ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN BIẾN ĐỘNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Phương pháp này cho phép các tham số khác nhau của NAM ứng dụng trong mỗi một lưu vực con, do đó nó được xem là mô hình phân bố.. Có thể sử dụng chức năng tự hiệu chỉnh thông qua AUTOCAL

1

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED DANH MỤC HÌNH ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

1.1 VỊ TRÍ ĐỊA LÝ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 1.2 ĐỊA HÌNH ĐỊA MẠO ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 1.3 ĐỊACHẤTTHỔNHƯỠNG E RROR! BOOKMARK NOT DEFINED 1.3.1 Địa chất Error! Bookmark not defined 1.3.2 Thổ nhưỡng Error! Bookmark not defined

1.4THẢM THỰC VẬT ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

1.5 KHÍ HẬU ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

1.6 THỦY VĂN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT ERROR! BOOKMARK NOT

2.2 GIỚITHIỆU MÔ HÌNH SWAT ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

2.2.1 Lịch sử phát triển Error! Bookmark not defined 2.2.2 Giới thiệu mô hình SWAT Error! Bookmark not defined 2.2.3 Các ứng dụng mô hình SWAT trên thế giới và trong nước Error! Bookmark not defined

Thế giới Error! Bookmark not defined Trong nước Error! Bookmark not defined 2.2.4 Cấu trúc mô hình SWAT Error! Bookmark not defined

Mô hình lưu vực Error! Bookmark not defined

Mô hình diễn toán Error! Bookmark not defined 2.2.5 Phương pháp sử dụng trong mô hình SWAT Error! Bookmark not defined

2.3 THÔNG SỐ MÔ HÌNH ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

2

2.3.1 Thông số tính toán dòng chảy trực tiếp Error! Bookmark not defined 2.3.2 Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ Error! Bookmark not defined 2.3.3 Thông số tính toán hệ số trễ giảm dòng chảy Error! Bookmark not defined

2.3.4 Thông số tính toán tổn thất dọc đường Error! Bookmark not defined 2.3.5 Thông số tính toán tổn thất bốc hơi Error! Bookmark not defined 2.3.6 Thông số tính toán dòng chảy ngầm Error! Bookmark not defined 2.3.7 Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN BIẾN ĐỘNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI ERROR! BOOKMARK NOT

DEFINED

3.1 CÁC KỊCHBẢNBIẾNĐỔI KHÍ HẬU E RROR! BOOKMARK NOT DEFINED 3.1.1 Biểu hiện của biến đổi khí hậu ở Việt Nam Error! Bookmark not defined

3.1.2 Cơ sở xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu Error! Bookmark not defined 3.1.3 Lựa chọn kịch bản phù hợp cho khu vực nghiên cứu Error! Bookmark not defined

3.2 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT KHẢO SÁT TÁC ĐỘNGCỦABIẾNĐỔI KHÍ HẬUĐẾNBIẾNĐỘNG DÒNG CHẢYLƯUVỰC SÔNG ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED

3.2.1 Số liệu đầu vào Error! Bookmark not defined 3.2.2 Các bước thực hiện chạy mô hình SWAT Error! Bookmark not defined 3.2.3 Hiệu chỉnh mô hình Error! Bookmark not defined 3.2.4 Kiểm định mô hình Error! Bookmark not defined 3.2.5 Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu tới dòng chảy Error! Bookmark not defined

KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

3

MỞ ĐẦU

Việt Nam là một trong 5 quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi khí hậu Biến đổi khí hậu là một trong những thách thức lớn nhất đối với đời sống con người trong thế kỷ 21 Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tác động đến mọi lĩnh vực trong đời sống con người Chúng ta cần phải biết mức độ ảnh hưởng của biến đổi khí hậu như thế nào để đưa ra các phương án thích ứng những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu Những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến dòng chảy làm ảnh hưởng đến đời sống hằng ngày là rất nhiều

Nội dung khóa luận gồm có:

 Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Đáy trên địa bản thành phố Hà Nội

 Giới thiệu mô hình SWAT

 Áp dụng mô hình SWAT khảo sát tác động của biến đổi khí hậu đến biến động dòng chảy lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội

4

CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN

Lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội có diện tích tự nhiên là

1900 km2 Diện tích lưu vực thuộc các huyện Ba Vì, Phúc Thọ, TX Sơn Tây, Đan Phượng, Thạch Thất, Quốc Oai, Hoài Đức, Chương Mỹ, Thanh Oai, Ứng Hòa, Mỹ Đức, Quận Hà Đông, một phần của huyện Từ Liêm, Thanh Trì và Phú Xuyên 1.2 ĐỊA HÌNH, ĐỊA MẠO

Lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nộ trải dày trên phương vĩ tuyến lại chịu ảnh hưởng của nhiều cấu trúc địa chất khác nhau khiến cho địa hình

có sự phân hóa rõ rệt

Vùng đồi núi nằm ở phía Tây có diện tích khoảng 70.400 ha chiếm 30% diện

tích tự nhiên toàn lưu vực Địa hình có hướng thấp dần từ Đông Bắc xuống Tây Nam và từ Tây sang Đông Phần lớn là các dãy núi thấp có độ cao trung bình từ 400-600 m, cao nhất là khối núi Ba Vì cao 1296 m Vùng đồi núi có độ cao trên 300.- 1296 m có diên tích khoảng 1700 ha Vùng núi thuộc huyện Mỹ Đức là vùng núi đá vôi có địa hình phức tạp với nhiều hang động như Động Hương Tích…Địa hình đồi núi được tách ra với địa hình núi và đồng bằng độ chênh cao <100 m, độ phân cắt sâu từ 15-100 m Trong phạm vi lưu vực sông Đáy, địa hình đồi chỉ chiếm khoảng 10% diện tích có độ cao phần lớn dưới 200 m, phân bố chuyển tiếp từ vùng núi xuống đồng bằng

Vùng đồng bằng chiếm khoảng 60% diện tích tư nhiên của lưu vực Địa hình

tương đối bằng phẳng Bề mặt đồng bằng bị chia cắt bởi hệ thống kênh mương chằng chịt

5

Hình 1.1 Lưu vực sông Đáy trên địa bàn TP Hà Nội

1.3 ĐỊA CHẤT THỔ NHƯỠNG

1.3.1 Địa chất

Vùng đồi núi : các dãy núi có độ cao từ 400 – 600 m được cấu tạo bởi đá

trầm tích lục nguyên, cacbonat Một vài khối núi cao trên 1000 m được cấu tạo bởi

đá trầm tích phun trào như khối núi Ba Vì, khối núi Viên Nam Khu vực huyện Mỹ Đức là vùng núi đá vôi có nhiều hang động và hiên tượng Karst mạnh

Vùng đồng bằng chủ yếu là đất phù xa, địa chất của vùng đồng bằng chủ yếu

là nền mềm, các lớp đất thường gặp là đất thịt các loại, đất sét và cát pha, xen kẽ có các lớp cát mịn, cát chảy hoặc bùn Phổ biến là đất thịt và cát mịn

1.4 THẢM THỰC VẬT

Tính đến năm 2002 toàn lưu vực có khoảng 16770 ha rừng, trong đó diện tích rừng tự nhiên 3922 ha, diện tích rừng trồng 12484 ha Các khu bảo tồn thiên nhiên như Vườn Quốc Gia Ba Vì, rừng tự nhiên Chùa Hương huyện Mỹ Đức

Hiện nay rừng đầu nguồn đang bị khai thác, tàn phá nghiêm trọng làm giảm diện tích rừng tự nhiên và đa dạng sinh học bị giảm sút

1.5 KHÍ HẬU

Đặc điểm khí tượng: lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội nằm trong khu vực mang đầy đủ những thuộc tính cơ bản của khí hậu miền Bắc Việt Nam đó là nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mùa đông khá lạnh và ít mưa, mùa hè nắng nóng nhiều mưa tạo nên bởi tác động qua lại của các yếu tố: bức xạ mặt trời, địa hình, các khối không khí luân phiên khống chế

Về chế độ nắng, lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng 105-120 kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600-1750 giờ/năm

Chế độ nhiệt trong khu vực này phân hoá khá rõ rệt theo đai cao trong khu vực nghiên cứu Nhiệt độ trung bình năm ở vùng thấp đạt từ 25 - 270C, vùng đồi núi phía Tây và Tây Bắc nhiệt độ trung bình năm xấp xỉ 240C Chế độ nhiệt của nước phụ thuộc vào chế độ nhiệt của không khí đã ảnh hưởng đến các quá trình hoá lý xảy ra trong nước, nó ảnh hưởng đến đời sống các vi sinh vật và vi khuẩn sống trong nước

Về chế độ gió, mùa đông có hướng thịnh hành là Đông Bắc, tần suất đạt 60 – 70% Một số nơi do ảnh hưởng của địa hình, hướng gió đổi thành Tây Bắc và Bắc, tần suất đạt 25 – 40% Mùa hè các tháng V, VI, VII hướng gió ổn định, thịnh hành

là Đông và Đông Nam, tần suất đạt khoảng 60 - 70% Tháng VIII hướng gió phân tán, hướng thịnh hành nhất cũng chỉ đạt tần suất 20 – 25% Các tháng chuyển tiếp hướng gió không ổn định, tần suất mỗi hướng thay đổi trung bình từ 10 – 15%

7

1.6 THỦY VĂN

Lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội với chiều dài 114 km Các chi lưu của sông Đáy: sông Tích, sông Bùi, sông Thanh Hà Nói chung 85% lượng dòng chảy trên lưu vực sông Đáy trên dịa bàn thành phố Hà Nội có nguồn gốc từ sông Hồng chuyển sang, chỉ 15% còn lại bắt nguồn từ lưu vực

