Luận văn Khai thác sử dụng số liệu mưa vệ tinh trong dự báo lũ lưu vực sông mê kông (từ chiang saen đến stung treng)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------ Nguyễn Quốc Anh KHAI THÁC SỬ DỤNG SỐ LIỆU MƯA VỆ TINH TRONG DỰ BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG MÊ KÔNG (TỪ CHIANG SAEN ĐẾN STUNG TRENG) LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------------- Nguyễn Quốc Anh KHAI THÁC SỬ DỤNG SỐ LIỆU MƯA VỆ TINH TRONG DỰ BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG MÊ KÔNG (TỪ CHIANG SAEN ĐẾN STUNG TRENG) Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 604490 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH SƠN Hà Nội – 2012 i LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sỹ khoa học “Khai thác sử dụng số liệu mưa vệ tinh trong dự báo lũ lưu vực sông Mê Kông (từ Chiang Saen đến Stung Treng)” được hoàn thành vào năm 2012 tại Khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải dương học, thuộc trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ rất nhiều của các thầy cô giáo và đồng nghiệp. Trước hết, tác giả xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Sơn là người đã trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ trong quá trình hoàn thành luận văn. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến lãnh đạo, đồng nghiệp Trung tâm Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, Ủy hội sông Mê Kông Quốc tế (Mekong River Commission Secretariat - MRCS), Ủy ban sông Mê Kông Việt Nam (Vietnam Mekong Commission - VNMC) trong việc hoàn thành nghiên cứu này. Đặc biệt, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Chương trình quản lý và giảm thiểu lũ (Flood Management and Mitigation Programeme - FMMP) đã tạo điều kiện tốt nhất trong quá trình hoàn thành luận văn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các Thầy, Cô giáo trong Khoa Khí tượng, Thủy văn và Hải dương học đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tác giả cảm ơn gia đình, bạn bè đã động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Với kiến thức còn hạn hẹp, chắc chắn luận văn vẫn còn nhiều hạn chế và thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong muốn nhận được sự góp ý quý báu của độc giả và các bạn đồng nghiệp. Hà nội, ngày 16 tháng 10 năm 2012 Tác giả Nguyễn Quốc Anh ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LƯU VỰC SÔNG MÊ KÔNG .................................. 5 1.1 ĐIỀU KIỆN ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG MÊ KÔNG ................ 5 1.1.1 Vị trí địa lý ............................................................................................... 5 1.1.2 Địa hình, địa chất, thảm phủ ..................................................................... 6 1.1.3 Điều kiện khí tượng, khí hậu .................................................................... 8 1.1.4 Điều kiện thủy văn ................................................................................. 11 1.2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH DỰ BÁO LŨ SÔNG MÊ KÔNG ............. 15 1.2.1 Sự ra đời của Trung tâm quản lý và giảm nhẹ lũ vùng (RFMMC) .......... 15 1.2.2 Hệ thống dự báo cảnh báo lũ sông Mê Kông .......................................... 16 1.2.3 Nhiệm vụ dự báo lũ sông Mê Kông ........................................................ 21 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG CÔNG CỤ KHAI THÁC SỐ LIỆU MƯA VỆ TINH . 24 2.1 KHÁI QUÁT MƯA VỆ TINH PHỤC VỤ DỰ BÁO LŨ SÔNG MÊ KÔNG .............................................................................................................................. 24 2.1.1 Nguồn số liệu SRE (Satellite Rainfall Estimate) ..................................... 24 2.1.2 Nguồn số liệu GFAS (Global Forecast Alert System) ............................. 25 2.1.3 Nguồn số liệu GSMaP (Global Satellite Mapping of Precipitation) ........ 