Phương pháp thành lập bản đồ mật độ lưới sông phục vụ phân vùng lũ trên lưu vực sông Lam

Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 15 - năm 2017 89 PHƯƠNG PHÁP THÀNH LẬP BẢN ĐỒ MẬT ĐỘ LƯỚI SÔNG PHỤC VỤ PHÂN VÙNG LŨ TRÊN LƯU VỰC SÔNG LAM Đặng Tuyết Minh Đại học Thuỷ lợi Tóm tắt Những năm gần đây, lũ lụt ở miền Trung nói chung và lưu vực sông Lam nói riêng xảy ra thường xuyên với thiệt hại ngày càng nghiêm trọng hơn về người, của cải và môi trường sinh thái. Việ c phòng chống và giảm nhẹ thiệ t hại do lũ đang là một vấn đề cấp bách được nhiều tổ chức và các nhà khoa học trên thế giới cũng như Việt Nam quan tâm nghiên cứu. Để tìm ra được giải pháp hạn chế lũ lụt phù hợp và hiệu quả hơn, cần phải phân tích và nghiên cứu các nguyên nhân tác động trực tiếp đến lũ như độ dốc, lượng mưa, mật độ lưới sông, thổ nhưỡng, thực phủ,Việc thực hiện các giải pháp sẽ dễ dàng hơn nếu các chỉ số liên quan đến các nguyên nhân này thể hiện trên bản đồ với các mức độ nguy cơ tương ứng. Bài báo này sẽ trình bày quy trình xây dựng bản đồ mật độ lưới sông với dữ liệu đầu vào là mô hình số độ cao và bản đồ hệ thống sông suối lưu vực sông Lam. Đây sẽ là các tài liệu có ích cho việc phân vùng nguy cơ và cảnh báo lũ trong khu vực nghiên cứu. Từ khoá: Bản đồ mật độ lưới sông, Lưu vực sông Lam. Abtrasts Methodology for the establishment of drainage density map used for fl ood zoning in the Lam river basin In recrent years, fl ood in Central region in general and Lam river basin in particular have occurred more often with severe damage to human’s lives, properties and ecological environment. Preventing and reducing the damage caused by fl ooding have been an urgent issue studied by many organization and scientists all over the world as well as in Vietnam. To be able to propose effective measures for fl ooding prevention, it is necessary to identify and analyse factors directly affecting fl ood such as slope, rain fall, land cover, soil and drainage density. It would be practical and effective if the indexes related to these factors shown up on maps with corresponding levels of risk. This paper presents the process for preparation of drainage density map using the the digital elevation model and the map of river and stream systems in Lam river basin as input data. These maps will be useful and valuable for hazard zoning and fl ood warning in the study area. Key words: Drainage Density Map, Lam river basin. 1. Giới thiệu Hệ thống sông suối thể hiện kết quả sự phân cắt địa hình dưới tác động của dòng chảy. Cùng với dòng chính, sông Lam có hai nhánh sông lớn nhất là sông Hiếu và sông La. Bốn lưu vực sông nhánh lớn cấp I của sông Lam là Nậm Mô, Sông Hiếu, sông La và sông Giăng có tổng diện tích chiếm trên 50% diện tích toàn bộ lưu vực sông Lam và đóng góp một lượng nước đáng kể và nguồn nước sông Lam. Phần lớn lưu vực sông Lam thuộc dạng đồi núi bị chia cắt mạnh. Sông suối có độ dốc lớn, vùng trung du nối chuyển tiếp giữa miền núi và đồng bằng hẹp nên khi có mưa lớn, lũ tập trung Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 15 - năm 201790 nhanh, ít bị điều tiết dẫn tới nước lũ tập trung về đồng bằng rất nhanh gặp mưa lớn ở hạ du và triều cường thường gây lũ lụt trên diện rộng. [3] Để đặ c trư ng cho mứ c độ phá t triể n dò ng chả y mặ t trê n lã nh thổ sử dụng khái niệm