Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm ứng dụng công nghệ viễn thám trong đánh giá, giám sát độ sụt lún của đập thủy lợi đối với các đập không có hoặc thiếu số liệu quan trắc
Bản chất của quá trình sụt lún đất xuất phát từ quá trình xói ngầm hay chính là quá trình biến dạng thấm. Sụt lún, xói ngầm, cát chảy là những hình thức biến dạng thấm tiêu biểu xảy ra ở vùng “cửa thoát” nơi có dòng thấm đi ra khi gradient áp lực thấm vượt quá gradient áp lực thấm giới hạn của đất. Có nhiều dạng sụt lún, tuy nhiên sụt lún đất thường gặp và gây nguy hiểm nhất là dạng sụt lún do khai thác nước ngầm - một trong những nguồn cung cấp nước ngọt quan trọng nhất trên thế giới của con người. Mọi hoạt động khai thác từ lòng đất đều dẫn đến sụt lún. Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, sụt lún đang trở thành vấn đề cấp thiết hiện nay do tốc độ sụt lún ngày càng mạnh mẽ khiến cho nhiều quốc gia thế giới đang phải đối mặt. Sự sụt lún đất kết hợp cùng với tác động của biến đổi khí hậu - nước biển dâng và sự phát triển về kinh tế - xã hội khiến tình trạng hạn hán, xâm nhập mặn, gia tăng suy thoái rừng ngập mặn ven biển, đe dọa các công trình ven biển, úng ngập đô thị, ảnh hưởng tới đời sống sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.
Việt Nam có một trong những hệ thống đập lớn nhất trên thế giới cùng với Trung Quốc và Mỹ; mạng lưới đập bao gồm hơn 750 đập vừa và lớn và hàng nghìn đập nhỏ. Trong tổng số 4 triệu hecta đất nông nghiệp, hơn 3.0 triệu hecta được tưới thông qua 6,648 đập với các kích cỡ khác nhau. Ngoài ra, 268 đập thủy điện đang hoạt động với tổng công suất lắp đặt là 14.200MW, trong đó 60 đập là đập thủy điện lớn theo định nghĩa của ICOLD với công suất lắp đặt là 30MW hoặc lớn hơn. 6,648 đập tưới hiện có và 268 hồ chứa thủy điện có dung tích kết hợp khoảng 50m3. Tất cả các đập này đều là đa mục tiêu, cũng hỗ trợ điều tiết lũ và cung cấp nước với khối lượng lớn khi cần. Việc ứng dụng công nghệ viễn thám sẽ giúp đáp ứng các yêu cầu của công tác giám sát sụt lún đập trên 2 phương diện đó là các dữ liệu viễn thám thế hệ mới hiện nay (Sentinel, Landsat…) có thời gian chụp liên tục đảm bảo giám sát sụt lún đập trong thời đoạn tối thiểu theo tháng; ảnh viễn thám có bước tiến vượt bậc về độ phân giải không gian trong vài năm trở lại đây, ví dụ các ảnh vệ tinh quang học thế hệ mới của Planet có độ phân giải 2.5-5m, ảnh vệ tinh radar Sentinel có độ phân giải 10mx10m.
Từ các vấn đề nêu trên, ThS. Hoàng Tiến Thành cùng các cộng sự tại Viện quy hoạch thủy lợi - Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm ứng dụng công nghệ viễn thám trong đánh giá, giám sát độ sụt lún của đập thủy lợi đối với các đập không có hoặc thiếu số liệu quan trắc” phục vụ hỗ trợ công tác quản lý, giám sát đập thủy lợi. Các giải pháp về công nghệ viễn thám gồm có ứng dụng ảnh viễn thám quang học và radar phân giải cao để giám sát độ sụt lún đập.
Từ các kết quả thu được, đề tài đưa ra những kết luận như sau:
Trên thế giới có nhiều công cụ đánh giá, giám sát sụt lún, chuyển vịcủa đập như phương pháp trắc đạc, bao gồm đo bằng cảm biến, đo cao, phép quan trắc và định vị vệ tinh (GNSS/GPS), áp kế, máy đo độ nghiêng.... Tuy nhiên, đối với các phương pháp này, chi phí theo dõi thường xuyên khá tốn kém, đòi hỏi công việc tại hiện trường, mất nhiều thời gian cho phân tích, đánh giá đo đạc các kết quả. Ngoài ra, các kết quả quan trắc chỉ thu được tại các điểm cụ thể trên đập và rất khó áp dụng đối với các đập thiếu hoặc không có số liệu quan trắc và còn bị hạn chế về mặt không gian, thời gian, phụ thuộc nhiều vào các thông số công trình đập.
