc địa chất Mỹ USGS, Ảnh vệ tinh Landsat, http://earthexplorer.usgs.gov/
Nguồn tin: Viện Khoa học tài nguyên nước Bộ Tài nguyên và Môi trường - http://wri.vn/Pages/ung-dung-cong-nghe-vien-tham-theo-doi-bien-dong-muc-nuoc-chua-ho-ka-nak.aspx