i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐẶNG TUYẾT MINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HOÁ KHÔNG GIAN
TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ PHỤC VỤ
CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG LAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019


ii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

ĐẶNG TUYẾT MINH

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ HÌNH HOÁ KHÔNG GIAN
TRONG PHÂN VÙNG NGUY CƠ PHỤC VỤ
CẢNH BÁO LŨ LƯU VỰC SÔNG LAM
Ngành : Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ
Mã số : 9520503

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT


đỡ, quan tâm của cơ sở đào tạo, phòng Sau đại học - trường Đại học Mỏ - Địa chất,
Bộ môn Trắc địa trường Đại học Thuỷ lợi, tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ
quý báu đó.
Luận án còn nhận được ý kiến đóng góp của các chuyên gia, nhà khoa học
thuộc trường Đại học Thuỷ lợi, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội,
trường Đại học Mỏ - Địa chất, trường Đại học Quốc gia Hà Nội, Trường Đại học
Delft - Hà Lan, Đài KTTV khu vực Tây Nguyên, Đài KTTV khu vực Nam Trung
bộ, Đài KTTV khu vực Bắc Trung bộ, Trung tâm Quy hoạch và Điều tra TNN
Quốc gia, cục Viễn thám Quốc gia, Trung tâm Vũ trụ Việt Nam (đề tài VT-UD.12)
tác giả xin cảm ơn những ý kiến đóng góp có giá trị đó.
Trong quá trình làm đồ án, tác giả đã sử dụng kết quả của đề tài mã số
TNMT. 05.33 do PGS.TS Trần Duy Kiều, trường Đại học Tài nguyên và Môi trường

là chủ nhiệm. Xin chân thành cảm ơn tập thể tác giả của đề tài đó.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè là chỗ dựa tinh thần giúp
tác giả hoàn thành luận án này.
Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Tác giả luận án


v

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH............................................................................................... vii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. ix

2.1.1 Giới thiệu phương pháp AHP ......................................................................... 39
2.1.2 Nguyên tắc AHP .............................................................................................. 39
2.2 Quá trình thực hiện phương pháp AHP ............................................................. 41
2.3 Thực tiễn sử dụng AHP trong phân vùng nguy cơ lũ ........................................ 49
2.3.1 Xác định mục tiêu ............................................................................................ 50
2.3.2 Xây dựng mô hình thứ bậc đa tầng.............................................................. .. 50
2.3.3 Thành lập ma trận so sánh theo cặp ............................................................... 51
2.3.4 Tính trọng số từng tiêu chí và chỉ số nhất quán.............................................. 53
2.3.5. Kiểm tra tỷ số nhất quán ................................................................................ 53
2.3.6 Phân tích đánh giá kết quả.............................................................................. 53
2.4 Phân tích và lựa chọn các yếu tố trong mô hình phân vùng nguy cơ lũ ............ 54
2.4.1 Lượng mưa và cường độ mưa ......................................................................... 60
2.4.2 Độ dốc, độ cao và độ nhám địa hình .............................................................. 61
2.4.3 Mật độ lưới sông (mật độ phân cắt ngang), dòng chảy và sự tích tụ dòng chảy ... 62
2.4.4 Khoảng cách đến mặt nước tự nhiên, khoảng cách đến hệ thống thoát nước,
khoảng cách đến ngã ba sông .................................................................................. 63
2.4.5 Thổ nhưỡng, cấu trúc đất, tỷ lệ thấm .............................................................. 63
2.4.6. Sử dụng đất, lớp phủ và lớp phủ thực vật ...................................................... 64
2.4.7 Các yếu tố khác ............................................................................................... 66
2.5 Phân tích ảnh hưởng của chiều dài sườn dốc đến nguy cơ lũ ............................ 67
2.5.1 Khái niệm ........................................................................................................ 67
2.5.2 Cơ sở lý thuyết lựa chọn yếu tố chiều dài sườn dốc trong nghiên cứu phân
vùng nguy cơ lũ ........................................................................................................ 68
2.6 Một số nhận xét về phương pháp AHP trong phân vùng nguy cơ lũ................. 71
2.7 Tổng kết chương 2 .... ....................................................................................... 73


vii

Chương 3: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP AHP XÂY DỰNG MÔ HÌNH

