Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lưu vực hồ ba bể tỉnh bắc kạn bằng công nghệ GIS

Do nước có quan hệ mạng lưới, không giới hạn trong một khu vực địa lý hay ranh giới địa chính mà nó chảy qua nhiều vùng khác nhau, việc sử dụng nước có mối liên quan mật thiết với sử dụn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Quản lý đất đai Khoa : Quản lý tài nguyên Khóa học : 2012 – 2016

Thái Nguyên – 2016

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo : Chính quy Chuyên ngành : Quản lý Đất đai

LỜI CẢM ƠN

Thực tập tốt nghiệp là một khâu rất quan trọng trong quá trình học tập của mỗi sinh viên nhằm hệ thống lại toàn bộ lượng kiến thức đã học, vận dụng lý thuyết vào thực tiễn, bước đầu làm quen với những kiến thức khoa học, giúp sinh viên trau dồi kiến thức, củng cố bổ sung lí thuyết học trên lớp Qua đó sinh viên ra trường sẽ hoàn thiện hơn về kiến thức lý luận, phương pháp làm việc, năng lực công tác nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn của công việc say này

Được sự giúp đỡ của Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông lâm và Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, em đã tiến hành nghiên cứu đề tài:

“Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lưu vực hồ Ba Bể tỉnh Bắc Kạn bằng công nghệ GIS”

Trong suốt quá trình thực tập em đã nhận được sự giúp đỡ của các thầy

cô giáo và anh chị nơi em thực tập tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông lâm, Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên và đặc biệt là thầy giáo Th.S Nguyễn Quang Thi, thầy Chu Văn Chung đã hướng dẫn em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Do trình độ và kinh nghiệm có hạn mặc dù đã rất cố gắng, xong bản khóa luận tốt nghiệp của em không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được những ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo, ý kiến đóng góp của bạn bè để bài khóa luận tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 20 tháng 05 năm 2016

Sinh viên

Hà Thị Nguyệt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các ứng dụng của GIS về nông nghiệp 15

Bảng 4.1: Tổng diện tích tự nhiên của các xã thuộc khu vực nghiên cứu 31

Bảng 4.2: Diện tích các loại đất năm 2015 của các xã thuộc lưu vực sông Chợ Lèng 32

Bảng 4.3 Bảng chia khoảng độ cao của lưu vực 39

Bảng 4.4 Bảng diện tích các huyện trong khu vực 41

Bảng 4.5 Bảng thống kê diện tích theo khu vực 42

Bảng 4.6 Bảng thống kê độ dài lưu vực theo từng khu vực của lưu vực sông Chợ Lèng 44

Bảng 4.7 Bảng thống kê độ rộng theo từng khu vực của lưu vực sông Chợ Lèng 44

Bảng 4.8 Bảng thống kê độ cao trung bình của từng khu vực 45

Bảng 4.9 Bảng thống kê độ dốc trung bình của từng khu vực 46

Bảng 4.10 Bảng thống kê độ dài sông chính 47

Bảng 4.11 Bảng thống kê mật độ sông lưu vực sông Chợ Lèng 48

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Thành phần cơ bản của GIS 12

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của GIS 14

Hình 2.3 Ví dụ các phép toán đại số 16

Hình 2.4 Các phép toán logic trong GIS 16

Hình 2.5 Sơ đồ thành phần SWAT 19

Hình 2.6 Chu trình nước trong pha đất 21

Hình 3.1 Sơ đồ tiến trình thực hiện 27

Hình 4.1 Chọn đơn vị cho ảnh DEM 34

Hình 4.2 Kết quả xác định DEM 34

Hình 4.3 Mô phỏng mạng lưới sông suối và các cửa xả 35

Hình 4.4 Xác định outlet của lưu vực 36

Hình 4.5 Báo cáo độ cao lưu vực 37

Hình 4.6 Phân vùng theo độ cao 39

Hình 4.7 Bản đồ phân vùng thượng lưu, trung lưu, hạ lưu 40

DANH MỤC CÁC TỪ, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

ARS Agiricultural Research Service

DBMS database management systems

DEM Digital Elevation Model (Mô hình độ cao số)

GIS Geographic Information System (Hệ thống thông

tin địa lý)

NSE Nash Sutcliffe Efficiencies

SWAT Soil and Water Assessment Tool (Mô hình đánh giá

đất và nước) USDA United States Department of Agriculture

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC CÁC BẢNG ii

DANH MỤC CÁC HÌNH iii

DANH MỤC CÁC TỪ, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT iv

MỤC LỤC v

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu tổng quát 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 Ý nghĩa của đề tài 3

1.3.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.3.2 Ý nghĩa trong thực tiễn 3