mật độ lưới sông - là tổng độ dài tất cả các dòng chảy tạm thời và dòng chảy thường xuyên trên một diện tích nhất định nào đó (thường là 1km2). Đây là đại lượng đặc trưng cho sự phong phú về nguồn nước của lưu vực. Mật độ lưới sông có vai trò lớn ảnh hưởng đến tập trung dòng chảy lũ trên lưu vực, nói cách khác mật độ lưới sông càng cao càng làm tăng nguy cơ dòng chảy lũ tức là nguy cơ lũ càng lớn. Để có dữ liệu phân tích nguy cơ lũ và thành lập bản đồ phân vùng lũ, các giá trị mật độ lưới sông và mức độ nguy cơ tương ứng cần được thể hiện trên bản đồ. Xuấ t phá t từ nhữ ng lậ p luậ n trê n, nghiê n cứ u nà y đư ợ c thự c hiệ n nhằ m xử lý dữ liệu mạng lưới sông suối - nhân tố ảnh hưởng đến lũ để phục vụ việc phâ n vù ng nguy cơ lũ lụ t trê n lư u vự c sô ng Lam. 2. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu này sử dụng dữ liệu mô hình số độ cao DEM và bản đồ hệ thống sông suối lưu vực sông Lam kết hợp công cụ phân tích không gian Spatial Analysis Tools trong phần mềm ArcGIS 10.2 để xác định diện tích các tiểu lưu vực, chiều dài hệ thống sông suối và từ đó xác định được chỉ số mật độ lưới sông. Mật độ lưới sông là đại lượng đặc trưng cho mạng lưới sông và được tính bằng công thức: 2 L ( km )k F ( km ) = Trong đó: - k: hệ số mật độ - L: tổng độ dài sông suối trong lưu vực - F: diện tích của lưu vực 2.1. Phương pháp xác định ranh giới lưu vực Lưu vực là một vùng đất (được giới hạn bởi đường phân thủy) đón nhận nước rơi và hội tụ dòng chảy về một điểm chung nào đó thuộc một thực thể chứa nước cụ thể như: biển, đại dương, sông, suối, đầm lầy, hồ. Trong mỗi lưu vực có thể bao gồm nhiều lưu vực nhỏ hơn (gọi là tiểu lưu vực). Ranh giới lưu vực là một đường khép kín vẽ theo đường phân thủy mặt tính từ điểm đầu ra của lưu vực. [1] Hiện nay có 2 phương pháp chủ yếu xác định lưu vực sông: phương pháp truyền thống (sử dụng bản đồ giấy) và xác định tự động bằng phần mềm chuyên dụng. Phương pháp sử dụng bản đồ khá đơn giản, giá thành rẻ vì có thể tự tạo dụng cụ để đo diện tích. Ngoài ra lưu vực có thể được tổng quát hoá trên bản đồ giấy. Tuy nhiên sẽ mất nhiều thời gian để khoanh lưu vực và tính diện tích lưu vực. Bên cạnh đó, độ chính xác không cao do phụ thuộc vào nhiều yếu tố chủ quan khi tiến hành công việc trên bản đồ đồng thời phụ thuộc vào trình độ, kinh nghiệm của người thực hiện. Vì vậy hiện nay chủ yếu việc xác định biên giới lưu vực được làm tự động thông qua những công cụ hiện đại. Có nhiều phần mềm có thể xác định tự động lưu vực như mapinfor, arcgis nhưng phổ biến nhất vẫn là ArcGIS. Trong phần mềm ArcGIS có thể sử dụng công cụ SWAT hoặc Hydrology Tools để khoanh vùng tự động lưu vực. Bài báo này trình bày quy trình xác định lưu vực tự động bằng công cụ Hydrology Tools bao gồm các bước được thể hiện như Hình 1. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 15 - năm 2017 91 Bước 1: Chuẩn bị DEM DEM có thể xây dựng từ các dữ liệu đo đạc ngoài thực địa, từ việc số hoá bản đồ giấy hoặc download từ Internet. Bước 2: Hiệu chỉnh DEM Tuy nhiên DEM có được từ bước 1 sẽ tồn tại một vài lỗi vì có một số vùng lồi hoặc lõm không mong muốn và không đúng với thực tế. Vì vậy cần phải hiệu chỉnh dữ liệu này bằng cách sử dụng hàm Fill trong công cụ Hydrology của ArcGIS. Hình 1: Quy trình xác định ranh giới lưu vực [4] Bước 3: Xác định hướng dòng chảy 1: Hướng Đông 2: Hướng Đông Nam 4: Hướng Nam 8: Hướng Tây Nam 16: Hướng Tây 32: Hướng Tây Bắc 64: Hướng Bắc 128: Hướng Đông Bắc Hình 2: Hướng dòng chảy trong mô hình dòng chảy 8 hướng Hướng dòng chảy được xác định dựa trên cơ sở lý thuyết “Mô hình dòng chảy 8 hướng”. Mô hình này dựa trên cơ sở lý thuyết là dòng chảy tại một ô lưới (grid) sẽ chảy đến 1 trong 8 hướng xung quanh ô lưới đó, được thể hiện trong Hình 2. [2] Hướng dòng chảy của 1 pixel bất kỳ xác định dựa trên cơ sở so sánh độ chênh cao giữa điểm đó với 8 điểm xung quanh. Hướng dòng chảy là hướng tới điểm có độ cao thấp nhất. Quá trình này được tính lặp lại cho tất cả các điểm trong lưu vực. Đây là sản phẩm trung gian để tạo bản đồ tích lũy được thực hiện bằng hàm “Flow Direction” trong ArcGIS [1] Bước 4: Xác định sự tích lũy dòng chảy Từ bản đồ hướng dòng chảy tính sự tích lũy dòng chảy cho 1 ô lưới trong khu vực dựa trên nguyên tắc tính tổng số ô lưới tập trung nước về ô đó theo hướng dòng chảy bao gồm cả trực tiếp và gián tiếp. Đây là cơ sở để vẽ lưu vực tự động bằng cách sử dụng hàm “Flow Accumulation” trong ArcGIS. Bước 5: Xác định ranh giới tiểu lưu vực Trước khi xác định ranh giới lưu vực, cần bổ sung lớp điểm pour_points (điểm thoát lưu vực) vào lớp cơ sở dữ liệu. Sau đó chuyển đổi các thuộc tính pour_points sang dạng raster. Từ đó xác định ranh giới lưu vực từ điểm đầu ra của lưu vực bằng hàm Watershed trong ArcGIS. [5] 2.2. Xác định diện tích lưu vực tự động Ranh giới lưu vực xác định ở bước trên có dạng raster, cần chuyển sang dạng vecto và sử dụng công cụ Calculate Geometry để tính diện tích lưu vực. Phương pháp này đã khắc phục được các nhược điểm của phương pháp truyền thống là tốc độ tính toán nhanh chóng với độ chính xác đạt được cao hơn. Ngoài ra còn ứng dụng mở rộng trong tính toán xử lý phía sau. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 15 - năm 201792 2.3. Xác định chiều dài của nhánh sông trong các tiểu lưu vực Việc xác định chiều dài của hệ thống sống suối trong tiểu lưu vực thực hiện theo các bước sau: - Dùng phép giao Intersect lấ y ra cá c đư ờ ng giao củ a lớ p đư ờ ng và lớ p phâ n vù ng lư u vự c. - Tạo trường Lengths trong bảng thuộc tính của lớp dữ liệu có được sau khi sử dụng phép giao Intersect. - Sử dụ ng công cụ Calculate Geometry tính toán độ dài củ a từ ng khu vự c theo đơ n vị km. 3. Kết quả DEM sử dụng trong nghiên cứu này có độ phân giải 30m thể hiện trên Hình 3. Tuy nhiên cần hiệu chỉnh DEM bằng cách xử lý các dữ liệu độ cao khác thường (tức là các ô lưới độ cao có giá trị thấp hoặc cao một cách bất thường so với dữ liệu xung quanh). Phương pháp sử dụng chủ yếu là nội suy các giá trị số từ các giá trị xung quanh ô lưới độ cao đó. DEM sau khi hiệu chỉnh có độ cao chính xác vì vậy việc phân chia lưu vực và tính toán các thông số sẽ chính xác hơn. Hình 4 là kết quả của bước xử lý này. Từ DEM hiệu chỉnh xác định hướng dòng chảy tại các ô lưới độ cao dựa theo nguyên tắc 8 hướng dòng chảy (Hình 1). Kết quả của bước này thể hiện trong Hình 5. Hình 3: Mô hình số độ cao lưu vực Sông Lam Hình 4: Mô hình số độ cao sau khi hiệu chỉnh (Fill DEM) Khu vực này xác định 634 điểm thoát (pour_points) nhưng Hình 6 chỉ đưa đại diện 38 điểm. Các điểm này được lưu trong fi le và toạ độ của chúng được thể hiện trong Bảng 1. Hình 5: Kết quả xác định hướng dòng chảy Hình 