TRÍCH XUẤT CÁC THÔNG SỐ TRẮC LƯỢNG HÌNH THÁI LƯU VỰC SÔNG BÉ TỪ MÔ HÌNH SỐ CAO TRÌNH

TRẦN TUẤN TÚ, HÀ QUANG HẢI

Khoa Môi trường, trường ĐH Khoa học Tự nhiên,
ĐH Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt: Mô hình số cao trình (DEM) lưu vực sông Bé với độ phân giải 90×90 m được xây dựng từ dữ liệu đường đồng mức địa hình và điểm độ cao thuộc loạt bản đồ địa hình Việt Nam tỷ lệ 1/50.000, hệ thống VN2000. Các thông số trắc lượng hình thái trích xuất từ DEM thuộc nhóm hình thái (bề rộng trung bình, tỉ lệ kéo dài, đường cong cao trình, tính bất đối xứng lưu vực) và nhóm mạng dòng chảy (độ lớn mạng, bậc dòng chảy Strahler, dòng lớn nhất...)

     Các thông số trắc lượng hình thái cho thấy lưu vực sông Bé gồm bảy cấp dòng chảy, trong đó số dòng cấp 1 là 13845; dòng chính sông Bé từ Thác Mơ đến cửa lưu vực tại Hiếu Liêm là dòng cấp 7. Có năm lưu vực cấp 6 đều phân bố bên tả ngạn, 15 trong số 18 lưu vực cấp 5 phân bố bên tả ngạn. Theo hướng dòng chảy có thể chia lưu vực sông Bé thành hai vùng rõ rệt: vùng I (đông bắc) phân bố ở cao trình 220-977 m, phổ biến 220–230 m; vùng II (tây nam) cao trình nhỏ hơn 220 m, phổ biến 70–100 m. Ranh giới của hai vùng này là dải nâng Phước Long - Túc Trưng. Dải nâng này có hướng tây bắc-đông nam, đi qua điểm uốn Thác Mơ.

     Lưu vực sông Bé có sự bất đối xứng lớn giữa tả ngạn và hữu ngạn, hệ số bất đối xứng toàn lưu vực AF = 35,67; vùng I là 41,85 và vùng II là 30,66.

 

I. GIỚI THIỆU

Trong nghiên cứu địa mạo truyền thống, đặc điểm địa hình như cao trình, độ dốc, phân cắt sâu, phân cắt ngang v.v… được tính toán từ bản đồ địa hình in trên giấy (bản đồ tĩnh). Hiện nay, sức mạnh công nghệ GIS trong mô phỏng 3 chiều, đặc biệt là mô hình số độ cao - DEM (Digital Elevation Model) cho phép phân tích định lượng các thông số hình thái địa hình. Các thông số này được sử dụng rất hữu ích trong nghiên cứu địa mạo, thủy văn vì chúng cho phép xây dựng mạng dòng chảy, dự báo lũ lụt, đánh giá phân bố trầm tích, xác định các dạng sườn đồi, lập bản đồ nhạy cảm trượt đất v.v...

Bài bào này trình bày kết quả trích xuất các thông số trắc lượng hình thái lưu vực sông Bé (Hình 1) từ mô hình DEM. Các thông số trắc lượng hình thái được chia thành hai nhóm: nhóm hình thái và nhóm mạng dòng chảy. Những thông số thuộc hai nhóm này là cơ sở xác định đặc điểm địa mạo định lượng lưu vực sông Bé phục vụ cho công tác quản lý môi trường lưu vực.

II. SƠ LƯỢC VỀ DEM

1. Cấu trúc DEM

Khái niệm của thuật ngữ liên quan tới DEM vẫn chưa có sự nhận thức thống nhất, mô hình địa hình số (DTM- Digital Terrain Model) dùng đồng nghĩa với DEM và TIN (Triangulated Irregular Network) được áp dụng để tính toán các thông số địa hình. Trong cấu trúc DEM (hay cấu trúc Raster), độ cao địa hình (Z) được gán vào ô lưới chữ nhật hay ô vuông đều đặn (pixel) trong không gian (Hình 2a). Trong cấu trúc TIN, độ cao địa hình được định vị tại đỉnh các tam giác (Hình 2b). DEM có cấu trúc đơn giản, dễ xử lý trong máy tính, do đó được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu địa mạo và thủy văn [8].