Tại điểm giao nhau giữa sông Đáy và sông Hồng thuộc địa phận thành phố

Hà Nội có 2 công trình kiểm soát lũ trên sông Đáy, điều tiết dòng chảy từ sông Hồng vào Khi đập Đáy đóng phần thượng lưu chỉ là một sông chết do không có nước nuôi lòng sông

Sông Tích có chiều dài 91 km, bắt nguồn từ vùng đồi núi Ba Vì, đổ vào sông Đáy tại Ba Thá Dòng chảy năm của sông Tích và sông Đáy đo tại trạm Ba Thá là 1,35 tỉ m3, chiếm 4,7% tổng lượng dòng chảy năm tại cửa ra lưu vực

Sông Thanh Hà bắt nguồn từ dãy núi đá vôi gần Kim Bôi – Hòa Bình, chảy vào vùng đồng bằng từ ngã ba Đông Chiêm ra đến Đục Khê, được ngăn cách giữa cánh đồng và núi bởi kênh Mỹ Hà, đưa nước chảy thẳng vào sông Đáy Diện tích lưu vực là 271 km2, sông dài 40 km, chiều rộng trung bình lưu vực 9 km

Chế độ thủy văn lưu vực sông Đáy không những chịu ảnh hưởng của các yếu

tố mặt đệm trên bề mặt lưu vực, các yếu tố khí hậu mà còn phụ thuộc vào chế độ dòng chảy của nước sông Hồng và các sông khác Vì thế mà chế độ thủy văn ở đây rất phức tạp và có sự khác nhau nhất định giữa các đoạn sông Dòng chảy trên lưu vực sông phân bố không đều theo không gian và thời gian Theo không gian, dòng chảy lớn nhất là ở núi Ba Vì, phần hữu ngạn lưu vực có dòng chảy lớn hơn phần tả ngạn

Sự phân bố theo thời gian thể hiện rõ nét thông qua phân phối dòng chảy trong năm Phân phối dòng chảy năm phụ thuộc vào sự phân phối theo mùa của lượng mưa năm nên dòng chảy trong năm cũng phân phối không đều và thể hiện hai mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô

 Mùa mưa từ tháng V đến tháng X chiếm 80-85% lượng mưa cả năm

 Mùa khô từ tháng XI đến tháng IV năm sau

Việc phân mùa như trên chỉ mang tính trung bình trong từng năm cụ thể Do

sự nhiễu động của chế độ mưa, mùa mưa có thể bắt đầu sớm hơn hoặc kết thúc muộn đến một tháng Trong mùa mưa, mực nước và lưu lượng các sông suối lớn thay đổi nhanh, tốc độ dòng chảy đạt từ 2- 3 m/s, biên độ mực nước trong từng con

lũ thường 4- 5 m Mực nước và lưu lượng lớn nhất năm có có khả năng xuất hiện

8

trong tháng VII, VIII, hoặc IX, nhưng phổ biến vào tháng VIII Phân phối dòng chảy năm lưu vực sông Đáy được trình bày trong bảng sau:

Bảng 1.1 Phân phối dòng chảy năm các trạm thuộc lưu vực sông Đáy

Nguồn: Cục Bảo Vệ Môi Trường 2006

Lượng nước mùa lũ ở hầu hết các sông chiếm từ 70- 80% lượng nước năm Trong mùa cạn, mực nước và lưu lượng nước nhỏ Lượng dòng chảy trong 7 tháng mùa cạn chỉ chiếm khoảng 20- 25% lượng dòng chảy cả năm Ngoài các nhánh sông lớn chi phối chế độ thủy văn trên hệ thống, sông Đáy còn nhận nước từ các sông tiêu, sông tưới qua các cống La Khê, Ngoại Độ…Các sông này thường phải đóng lại khi có phân lũ trong thời gian dài, ngắn tùy thuộc vào thời gian lũ Sông Đáy có vị trí rất quan trọng, nó vừa là đường thoát nước chính của sông Hồng, vừa

là đường tiêu lũ của bản thân lưu vực sông Đáy

9

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT

2.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN KHẢO SÁT TÁC DỒNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY

2.1.1 Phương pháp SCS [8]

Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phương pháp

để tính tổn thất dòng chảy từ mưa (gọi là phương pháp SCS) Theo đó, trong một trận mưa rào, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không bao giờ vượt quá độ sâu mưa P Tương tự, sau khi quá trình dòng chảy bắt đầu, độ sâu nước bị cầm giữ có thực trong lưu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một độ sâu trữ nước tiềm năng tối đa nào đó S Đồng thời có một lượng Ia bị tổn thất ban đầu không sinh dòng chảy trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực Do

đó, có lượng dòng chảy tiềm năng là P - Ia Trong phương pháp SCS, giả thiết rằng

tỉ số giữa hai đại lượng có thực Pe và Fa bằng với tỉ số giữa hai đại lượng tiềm năng

P - Ia và S, có nghĩa là:

a

e a

I P

P S

e I F P

Kết hợp hai phương trình trên để giải Pe

S I P

I P P

a

a e

S

I a  0 , 2Trên cơ sở này, ta có:

S P

S P

P e

8 0

2







10

Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, đã tìm ra được họ các đường cong tiêu chuẩn hoá, sử dụng số hiệu CN làm thông số Đó là một số không thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng 0CN 100 Đối với các mặt không thấm hoặc mặt nước, CN = 100 ; đối với các mặt tự nhiên, CN < 100 Số hiệu của đường cong CN và S liên hệ với nhau qua phương trình:

Để mô hình hóa các quá trình mưa – dòng chảy, có thể sử dụng nhiều phương pháp Các phương pháp này có thể sử dụng để giải đáp các mục tiêu thủy văn khác nhau, như thủy văn vận hành, lũ lụt, hạn hán hoặc mô hình hóa truyền ô nhiễm Một trong những bước đầu tiền để giải quyết vấn đề là lựa chọn mô hình phù hợp với mục tiêu thủy văn cụ thể

2.1.2 Mô hình MIKE – SHE

Mô hình mưa – dòng chảy MIKE – SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch thuộc nhóm mô hình phân bố Nó bao gồm vài thành phần tính dòng chảy và phân bố theo các pha riêng của quá trình dòng chảy:

 Dòng chảy mặt – tính bằng phương pháp sai phân hữu hạn 2 chiều

 Giáng thủy – Số liệu đầu vào

 Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– Số liệu đầu vào

 Dòng chảy trong lòng dẫn – sử dụng diễn toán 1 chiều của Mike 11 Mô hình này cung cấp vài phương pháp như Muskingum, phương trình khuếch tán hoặc phương pháp giải phương trình St.Venant

 Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – mô hình 2 lớp , mô hình trọng

số hoặc mô hình dựa vào phương trình Richard

 Dòng chảy cơ sở MIKE - SHE tích hợp mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều và

3 chiều dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn

Đối với modun thổ nhưỡng, bộ dữ liệu bao gồm đặc tính thủy văn của đất (độ lỗ hổng, độ dẫn thấm thủy lực ) được tạo ra Kết hợp với 2 phần mềm ESRI Arcview 3.x hoặc ArcGIS 9.1 Phần kết hợp này được sử dụng để xử lý số liệu đầu vào:

Geomodel được sử dụng để lấy các thông tin địa chất; DaisyGIS mô tả tất cả các

quá trình quan trọng gắn với hệ sinh thái nông nghiệp

11

Mô hình có chế độ hiệu chỉnh tự động thông qua AUTOCAL, đưa ra phương án tốt nhất theo điều kiện biên và ban đầu

2.1.3 Mô hình SAC – SMA

Tính toán độ ẩm đất – Sacramento, một phần của thư viện công nghệ mô hình của hệ thống NWSRFS, phát triển từ thập kỷ 70 bởi viện khí hậu quốc gia Mỹ Mỗi lưu vực được phân chia thành các đới, và được gắn vào hệ thống bể chứa Cơ bản gồm có 2 đới Đới cao hơn gồm nước có áp và nước tự do, đới thấp hơn gồm dòng chảy cơ sở và nước có áp và nước tự do bổ sung Dòng chảy tràn sẽ hình thành một vài dạng dòng chảy:

 Dòng chảy trực tiếp

 Dòng chảy mặt

 Dòng chảy sát mặt

 Dòng chảy cơ sở ban đầu

 Dòng chảy cơ sở bổ sung

Sacramento là mô hình độ ẩm đất, dữ liệu quan trọng nhất là dữ liệu thổ nhưỡng – độ dẫn thấm thủy lực, độ lỗ hổng

Để đánh giá sự thay đổi của các thuộc tính thủy văn của lưu vực, lưu vực chia ra thành nhiều lưu vực con khép kín Quá trình diễn toán thực hiện bởi mô dun diễn toán thủy động lực trong kênh của MIKE 11 Phương pháp này cho phép các tham số khác nhau của NAM ứng dụng trong mỗi một lưu vực con, do đó nó được xem là mô hình phân bố

 Giáng thủy – Số liệu đầu vào Trong đó mô đun tuyết được tính toán thông qua chỉ số nhiệt độ

 Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– Số liệu đầu vào

12

 Dòng chảy mặt – biến đổi tuyến tính theo lượng ẩm tương đối của đất, và tính theo hệ số dòng chảy mặt

 Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – được tính toán theo lượng trữ

ẩm và lượng ẩm tương đối, hệ số dòng chảy sát mặt và ngưỡng sinh dòng chảy sát mặt

Có thể sử dụng chức năng tự hiệu chỉnh thông qua AUTOCAL bằng cách cung cấp

số liệu lưu lượng theo bước thời gian tính toán vào mô hình

 Dòng chảy cơ sở - người sử dụng có thể lựa chọn các phương pháp khác nhau, ví dụ phương pháp bể chứa tuyến tính, phương pháp dạng hàm mũ, hoặc phương pháp dòng chảy cơ sở là hằng số theo từng tháng