6: Kết quả mô tả lưu vực có hiển thị các điểm thoát Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 15 - năm 2017 93 Bảng 1. Toạ độ của các điểm pour_points FID Shape ID X Y FID Shape ID X Y 0 Point 1 649611.088 1998057.393 19 Point 20 583253.152 2041244.459 1 Point 2 642239.781 1998041.518 20 Point 21 580813.689 2042466.836 2 Point 3 644333.742 2002647.041 21 Point 22 580199.854 2041778.918 3 Point 4 636004.091 2002590.597 22 Point 23 573848.628 1997834.590 4 Point 5 630209.949 1985364.078 23 Point 24 576864.884 1998533.091 5 Point 6 624930.636 1990892.161 24 Point 25 575164.456 2007753.416 6 Point 7 614933.670 1997194.698 25 Point 26 576466.209 2011552.840 7 Point 8 615761.073 2018151.311 26 Point 27 574860.516 2015647.937 8 Point 9 608892.477 2017717.393 27 Point 28 574175.905 2017106.455 9 Point 10 602360.034 2004640.285 28 Point 29 573934.472 2017619.086 10 Point 11 599096.128 2008831.294 29 Point 30 568280.976 2026944.345 11 Point 12 591369.096 2026783.875 30 Point 31 567450.183 2027653.430 12 Point 13 598757.601 2031248.728 31 Point 32 567296.724 2027806.888 13 Point 14 596177.908 2036355.196 32 Point 33 564096.803 2031834.075 14 Point 15 594471.342 2034648.630 33 Point 34 560549.659 2028544.239 15 Point 16 590527.720 2037970.413 34 Point 35 558206.505 2029947.592 16 Point 17 587470.453 2038502.226 35 Point 36 550235.519 2032831.611 17 Point 18 585314.095 2038872.644 36 Point 37 552550.628 2033770.884 18 Point 19 583331.039 2035972.019 37 Point 38 543903.307 2029009.714 Thuộc tính của các điểm thoát chuyển sang dạng raster bằng công cụ Snap pour_points. Từ đó biên giới lưu vực dạng raster được xác định tự động như Hình 7. Hình 7: Ranh giới lưu vực dạng raster Chuyển ranh giới dạng raster sang vecto từ đó tính diện tích tiểu lưu vực. Chiều dài của các nhánh sông được tính nhờ phép giao Intersect và công cụ Calculate Geometry. Dựa vào kết quả tổng chiều dài của hệ thống sông suối theo từng tiểu lưu vực và diện tích lưu vực tương ứng tiến hành tính chỉ số mật độ lưới sông. Giá trị chỉ số mật độ lưới sông thu được thể hiện trên fi le Exel là Bảng 2. Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 15 - năm 201794 Bảng 2. Kết quả biên tập và tính toán chỉ số mật độ lưới sông FID ID GRIDCODE Diện tích (km2) Tổng chiều dài (km) Mật độ lưới sông (km/km2) FID ID GRID CODE Diện tích (km2) Tổng chiều dài (km) Mật độ lưới sông (km/km2) 0 1 0 69.794 58.747 0.842 20 21 20 57.566 65.05 1.130 1 2 1 46.823 33.04 0.706 21 22 21 130.108 74.568 0.573 2 3 2 152.702 75.284 0.493 22 23 22 33.738 9.41 0.279 3 4 3 101.568 47.031 0.463 23 24 23 89.848 64.25 0.715 4 5 4 232.371 147.632 0.635 24 25 24 170.870 92.382 0.541 5 6 5 73.739 63.948 0.867 25 26 25 260.730 164.014 0.629 6 7 6 75.217 48.902 0.650 26 27 26 47.490 26.254 0.553 7 8 7 129.856 64.262 0.495 27 28 27 140.762 58.385 0.415 8 9 8 54.068 23 0.425 28 29 28 32.334 13.194 0.408 9 10 9 33.850 21.855 0.646 29 30 29 47.126 20.025 0.425 10 11 10 153.444 65.498 0.427 30 31 30 70.111 46.648 0.665 11 12 11 184.855 119.93 0.649 31 32 31 168.942 73.846 0.437 12 13 12 50.750 66.129 1.303 32 33 32 18.179 13.496 0.742 13 14 13 83.602 34.899 0.417 33 34 33 97.839 43.477 0.444 14 15 14 106.097 76.419 0.720 34 35 34 30.761 27.587 0.897 15 16 15 35.695 27.967 0.784 35 36 35 146.888 70.726 0.481 16 17 16 52.057 13.319 0.256 