Hình 1. Vị trí lưu vực sông Bé và các tờ bản đồ số sử dụng xây dựng mô hình số cao trình

Hình 2. Mô hình DEM trong cấu trúc a) Raster và b) trong cấu trúc TIN

2. Phân giải DEM

Phân giải DEM được xác định bằng kích thước ô lưới cơ bản của mô hình, liên quan tới độ chính xác trong mô tả địa hình. Trong địa mạo học, tùy theo mục tiêu và qui mô nghiên cứu, độ phân giải DEM được xây dựng theo các mức khác nhau (Bảng 1) [1].

Với diện tích 7563 km², DEM lưu vực sông Bé được xây dựng với độ phân giải 90×90 m tương đương mức 2 (phân giải 50-200 m), đáp ứng công tác điều tra địa mạo khu vực ở bản đồ tỉ lệ trung bình 1:100.000 đến 1:200.000.

Bảng 1. Phân giải DEM và ứng dụng trong nghiên cứu địa mạo

3. Phân tích DEM

Khả năng phân tích DEM vô cùng phong phú. Những tính toán các thông số về độ dốc, hướng sườn, chiều dài sườn, mật độ phân cắt ngang, mật độ phân cắt sâu lưu vực sông Bé đã được chúng tôi trình bày trong một số công bố trước đây [6]. Bài báo này giới thiệu khả năng phân tích thống kê địa hình, nhận dạng ranh giới lưu vực và chiết tách mạng dòng chảy từ DEM phục vụ cho nghiên cứu địa mạo và thủy văn.

- Phân tích thống kê

Thống kê thuộc tính hình thái đã được sử dụng trong mô tả cảnh quan [7] trong phân loại và nhận dạng những dấu hiệu cảnh quan, trong đó, phân tích thống kê từ DEM như: tần số phân bố cao trình (histogram), cao trình lớn nhất, nhỏ nhất, cao trình trung bình, độ lệch vv…là những thông số quan trọng trong mô tả địa hình.

- Phân cấp lưu vực

Ranh giới lưu vực được xác định từ DEM theo thuật toán ma trận cuốn 4 ô (Hình 3) [3]. Trong hình 3, ô lưới màu trắng có cao trình lớn nhất trong 4 ô lưới, những ô lưới màu xám là những ô lưới thuộc lưu vực.

- Chiết tách mạng dòng chảy

Chiết tách mạng dòng chảy được xây dựng theo mô hình D8 [3]. Trong D8, hướng dòng chảy từ một ô lưới được xác định theo hướng dốc nhất địa hình từ 8 ô lưới xung quanh (Hình 4a). Trong giới hạn của D8, mỗi dòng chảy được chiết tách từ mô hình chỉ theo một trong 8 hướng cách nhau 45° (Hình 4b). Thứ bậc dòng chảy được xác định theo luật Strahler (Hình 4c, d).

 

Hình 3. Phương pháp xác định những ô lưới của lưu vực bằng ma trận cuốn 4 ô

Hình 4. Mô hình D8 chiết tách mạng dòng chảy từ DEM

III. THÔNG SỐ TRẮC LƯỢNG HÌNH THÁI LƯU VỰC SÔNG BÉ

DEM lưu vực sông Bé được xây dựng từ dữ liệu đường đồng mức địa hình và điểm cao trình thuộc loạt bản đồ địa hình Việt Nam tỷ lệ 1/50.000, hệ thống VN2000 (Hình 5). Hình 6 là mạng sông suối lưu vực được chiết tách từ mô hình DEM.

1. Nhóm thông số hình thái lưu vực

Hình thái lưu vực trực tiếp ảnh hưởng tới quá trình vận chuyển nước và trầm tích. Đặc điểm hình thái lưu vực được mô tả bằng các chỉ số về diện tích, chiều dài, hình dạng và cao trình địa hình v.v... Các thông số hình thái lưu vực sông Bé trích xuất từ DEM bằng chương trình River Tool được thể hiện ở Bảng 2.