Hiện nay việc sử dụng ảnh viễn thám kết hợp với các công cụ GIS nhằm phân tích, xử lý dữ liệu vệ tinh giúp ước tính chuyển vị hay sụt lún của đập đang là hướng đi mới với độ tin cậy và tính chính xác cao.So với các kỹ thuật đo đạc, khảo sát truyền thống, công nghệ viễn thám có lợi thế là có mật độ điểm đo dày hơn (lưới ảnh viễn thám phổ biến hiện nay là 10x10m), cho phép đo trên diện rộng, bao gồm các khu vực nguy hiểm hoặc khó tiếp cận, tiết kiệm thời gian; và khả năng nhìn ngược thời gian nhờ kho dữ liệu từ một số vệ tinh. Phương pháp này giúp giảm chi phí, thời gian theo dõi thường xuyên trong đánh giá, giám sát sụt lún, chuyển vị của đập. Công nghệ viễn thám hiện nay cũng cho phép giám sát đập theo thời gian thực hoặc cận thời gian thực.
Để nâng cao công tác quản lý an toàn các hồ đập, việc theo dõi và phân tích liên tục để phát hiện sự bất ổn và sụt lún đập là rất cần thiết, nhằm ước tính chính xác và giảm thiểu tác động rủi ro kinh tế xã hội của chúng. Các công nghệ tiên tiến, đặc biệt là công nghệ viễn thám trong giám sát sụt lún đập đối với các đập không có hoặc thiếu số liệu quan trắc có tiềm năng ứng dụng rất lớn.
Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp công nghệ viễn thám trong giám sát độ sụt lún của đập cụ thể như sau: Lựa chọn nguồn ảnh viễn thám radar: ảnh Sentinel -1; Lựa chọn nguồn ảnh viễn thám quang học: ảnh Landsat 8 và Sentinel -2; Lựa chọn nguồn dữ liệu mô hình cao độ số: ALOS.
Từ các thống kê và phân tích ưu nhược điểm ở trên, chuyên đề rút ra một số kết quả lựa chọn công nghệ viễn thám và GIS trong đánh giá, giám sát độ sụt lún của đập thủy lợi đối với các đập không có hoặc thiếu số liệu quan trắc sẽ được sử dụng cho đề tài dựa trên 5 tiêu chí: độ tin cậy; tính thân thiện; tính kinh tế; tốc độ xử lý; khả năng cập nhật phiên bản mới.
Nhóm nghiên cứu lựa chọn giải pháp công cụ GIS sử dụng trong nghiên cứu: các công cụ và phần mềm GIS cho xử lý ảnh viễn thám: QGIS, Google Earth Engine, SNAP.
Đã xây dựng phương pháp nghiên cứu và các bước tính toán ước tính độ sụt lún dựa trên nguồn dữ liệu ảnh vệ tinh viễn thám Sentinel-1 cụ thể: Đồng đăng ký ảnh phụ (slave) về cùng một hệ toạ độ với ảnh chính (master); Gắn vào dữ liệu địa hình cao độ số; Lọc nhiễu để loại bỏ những tín hiệu xấu; Tính toán giao thoa bằng phương pháp InSAR và DInSAR; Xử lý ảnh bằng công cụ xác xuất thống kê chi phí SNAPHU. Kết quả thu được sẽ là cơ sở để tính toán độ sụt lún của công trình nghiên cứu.
Kết quả ứng dụng thử nghiệm cho các đập Hà Thượng cho thấy phương pháp có thể sử dụng để tính toán sụt lún cho vùng nghiên cứu, ở đây là các đập thuỷ lợi. Tuy nhiên các kết quả đang có tính thiên lớn một số nguyên nhân nhóm nghiên cứu nhận thấy có thể do dữ liệu ảnh viễn thám Sentinel-1 đôi khi còn bị nhiễu, dẫn đến kết quả còn bị sai khác ở một số vùng, dữ liệu ảnh DEM ALOS bị lệch do thời gian thu thập dữ liệu hơi cũ. Vì thế cần kết hợp thu thập, tham khảo dữ liệu địa hình mới và nghiên cứu các phương pháp hiệu chỉnh kết hợp với thực địa để kết quả được chính xác hơn.
Nghiên cứu đã trình bày đề xuất giải pháp, quy trình công nghệ xử lý ảnh viễn thám trong đánh giá, giám sát độ sụt lún của các đập thủy lợi, điển hình cho đập Hà Thượng của tỉnh Quảng Trị. Ngoài ra, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thu thập dữ liệu thực tế để kiểm định kết quả. Tuy nhiên, do điều kiện khách quan (dịch bệnh Covid, giãn cách xã hội…) nên kết quả thu thập bị hạn chế. Chính vì thế, nhóm nghiên cứu tiến hành hiệu chỉnh, kiểm định bằng phương pháp gián tiếp. Tức là, kế thừa, thu thập những nghiên cứu trước đây sử dụng phương pháp giao thoa để tính toán độ sụt lún. Kết quả thấy rằng, phương pháp giao thoa có thể áp dụng được trong bài toán tính toán độ sụt lún của đập.
Kết quả nghiên cứu của đề tài có tính tương đối mới tại Việt Nam, mang hàm lượng khoa học cao và tích hợp nhiều loại hình công nghệ viễn thám như quang học, radar và có khả năng mở ra hướng nghiên cứu mới trong tương lai.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19859 /2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