viii

3.6 Tính trọng số cho các yếu tố ảnh hưởng đến lũ ................................................. 96
3.6.1 Tính trọng số cho trường hợp năm yếu tố ảnh hưởng .................................... 97
3.6.2 Tính trọng số cho trường hợp sáu yếu tố ảnh hưởng.................................... 100
3.7 Xây dựng bản đồ các yếu tố ảnh hưởng đến lũ ................................................ 103
3.7.1 Bản đồ lượng mưa ......................................................................................... 103
3.7.2 Bản đồ độ dốc................................................................................................ 106
3.7.3 Bản đồ thổ nhưỡng ........................................................................................ 107
3.7.4 Bản đồ lớp phủ .............................................................................................. 108
3.7.5 Bản đồ mật độ lưới sông ............................................................................... 109
3.7.6 Bản đồ chiều dài sườn dốc tương đối...... .................................................... 112
3.8 Thành lập bản đồ phân vùng lũ lưu vực sông Lam .......................................... 114
3.9 Đánh giá độ tin cậy của kết quả phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam
bằng phương pháp mô hình hoá ............................................................................. 119
3.10 Tổng kết chương 3 ......................................................................................... 124
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 126
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN
ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................................... 128
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 129
PHỤ LỤC


ix

DANH MỤC HÌNH


x


Bảng 3.7 Kết quả tổng hợp mức độ ưu tiên của các yếu tố ảnh hưởng đến lũ (trường
hợp có 5 nhân tố ảnh hưởng).................................................................................... 98
Bảng 3.8 Ma trận so sánh cặp năm yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ lũ..................... 98


xii

Bảng 3.9 Ma trận chuẩn hoá (trường hợp 5 nhân tố ảnh hưởng) ............................. 99
Bảng 3.10 Trọng số năm yếu tố ảnh hưởng ............................................................. 99
Bảng 3.11 Các thông số của AHP (trường hợp 5 nhân tố ảnh hưởng) .................. 100
Bảng 3.12 Kết quả tổng hợp mức độ ưu tiên của sáu yếu tố ảnh hưởng đến lũ .... 100
Bảng 3.13 Ma trận so sánh cặp các yếu tố ảnh hưởng đến nguy cơ lũ .................. 101
Bảng 3.14 Ma trận chuẩn hoá ................................................................................ 101
Bảng 3.15 Trọng số sáu yếu tố ảnh hưởng............................................................. 102
Bảng 3.16 Các thông số của AHP .......................................................................... 102
Bảng 3.17. Lượng mưa trung bình tháng, năm tại một số vị trí trên lưu vực sông
Lam giai đoạn 1961 – 2017.................................................................................... 104
Bảng 3.18 Cấp nguy cơ và diện tích khu vực có nguy cơ lũ (5 yếu tố ảnh hưởng) .... 117
Bảng 3.19 Cấp nguy cơ và diện tích khu vực có nguy cơ lũ (6 yếu tố ảnh hưởng) .... 118
Bảng 3.20 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn ngày 17/10/2010121
Bảng 3.21 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn ngày 16/10/2013 .... 122
Bảng 3.22 Mực nước và cấp báo động tại một số trạm thuỷ văn đợt lũ 16/10/2016 ...... 123


xiii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Cụm từ đầy đủ bằng tiếng Anh