 Mô đun diễn toán – phương pháp Muskingum, phương pháp trễ, mô hình sóng động học hoặc các biến đổi của chúng

 Ngoài ra mô hình còn mô hình hóa một số công trình trên sông như hồ chứa, công trình phân nước

Mô hình HEC-HMS mở rộng giao diện Arcview gọi là HEC-GeoHMS Dựa vào

sự kết hợp này hỗ trợ cho việc đọc vài đặc tính thủy văn cơ bản của lưu vực cơ sở như hướng dòng chảy, độ dốc

2.1.6 Mô hình SSARR [3]

Mô hình SSARR do Rockwood đề xuất năm 1956 Lượng nước đến của lưu vực kín gồm có mưa và tuyết rơi Một phần của lượng nước này được giữ lại trên bề mặt của lưu vực làm ẩm đất, một phần bay hơi vào khí quyển, phần còn lại sẽ tạo thành 3 kiểu sau:

 Chảy tràn trên mặt đất

 Chảy ngầm trong đất và lớp đất ở phía trên

13

 Chảy ngầm trong lớp đất ở tầng sâu

Hình 2.1 Sơ đồ khối mô hình lưu vực SSARR

2.2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT

2.2.1 Lịch sử phát triển

Mô hình SWAT được phát triển liên tục trong gần 30 năm qua bởi viện nghiên cứu nông nghiệp USDA Phiên bản đầu tiên của SWAT là mô hình USDA-ARS bao gồm chất hóa học, dòng chảy và xói mòn từ mô hình hệ thống quản lý nông nghiệp (CREAMS), mô hình đánh giá tác động của lượng nước ngầm đến hệ thống quản lý nông nghiệp (GLEAMS), và mô hình đánh giá tác động của chính

14

sách khí hậu đến môi trường (EPIC) Mô hình SWAT là phiên bản trực tiếp của mô hình tính toán tài nguyên nước trong lưu vực – SWRRB, được xây dựng để tính toán tác động của quản lý lưu vực đối với chuyển động của nước, bùn cát

SWRRB bắt đầu phát triển từ những năm đầu thập niên 80, biến đổi từ mô hình thủy văn mưa ngày CREAMS Trải qua quá trình nâng cấp mô hình tăng diện tích tính toán, cải thiện các phương pháp tính dòng chảy lũ, tổn thất truyền, thêm vào một vài thành phần mới như dòng chảy bộ phận, bể chứa, mô đun phát triển vụ mùa EPIC, tính các thông số khí hậu, vận chuyển bùn cát, kết hợp thành phần thuốc trừ sâu, phương pháp USDA – SCS để ước tính dòng chảy lũ, các phương trình bùn cát được phát triển thêm Các biến đổi này mở rộng khả năng giải quyết các vấn đề quản lý chất, lượng nước lưu vực của mô hình

Hình 2.2 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT

Arnold và cộng sự (1995) đã phát triển thêm mô đun diễn toán ROTO đầu thập niên 90 để hỗ trợ đánh giá tác động của quản lý tài nguyên nước, bằng liên kết kết quả đầu ra của SWRRB, diễn toán dòng chảy qua lòng dẫn và bể chứa trong ROTO thông qua phương pháp diễn toán theo đoạn sông Hệ phương pháp này đã khắc phục được giới hạn của SWRRB Sau đó SWRRB và ROTO được kết hợp thành mô hình SWAT để hạn chế nhược điểm cồng kềnh của nó SWAT dữ lại tất

cả các đặc trưng mà tạo ra trong SWRRB và cho phép tính toán với khu vực rất lớn SWAT đã trải qua quá trình đánh giá, mở rộng khả năng kể từ khi nó được tạo ra vào đầu thập niên 90 Những nâng cấp quan trọng cho các phiên bản trước của mô hình (SWAT 96.2, 98.1, 99.2, và 2000) bao gồm sự kết hợp diễn toán động học trong sông từ mô hình QUAL2E

15

 SWAT96.2 Phiên bản này cập nhật thêm phần quản lý về hàm lượng chất hữu

cơ trong đất, trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu tới sự phát triển của cây trồng Phương trình chất lượng nước từ mô hình QUAL2E được sử dụng đến

 SWAT98.1: Phiên bản này thêm phần diễn toán dòng chảy do tuyết tan, chất lượng nước trong sông

 SWAT99.2: Phiên bản này cập nhật thêm diễn toán chất lượng nước cho hồ chứa, phần thuỷ văn đô thị được cập nhật từ mô hình SWMM