Hình 7. Biểu đồ histogram độ cao lưu vực

Bảng 2. Các thông số hình thái lưu vực sông Bé

- Biểu đồ độ cao

Biểu đồ độ cao lưu vực (histogram) biểu diễn mối tương quan giữa độ cao và diện tích lưu vực (Hình 7). Biểu đồ này cho thấy địa hình lưu vực gồm hai vùng rõ rệt: vùng I nằm trong dải độ cao 220-979,5 m, phổ biến là 220-230 m. Vùng II phân bố ở độ cao nhỏ hơn 220 m, phổ biến là 70-100 m.

            Hình 8. Đường cong độ cao lưu vực sông Bé

- Đường cong độ cao

Đường cong độ cao (Hypsometry) biểu diễn mối tương quan % h/H với % a/A, với H là cao trình tuyệt đối, A là diện tích lưu vực, a là diện tích cắt ngang địa hình tại cao trình (h). Giá trị a/A luôn biến đổi từ 0 (tại điểm cao nhất trong lưu vực có h/H = 1,0) tới 1,0 (tại điểm thấp nhất trong lưu vực có h/H = 0). Trên biểu đồ này có một điểm uốn tại h/H = 0,225 tương ứng với vị trí h = 220 m trên biểu đồ độ cao ở Hình 8.

- Tính bất đối xứng lưu vực (AF)

Tính bất đối xứng lưu vực thể hiện sự cân đối lưu vực theo phương nằm ngang với dòng chảy. Nó được biểu diễn bằng hệ số AF và được tính theo công thức: AF = 100 (Ar/At), trong đó Ar là diện tích hữu ngạn, At là tổng diện lưu vực. Hệ số AF toàn lưu vực sông Bé là 35,67 (H.9a), vùng I là 41,85 (H.9b) và vùng II là 30,66 (H.9c). Hệ số AF cho thấy lưu vực sông Bé có sự bất đối xứng cao, nhất là vùng II.

 

Hình 9. Hình dạng lưu vực và tính bất đối xứng: (a) Toàn lưu vực;( b) Vùng I; (c) Vùng II

Hình 10. a) Lưu vực cấp 5; b) Lưu vực cấp 6

Bảng 3. Thông số tổng quát mạng dòng chảy

TT	Giải thích	Đơn vị	Giá trị
1	Độ lớn mạng (tổng số dòng chảy cấp 1)	dòng chảy	13845
2	Bậc dòng chảy Strahler	bậc	7
3	Dòng chảy lớn nhất	km	344
4	Tổng chiều dài dòng chảy	km	13057.57

Bảng 4. Thông số chi tiết mạng dòng chảy

Hình 11. Biểu đồ bậc dòng chảy và log các thông số (số dòng chảy, diện tích trung bình lưu vực, độ chênh cao, độ dốc trung bình)

2. Nhóm thông số mạng dòng chảy

Trong nghiên cứu định lượng hệ thống dòng chảy, Horton đã sử dụng phương pháp gán số cho các dòng chảy để thể hiện thứ bậc, mối liên kết các nhánh sông. Horton chỉ ra rằng số lượng dòng chảy ở mỗi bậc phát triển tăng theo cấp số nhân như 1, 4, 16, 64,.... và nhiều thông số khác cũng có tương quan tương tự. Nghiên cứu của Strahler (1957) và các nghiên cứu lưu vực khác cũng cho kết quả tương tự và được gọi là Luật Horton-Strahler [2].

Kết quả trích xuất mạng dòng chảy cho thấy lưu vực sông Bé gồm 7 cấp. Dòng chảy cấp 7 là đoạn từ chân đập thủy điện Thác Mơ tới cửa lưu vực (tại Hiếu Liêm). Có năm lưu vực cấp 6 phân bố hoàn toàn bên tả ngạn. Có 18 lưu vực cấp 5, trong đó 15 ở tả ngạn và 3 hữu ngạn (Hình 10a, b). Các thông số mạng dòng chảy sông Bé trình bày ở Bảng 3 và 4.

