ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG VU GIA, TỈNH QUẢNG NAM BẰNG MÔ HÌNH SWAT

ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96) 2015, QUYỂN 2 67 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG VU GIA, TỈNH QUẢNG NAM BẰNG MÔ HÌNH SWAT ASSE[.]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 67

ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG VU GIA, TỈNH QUẢNG NAM BẰNG MÔ HÌNH SWAT ASSESSING INFLUENCE OF CLIMATE CHANGE ON THE FLOW OF VU GIA RIVER

BASIN, QUANG NAM PROVINCE BY SWAT MODEL

Kiều Thị Hòa, Phạm Phú Song Toàn

Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; kieuhoa310387@gmail.com; ppstoan@gmail.com

Tóm tắt - Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu đã có những

ảnh hưởng rõ rệt đến lưu vực sông Vu Gia – một trong hai con sông

lớn của tỉnh Quảng Nam, vì vậy việc áp dụng mô hình hóa hiện đang là

một hướng tiếp cận mới nhằm giải quyết và dự báo các vấn đề phát

sinh trong lĩnh vực môi trường Nghiên cứu này bước đầu áp dụng mô

hình SWAT nhằm đánh giá các tác động của khí hậu lên dòng chảy

sông, cung cấp thông tin cho việc định hướng quản lý và quy hoạch lưu

vực sông, góp phần vào phát triển bền vững cho lưu vực Trong nghiên

cứu này, dữ liệu đầu vào cho mô hình được lấy từ năm 2001 – 2010

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được dựa trên lưu lượng thực

đo tại trạm thủy văn Thành Mỹ với chỉ số NSI lần lượt là 0,78 và 0,91

Kết quả này cho thấy SWAT có thể ứng dụng để đánh giá diễn biến

dòng chảy sông Vu Gia dưới tác động của biến đổi khí hậu

Abstract - In recent years, climate change has greatly impacted

on the Vu Gia river basin, Quang Nam province; therefore the application of model is a new approach to solve and forecast environmental problems This study applies SWAT model to assess impacts of climate condition on the flow of Vu Gia river This provides information for the orientation of management and planning for the river basin to contribute to the sustainable development of the basin In this research, input data of SWAT model is collected from 2001 to 2010 Model calibration and validation results are based on observed flow at Thanh My hydrological station with NSI of 0.78 and 0.91 respectively It can

be seen that SWAT model can be applied to assess Vu Gia river’s flow changes under the impact of climate change

Từ khóa - mô hình SWAT; biến đổi khí hậu; dòng chảy; GIS; lưu

vực sông Vu Gia

Key words - SWAT model; climate change; flow; GIS; Vu Gia river basin

1 Đặt vấn đề

Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã, đang và sẽ ảnh hưởng

lên mọi mặt của tự nhiên và xã hội Nó sẽ gây ra biến

động lên mọi thành phần trên trái đất, trong đó có tài

nguyên nước – một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng

đối với con người Ở nước ta nói chung, tỉnh Quảng Nam

nói riêng, việc đánh giá tác động biến đổi khí hậu chưa

thực sự được tính toán và lồng ghép vào các quy hoạch

phát triển kinh tế - xã hội Vì vậy, việc áp dụng một công

cụ hỗ trợ hiệu quả để ước lượng mức độ ảnh hưởng của

biến đổi khí hậu nhằm đưa ra các phương án thích ứng

với nó trong tương lai là thực sự cần thiết

Một số ứng dụng của mô hình SWAT trong nghiên cứu

tác động của biến đổi khí hậu trên thế giới và trong nước như:

- Muttiah và Wurbs (2002) đã dùng SWAT để mô

phỏng tác động của khuynh hướng biến đổi khí hậu vào

giai đoạn năm 2040 - 2059 lên 7300 km2 diện tích lưu vực

sông San Jacinto ở Texas Báo cáo cho thấy theo kịch bản

biến đổi khí hậu thì dòng chảy trung bình sẽ cao hơn bởi

vì sự gia tăng lũ lụt [1]

- Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn (2009) đã sử

dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động tiềm năng của

thay đổi sử dụng đất đối với sự hình thành dòng chảy

dưới số liệu mưa thực tế ở lưu vực sông Bến Hải [2]

