BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
NGUYỄN BẢO TRIỀU ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC HỆ THỐNG
SÔNG CÁI PHAN RANG VÀ XÂY DỰNG CƠ SỞ
DỮ LIỆU PHỤC VỤ QUẢN LÝ LƯU VỰC
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã ngành: 60520320
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 03 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN BẢO TRIỀU
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
25 tháng 4 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 GS.TSKH Nguyễn Trọng Cẩn Chủ tịch
2 TS. Trịnh Hoàng Ngạn Phản biện 1
3 TS. Nguyễn Xuân Trường Phản biện 2
4 TS. Thái Văn Nam Ủy viên
5 TS. Nguyễn Thị Hai Ủy viên, thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa
chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TS. Vũ Văn Nghị
i
LỜI CAM ĐOAN
Đề tài “ Đánh giá tài nguyên nước hệ thống sông cái Phan Rang và xây dựng
cơ sở dữ liệu phục vụ quản lý lưu vực” được xây dựng dựa trên các số liệu thống kê,
các tài liệu, báo cáo từ các sở, ban ngành trong tỉnh Ninh Thuận và Công ty Nước
và Môi trường Binh Minh và được cập nhật trên cơ sở khảo sát thực địa.
Luận văn là công trình nghiên cứu của tác giả và là một nhánh của đề tài
KH&CN “Nghiên cứu đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông Cái và khả năng đáp
ứng cho nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội tỉnh Ninh Thuận đến năm 2020 và tầm
nhìn 2030” do Vũ Văn Nghị làm chủ nhiệm; tài liệu và kết quả nghiên cứu được sự
hướng dẫn và cho phép của Chủ nhiệm để trích dẫn và công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được
cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện luận văn Nguyễn Bảo Triều
ii
LỜI CÁM ƠN
2
-
hệ số hiệu quả mô hình, r - hệ số tương quan Pearson và Bias - sai số tổng lượng,
kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình cho thấy sự phù hợp giữa số liệu thực đo
và mô phỏng, sau đó dòng chảy tại từng ô lưới với độ phân giải 30's được xác định
cho toàn bộ lưu vực từ 1985-2011. Từ các dữ liệu trích xuất từ mô hình, tiềm năng
nguồn nước sông Cái Phan Rang được đánh giá qua việc tính toán các đặc trưng
dòng chảy như dòng chảy năm/mùa (lũ, kiệt) theo các tần suất thiết kế khác nhau:
P=5% - năm nhiều nước, P=50% - năm nước trung và P=90% năm ít nước. Kết quả
cho thấy tiềm năng tài nguyên nước lưu vực sông Cái thuộc loại khan hiếm, dòng
chảy hàng năm có sự biến động lớn và phân bố không đều theo không-thời gian, đòi
hỏi phải có các giải pháp điều phối hợp lý. Đồng thời, cơ sở dữ liệu tài nguyên nước
tích hợp với công nghệ GIS bao gồm dữ liệu thuộc tính và dữ liệu không gian đã
được xây dựng, hỗ trợ hữu ích cho công tác quản lý tài nguyên nước trên lưu vực. iv
ABTRACT
Water resources on Cai Phan Rang river basin plays an important role for the
socio-economic development of Ninh Thuan province. Under circumstance in
increasing water demand of users the management, exploitation and sustainable use
of this river system's water resources become urgently required issues. To solve
these issues, as one of main contents the hydrological model FRASC was applied to
simulate discharges on Cai Phan Rang river basin. Based on the criteria as R
2
-
model efficiency coefficient, r - Pearson coefficient and Bias – overall volume
error, results from model calibration and verification show the suitability between
observational and simulated hydrographs, and then discharges anywhere on Cai
4. NỘI DUNG THỰC HIỆN 3
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4
Cách tiếp cận 4
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng 5
6. TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU 6
Về lĩnh vực mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước 7
Ngoài nước 7
Trong nước 8
CHƯƠNG 1: MÔ TẢ LƯU VỰC SÔNG CÁI PHAN RANG 11
1.1. GIỚI THIỆU 11
1.2. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 11
1.2.1. Vị trí địa lý 11
1.2.2. Địa hình 11