26 2.1.4 Nguồn số liệu TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) ............... 27 2.2 XÂY DỰNG CÔNG CỤ KHAI THÁC DỮ LIỆU GFAS ............................ 28 2.2.1 Cấu trúc dữ liệu của GFAS..................................................................... 29 2.2.2 Các thành phần của công cụ khai thác .................................................... 29 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TOÁN THỦY VĂN NAM DỰ BÁO DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG MÊ KÔNG ...................................................... 36 3.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH NAM ....................................................... 36 3.1.1 Cấu trúc mô hình NAM .......................................................................... 36 3.1.2 Bộ thông số mô hình .............................................................................. 39 3.2 PHƯƠNG PHÁP DIỄN TOÁN LŨ MUSKINGUM .................................... 41 iii 3.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp Muskingum ........................................ 41 3.2.2 Các thông số và giới hạn của Muskingum .............................................. 42 3.3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH NAM SỬ DỤNG SỐ LIỆU MƯA GFAS ............. 42 3.3.1 Xây dựng công cụ phục vụ dự báo tác nghiệp ........................................ 42 3.3.2 Kết quả mô phỏng của mô hình NAM .................................................... 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 63 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 65 iv DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 – Bản đổ lưu vực sông Mê Kông ................................................................. 5 Hình 2 – Mô tả địa lý sông Mê Kông ....................................................................... 6 Hình 3 – Lượng mưa trung bình nhiều năm một số trạm ........................................ 10 Hình 4 – Bản đồ mạng lưới sông suối và trạm thủy văn lưu vực sông Mê Kông .... 12 Hình 5 – Sơ đồ mô tả hệ thống cảnh báo, dự báo lũ sông Mê Kông. ...................... 18 Hình 6 – Mô hình hóa trong mô hình URBS .......................................................... 19 Hình 7 – Giao diện mô hình URBS ....................................................................... 19 Hình 8 – Giao diện thể hiện kết quả của mô hình dưới dạng đồ họa ....................... 20 Hình 9 – Giao diện chính của mô hình ISIS ........................................................... 20 Hình 10 – Bản tin dự báo và kết quả dưới dạng đồ thị ........................................... 21 Hình 11 – Mô phỏng mưa vệ tinh bằng bản đồ trực quan ....................................... 21 Hình 12 – Sơ đồ dự báo lũ lưu vực sông Mê Kông ................................................ 23 Hình 13 – Số liệu mưa SRE được thể hiện bởi GIS – ArcGIS. ............................... 25 Hình 14 – Bản đồ lượng mưa GFAS được lấy từ trang web ................................... 26 Hình 15 – Số liệu GSMaP với độ phân giải 0.1 x 01 độ kinh/vĩ độ ....................... 26 Hình 16 – Số liệu GSMaP với độ phân giải 0.25 x 0.25 độ kinh/vĩ độ .................. 27 Hình 17 – Sơ đồ vệ tinh TRMM đo và phân tích mưa. ........................................... 27 Hình 18 – Sơ đồ khai thác và sử dụng số liệu GFAS cho mô hình NAM ............... 28 Hình 19 – Số liệu mưa GFAS thể hiện bằng ArcGIS ............................................ 29 Hình 20 – Giao diện phần mềm Filezilla tải xuống số liệu GFAS ......................... 30 Hình 21 – Số liệu GFAS ban đầu được nén bằng file zip ...................................... 30 Hình 22 – Mô tả chuyển đổi tự động số liệu GFAS............................................... 31 Hình 23 – Sơ đồ thuật toán lấy số liệu GFAS theo điểm ....................................... 31 Hình 24 – Bản đồ phân bố mưa theo không gian .................................................. 