Bài báo này nhằm nghiên cứu sự biến đổi dòng chảy trong

lưu vực sông Vu Gia theo kịch bản biến đổi khí hậu B2 của

Bộ Tài nguyên và Môi trường 2012 bằng mô hình SWAT

2 Nội dung nghiên cứu

2.1 Mô hình SWAT

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tools) là

bộ mô hình vật lý, do tiến sỹ Dr Jeff Arnold thuộc Trung

tâm Phục vụ nghiên cứu nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ xây dựng từ những năm 90 của thế kỷ 20 Mô hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý

sử dụng nguồn đất và nước của hệ thống lưu vực sông trong một khoảng thời gian xác định Mô hình SWAT sẽ trực tiếp tính toán các quá trình tự nhiên liên quan tới chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng,… dựa vào các thông số

dữ liệu đầu vào Trong SWAT, lưu vực nghiên cứu được chia thành các tiểu lưu vực theo địa hình và mạng lưới thủy văn, sau đó mỗi tiểu lưu vực lại được chia nhỏ thành các đơn vị thủy văn (HRUs – Hydrological Response Units) – mỗi HRU có những đặc điểm riêng về đất và sử dụng đất Trong số các mô hình thủy văn, SWAT là một sự lựa chọn thích hợp để ứng dụng tính toán cho những lưu vực rộng lớn, nhưng số liệu đo đạc lại hạn chế [3]

Hình 1 Các bước chạy mô hình trong SWAT

Hiệu quả mô phỏng của mô hình được đánh giá theo các mức độ [4]:

0,75 < NSI ≤ 1 : Rất tốt;

0,65 < NSI ≤ 0,75 : Tốt;

0,50 < NSI ≤ 0,65 : Thỏa mãn; NSI < 0,50 : Không thỏa mãn, lúc đó phải xem xét lại cách hiệu chỉnh các thông số của

mô hình cũng như số liệu đầu vào

68 Kiều Thị Hòa, Phạm Phú Song Toàn Ngoài ra, còn dùng thêm hệ số tương quan R2 để xem

xét mức độ phù hợp của mô hình, nếu hệ số R2 càng tiến

về 1 thì chứng tỏ sự tương quan cao giữa kết quả mô

phỏng và giá trị thực đo, giá trị này được tính toán dễ

dàng trong Microsoft Excel

2.2 Số liệu được sử dụng trong mô hình

2.2.1 Dữ liệu bản đồ

 Bản đồ mô hình số hóa độ cao (DEM) của lưu vực:

Được lấy từ trang web http://www.gdex.cr.usgs.gov của

USGS/NASA với độ phân giải không gian 30 m Độ cao

khu vực nghiên cứu được chia thành 8 nhóm: 1 - 235 m,

235 - 415 m, 415 - 567 m, 567 - 719 m, 719 - 881 m, 881

– 1065 m, 1065 - 1297 m, 1297 – 2196 m (Hình 2)

 Bản đồ độ dốc: Được suy ra từ bản đồ DEM của lưu

vực Độ dốc của lưu vực sông Vu Gia được chia thành 3 nhóm

như sau: 0 – 16,75%; 16,75 – 39,65%; trên 39,65% (Hình 3)

 Bản đồ sử dụng đất của lưu vực năm 2010 (Hình 4):