Chỉ số nguy cơ ngập lụt

FR

Frequency ratio

Tỷ lệ tần suất

GIS

Geographic information system

Hệ thống thông tin địa lý

HEC-RAS

Hydrologic Engineering Center – River
Analysis System

Mô hình thuỷ văn – thuỷ lực

IDW

Inverse Distance Weight

PP trọng số khoảng cách nghịch đảo

InSAR



SMCE

Spatial Multi-Criteria Evaluation

Đánh giá đa tiêu chí không gian

SMS

Short Message Services

Dịch vụ tin nhắn ngắn

SPI

Stream power index

Chỉ số năng lượng dòng chảy

SVM

Support vector machine

Mô hình máy vecto hỗ trợ

SWAT

Soil and Water Assessment Tool

Công cụ đánh giá đất và nước

2010, tại miền Trung, thiên tai đã làm gần 1859 người thiệt mạng, trong đó 1640
người chết và 219 người mất tích [41]. Các trận lũ điển hình trong những năm gần
đây tại các tỉnh miền Trung như: trận lũ 9/2011, 9/2012, 9/2013, 9/2014, 9/2016 và
gần đây là trận lũ tháng 10/2017 đã làm thiệt hại nặng nề cả về vật chất cũng như
con người cho các tỉnh Trung bộ [9].
Đặc biệt trên sông Lam, một trong những hệ thống sông lớn nhất Bắc Trung
bộ, thường xuyên chịu ảnh hưởng của nhiều loại hình thiên tai đặc trưng cho khu
vục duyên hải Miền Trung như Bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), lũ, hạn hán, lốc tố,
dông sét, sạt lở đất, xói lở bờ sông và bờ biển, cháy rừng, xâm nhập mặn, triều
cường…Trong đó ảnh hưởng và gây thiệt hại nhiều nhất là bão, áp thấp nhiệt đới và
lũ. Lũ lụt trên sông Lam là một trong những tai biến tự nhiên thường xuyên đe doạ
người dân và sự phát triển kinh tế - xã hội của dân cư trong lưu vực. Quá trình công
nghiệp hoá, đô thị hoá mạnh mẽ trong phạm vi lưu vực sông Lam cùng với sự tác


2

động của biến đổi khí hậu và tình hình mưa lớn đã làm cho thời gian, cường suất,
lưu lượng và tần suất xuất hiện các cơn lũ ngày càng nhiều hơn với diễn biến ngày
càng phức tạp hơn.Trong những năm gần đây đã có nhiều đợt lũ lớn gây thiệt hại
nhiều về người và tài sản, số liệu quan trắc mực nước lũ trong vòng 40 năm trở lại
đây cho thấy trên lưu vực các trận lũ lớn xảy ra ở dòng chính sông Lam là trận lũ
1954, 1963, 1973, 1978, 1988, 2007, 2010 và trung bình cứ 9 – 10 năm lại xuất hiện
các trận lũ lớn [39]. Một số năm đã gây ra hiện tượng vỡ đê như trận lũ năm 1954,
1978, 1988 và 1996. Đặc biệt trận lũ năm 1954, nhiều đoạn đê bị vỡ với lượng nước
lũ từ sông chảy vào đồng kéo dài 16 ngày liền. Tổng thiệt hại do bão lũ trong 21
năm 1990 đến 2010 khoảng hơn 3,300 tỷ đồng [39]. Tại Nghệ An, tháng 9/ 2013
trận lũ lớn trên sông Lam đã làm thiệt hại gần 400 tỷ đồng và 13 người chết [40].
Đợt mưa lũ 10/2016 đã làm thiệt hại gần 1500 tỉ đồng tại hai tỉnh Nghệ An và Hà
Tĩnh [45]. Trong đợt mưa lũ lịch sử tháng 10/ 2017, Nghệ An có 10 người thiệt

tinh, GIS, GNSS, kỹ thuật Laser, các phương pháp đo đạc thực địa … cho phép
nghiên cứu một cách hiệu quả các nội dung biến động của các thành phần tài
nguyên và môi trường trong đó lũ là một đối tượng. Việc ứng dụng mô hình hóa
không gian trong nghiên cứu phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ là một định
hướng đúng đắn, phù hợp với xu thế phát triển khoa học và đáp ứng nhu cầu xã hội
trên thế giới hiện nay. So với các phương pháp truyền thống, mô hình hoá không
gian dựa trên nguyên tắc tiếp cận hệ thống, là công cụ hiệu quả và tin cậy trong
phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ nói chung và lưu vực Sông Lam nói riêng.
Phương pháp này cho phép đưa nhiều thông số xử lý đầu ra do đó có thể góp phần
cảnh báo và phòng tránh nguy cơ lũ.
Với các luận giải trên, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng mô hình hoá không
gian trong phân vùng nguy cơ phục vụ cảnh báo lũ lưu vực sông Lam” được lựa
chọn xuất phát từ nhu cầu thực tế và có ý nghĩa khoa học. Đây là một nghiên cứu
thiết thực góp phần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ trong phân tích không gian trên
lưu vực sông Lam, một lưu vực sông xuyên biên giới, góp phần quản lý tài nguyên
và môi trường mang tính liên quốc gia. Bên cạnh đó, việc ứng dụng mô hình hóa
không gian trên lưu vực sông Lam sẽ góp thêm các cơ sở khoa học, kết quả nghiên
cứu để mở rộng và tạo điều kiện áp dụng tri thức trong công tác ngăn ngừa, phòng
chống và giảm thiểu tối đa các tác động của suy thoái và tai biến thiên nhiên, góp


4

phần bảo vệ và khai thác bền vững tài nguyên thiên nhiên, giảm thiểu và phòng
tránh thiên tai.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
2.1 Mục tiêu
Xác lập cơ sở khoa học trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên
lưu vực sông Lam phục vụ cảnh báo lũ trên quy mô lưu vực góp phần giảm thiểu
tác động tiêu cực của lũ lụt.