32 Hinh 25 – Điểm đo GFAS gần 56 trạm đo thực tế trên lưu vực Mê Kông ............. 33 Hình 26 – Tạo đầu vào cho mô hình NAM ........................................................... 34 Hình 27 – Số liệu GFAS được lấy theo tiểu lưu vực ............................................ 34 Hình 28 – Cấu trúc mô hình NAM ........................................................................ 37 Hình 29 – Sơ đồ mô tả làm việc của công cụ ......................................................... 44 v Hình 30 – Giao diện chính của công cụ ................................................................. 45 Hình 31 – Giao diện một số thuộc tính của công cụ .............................................. 45 Hình 32 – Mô tả diễn toán MUSKINGUM cho một đoạn sông .............................. 45 Hình 33 – Các tiểu lưu vực nghiên cứu .................................................................. 46 Hình 34 – Kết quả mô phỏng đỉnh lũ tại trạm LuangPraban ................................. 50 Hình 35 – Kết quả mô phỏng đỉnh lũ tại trạm Vientaine ........................................ 51 Hình 36 – Kết quả mô phỏng đỉnh lũ tại Nakhonphanon ....................................... 53 Hình 37 – Kết quả mô phỏng đỉnh lũ tại trạm Mudhan ......................................... 54 Hình 38 – Kết quả mô phỏng đỉnh lũ tại trạm Pakse ............................................. 56 Hình 39 – Kết quả mô phỏng đỉnh lũ tại trạm Strungtreng .................................... 57 Hình 40 – Quá trình thực đo và tính toán tại trạm Luangbang ............................... 58 Hình 41 – Quá trình lũ thực đo và tính toán trạm Vien Tiane ................................. 59 Hình 42 – Quá trình lũ thực đo và tính toán tại trạm Pakse .................................... 59 Hình 43 – Quá trình lũ thực đo và tính toán tại trạm Tung Streng .......................... 60 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 – Lưu vực Mê Kông qua 04 quốc gia thuộc tiểu vùng .................................. 8 Bảng 2 – Tổng quan về các mùa của lưu vực sông Mê Kông ................................... 8 Bảng 3 – Tổng lượng mưa trung bình tháng nhiều năm của một số trạm................ 10 Bảng 4 – Tỷ lệ đóng góp dòng chảy của các nhánh sông bờ tả bờ hữu ................... 13 Bảng 5 – Danh sách các trạm dự báo trên lưu vực sông Mê Kông ......................... 22 Bảng 6 – Thời gian dự kiến dự báo lũ trên lưu vực sông Mê Kông ........................ 22 Bảng 7 – Số liệu GFAS được lấy theo điểm gần điểm đo thực tế ........................... 32 Bảng 8 – Kết quả mưa bình quân tiểu lưu vực 1 từ dữ liệu GFAS. ........................ 34 Bảng 9 – Điều kiện ban đầu của mô hình NAM .................................................... 47 Bảng 10 – Kết quả thông của NAM và MUSKINGUM ........................................ 48 Bảng 11 – Đánh giá kết quả mô phỏng lũ tại Luang Prabang ................................. 49 Bảng 12 – Đánh giá kết quả mô phỏng lũ tại Vientaine ......................................... 51 Bảng 13 – Đánh giá kết quả mô phỏng lũ tại Nakhonphanon ................................. 52 Bảng 14 – Đánh giá kết quả mô phỏng lũ tại Mudhan ............................................ 53 Bảng 15 – Đánh giá kết quả mô phỏng lũ tại Pakse ............................................... 55 vi Bảng 16 – Đánh giá kết quả mô phỏng lũ tại Strungtreng ...................................... 56 Bảng 17 – Kết quả đánh giá mức đảm bảo dự báo cho một số trạm ....................... 