Biểu đồ quan hệ giữa các thông số mạng dòng chảy theo luật Horton-Strahler được thể hiện ở Hình 11.

IV. NHẬN XÉT CHUNG

Kết quả trích xuất các thông số trắc lượng hình thái từ mô hình DEM cho phép rút ra các nhận xét sau:

1) Lưu vực sông Bé gồm bảy cấp dòng chảy, trong đó tổng số dòng cấp 1 là 13845, dòng chính sông Bé từ Thác Mơ đến cửa lưu vực tại Hiếu Liêm là dòng cấp 7. Có năm lưu vực cấp 6 đều phân bố ở tả ngạn, 15 trong số 18 lưu vực cấp 5 phân bố bên tả ngạn. Có sự bất đối xứng lớn giữa tả và hữu ngạn lưu vực (AF = 35,67); vùng I (AF = 41,85); nổi bật tại vùng II (AF = 30,66) tuyến tính với các thông số mạng dòng chảy như số lượng dòng chảy, diện tích trung bình.

2) Các bậc dòng chảy (từ cấp 2 đến cấp 6) có quan hệ tuyến tính với các thông số mạng dòng chảy như: số lượng dòng chảy, diện tích trung bình, độ chênh cao, độ dốc trung bình lưu vực. Đây là cơ sở để tính toán chế độ thủy văn lưu vực như cân bằng nước, mô hình hóa dòng chảy tràn, cường độ xói mòn và trầm tích v.v...

3) Dựa vào biểu đồ độ cao và đường cong độ cao, có thể phân chia lưu vực sông Bé theo hướng dòng chảy thành hai vùng rõ rệt: vùng I (đông bắc) phân bố ở cao trình 220-977,5 m, trong đó cao trình phổ biến trong khoảng 220–230 m, vùng II (tây nam) có cao trình nhỏ hơn 220 m, phổ biến trong khoảng 70-100 m. Ranh giới của hai vùng này là dải nâng Phước Long - Túc Trưng. Dải nâng này có hướng tây bắc - đông nam, đi qua điểm uốn Thác Mơ, quan sát  được rất rõ trên mô hình DEM.

VĂN LIỆU

1. Goudie A. S., 2004. Digital Elevation Model. Encyclopedia of Geomorphology, Routledge Ltd, New York, pp. 260-263

2. RiverTools User’s Guide, 2001. Copyright by Rivix Limited Liability Company.

3. Tarboton D. G., 1997. A new method for the determination of flow directions and upslope areas in grid digital elevation models. Water Resources Research, 33/2: 309-319.

4. Trần Tuấn Tú, Hà Quang Hải, Huỳnh Tiến Đạt, 2002. Hệ thống thông tin địa lý và viễn thám trong nghiên cứu xói mòn đất. Kỷ yếu Hội nghị KHCN lần thứ 8: 111-116. Trường Đại học Bách khoa TP. HCM.

5. Trần Tuấn Tú, 2003. Ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu đặc điểm môi trường địa chất lưu vực sông Bé phục vụ cho công tác quản lý lãnh thổ. Luận văn cao học môi trường. ĐHKH Tự nhiên, TP. Hồ Chí Minh.

6. Trần Tuấn Tú , Hà Quang Hải, 2006. Giới thiệu bản đồ nguy cơ rủi ro môi trường lưu vực sông Bé. TC Các khoa học về Trái đất. Hà Nội, 28/3: 315-320.

7. Weibel R., Heller M., 1991. Digital Terrai Modelling, Geographic Infomation Systems. 1:299-317, John Wiley & Sons Ltd.

8. Wood J. D., 1996. The geomorphological characterisation of Digital Elevation Models. PhD Thesis, University of Leicester, UK.

9. Zeiler M., 1999. Modeling Our World. Environmental Systems Res. Inst. Inc. 380 New York Street, Redlands, California 92373-8100.