 SWAT2000 Cập nhật thêm phương trình thấm của Green & Ampt, cập nhật thêm các yếu tố khí tượng thời tiết như bức xạ mặt trời, tố độ gió , cho phép giá trị bốc thoát hơi tiềm năng của lưu vực có thể được đưa vào như là số liệu đầu hoặc được tính toán theo phương trình Đặc biệt trong phiên bản này có

sử dụng ARCVIEW làm môi trường giao diện

2.2.2 Giới thiệu mô hình SWAT

Mô hình SWAT có thể mô phỏng một số quá trình vật lý khác nhau trên lưu vực sông Một lưu vực có thể được phân chia thành nhiều lưu vực con Việc phân chia này đặc biệt có lợi khi những vùng khác nhau của lưu vực có những thuộc tính khác nhau về đất, thảm phủ,… Thông tin đầu vào cho mỗi lưu vực con được tổ chức như sau: các yếu tố khí hậu; thông số của các đơn vị thuỷ văn (HRUs); hồ hay các vùng chứa nước; nước ngầm; kênh chính hoặc sông nhánh, hệ thống tiêu nước Những đơn vị thuỷ văn sẽ được tổng hợp thành các lưu vực con, các lưu vực con này được xem là đồng nhất về thảm phủ, thổ nhưỡng, và chế độ sử dụng đất

Mô hình SWAT mô phỏng hiện tượng khí tượng thủy văn xảy ra trên lưu vực, việc tính toán mưa rào-dòng chảy là kết quả của một hiện tượng này Để tính toán chính xác chuyển động của hoá chất, bùn cát hay các chất dinh dưỡng, chu trình thuỷ văn phải được mô phỏng phù hợp với những gì xảy ra trên lưu vực Chu trình thủy văn trên lưu vực có thể chia thành hai pha:

- Pha thứ nhất: được gọi là pha đất của chu trình thuỷ văn hay còn gọi là

mô hình thuỷ văn Pha đất sẽ tính toán tổng lượng nước, bùn cát, chất dinh dưỡng

và hoá chất tới kênh chính của từng lưu vực

- Pha thứ hai: được gọi là pha nước hay pha diễn toán của chu trình thuỷ

16

văn hay còn gọi là mô hình diễn toán Pha nước sẽ tính toán các thành phần qua hệ thống mạng lưới sông suối tới mặt cắt cửa ra

Hình 2.3 Sơ đồ mô tả chu trình thủy văn của pha đất

Hình 2.4 Sơ đồ mô tả chu trình thủy văn của pha nước

17

Các số liệu đầu vào và kết quả đầu ra của mô hình

Các số liệu đầu vào của mô hình

Yêu cầu số liệu vào của mô hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu không gian và số liệu thuộc tính

 Số liệu không gian dưới dạng bản đồ bao gồm:

 Bản đồ độ cao số hóa DEM

 Bản đồ thảm phủ

 Bản đồ loại đất

 Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực

 Số liệu thuộc tính bao gồm:

 Số liệu về khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa

 Số liệu về thuỷ văn bao gồm dòng chảy, bùn cát, hồ chứa

 Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện đất

 Số liệu về loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng

 Số liệu về loại phân bón trên lưu vực canh tác

Các kết quả đầu ra của mô hình

 Đánh giá cả về lượng và về chất của nguồn nước;

 Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực;

 Đánh giá quá trình canh tác đất thông qua mođun chu trình chất dinh dưỡng;

 Đánh giá công tác quản lý lưu vực

2.2.3 Ứng dụng mô hình SWAT trên thế giới và trong nước

Thế giới: Van Liew và Garbrecht (2003) đánh giá khả năng dự đoán dòng chảy dưới

các điều kiện khí hậu khác nhau cho 3 lưu vực cơ sở trong lưu vực sông Washita với diện tích 610 km2

nằm phía Đông Nam Oklahoma Nghiên cứu này đã tìm ra rằng SWAT có thể tính toán dòng chảy cho các điều kiện khí hậu ẩm, khô, trung bình trong mỗi lưu vực cơ sở

Sử dụng SWAT nghiên cứu hiệu quả của hoạt động bảo tồn thiên nhiên trong chương trình đánh giá hiệu quả bảo tồn thiên nhiên USDA (CEAP, 2007), thực hiện đánh giá cho các khu vực lớn như lưu vực thượng nguồn sông Mississippi và toàn

bộ Mỹ của Arnold và cộng sự (1999); Jha và cộng sự (2006) Xu hướng ứng dụng SWAT cũng tương tự ở Châu Âu và các khu vực khác

18

Trong nước: Nguyễn Kiên Dũng (Viện khoa học khí tượng thủy văn và Môi

Trường) áp dụng SWAT “Nghiên cứu quy luật xói mòn đất và bùn cát lưu vực sông

Sê San bằng mô hình toán” Đề tài đã kiểm nghiệm mô hình đối với dòng chảy tại trạm Kon Tum và Trung Nghĩa năm 1997 Theo tiêu chuẩn Nash – Sutcliffe, mức hiệu quả của mô hình đối với dòng chảy là 0,73 (Kon Tum: 0,69; Trung Nghĩa: 0,76) và đối với dòng chảy bùn cát là 0,633 (Kon Tum: 0.663, Trung Nghĩa: 0,60) Như vậy, kết quả hiệu chỉnh mô hình đạt ở mức khá Lê Bảo Trung (Trường đại học Khoa học Thủy lợi) ứng dụng mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước sông Công Nguyễn Thị Hiền ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động của quá trình sử dụng đất rừng đến sói mòi đất trên lưu vực sông Cả Theo tiêu chuẩn Nash – Sutcliffe mức hiệu chỉnh với bùn cát được 0.54 và kiểm định được 0.64 Huỳnh Thị Lan Hương (Viện khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường) ứng dụng mô hình SWAT trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Chảy Trong đề