Từ bản đồ sử dụng đất tỉnh Quảng Nam của Sở Tài nguyên

và Môi trường tỉnh Quảng Nam, sau khi xử lý dữ liệu, phân

tích và mã hóa các loại hình sử dụng đất theo yêu cầu của

mô hình SWAT ta có được bản đồ sử dụng đất của lưu vực

sông Vu Gia với 7 loại hình sử dụng đất: AGRL – Đất

nông nghiệp, FRSE – Rừng thường xanh, FRST – Rừng

hỗn giao, RICE – Đất trồng lúa, UCOM – Đất thương mại,

URBN – Đất dân cư, WATR – Mặt nước

 Bản đồ thổ nhưỡng của lưu vực (Hình 5): Được

lấy từ Sở Tài nguyên và Môi Trường tỉnh Quảng Nam ở

định dạng của phần mềm Map Info Tiến hành biên tập lại

bản đồ và mã hóa các loại đất theo bảng mã của SWAT,

ta được bản đồ thổ nhưỡng của lưu vực sông Vu Gia như

Hình 5, gồm 5 loại đất: Jd – Đất phù sa chua, Ao – Đất

xám trên phù sa cổ, Ah – Đất xám mùn trên núi, Ap – Đất

xám có tầng loang lổ, WATER – Mặt nước

Hình 2 Bản đồ số hóa độ cao lưu vực sông Vu Gia

Hình 3 Bản đồ độ dốc lưu vực sông Vu Gia

Hình 4 Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Vu Gia

Hình 5 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Vu Gia

2.2.2 Dữ liệu thuộc tính

 Dữ liệu khí tượng: Vì số liệu thống kê về khí tượng ở lưu vực sông Vu Gia không được đầy đủ, nên trong nghiên cứu này số liệu thời tiết được thu thập tại 6 trạm khí tượng (Hình 6) từ năm 2000 – 2010, kết hợp cả dữ liệu thực đo thu thập được từ Đài khí tượng thủy văn Trung Trung Bộ và dữ liệu thời tiết toàn cầu (http://globalweather.tamu.edu/) Vị trí các trạm khí tượng của lưu vực sông Vu Gia được thể hiện như ở Hình 6 và Bảng 1

 Dữ liệu thủy văn tại trạm thủy văn Thành Mỹ được

sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Giai đoạn hiệu chỉnh từ năm 2001 – 2005 và giai đoạn kiểm định từ năm 2006 -2010

 Kịch bản biến đổi khí hậu: Nghiên cứu này đã kế thừa kịch bản biến đổi khí hậu B2 từ “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” năm 2012 của Bộ Tài nguyên và Môi trường [5] Số liệu về sự thay đổi nhiệt độ và lượng mưa của kịch bản B2 được thể hiện ở Bảng 2, Bảng 3

Hình 6 Vị trí các trạm khí tượng

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 69

Bảng 1 Tọa độ địa lý các trạm khí tượng và dữ liệu thu thập

TT Tên trạm Vĩ độ(o) Kinh độ(o) Dữ liệu thu thập

Nhiệt độ, lượng mưa, bức xạ mặt trời, độ ẩm và tốc

độ gió

Bảng 2 Mức tăng nhiệt độ theo thời kỳ trong năm ( o C) so với

thời kỳ 1980 - 1999 theo kịch bản B2 của tỉnh Quảng Nam [4]

Bảng 3 Mức tăng lượng mưa theo thời kỳ trong năm (%) so với

thời kỳ 1980 -1999 theo kịch bản B2 của tỉnh Quảng Nam [4]

2.3 Xây dựng các kịch bản để chạy mô hình

Bài báo này sẽ áp dụng mô hình SWAT cho 2 kịch

bản như sau:

 Kịch bản 1: Đây là kịch bản hiện trạng với dữ liệu

đầu vào cho mô hình gồm các bản đồ như Hình 2, Hình 3,

Hình 4 và Hình 5, Hình 6; dữ liệu khí tượng ở các trạm khí

tượng như Bảng 1 và dữ liệu thủy văn tại trạm Thành Mỹ

từ năm 2000 -2010 Kịch bản này nhằm đánh giá sự phù

hợp giữa kết quả mô phỏng của mô hình SWAT và kết quả

thực đo, từ đó hiệu chỉnh và kiểm định mô hình để tìm ra

bộ thông số hiệu chỉnh mô hình phù hợp với việc mô phỏng

dòng chảy cho lưu vực sông Vu Gia trong tương lai

 Kịch bản 2: Kịch bản này với dữ liệu đầu vào như

sau: Dữ liệu không gian gồm các loại bản đồ được giữ

nguyên như trong kịch bản 1; dữ liệu khí tượng được sử

dụng dữ liệu theo kịch bản biến đổi khí hậu trung bình

(B2) Kịch bản 2 nhằm đánh giá tác động của biến đổi khí

hậu đến dòng chảy lưu vực sông Vu Gia trong tương lai

3 Kết quả nghiên cứu

3.1 Phân định ranh giới lưu vực

Mô hình SWAT 2012 chạy trên giao diện ArcMap

10.1 được sử dụng để phân chia lưu vực sông Vu Gia

thành 25 tiểu lưu vực và 771 đơn vị thủy văn (HRU), diện

tích toàn bộ lưu vực là 454046,4 ha với cửa ra lưu vực tại

xã Đại Đồng, huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam

Hình 7 Bản đồ phân chia lưu vực, tiểu lưu vực sông Vu Gia

3.2 Diễn biến lưu lượng dòng chảy theo kịch bản 1

Sau khi phân tích đơn vị thủy văn, các file đầu vào của SWAT được nhập vào với số liệu khí tượng từ năm 2000