- Phương pháp kế thừa: áp dụng có chọn lọc các sản phẩm, kết quả khoa học
và công nghệ hiện đại trong nước và trên thế giới.
- Phương pháp thống kê: phân tích các mối tương quan giữa các đặc trưng
khí tượng – thuỷ văn và tương quan giữa các yếu tố khí hậu, yếu tố địa hình với lũ.
Tiến hành khảo sát nguy cơ lũ trên khu vực nghiên cứu trong một số năm gần đây
để phát hiện các quy luật và đặc điểm của đối tượng nghiên cứu, từ đó so sánh với
kết quả nghiên cứu.
- Phương pháp GIS: ứng dụng công nghệ GIS để thành lập bản đồ các nhân
tố ảnh hưởng đến lũ. So sánh kết quả nghiên cứu với thực tế tại thời điểm xảy ra lũ
trong một số năm gầy đây.
- Phương pháp mô hình hoá: phân tích các ưu, nhược điểm của các mô hình
và sử dụng mô hình suy nghiệm để phân vùng nguy cơ lũ.
- Phương pháp chuyên gia: sử dụng trí tuệ, ý kiến đánh giá của các chuyên
gia về thuỷ văn, thuỷ lực tài nguyên nước trong quá trình đề xuất giả thuyết nghiên
cứu, củng cố các luận cứ, đánh giá kết quả của phân vùng nguy cơ lũ. Thực hiện
qua các buổi hội thảo, bảo vệ chuyên đề, xin ý kiến đóng góp của các chuyên gia.
5. Các luận điểm của luận án
Luận điểm 1: ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc (AHP) cho phép
nâng cao độ chính xác, độ tin cậy khi xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ trên
lưu vực sông Lam.
Luận điểm 2: chiều dài sườn dốc tương đối là tham số quan trọng cần được
tính đến trong xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ.
6. Những điểm mới của luận án
Kết quả nghiên cứu luận án đã chỉ ra các điểm mới sau đây:


6

- Bổ sung phương pháp luận trong lựa chọn mô hình hoá không gian trong
phân vùng nguy cơ lũ và khẳng định ứng dụng phương pháp phân tích thứ bậc

8.1 Bản đồ
STT
1
2
3
4
5

Dữ liệu dạng số
Bản đồ địa hình lưu vực
sông Lam
Bản đồ hiện trạng sử
dụng đất lưu vực sông
Lam
Bản đồ địa giới hành
chính lưu vực sông Lam
Bản đồ hình thái lưu vực
sông Lam
Bản đồ vị trí các trạm
thuỷ văn

Năm
2015

Tỷ lệ gốc
1:50 000

Nguồn cung cấp

2015

trên lưu vực sông Lam giai đoạn 1961 - 2017. Ngoài ra, luận án còn sử dụng số liệu
mực nước tại các trạm thuỷ văn trên lưu vực sông Lam trong các đợt lũ. Số liệu này
thu được từ các trạm thuỷ văn (nguồn Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn
Trung ương): Mường Xén, Con Cuông, Vinh, Đô Lương, Quỳ Châu, Dừa, Hương
Khê, Sơn Diệm, Hoà Duyệt, Chợ Tràng, Cửa Rào, Linh Cảm, Nam Đàn, Nghĩa
Khánh, Quỳnh Lưu, Kỳ Anh, Quỳ Hợp, Hà Tĩnh, Kim Cương, Chu Lễ.
8.3 Các công trình đã nghiên cứu về phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới và
Việt Nam
Luận án đã sử dụng các nghiên cứu, kết quả của một số công trình nghiên
cứu về phân vùng nguy cơ lũ trên thế giới và Việt Nam, kết quả của đề tài nghiên
cứu phân vùng nguy cơ lũ trên lưu vực sông Lam như đề tài mã số TNMT. 05.33
9. Cấu trúc luận án
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn sử dụng phương pháp AHP trong phân
vùng nguy cơ lũ trên lưu vực.