án đã trình bày quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình cho lưu vực sông Chảy với vị trí kiểm định được lấy từ lưu lượng thực đo tại trạm Bảo Yên Kết quả đánh giá sai số lưu lượng tính toán và thực đo theo chỉ số Nash đạt 0,813 Phạm Văn Tỉnh (Trường đại học Lâm nghiệp Hà Nội) “Nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT phục vụ quản lý tài nguyên đất và nước trên lưu vực sông Lô – Gâm” Kết quả tính toán kiểm nghiệm tại trạm Ghềnh Gà cho chỉ số NASH là 0,76 với dòng chảy và 0,61 với dòng chảy bùn cát

2.2.4 Cấu trúc mô hình SWAT

surf day o

Ea là lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm); wseep là lượng nước đi vào tầng ngầm ngày thứ i (mm); Qgw là số lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)

Mô hình diễn toán

Mô hình SWAT có thể xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng, những chất dinh dưỡng và những thuốc bảo vệ thực vật tới kênh chính, rồi diễn toán theo mạng lưới sông suối trên lưu vực Ngoài việc tính toán lưu lượng nước, mô hình

Do giới hạn bước đầu nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT để tính toán lượng dòng chảy Vì vậy, dưới đây sẽ trình bày chi tiết hơn về cơ sở lý thuyết của các phương trình tính toán các thành phần đóng góp, ảnh hưởng đến lưu lượng nước tại mặt cắt cửa ra của một lưu vực

2.2.5 Phương pháp tính sử dụng trong mô hình SWAT

Dòng chảy mặt

Mô hình SWAT sử dụng phương pháp chỉ số đường cong SCS (Soil Conservation System) (SCS, 1972) và phương pháp tính thấm Green - Ampt (1911)

để xác định dòng chảy mặt

Phương pháp chỉ số đường cong SCS: Phương pháp SCS là một phương pháp thực

nghiệm đã được sử dụng rộng rãi vào những năm 1950 Phương pháp này được phát triển để đánh giá dòng chảy ứng với các kiểu sử dụng đất và tính chất đất khác nhau (Rallison và Miller, 1981)

Phương trình cơ bản:

I R Q

a day

2 a day

Thông số lượng trữ thay đổi theo không gian tùy theo những thay đổi về tính chất đất, về việc sử dụng và quản lý đất, độ dốc và thời gian Thông số này được xác định như sau:

20

Trong đó: CN là chỉ số đường cong

Thông thường Ia = 0,2S và phương trình Error! Reference source not found được

viết như sau:

S R

Q

day

day surf

8.0

2







Phương pháp tính thấm Green & Ampt: Phương trình tính thấm theo Green -

Ampt được xây dựng để tính toán lượng thấm tại bất kỳ thời điểm nào (Green và Ampt, 1911) Phương trình giả thiết rằng mặt cắt đất là đồng nhất và độ ẩm kỳ trước phân bố đều trong đất Khi nước thấm vào trong đất, mô hình giả thiết rằng đất ở tầng trên sau khi đã bão hoà sẽ tạo thành một bề mặt phân cách

Hình 2.5 Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo

phương trình Green - Ampt và trong thực tế

Mein và Larson (1973) đã xây dựng một phương pháp luận để xác định thời gian giữ nước dựa trên phương trình Green - Ampt Phương pháp xác định mưa hiệu quả của Mein - Larson Green - Ampt được hợp nhất trong mô hình SWAT để cung cấp một lựa chọn trong việc xác định dòng chảy mặt Tốc độ thấm được xác định theo công thức:

v wf e

t inf

F K

f

,

21

Trong đó: finf,t là tốc độ thấm tại thời điểm t (mm / giờ); Ke là tính dẫn thủy lực (mm / giờ); Ψwf là cột nước mao dẫn (mm); Δθv là sự thay đổi thể tích ẩm tại bề mặt phân cách (mm / mm); Finf,t là lượng thấm luỹ tích tại thời điểm t (mm)

Với mỗi bước thời gian, SWAT tính toán tổng lượng nước thấm vào trong đất, lượng nước không thấm sẽ sinh ra dòng chảy mặt

Hệ số lưu lượng đỉnh lũ: Hệ số lưu lượng đỉnh lũ là hệ số lưu lượng lớn nhất có thể

đạt được với một trận mưa Hệ số lưu lượng đỉnh lũ là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng xói và được sử dụng để tính toán bồi lắng SWAT tính toán hệ số lưu lượng đỉnh lũ theo phương pháp mô phỏng hợp lý