- 2010 tại trạm Thành Mỹ, trong đó năm 2000 được dùng

để “warm-up” mô hình (chỉ chạy mô hình chứ không cho

ra kết quả) Kết quả lưu lượng dòng chảy tại Thành Mỹ theo mô phỏng của SWAT từ năm 2001 – 2010 sẽ dùng cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Việc hiệu chỉnh mô hình được thực hiện tự động bằng công cụ SWAT-CUP 2012 theo phương pháp SUFI2 (Sequential Uncertainty Fitting, version 2) với việc sử dụng lưu lượng dòng chảy (LLDC) thực đo theo tháng tại trạm Thành Mỹ giai đoạn 2001 – 2005 Công cụ SUFI2 sẽ tiến hành thực hiện các vòng lặp để hiệu chỉnh nhằm tìm

ra bộ thông số mô hình mà có chỉ số NSI tốt nhất

Sau hiệu chỉnh, thu được chỉ số NSI là 0,78 và hệ số

R2 = 0,871 (Hình 8) và bộ thông số chính của mô hình sau hiệu chỉnh thu được như ở Bảng 4 Như vậy, kết quả hiệu chỉnh mô hình đạt loại tốt

Hình 8 Sự tương quan giữa lưu lượng mô phỏng và thực đo sau hiệu chỉnh tại trạm Thành Mỹ (2001 - 2005) Bảng 4 Bộ thông số hiệu chỉnh mô hình

Cửa

ra lưu vực

70 Kiều Thị Hòa, Phạm Phú Song Toàn

Để đánh giá hiệu quả của bộ thông số hiệu chỉnh mô

hình thu được như trong Bảng 4, tiến hành kiểm định mô

hình bằng cách sử dụng LLDC thực đo tại trạm Thành Mỹ

giai đoạn 2006 - 2010 để so sánh với kết quả lưu lượng do

SWAT mô phỏng sau khi hiệu chỉnh Kết quả thu được

chỉ số NSI đạt 0,91 và hệ số R2 = 0,916 (Hình 9)

Hình 9 Sự tương quan giữa lưu lượng mô phỏng và thực đo trong

giai đoạn kiểm định mô hình tại trạm Thành Mỹ (2006 - 2010)

Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ở trên, ta

thấy kết quả mô phỏng đạt loại tốt

Mô hình SWAT thích hợp để tính toán cho các lưu

vực rộng lớn nhưng số liệu đo đạc lại hạn chế [3], cụ thể

là tại cửa ra lưu vực không có trạm thủy văn tuy nhiên dữ

liệu khí tượng đầu vào của mô hình ở 6 trạm khí tượng có

mối quan hệ với dữ liệu thủy văn trong toàn lưu vực Vậy

nên, ta có thể sử dụng bộ thông số hiệu chỉnh mô hình ở

Bảng 4 để áp dụng vào mô hình SWAT nhằm:

 Lấy dữ liệu LLDC tại cửa ra lưu vực trong giai

đoạn 2001 – 2010

 Mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Vu Gia theo

kịch bản 2

3.3 Diễn biến lưu lượng dòng chảy theo kịch bản 2

Trong kịch bản 2, sẽ đánh giá mức độ tác động của

biến đổi khí hậu (sự thay đổi về lượng mưa và nhiệt độ)

đến lưu lượng dòng chảy của sông so với kịch bản hiện

trạng (kịch bản 1) như thế nào

3.3.1 Dòng chảy mùa khô

Mùa khô ở lưu vực sông Vu Gia từ tháng I – VIII hàng

năm, so với mùa khô giai đoạn nền 2001 – 2010, lượng dòng

chảy có xu thế giảm trên toàn bộ lưu vực ở tất cả các năm

trong giai đoạn 2020 – 2059 và không giống nhau trong từng

thời đoạn 10 năm của thế kỷ 21 Lượng giảm lớn nhất là

40,66 m3/s vào những năm 2020 – 2029 và lượng giảm nhỏ

nhất là 24,36 m3/s vào những năm giữa thế kỷ 21

Hình 10 Sự thay đổi lưu lượng trung bình mùa khô so với

giai đoạn nền 2001 - 2010 tại cửa ra lưu vực

Hình 11 Mức thay đổi lưu lượng trung bình mùa khô so với giai đoạn nền 2001 - 2010 tại cửa ra lưu vực