58 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT - ĐBSCL: Đồng Bằng Sông Cửu Long - FMMP: Flood Mitigation and Managent Programme – Chương trình quản lý và giảm nhẹ lũ - FEWS: Flood E Warning System – Hệ thống cảnh báo lũ (công cụ của FMMP) - GIS : Geographic Information System - GFAS : Global Forecast Alert System – Hệ thống cảnh báo toàn cầu - GSMaP: Global Satellite Mapping of Precipitation – Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu - IDI: Infrastructure Development Institute – Viện phát triển Cơ sở hạ tầng (Nhật bản) - IFNet: International Flood Nework – Mạng lưới lũ Quốc tế - JAXA: Japan Aerospace Exploration Agency – Cơ quan thám hiểm vũ trụ Nhật bản - JSI: Japan Science Institute – Viện khoa học Nhật bản - MRCS: Mekong River Commission Secretariat – Ban thư ký Ủy hội sông Mê Kông. - NASA: National Aeronautics and Space Administration – Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ - NOAA: National Oceanic and Atmospheric Administration – Cơ quan hải dương và khí quyển Mỹ - RFMMC: Regional Flood Mitigation and Management Center – Trung tâm quản lý và giảm nhẹ lũ vùng. - SRE: Satellite Rainfall Estimate – Mưa vệ tinh ước lượng - SSARR: Stream Synthesis and Reservoir Regulation – Mô hình toán thủy văn của Mỹ. - TRMM: Tropical Rainfall Measuring Mission – Vệ tinh đo mưa khu vực nhiệt đới 1 MỞ ĐẦU Việc cung cấp các thông tin dự báo lũ kịp thời, đủ độ chính xác và chi tiết đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc phòng chống và giảm nhẹ thiên tai do nó gây ra nhằm phát triển kinh tế xã hội của một quốc gia. Các nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa như khu vực Đông Nam Á, sự hình thành dòng chảy lũ trong lưu vực sông chủ yếu được hình thành từ mưa. Như vậy, trong công tác dự báo tác nghiệp thủy văn, số liệu mưa được cho là dữ liệu đầu vào sống còn cho các mô hình toán mô phỏng quá trình mưa – lũ. Do nhiều điều kiện kinh tế, địa hình mà khả năng xây dựng các trạm đo mưa là không thể đối với một số khu vực. Khi đó, các số liệu có độ tin cậy cao từ các thiết bị viễn thám như vệ tinh là hết sức quan trọng và có thể nói rằng là giải pháp tốt nhất để khắc phục cho khả năng không thể đặt được trạm đo mưa. Tuy nhiên, sau khi đã có được sản phẩm số liệu từ vệ tình này thì việc khai thác nó như thế nào để phục vụ cho mục tiêu của bài toán đặt ra là vấn đề không hề đơn giản. Ngày nay, do sự phát triển mạnh mẽ của công cụ thông tin địa lý (GIS) và viễn thám nên việc khai thác các số liệu từ sản phẩm vệ tinh trở nên linh hoạt và hữu hiệu hơn. Với những kiến thức được đào tạo trong suốt quá trình học tập cao học tại Khoa Khí tượng thủy văn và Hải dương học thuộc Đại học Khoa học Tự nhiên Hà nội, cũng như kinh nghiệm được làm việc tại cơ quan đầu ngành về dự báo thủy văn của Việt Nam, đặc biệt thời gian được thực tập làm việc tại Chương trình quản lý và giảm thiểu lũ (FMMP), Ủy hội sông Mê Kông Quốc tế, học viên đã thực hiện đề tài “Khai thác sử dụng số liệu mưa vệ tinh trong dự báo lũ lưu vực sông Mê Kông (từ Cheang Sean đến Stung Treng)” nhằm ứng dụng kỹ thuật GIS khai thác số liệu mưa vệ tinh làm đầu vào cho mô hình thủy văn NAM phục vụ việc mô phỏng, dự báo lũ sông Mê Kông (đoạn từ Cheang Sean đến Stung Treng). Mê Kông là một chủ lưu rộng lớn chạy dài từ biên giới Miến Điện (Myanmar) đến biển, dọc theo dòng chảy không gặp một hợp lưu nào đáng kể, gây ấn tượng: “sự hình thành dòng chảy trên sông chủ yếu do mưa, chuyển động của nước dọc dòng chính chủ yếu do tác động của dòng chảy tuyến trên”. Là một dòng sông quốc tế, sông Mê Kông đóng vai trò quan trọng đặc biệt trong sự phát triển kinh tế, chính 2 trị cho các Quốc gia thuộc tiểu vùng Mê Kông (Lào, Campuchia , Thái Lan và Việt Nam). Nhằm sử dụng tài nguyên nước một cách tổng hợp và bền vững, Ủy hội sông Mê Kông Quốc tế được thành lập sau Hiệp định “hợp tác phát triển bền vững lưu vực sông Mê Kông – năm 1995” [12]. Thực tế, theo các báo cáo hàng năm kể từ sau khi Ủy hội được thành lập cho đến trước khi Trung tâm quản lý và giảm thiểu lũ (RFMMC) ra đời; nằm trong Chương trình quản lý và giảm thiểu (FMMP) của Ủy hội ; ngoài những lợi ích do lũ đem lại thì thiệt hại do lũ đối với con người và của cải cho các quốc gia tiểu vùng thật khôn lường. Có lẽ, những thiệt hại từ lũ đã thúc đẩy Chính phủ Việt Nam, và được các quốc gia khác đồng ủng hộ, Chiến lược quản lý lũ của Ủy hội sông Mê Kông Quốc tế đã