Bài giảng: Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool)

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

KS Nguyễn Duy Liêm

Điện thoại: 0983.613.551

Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn

(Soil and Water Assessment Tool)

Trang 2

2 Phân chia lưu vực trong SWAT (Soil and Water Assessment Tool)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

Trang 3

Nội dung

 Lý thuyết

 Một số thuật ngữ về lưu vực

 Cấu trúc lưu vực trong SWAT

Trang 4

Một số thuật ngữ

 Lưu vực

Lưu vực là một diện tích mặt 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 sông, suối,

Cửa sông (cửa xả)

Trang 5

Lưu vực không tuân theo ranh giới hành chính!

5

Trang 6

Ranh giới lưu vực theo địa hình có thể khác với

thực tế!

6

Lưu vực (theo địa hình) Lưu vực (theo địa hình)

Lưu vực (trên thực tế)

Lượng mưa

Bốc hơi

Dòngchảy mặt

Thấm hút

Tầng thấm

Tầng không thấm

Suối

Trang 7

Ranh giới lưu vực có thể thay đổi do con người!

7

Hồchứa

Đường giao thông

Chuyển nước

Trang 8

 Trong mỗi lưu vực có thể bao gồm nhiều lưu vực nhỏ

hơn (gọi là tiểu lưu vực )

 Lưu vực được xác định dựa trên đường ranh giới của

nó Ranh giới lưu vực là một đường khép kín vẽ theo

đường phân thủy mặt tính từ cửa xả của lưu vực

8

Lưu vực (tiểu lưu vực) Ranh giới lưu vực

(đường phân thủy)

Cửa xả

Trang 9

 Cửa xả của lưu vực

 Là điểm thoát nước chủ yếu của lưu vực tính từ điểm đó trở lên.

điểm xả nước chính của một đập thủy điện,

điểm thu nước của một nhà máy cấp nước sạch hoặc cơ sở sản xuất công nghiệp có sử dụng nước trực tiếp từ nguồn nước

9

Trang 10

Trang 11

 Mô hình độ cao số

 Thể hiện dưới dạng số sự thay đổi liên tục của độ cao trong

không gian

 DEM là một trong những dữ liệu đầu vào của các quá trình xử lý

số liệu liên quan đến xác định ranh giới lưu vực

11

Trang 12

Cấu trúc lưu vực trong SWAT

 Trong SWAT, lưu vực được chia thành các tiểu lưu vực, trong mỗi tiểu lưu vực được chia thành các đơn vị thủy văn (HRUs)

 Lưu vực (Basin)

 Tiểu lưu vực (Subbasin)

 Đơn vị thủy văn (Hydrological Response Unit)

12

Trang 13

13

Sông ngòi Tiểu lưu vực

Trang 14

 Lưu vực, Tiểu lưu vực, Dòng chảy

14

Trang 15

 Đơn vị thủy văn

Trang 16

16

Trang 17

17

Trang 18

 Sự phân chia này giúp người sử dụng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu của một vùng này vào một vùng khác khi chúng có sự tương đồng nhất định.

18

Trang 19

Phương pháp phân chia lưu vực

 Hiện nay, có 2 phương pháp xác định lưu vực sông như sau:

 Thủ công trên nền bản đồ địa hình (dạng giấy)

19

Trang 20

Thủ công trên nền bản đồ địa hình (dạng giấy)

 Bước 1: Đánh dấu vị trí cửa xả

 Bước 2: Đánh dấu vị trí các điểm cao nhất nằm gần thực thể nước (hồ, sông)

 Bước 3: Nối các điểm này lại với nhau tạo thành đường chia nước lưu vực Lưu ý đường này luôn vuông góc với các đường đồng mức

 Bước 4: Xác định diện tích lưu vực và các đặc trưng cần thiết khác Diện tích lưu vực thường được thực hiện

bằng phương pháp đếm ô vuông hoặc dùng máy đo diện tích chạy theo đường phân nước được xác định trên bản

đồ địa hình.

20

Trang 21

Trang 22

Trang 23

Trang 24

Trang 25

Trang 26

Thủ công trên nền bản đồ địa hình (dạng giấy)

 Ưu điểm:

 Thực hiện khá đơn giản, không cần các thiết bị máy tính

 Có thể phác họa lưu vực trên bản đồ giấy

Trang 27

Tự động trên nền DEM với sự hỗ trợ của GIS

 Bước 1: Xây dựng DEM

 Bước 2: Hiệu chỉnh DEM

 Bước 3: Xác định hướng dòng chảy theo mô hình 8

hướng (Flow Direction)

 Bước 4: Tính toán sự tích lũy dòng chảy giữa các ô lưới (Flow Accumulation)

 Bước 5: Phân định ranh giới lưu vực sông và tính toán

các đặc trưng của nó

27

Trang 28

 Khắc phục được những nhược điểm của phương pháp xác định bằng bản đồ giấy địa hình

 Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ GIS không chỉ

dừng lại ở việc xác định ranh giới lưu vực sông tự động

mà nó còn phát huy được các chức năng của GIS như

cải tiến tốc độ xử lý, phân tích, tinh toán các đặc trưng

sau đó (diện tích, độ dốc,…).