1.2.3. Thổ nhưỡng 13
vi
1.2.4. Thảm thực vật 14
1.2.5. Khí tượng thủy văn 15
1.2.5.1. Khí tượng 15
1.2.5.2. Hệ thống sông ngòi 18
1.2.5.3. Chế độ dòng chảy 19
1.3. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI 20
1.3.1. Dân số 20
1.3.2. Các hoạt động kinh tế 21
1.3.2.1. Công nghiệp 21
1.3.2.2. Nông nghiệp – lâm nghiệp – thủy sản 22
1.3.2.3. Du lịch dịch vụ 23
1.3.3. Cơ sở hạ tầng 24
1.3.3.1. Mạng lưới giao thông 24
1.3.3.2. Mạng lưới điện 25
3.2. NGUỒN TÀI LIỆU 71
3.2.1. Tài liệu bản đồ 71
3.2.2. Số liệu đo đạc và quan trắc thủy văn 71
3.2.3. Dữ liệu kết quả mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cái Phan Rang 72
3.3. YÊU CẦU CHUNG VỀ XÂY DỰNG CSDL 72
3.4. NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH DỮ LIỆU KHÔNG GIAN 72
3.4.1. Phân tích và xác định đối tượng 73
3.4.2. Khối lượng dữ liệu đưa vào cơ sở dữ liệu 77
3.5. NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH DỮ LIỆU THUỘC TÍNH 78
3.6. MÔ HÌNH CSDL TÀI NGUYÊN NƯỚC SÔNG CÁI PHAN RANG 85
3.7. MÔ HÌNH QUẢN LÝ CSDL 92
3.8. LẬP TRÌNH PHẦN MỀM ỨNG DỤNG QUẢN LÝ CSDL 94
3.8.1. Giới thiệu thư viện lập trình ArcGIS Engine 94
3.8.2. Ứng dụng phần mềm quản lý CSDL tài nguyên nước sông Cái 96
3.9. KẾT LUẬN 101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102
PHỤ LỤC 108
viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CN Công nghiệp
CSDL Cơ sở dữ liệu
DEM Mô hình độ cao số (Digital Elevation Model)
FRASC Mô phỏng lũy tích diễn toán dòng chảy trên
lưu vực (Flow Routed Accumulation
Simulation in a Catchment)
GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic
Information Systems)
Bảng 3.8 Mô hình quản lý cơ sở dữ liệu tài nguyên nước sông Cái Phan Rang 93 x
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Bản đồ địa hình và cao độ Ninh Thuận độ phân giải 30 m x 30m 12
Hình 1.2 Phân bố lượng mưa trung bình tháng nhiều năm vùng nghiên cứu 17
Hình 1.3 Hệ thống sông ngòi lưu vực sông Cái Phan Rang 18
Hình 2.1 Sơ đồ tính toán mô hình FRASC 33
Hình 2.2 Phân bố sức chứa nước ứng suất trong lưu vực 35
Hình 2.3 Đường phân phối sức chứa nước tự do 38
Hình 2.4 Ảnh raster phân vùng các tiểu lưu vực tính toán 43
Hình 2.5 Ảnh thảm phủ thực vật lưu vực sông Cái 44
Hình 2.6 Ảnh lưới hướng dòng chảy trên lưu vực sông Cái 45
Hình 2.7 Lũy tích dòng chảy lưu vực sông Cái 46
Hình 2.8 Tiểu lưu vực Phước Hòa của lưu vực sông Cái 47
Hình 2.9 Biểu đồ lưu lượng thực đo trạm thủy văn Phước Hòa từ năm 2006-2008 48
Hình 2.10 Biểu đồ lượng mưa tại trạm đo Phước Hòa từ năm 2006-2008 48
Hình 2.11 Biểu đồ lượng mưa tại trạm đo Khánh Sơn từ năm 2006-2008 49
Hình 2.12 Biểu đồ nhiệt độ ngày tại trạm đo Phan Rang từ năm 2006-2008 49
Hình 2.13 Biểu đồ độ ẩm trung bình ngày tại trạm Phan Rang từ năm 2006-2008 . 50
Hình 2.14 Biểu đồ số giờ nắng theo ngày tại trạm Phan Rang từ năm 2006-2008 50
Hình 2.15 Biểu đồ tốc độ gió theo ngày tại trạm đo Phan Rang từ năm 2006-2008 50
Hình 2.16 Đường quá trình lưu lượng mô phỏng và thực đo tại trạm Phước Hòa 51
Hình 2. 17. Tiểu lưu vực Tân Mỹ của lưu vực sông Cái 52
Hình 2.18 Quá trình lưu lượng mô phỏng và thực đo tại trạm Tân Mỹ từ 2001-2003
53
Hình 2.19 Quá trình lưu lượng mô phỏng và thực đo tại trạm Tân Mỹ từ 2005-2006
54
Hình 3.5 Hộp thoại thông kê hồ chứa 98
Hình 3.6 Tập tin exel chứa danh sách các hồ chứa nhân tạo 99
Hình 3.7 Hộp thoại nhập thông tin cho một điểm xả thải vừa được tạo mới 99
Hình 3.8 Cửa sổ hiển thị thông tin lưu lượng dòng chảy trạm Tân Mỹ 100
Hình 3.9 Cửa sổ hiển thị thông tin lưu lượng dòng chảy tại trạm Tân Mỹ 100
1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Nước là tư liệu quan trọng hàng đầu của nhiều hoạt động sản xuất; ở đâu có
nước, ở đó có sự sống, văn hóa và văn minh. Nhưng hiện nay, thế giới đang phải
đối mặt với khủng hoảng tài nguyên nước, thiếu nước đang đe dọa đến an ninh
lương thực, sức khỏe cộng đồng và là nguyên nhân bùng nổ các cuộc xung đột trong
sử dụng nguồn nước.