3.3.2 Dòng chảy mùa mưa

Hình 12 Sự thay đổi lưu lượng trung bình mùa mưa so với giai đoạn nền 2001 – 2010 tại cửa ra lưu vực

Ngược lại với các tháng mùa khô trong tương lai, lưu lượng dòng chảy ở các tháng mùa mưa có xu hướng tăng

ở cửa ra của lưu vực và tăng so với mùa mưa giai đoạn nền 2001 – 2010 Nguyên nhân là do vào các tháng mùa mưa thì lượng mưa có xu hướng tăng ở toàn lưu vực theo kịch bản biến đổi khí hậu B2 Mức tăng lưu lượng dòng chảy dao động trong khoảng từ 23,79% đến 33,39%, trong đó lượng tăng lớn nhất là 260,8 m3/s vào thời kỳ

2020 - 2029 và thời kỳ 2040 -2049 có lượng tăng nhỏ nhất là 185,8m3/s

Hình 13 Mức thay đổi lưu lượng trung bình mùa mưa so với giai đoạn nền 2001 – 2010 tại cửa ra lưu vực

3.3.3 Dòng chảy năm

Dưới tác động của biến đổi khí hậu làm cho lượng mưa năm có xu thế tăng trên toàn lưu vực từ 2020 – 2059, dẫn đến lưu lượng dòng chảy trung bình năm cũng có xu thế tăng theo từng thời đoạn 10 năm trong giai đoạn 2020 – 2059 so với giai đoạn nền 2001 – 2010, tuy nhiên mức tăng dao động không nhiều và khoảng từ 11,82% đến 16,12% từ năm 2020 – 2059

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 71

Hình 14 Sự thay đổi lưu lượng trung bình năm so với giai đoạn

nền 2001 – 2010 tại cửa ra lưu vực

Qua phân tích sự biến động của dòng chảy sông Vu

Gia do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu (kịch bản 2) ở trên

có thể thấy rằng lưu lượng dòng chảy năm tại cửa ra lưu

vực có xu hướng tăng trong thời kỳ 2020 -2059 và sự biến

đổi khí hậu trong tương lai sẽ làm gia tăng dòng chảy lũ,

giảm dòng chảy kiệt trên lưu vực

4 Kết luận

Lưu vực sông Vu Gia đang chịu tác động mạnh mẽ của

sự phát triển kinh tế và xã hội và cả biến đổi khí hậu Vì vậy,

các ban ngành liên quan cần có những giải pháp, quy hoạch hợp lý ở lưu vực sông nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu

và hướng đến phát triển bền vững cho lưu vực

Kết quả chính của bài báo này là đã phân tích được tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước của lưu vực bằng công cụ SWAT Với kết quả đạt được này, có thể hỗ trợ

ra quyết định liên quan đến tài nguyên nước tại lưu vực này

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Philip Water Gassman (2008), A simulation assessment of the Boone river watershed: baseline calibration/validation results and issues, and future research needs, Iowa State University

[2] Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn (2009), Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát ảnh hưởng của các kịch bản sử dụng đất đối với

dòng chảy lưu vực sông Bến Hải, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN,

Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, số 3S, tr.492-498

[3] Arnold, J.G., et al (1998), Large Area Hydrologic Modelling and

Assessment Part I: Model Development, Journal of American

Water Resources Association 34(1): 73-89

[4] D.N Moriasi, et al (2007), Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations, American Society of Agricultural and Biological Engineers ISSN 0001-2351, vol 50(3): 885-900

[5] Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), Kịch bản biến đổi khí hậu và

nước biển dâng cho Việt Nam, NXB Tài nguyên – Môi trường và

Bản đồ Việt Nam

(BBT nhận bài: 29/07/2015, phản biện xong: 26/09/2015)