28

Trang 29

 Xây dựng DEM

xây dựng từ bản đồ địa hình

 Kích thước ô lưới (grid cell)

phụ thuộc vào quy mô lưu

Trang 30

 Hiệu chỉnh DEM

 Mô hình DEM nếu chưa hiệu chỉnh có thể có một số lỗi về những

điểm lồi hoặc lõm không mong muốn

 Vì vậy, cần hiệu chỉnh dữ liệu này, bằng việc sử dụng hàm “Fill” trong công cụ “Hydrology” của ArcGIS.

30

Trang 31

 Xác định hướng dòng chảy

 Hướng dòng chảy cho một pixel bất

kỳ được xác định trên cơ sở so sánh

độ chênh cao giữa điểm đó với 8

điểm xung quanh (mô hình D8)

∆𝐡i = (H – H i )/ D i

Trong đó, ∆hi là độ chênh cao, H là độ cao tại

pixel cần xác định hướng dòng chảy, Hi là độ

cao của pixel lân cận, Di là khoảng cách giữa 2

pixel trên (1 hoặc 2)

 Hướng dòng chảy được xác định là

hướng tới điểm có độ chênh cao là

lớn nhất

 Quá trình tính toán được lặp lại để

xác định hướng dòng chảy cho toàn

bộ các điểm trong lưu vực

Do nước chỉ chảy từ cao xuống thấp nên pixel này chỉ có thể chảy về pixel 11

(47 – 22)/ 2 = 17,68

(47 – 21)/1 = 26 (47 – 12)/ 2 = 24,75

(47 – 34)/1 = 13

4 pixel còn lại (53,61,58,55) với độ cao lớn hơn không cần tính

max

Trang 32

 Tính toán sự tích lũy dòng chảy

Sự tích lũy dòng chảy cho một ô

nào đó trong khu vực trên nền mô

hình DEM được xác định bằng

cách tính tổng số ô lưới tập trung

nước về ô đó theo hướng dòng

chảy (trực tiếp lẫn gián tiếp)

Sự tích lũy dòng chảy có thể được

xác định tự động trong các phần

mềm GIS từ bản đồ hướng dòng

chảy

Bản đồ tích lũy dòng chảy cũng

chính là bản đồ sông suối của lưu

vực trong điều kiện tự nhiên.

32

27

Trang 33

 Mô phỏng mạng lưới dòng chảy

xác định bằng cách thiết lập ngưỡng giá trị cho dòng chảy tích

lũy Khi đó, những ô lưới nào có số dòng chảy tích lũy lớn hơn

giá trị ngưỡng trên thì sẽ được mô phỏng.

khi thiết lập giá trị ngưỡng lớn hơn 3 ô lưới.

33

Trang 34

Phương pháp phân chia lưu vực

 Phân định ranh giới lưu vực

 Hiển thị tọa độ điểm đầu ra của lưu vực lên bản đồ tích lũy dòng

mềm GIS để vẽ tự động ranh giới lưu vực

 Diện tích, hình dạng và các đặc trưng cơ bản khác của lưu vực sẽ được xác định dễ dàng từ bản đồ ranh giới của lưu vực.

34

Trang 35

Bài tập kiểm tra trên lớp

 Cho dữ liệu DEM như hình vẽ

(cell size= 2)

 Sử dụng mô hình D8, xác định

pixel nào không xác định được hướng

thì ghi Na

 Tính toán dòng chảy tích lũy?

lưu vực (ngưỡng dòng chảy tích

lũy lớn hơn 1 pixel)?

 Phác họa ranh giới lưu vực đến

tích lũy lớn hơn 1 pixel)?

Trang 36

 Dựa trên bản đồ địa hình (khoảng cao đều 10m) như hình

vẽ, hãy phác họa ranh giới lưu vực của con sông?

36

Trang 37

Trang 38

Phương pháp phân chia đơn vị thủy văn

 Có 3 tùy chọn để xác định sự phân bố HRU

 “Dominant Landuse, Soil, Slope” – một HRU cho mỗi tiểu lưu vực

 “Multiple HRUs” – nhiều HRU cho mỗi tiểu lưu vực

38

Trang 39

 Nguyên tắc xác định sự phân bố HRU

 “Dominant Landuse, Soil, Slope” – một HRU cho mỗi tiểu lưu vực

 Lựa chọn giá trị phổ biến nhất (chiếm diện tích lớn nhất trong tiểu lưu vực) trong từng lớp sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc,

 Bộ 3 giá trị trên tạo thành thuộc tính của HRU ( không xét đến tính

phân bố không gian ).

 Lựa chọn tổ hợp phổ biến nhất của sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc

(chiếm diện tích lớn nhất trong tiểu lưu vực),

 Tổ hợp trên tạo thành thuộc tính của HRU ( có xét đến tính phân bố

không gian ).