Việt Nam là quốc gia dồi dào tài nguyên nước với tổng lượng nước mặt bình
quân hàng năm ở Việt Nam có khoảng 830 tỷ m
3
trong đó hơn 60% nguồn nước
ngoài biên giới chảy vào [19]. Tuy nhiên nguồn nước phân bổ không đồng đều theo
không gian cũng như theo thời gian làm ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sinh hoạt
của người dân và các mục tiêu phát triển xã hội. Có những vùng mưa rất lớn lượng
mưa đạt gần 5.000 mm/năm (Bắc Quang, Tuyên Quang), nhưng có những vùng
mưa rất thấp lượng mưa trung bình chỉ đạt 800 – 1000 mm (Phan Rang, Ninh
Thuận). Lượng dòng chảy thường tập trung 70-80% vào 5 tháng mùa lũ gây ra ngập
lụt thường xuyên, trong khi đó chỉ còn 20-30% vào 7 tháng mùa cạn dẫn đến tình
trạng thiếu nước cho sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp… Hơn nữa,
trong những năm gần đây, khi sức ép gia tăng dân số tại các khu đô thị cùng với
mức tăng trưởng kinh tế mạnh mẽ thì mức độ ảnh hưởng đến nguồn tài nguyên
nước cũng tăng theo. Điều này gây sức ép lớn đến tài nguyên nước không chỉ về số
lượng do nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng mà còn đẩy nhanh mức độ suy giảm
chất lượng do các hoạt động gây ô nhiễm nguồn nước đang tỷ lệ thuận với phát
lý tài nguyên nước lưu vực vẫn là vấn đề thời sự và rất cần thiết.
2. Mục tiêu đề tài
Đánh giá tài nguyên nước hệ thống sông Cái Phan Rang theo các tần suất
thiết kế và động thái của nó không gian và thời gian;
Thiết kế cơ sở dữ liệu về tài nguyên nước (DatabaseGIS) bao gồm dữ liệu
thuộc tính và dữ liệu không gian lưu vực sông Cái.
3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tài nguyên nước hệ thống sông Cái Phan
Rang. Mặc dù đánh giá tài nguyên nước được đánh giá cả trữ lượng, chất lượng và
động thái, tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này, do hạn chế về thời gian học viên
đi sâu nghiên cứu về trữ lượng và sự biến đổi của nó theo không thời gian.
Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong lưu vực sông Cái Phan Rang thuộc khu
vực Nam Trung bộ Việt Nam có vị trí địa lý vào khoảng 11
o
23’00” - 12
o
10’00” vĩ
Bắc và 108
o
20’30” - 109
o
30’00” kinh Đông, diện tích tự nhiên khoảng 3.109 km².
Lưu vực sông Cái Phan Rang được liệt kê vào danh mục lưu vực sông liên tỉnh, tuy
nhiên phần lớn diện tích lưu vực thuộc địa phận tỉnh Ninh Thuận (chiếm 82%) và
diện tích lưu vực sông Cái chiếm 74% diện tích toàn tỉnh Ninh Thuận.