36 37 36 4.961 4.619 0.931 17 18 17 20.236 18.414 0.910 37 38 37 180.515 70.1 0.388 18 19 18 94.198 71.038 0.754 38 39 38 40.178 21.103 0.525 19 20 19 47.365 30.286 0.639 39 40 39 277.692 148.953 0.536 Tiến hành gộp thuộc tính của lớp tiểu lưu vực và fi le Exel vừa tính nói trên dựa trên trường Grid Code. Kết quả thu được là các vùng đã mang giá trị chỉ số mật độ lưới sông đã tính ở trên. Tiến hành đổ màu theo giá trị mật độ lưới sông mong muốn. Chỉ số này được thể hiện trên bản đồ mật độ lưới sông như Hình 8. Hình 8: Bản đồ mật độ lưới sông lưu vực sông Lam Nghiên cứu Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 15 - năm 2017 95 Kết quả tính toán cho thấy mật độ lưới sông của sông Lam là 0,59 km/km2 xấp xỉ so với mật độ lưới sông các sông miền Trung là 0,67 km/km2. Khu vực thượng nguồn sông La, mật độ lưới sông từ 0,85 km/km2 (sông Ngàn Phố) đến 0,90 km/km2 (sông Ngàn Sâu) trong khi thượng nguồn sông Hiếu là 0,74 km/km2 và thượng nguồn sông Cả 0,58 km/km2. Mật độ lưới sông càng cao càng làm tăng nguy cơ dòng chảy lũ, do đó sông Ngàn Sâu, sông Ngàn Phố có nguy cơ dòng chảy lũ cao nhất, tiếp đến sông Hiếu và thấp nhất là dòng chính sông Cả. Kết quả thu được cũng chỉ ra mạng lưới sông La phát triển dày đặc hơn so với sông Cả. Vì vậy với cùng một lượng dòng chảy, cùng một chế độ nước sông thì lũ sông La có thể hình thành và phát triển tạo ra những trận lũ kép phức tạp hơn so với lũ trên sông Cả. Phương pháp thành lập bản đồ mật độ lưới sông tự động cho kết quả chỉ số mật độ lưới sông nhanh chóng, mang tính thời sự phục vụ cho quản lý, phân vùng lũ trên lưu vực sông Lam. Đây là phương pháp đem lại hiệu quả cao so với phương pháp thủ công đã sử dụng trước kia. Dựa vào bản đồ mật độ lưới sông người dùng có được các thông tin chi tiết, chính xác về mật độ mạng lưới sông suối của các lưu vực cụ thể. 4. Kết luận Mạ ng lư ớ i sông ngòi có ả nh hư ở ng rấ t lớ n đế n việ c hình thành dòng chả y, đặ c điể m dòng chả y đồng thời cũng là nguyên nhân gây ra lũ lụ t ở lư u vự c. Lưu vực sông Lam, vớ i đị a hình khá phứ c tạ p và có độ dố c lớ n nên mậ t độ lư ớ i sông ở đó cũ ng khá phứ c tạ p. Vì vậy tạo nên các nét đặc trưng riêng về tính chất lũ của từng nhánh sông, cũng như gây nên tính cục bộ và bất thường về sự hình thành lũ trên lưu vực. Mậ t độ lư ớ i sông cao tức là hệ thố ng nhánh sông lớ n, khu vự c đó có nguy cơ cao xả y ra lũ lụ t. Cần phải nghiên cứu và phân tích mật độ lưới sông lưu vực sông Lam chi tiết, cụ thể để từ đó phân định được tính chất và cấp độ lũ khác nhau trên từng nhánh sông, giúp giảm thiểu tối đa nguy cơ lũ, cũng như thiệt hại mà lũ mang lại. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (2012). Thông tư “Hướng dẫn nguyên tắc và phương pháp xác định diện tích rừng trong lưu vực phục vụ chi trả dịch vụ môi trường rừng”. [2]. Đỗ Đức Dũng (2009). Chuyên đề phương pháp xác định lưu vực sông. [3]. Trần Duy Kiều (2015). Đề tài nghiên cứu nhận dạng lũ lớn, phân vùng nguy cơ lũ lớn và xây dựng bản đồ ngập lụt phục vụ cảnh báo lũ lớn lưu vực sông Lam. Đề tài nghiên cứu cấp Bộ. [4]. Yanli Zhang, Matthew McBroom, Jason Grogan, and I-Kuai Hung (2011). Snapping a Pour Point for Watershed Delineation in ArcGIS Hydrologic Analysis. [5]. jahia/webdav/site/hydroeurope/users/ scarceri/public/ArcGis%20Technical%20 Report%20-%20Team%20Six.pdf