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong thiết kế kênh mương hay hệ thống điều khiển dòng chảy Phương pháp này dựa trên giả thiết rằng: nếu một trận mưa có cường độ i bắt đầu tại thời gian t = 0 và tiếp tục kéo dài, hệ số lưu lượng sẽ tăng cho đến khi t = tconc (thời gian tập trung nước), lúc này toàn bộ lưu vực sẽ đóng góp cho dòng chảy tại mặt cắt cửa ra Hệ số lưu lượng đỉnh lũ được xác định theo:

6 3

Area i C

q peak   trong đó: qpeak là hệ số lưu lượng đỉnh lũ (m3/s); C là hệ số dòng chảy; i là cường độ trận mưa (mm / giờ); Area là diện tích lưu vực (km2)

a Thời gian tập trung nước

Thời gian tập trung nước là tổng thời gian từ khi bắt đầu mưa cho đến khi toàn bộ lưu vực đóng góp hết cho dòng chảy tại mặt cắt cửa ra Nói cách khác, thời gian tập trung nước là thời gian để một giọt nước chảy từ điểm xa nhất trong lưu vực về đến mặt cắt cửa ra Thời gian tập trung nước được xem là tổng thời gian chảy truyền (thời gian để dòng chảy từ điểm xa nhất trong lưu vực về đến kênh chính) và thời gian chảy trong kênh (thời gian để dòng chảy từ kênh thượng lưu về đến mặt cắt cửa ra):

ch ov conc t t

trong đó: tconc là thời gian tập trung nước của lưu vực (giờ); tov là thời gian chảy truyền (giờ); tch là thời gian tập trung nước trong kênh (giờ)

Thời gian chảy truyền, tov, có thể được tính toán theo phương trình:

22

ov

slp ov

v

L t



3600trong đó: Lslp là chiều dài sườn dốc của lưu vực (m); Vov là vận tốc chảy tràn (m/s) và 3600 là hệ số chuyển đổi đơn vị

Vận tốc chảy tràn có thể được xác định theo phương trình Manning:

6 0

3 0 4 0

n

slp q

*/ Thời gian tập trung nước trong kênh

Thời gian tập trung nước trong kênh, tch, có thể được tính toán theo phương trình:

c

c ch

v

L t



 6 3trong đó: Lc là chiều dài trung bình của kênh dẫn trên lưu vực (km); vc là vận tốc trung bình trong kênh dẫn (m/s); 3,6 là hệ số chuyển đổi đơn vị

Độ dài trung bình kênh dẫn được xác định theo phương trình:

cen

c L L

trong đó: L là chiều dài kênh dẫn từ điểm xa nhất đến mặt cắt cửa ra (km);

Lcen là khoảng cách dọc kênh dẫn tới trọng tâm lưu vực (km)

Vận tốc trung bình có thể được xác định theo phương trình Manning với giả thiết rằng kênh có mặt cắt hình thang:

75 0

375 0 25 0

489 0

n

slp q

b Hệ số dòng chảy

Hệ số dòng chảy là tỷ lệ giữa hệ số dòng chảy đến với hệ số dòng chảy đỉnh

lũ Hệ số dòng chảy thay đổi tuỳ thuộc từng trận mưa và được xác định theo phương

23

trình:

day

surf R

R

itrong đó: i là cường độ trận mưa (mm /giờ); Rtc là tổng lượng mưa rơi trong thời gian tập trung nước (mm); tconc là thời gian tập trung nước (giờ)

Từ các phương trình đã được xây dựng, hệ số lưu lượng đỉnh lũ có thể được tính toán dựa theo phương trình:

conc

surf tc peak

t

Area Q



trong đó: qpeak là hệ số lưu lượng đỉnh lũ (m3/s); atc là lượng mưa xuất hiện trong thời gian tập trung nước; Qsurf là lớp dòng chảy mặt (mm); Area là diện tích lưu vực (km2); tconc là thời gian tập trung nước của lưu vực (giờ)

Hệ số trễ dòng chảy mặt: Với những lưu vực lớn có thời gian tập trung nước lớn

hơn 1 ngày, chỉ một phần lưu lượng bề mặt sẽ đóng góp cho kênh chính Mô hình SWAT dùng hệ số lượng trữ để mô tả phần dòng chảy không đóng góp cho kênh chính trong ngày

Lưu lượng dòng chảy mặt được tính toán theo phương pháp SCS và phương pháp Green - Ampt, lượng dòng chảy không đóng góp cho kênh chính được tính toán theo phương trình:

stor surf

surf

t

surlag Q

Q

Trong đó: Qsurf là lớp dòng chảy tới kênh chính trong một ngày (mm);Qstorj-1 là lớp dòng chảy sinh ra trên lưu vực trong một ngày (mm); Qstor,i - 1 là lượng trữ của ngày hôm trước (mm); surlag là hệ số trễ; tconc là thời gian tập trung (giờ)