4. Nội dung thực hiện
Nội dung 1: Nghiên cứu đặc điểm tự nhiên tác động đến quá trình hình thành dòng
thác, v.v…, là các thành phần của hệ tương tác có quan hệ ràng buộc, tác
động lẫn nhau. Để đạt được mục tiêu của đề tài đòi hỏi phải xem xét một
cách toàn diện, hệ thống, thực tiễn và tổng hợp để đề xuất các yêu cầu sử
dụng nước, trên cơ sở đó tính toán cân bằng nước, đề xuất các giải pháp thích
ứng nhằm quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng tài nguyên nước một cách
hợp lý, bảo vệ môi trường, phòng chống thiên tai phục vụ các mục tiêu phát
triển kinh tế-xã hội trong vùng.
Tiếp cận tích hợp thông tin (ảnh viễn thám, bản đồ số và công nghệ GIS):
Vùng nghiên cứu có cấu trúc địa hình phức tạp, điều kiện tự nhiên biến động.
Do vậy để nắm bắt thông tin cập nhật về tài nguyên về đất, nước phục vụ
công tác tính toán dòng chảy đến, cân bằng nước và đánh giá tài nguyên
5
nước đòi hỏi phải tích hợp các nguồn thông tin như ảnh vệ tinh; khai thác
bản đồ chuyên ngành (bản đồ số, bản đồ đẳng trị mưa, mo đuyn dòng
chảy ), hệ thống thông tin địa lý (GIS) và so sánh, đối chiếu với tài liệu
khảo sát mặt đất.
Tiếp cận kế thừa có chọn lọc kinh nghiệm, tri thức, cơ sở dữ liệu đã có liên
quan đến đề tài và tiếp thu công nghệ: Đối với một số công nghệ tiến tiến ở
nước ngoài: xem xét, chọn lọc một số công nghệ tiên tiến phù hợp với điều
kiện Việt Nam nói chung và vùng nghiên cứu nói riêng, qua đó tiếp thu, ứng
dụng; Kế thừa các kết quả nghiên cứu trong nước: tập trung phân tích, chọn
lọc và kế thừa những kết quả đã nghiên cứu sử dụng cho đề tài, tạo nền tảng
và điểm xuất phát thực hiện những phương pháp và công nghệ tính toán mới.
Phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật sử dụng
Nghiên cứu đánh giá tài nguyên nước và xây dựng cơ sở dữ liệu phục vụ công
tác quản lý lưu vực sông Cái, các phương pháp nghiên cứu và kỹ thuật sử dụng chủ
yếu sẽ được sử dụng gồm:
Thu thập và tổng hợp tài liệu
- Thu thập các tài liệu điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, đặc biệt tài liệu
chuyên môn về khí tượng thủy văn từ các nghiên cứu đã có trong vùng
Mô hình FRASC đã ứng dụng ở các lưu vực như Baohe (Trung Quốc),
Nông Sơn và Thác Mơ (Việt Nam) cho kết quả đáng tin cậy [13][15].
- Ứng dụng công nghệ GIS xây dựng cơ sở dữ liệu (Database-GIS) phục vụ
quản lý, khai thác dữ liệu và cung cấp số liệu cho nghiên cứu tính toán
trong quá trình thực hiện đề tài và chuyển giao kết quả trên cơ sở sử dụng
các phần mềm MapInfo, ArcView, ArcGIS [1][5][6][27].
6. Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu
Nghiên cứu đánh giá tiềm năng nguồn nước là một trong những chuyên mục
thiết yếu và cơ bản nhất đối với quản lý tổng hợp lưu vực và sử dụng hợp lý nguồn
7
nước hệ thống sông ngòi nói chung và hệ thống sông Cái Phan Rang nói riêng phục
vụ phát triển bền vững kinh tế xã hội hiện trạng cũng như quy hoạch phát triển đến
năm 2020 và tầm nhìn 2030.
Những năm gần đây, nghiên cứu về kiểm soát lũ, tưới, thủy điện, cấp nước sinh
hoạt và công nghiệp ngày càng nhiều. Trong những nghiên cứu đó, mô hình thủy
văn thường được sử dụng để bổ sung thông tin, số liệu thiếu; đó là cơ sở để quyết
định đến quản lý và phát triển tài nguyên đất và nước. Trong bối cảnh hiện nay, vai
trò của mô hình thủy văn đã và đang tiến xa khỏi định hướng ban đầu của nó, trong
một kỷ nguyên của nhận thức môi trường đa khía cạnh mà trong đó tác động của
con người mở rộng từ sự đô thị hóa đến suy thoái đất đai, từ kiểm soát lũ đến xâm
nhập mặn, từ biến đổi khí hậu toàn cầu thông qua phát thải khí nhà kính đến khả
năng nắm bắt sự phân bố theo không gian và thời gian của những hiện tượng thủy
văn bằng vệ tinh, và tương tự mô hình thủy văn đã đảm nhiệm một quy mô mới.