được thông qua năm 2001[`12]. Tiếp theo đó, dựa trên chiến lược thì Chương trình quản lý và giảm nhẹ lũ (FMMP – Flood Management and Mitigation Programme) được thực hiện từ năm 2004 với mục tiêu chung là “ngăn chặn và giảm thiểu thiệt hại về người và của do lũ gây ra, nhưng vẫn duy trì được những lợi ích do lũ mang lại”[12]. Đến đầu năm 2005, Ủy hội sông Mê Kông Quốc tế và được sự đồng ý của các Quốc gia thuộc tiểu vùng sông Mê Kông (Lào, Campuchia, Thái Lan và Việt Nam) đã thành lập Trung tâm quản lý và giảm thiểu lũ vùng (RFMMC) đặt tại Camphuchia với nhiệm vụ chính là cảnh báo và dự báo lũ cho toàn hệ thống sông Mê Kông nhằm quản lý và giảm thiểu các thiệt hại do lũ gây ra trong lưu vực. Từ khi được thành lập đến nay, RFMMC đã không ngừng phát triển hệ thống cảnh báo, dự báo lũ. Đã có nhiều nghiên cứu trong việc ứng dụng công cụ kỹ thuật cao như GIS nhằm khai thác sản phẩm của vệ tinh như: mưa, gió, nhiệt độ phục vụ làm đầu vào cho các mô hình thủy văn, thủy lực phục vụ bài toán dự báo lũ. Hiện nay, Trung tâm đã và đang sử dụng một công nghệ hoàn hảo trong đó tích hợp việc phân tích không gian, thời gian các số liệu đầu vào, vận hành hệ thống mô hình toán thủy văn, thủy lực nhằm phục vụ dự báo tác nghiệp cho toàn bộ lưu vực sông Mê Kông. Tuy nhiên, là tổ chức Quốc tế, công cụ của hệ thống có tính bản quyền cao nên không được sử dụng khi chưa có sự cho phép của tác giả. Đây là một trong những lý do chính cùng với mong muốn được học hỏi, nâng cao trình độ chuyên 3 môn và mong muốn áp dụng các kiến thức được đã được đào tạo qua khóa học thạc sỹ. Dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn Thanh Sơn, tác giả đã làm việc nghiêm túc và đã hoàn thành luận văn với những nội dung chính sau đây: Về phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp thu thập số liệu - Phương pháp thống kê - Phương pháp mô hình hóa Về phạm vi của luận văn: - Phạm vi không gian Lưu vực sông Mê Kông (từ Cheang Sean đến Stung Treng) - Phạm vi chuyên môn: Khai thác số liệu mưa vệ tinh trong dự báo thủy văn Mục tiêu của luận văn: - Tìm hiểu về đặc điểm lưu vực sông Mê Kông, các khái niệm cơ bản về số liệu mưa vệ tinh. - Nghiên cứu khai thác số liệu mưa vệ tinh bằng công cụ GIS. - Sử dụng số liệu mưa vệ tinh làm đầu vào cho mô hình thủy văn phục vụ bài toán dự báo thủy văn. - Ứng dụng mô phỏng, dự báo dòng chảy lưu vực sông Mê Kông từ Cheang Sean đến Stung Streng) bằng mô hình toán thủy văn NAM. Bố cục của luận văn: Phần mở đầu: Nội dung chủ yếu là giới thiệu tổng quát về dự báo thủy văn nói chung, việc sử dụng số liệu mưa vệ tinh trong dự báo thủy văn (mục đích và lợi ích), giới thiệu sơ qua về việc thành lập Ủy hội sông Mê Kông Quốc tế, Trung tâm quản lý và giảm thiểu lũ vùng. Chương 1 “Tổng quan lưu vực sông Mê Kông”: có hai nội dung chính; i) trình bày điều kiện khí tượng thủy văn, khí hậu của lưu vực sông Mê Kông. ii) giới thiệu sự ra đời của RFMMC và hệ thống cảnh báo, dự báo lũ đang được sử dụng tại Trung tâm. Chương 2 “Xây dựng công cụ khai thác mưa vệ tinh” : có hai nội dung chính trong chương này; i) Giới thiệu các nguồn dữ liệu vệ tinh đang được ứng dụng trong 4 dự báo tác nghiệp tại RFMMC. ii) trình bày chi tiết việc xây dựng công cụ khai thác số liệu mưa vệ tinh làm đầu vào cho mô hình thủy văn NAM; được tác giả xây dựng trên ngôn ngữ Visual Basic 6. Chương 3 “Ứng dụng số liệu mưa vệ tinh làm đầu cho mô hình toán thủy văn NAM trong dự báo lũ sông Mê Kông”: có bốn nội dung chính trong chương này i) Giới thiệu lý thuyết mô hình NAM. ii) Giới thiệu lý thuyết phương pháp diễn toán Muskingum. iii) Trình bày việc xây dựng công cụ phục vụ việc ứng dụng mô hình toán NAM cho mô phỏng, dự báo lũ sông Mê Kông. iiii) Nhận xét kết quả mô phỏng mưa dòng chảy lũ sông Mê Kông bằng mô hình NAM từ đầu vào là số liệu mưa vệ tinh. Phần kết luận và kiến nghị: Trình bày một số kết quả của luận văn đã đạt được và kiến nghị một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Tài