8

Chương 3: Ứng dụng phương pháp AHP xây dựng mô hình phân vùng nguy cơ lũ
trên lưu vực sông Lam.
Kết luận, kiến nghị
Các công trình khoa học công bố liên quan đến luận án
Tài liệu tham khảo
Phụ lục


9


2014

2015

2016

2017

9/2018

Số bài

59

59

76

81

89

141

143

151

173


80
60
40
20
0

SỐ LƯỢNG CÔNG BỐ

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017
Số lượng nghiên cứu
Hình 1.1 Số lượng các công trình khoa học liên quan đến phân vùng nguy cơ lũ trên
Sciencedirect từ năm 2009 đến 2017
Nhóm các mô hình thống kê được sử dụng bao gồm phân tích thống kê nhị
biến và phân tích thống kê hồi quy tuyến tính đa biến. Thông tin cần thiết để thực
hiện mô hình là dữ liệu về các trận lũ lụt đã xảy ra trong quá khứ bao gồm cả số liệu
thuỷ lực, thuỷ văn, địa hình, kinh tế xã hội, cơ sở hạ tầng…
Nhóm mô hình suy nghiệm sử dụng phương pháp AHP, FAHP và IR’AHP
kết hợp với GIS để xây dựng các bản đồ phân vùng nguy cơ lũ. Dữ liệu để tính toán


11

mô hình có thể chia làm 3 nhóm: nhóm các yếu tố địa hình, nhóm các yếu tố về
kinh tế - xã hội và nhóm các yếu tố về cơ sở hạ tầng.
Phần dưới đây tổng quan các công trình nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ
theo ba nhóm mô hình nêu trên. Việc kết hợp mô hình thuỷ lực hoặc mô hình thuỷ
văn và công nghệ GIS trong phân vùng nguy cơ lũ là phương pháp phổ biến được
các nhà thuỷ văn học trên thế giới thực hiện từ những năm cuối thế kỷ 20 và ngày
càng phát triển. Theo Kardavani và Qalehe, phân vùng nguy cơ lũ là một trong các
biện pháp phi công trình để quản lý và ngăn ngừa lũ mà không thể thực hiện được

phương pháp Manning. Hệ số này cùng với các số liệu đặc trưng thuỷ lực của dòng
chảy như: hệ số tổn thất năng lượng, lưu lượng dòng chảy sông, tốc độ dòng chảy,
điều kiện biên…để chạy mô hình HEC-RAS, từ đó phân vùng nguy cơ lũ trong khu
vực nghiên cứu.
Mặc dù lớp phủ thực vật không được coi là tiêu chí ảnh hưởng đến lũ trong
nghiên cứu [53], nhưng Asare-Kyei và cộng sự lại sử dụng các tham số là nguyên
nhân gây ra lũ: sử dụng đất, loại và cấu trúc của đất, độ dốc, lượng mưa và khu vực
thoát nước kết hợp mô hinh thuỷ lực với mô hình thống kê và dữ liệu viễn thám để
xác định các vùng có nguy cơ lũ lụt ở Ghana, Burkina Faso và Benin dựa vào chỉ số
nguy cơ lũ lụt (FHI).
Một phương pháp nữa cũng thường được tiếp cận khi phân vùng nguy cơ lũ là
sử dụng mô hình thống kê và phổ biến hơn cả là phân tích thống kê đa biến. Với mô
hình này, dữ liệu đầu vào sẽ lấy tại các khu vực đã xảy ra lũ hoặc chiết tách từ các
loại bản đồ chuyên đề hoặc ảnh viễn thám. Tuy nhiên, việc chuẩn bị dữ liệu đầy đủ để
thực hiện mô hình thống kê không phải dễ dàng do lũ đã xảy ra trong quá khứ. Vì
vậy, nghiên cứu theo phương pháp này có thể sẽ không có nhiều dữ liệu. Điển hình là
nghiên cứu phân vùng nguy cơ lũ cho toàn bộ nước Ý bằng phương pháp mô hình
phân loại thống kê hồi qui logicstic chỉ với dữ liệu của 4 yếu tố bao gồm: mạng lưới
sông suối, khoảng cách đến chỗ thoát nước gần nhất và chênh cao [91]. Mặc dù khó
khăn trong việc thu thập số liệu, nhưng nguồn để chiết tách dữ liệu lại được các nhà
khoa học tận dụng một cách hiệu quả. Do đó, khác với [91], dữ liệu được Pradhan sử
dụng trong mô hình hồi qui logic và GIS để thành lập bản đồ nguy cơ lũ cho một
phần lưu vực sông Kelartan, Malaysia không phải là ít. Tác giả xác định vị trí lũ xảy
ra trong qua khứ bằng ảnh RADARSAT và dữ liệu không gian được lấy từ bản đồ địa