Về lĩnh vực mô hình toán trong nghiên cứu tài nguyên nước
Ngoài nước
Cuộc cách mạng kỹ thuật số bắt đầu với sự ra đời của máy vi tính thập niên 60
của thế kỷ XX. Sức mạnh của máy vi tính đã và đang gia tăng theo hàm mũ. Cuộc
cách mạng kỹ thuật số cũng dẫn đến hai cuộc cách mạng khác, đó là mô phỏng số
học và mô phỏng thống kê. Kết quả là xuất hiện những tiến bộ chưa từng thấy trong
lĩnh vực mô hình thủy văn từ khi sự phát triển đột phá của Mô hình Lưu vực
có nhiều khả năng ứng dụng tốt trong nhiều bài toán khác nhau phục vụ cho quy
hoạch, thiết kế và điều hành khai thác nguồn nước. Do vậy để nâng cao hơn nữa khả
năng ứng dụng của các mô hình cần có những nghiên cứu bổ sung hoàn thiện cho
phù hợp với điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội cả nước ta.
Trong quá trình nghiên cứu và phát triển, Xinanjiang đã được cải tiến và phát
triển qua việc: (i) tích hợp công nghệ GIS (Geographical Information System – Hệ
thống thông tin địa lý); (ii) dữ liệu đầu vào bốc thoát hơi nước tiềm năng được tính
toán trực tiếp bằng phương pháp Penman-Monteith theo số liệu các yếu tố khí tượng
9
thực đo như nhiệt độ, độ ẩm không khí, áp suất khí quyển, số giờ nắng, tốc độ gió,
thảm phủ và các tham số liên quan đến chúng trên cơ sở của AVHRR (National
Oceanic and Atmospheric Administration-Advanced very High Resolution
Radiometer – thiết bị đo bức xạ độ phân giải rất cao quản trị tiên tiến khí quyển và
đại dương quốc gia) và LDAS (Land Data Assimilation System-hệ thống đồng hóa
dữ liệu đất) để thay thế cho tài liệu bốc hơi quan trắc bằng chậu mà theo tác giả có
nhiều sai số; và (iii) phương pháp diễn toán dòng chảy linh động. Mô hình cải tiến
Xinanjiang đó được đặt tên gọi là FRASC, nó viết tắt từ chữ cái đầu của cụm từ
Flow Routed Accumulation Simulation in a Catchment – mô phỏng lũy tích diễn
toán dòng chảy trên lưu vực [13][26].
Ngày nay công cuộc phát triển kinh tế của đất nước đang đòi hỏi phải có những
chiến lược khai thác tài nguyên (trong đó có tài nguyên nước) một cách hợp lý, đem
lại hiệu quả kinh tế cao. Nhưng trong thực tế, độ dài chuỗi số liệu thực đo về các
yếu tố khí tượng thủy văn trên các lưu vực vừa và nhỏ ở nước ta chưa đáp ứng yêu
cầu. Từ đó các bài toán đang cần nghiên cứu giải quyết là tính toán dòng chảy từ
mưa, tính toán khôi phục các chuỗi số liệu dòng chảy, dự báo tình hình dòng chảy
trong tương lai… Đó là những bài toán cơ bản đầu tiên trong tính toán quy hoạch,
thiết kế và điều hành khai thác tối ưu nguồn nước trước mắt cũng như lâu dài.
Đối với vấn đề nghiên cứu đánh giá tài nguyên nước lưu vực sông Cái, danh
mục các công trình nghiên cứu có liên quan bao gồm:
(1) Đề tài cấp bộ “Nghiên cứu các giải pháp kinh tế, kỹ thuật trữ nước cho
trên lưu vực của các hộ dùng nước phục vụ công tác quản lý tổng hợp và sử dụng
hợp lý tài nguyên nước lưu vực vẫn là vấn đề thời sự và rất cần thiết.
Copyright: Tài liệu đại học ©