 Tính toán lại diện tích sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc (tiểu lưu vực), HRU

 Diện tích sử dụng đất/ thổ nhưỡng/ độ dốc = Diện tích tiểu lưu vực

 Diện tích HRU = Diện tích tiểu lưu vực

39

Trang 40

 Ví dụ 1: Cho tiểu lưu vực với mô tả như bảng sau:

 Nếu chọn “Dominant Landuse, Soil, Slope", xác định sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của HRU? Tính toán diện tích HRU,

sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực?

 Đáp án

1.5% = Diện tích tiểu lưu vực = 90ha

30ha độ dốc 0– 0.6%

40ha độ dốc 0.6– 1.5%

20ha độ dốc 1.5– 99.99%

Trang 41

 Nếu chọn “Dominant HRU", xác định sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ

dốc của HRU? Tính toán diện tích HRU, sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực?

 Đáp án

 HRU: đất trồng lúa/đất phù sa/0- 0.6%

 Diện tích HRU = Diện tích tiểu lưu vực = 90ha

 Diện tích đất trồng lúa = Diện tích đất phù sa = Diện tích 0- 0.6% = Diện tích tiểu lưu vực = 90ha

30ha 0– 0.6% (I)40ha 0.6– 1.5% (II)20ha 1.5– 99.99% (III)

Trang 42

 Nguyên tắc xác định sự phân bố HRU

 “Multiple HRUs” – nhiều HRU cho mỗi tiểu lưu vực

 1: Thiết lập ngưỡng giá trị cho sử dụng đất, thổ nhưỡng và độ dốc

 2: Xác định và loại bỏ giá trị sử dụng đất, thổ nhưỡng và độ dốc trên từng tiểu lưu vực chiếm diện tích nhỏ hơn ngưỡng trên

 3: Loại bỏ những HRUs chứa ít nhất một trong những giá trị sử dụng đất/ thổ nhưỡng/ độ dốc đã bị loại bỏ ở bước 2.

 Tính toán lại diện tích sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc (tiểu lưu vực), HRU

Diện tích mới của HRUs giữ lại được tính toán bằng cách lấy diện tích ban đầu của nó cộng theo trọng số cho tổng diện tích của các HRUs

đã bị loại bỏ.

Từ diện tích mới của HRUs, thống kê lại diện tích sử dụng đất, thổ

nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực.

42

Trang 43

 Nếu chọn “Multiple HRUs” với giá trị ngưỡng là 30% đối với sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc,

 Tính toán diện tích HRUs, sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực?

30ha 0– 0.6% (I)40ha 0.6– 1.5% (II)20ha 1.5– 99.99% (III)

Trang 44

 Đáp án ví dụ 3: Xác định sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ

dốc của HRUs

 6 HRUs sẽ được tạo ra với ngưỡng 0% : X-Fr-II (20ha), X-Mn-II

(10ha), X-Fr-III (10ha), R-Fr-II (10ha), R-Fr-III (10ha), L-Ps-I (30ha).

 Do đất rừng (R), đất mùn (Mn), 1.5– 99.99% (III) chiếm tỉ lệ dưới

ngưỡng 30% (27ha) diện tích tiểu lưu vực nên HRUs chứa ít nhất

1 trong 3 giá trị này sẽ bị loại bỏ Khi đó, số lượng HRUs còn là 2.

 X-Mn-II (10ha), X-Fr-III (10ha), R-Fr-II (10ha), R-Fr-III (10ha),

 X-Fr-II (20ha), L-Ps-I (30ha)

 Diện tích của từng HRUs được tính toán lại bằng cách lấy diện

tích 4 HRUs loại bỏ (40ha), cộng theo trọng số diện tích vào 2

HRUs còn lại.

 X-Fr-II (20ha)  20 + (20/50) * 40 = 36ha

 L-Ps-I (30ha)  30 + (30/50) * 40 = 54ha

44

Trang 45

 Đáp án ví dụ 3: Tính toán diện tích sử dụng đất, thổ

nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực

 Dựa trên diện tích HRUs được giữ lại, diện tích các loại hình sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực được thống kê lại như bảng sau:

54ha 0– 0.6% (I)36ha 0.6– 1.5% (II)

Trang 46

Bài tập kiểm tra trên lớp

 Cho tiểu lưu vực có diện tích là 200ha Biết rằng nếu dùng tùy chọn “Multiple HRUs” với giá trị ngưỡng là 0% đối với sử

dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc, sẽ có 6 HRUs được tạo ra với diện tích như sau:

 Nếu dùng tùy chọn “Multiple HRUs” với giá trị ngưỡng là 27%

đối với sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc cho tiểu lưu vực

trên,

 Câu hỏi tương tự với tùy chọn “Dominant Landuse, Soil,

Slope” và “Dominant HRU”?

Trang 47

 So sánh 2 phương pháp phân chia lưu vực là thủ công và

tự động về đặc điểm và khả năng áp dụng?

 Phân biệt 3 phương pháp phân chia HRU trong SWAT?

47

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	2,42 MB