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 4

2.1 Khái quát về tài nguyên nước 4

2.1.1 Định nghĩa của nước 4

2.1.2 Tính chất của nước 4

2.1.3.Vai trò của nước trong cuộc sống 5

2.2 Khái quát về lưu vực 6

2.2.1 Những khái niệm cơ bản về lưu vực 6

2.2.2 Thông số hình thái của lưu vực 7

2.2.3 Thông số mạng lưới thủy văn của lưu vực 8

2.3 Giới thiệu về GIS và mô hình SWAT 10

2.3.1 Giới thiệu về GIS 10

2.3.2 Giới thiệu về mô hình SWAT 17

2.4 Những kết quả nghiên cứu về việc xác định hệ thống thủy văn bằng

công nghệ GIS 22

2.4.1 Những kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS trên Thế Giới 22

2.4.2 Những kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS ở Việt Nam 23

2.4.3 Những kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS ở Bắc Kạn 24

PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

3.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 25

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 25

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu: 25

3.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 25

3.3 Nội dung nghiên cứu 25

3.3.1 Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế- xã hội lưu vực sông Chợ Lèng 25

3.3.2 Hiện trạng sử dụng đất của các xã thuộc lưu vực sông Chợ Lèng 25 3.3.3 Xác định hệ thống thủy văn lưu vực sông Chợ Lèng bằng công nghệ GIS 25

3.3.4 Đề xuất sử dụng đất tại lưu vực 25

3.4 Phương pháp nghiên cứu 26

3.4.1 Phương pháp điều tra số liệu thứ cấp 26

3.4.2 Phương pháp khảo sát thực địa 26

3.4.3 Phương pháp tính toán và phân tích số liệu 26

3.4.4 Phương pháp xác định hệ thống thủy văn lưu vực 27

PHẦN 4 KẾT QUẢ CỦA NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 28

4.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của lưu vực sông Chợ Lèng 28

4.1.1 Xác định lưu vực 28

4.1.2 Điều kiện tự nhiên 28

4.1.3 Điều kiện kinh tế - xã hội 29

4.2 Hiện trạng sử dụng đất của các xã thuộc khu vực nghiên cứu 31

4.3 Kết quả xác định hệ thống thủy văn lưu vực sông Chợ Lèng thuộc hệ thống lưu vực hồ Ba Bể 33

4.3.1 Tạo đồ án SWAT, thiết lập thư mục làm việc và Geodatabases 33

4.3.2 Phân chia lưu vực 33

4.3.3 Phân vùng thượng lưu – trung lưu – hạ lưu của lưu vực 37

4.3.4 Thông số hình thái lưu vực sông Chợ Lèng 41

4.3.5 Thông số thủy văn lưu vực sông Chợ Lèng 46

4.4 Đề xuất sử dụng đất tại lưu vực 49

PHẦN 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 51

5.1 Kết luận 51

5.2 Đề nghị 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHẦN 1

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nước là thành phần quan trọng không thể thiếu trong cuộc sống, là cái nôi cho sự sống, là môi trường sống cho hàng triệu triệu sinh vật trên trái đất

và cũng là nguồn tài nguyên vô giá đối với sự sống, sự phát triển của con người.Tài nguyên nước là một trong những yếu tố quyết định sự phát triển kinh tế - xã hội của một vùng lãnh thổ hay của một quốc gia Cùng với sự phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, từng bước chuyển dịch và phát triển theo hướng tích cực, vấn đề Quản lý Tài nguyên nước đang ngày được quan tâm và chú trọng thực hiện Việc tiến hành nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS là điều vô cùng cần thiết Do nước có quan hệ mạng lưới, không giới hạn trong một khu vực địa lý hay ranh giới địa chính mà nó chảy qua nhiều vùng khác nhau, việc sử dụng nước có mối liên quan mật thiết với sử dụng đất và ảnh hưởng đến hệ sinh thái chính vì vậy cách tiếp cận nghiên cứu theo từng lưu vực sẽ

giúp cho sử dụng và bảo vệ tốt tài nguyên cho toàn lưu vực

Hồ ba bể là hồ tự nhiên trên núi duy nhất có ý nghĩa đặc biệt quan trọng

ở Việt Nam, là hồ kiến tạo tự nhiên lớn Do cơ chế kiến tạo đại chất và thủy văn đặc biệt nằm trong vùng đá vôi, nhưng hồ Ba Bể không bị mất nước và đây chính là điều kì thú độc đáo của hồ Ba Bể Trên mặt hồ trong xanh có các đảo Karst, xunh quanh hồ là rừng nhiệt đới thường xanh trên núi đá vôi và là sinh cảnh quan trọng của các loài độn vật quý hiếm Lưu vực hồ Ba Bể nhận nước từ các sông Tà Han, Bó Lù và Chợ Lèng ở phía Nam của Vườn Quốc gia với tổng diện tích lưu vực là 420km2.Hồ Ba Bể có vai trò rất quan trọng trong việc điều tiết nguồn nước trong khu vực này

Hệ thống thông tin địa lí (GIS – geographic information system) là một công nghệ mới du nhập vào Việt Nam trong những thập niên 90 của thế kỉ XIX Và đang phát triển trong những năm trở lại đây GIS ngày nay là một công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc phòng của nhiều quốc gia trên thế giới GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản lí, các doanh nghiệp, các cá nhân…đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở dữ liệu đầu vào

Ở một số nước, đã có một số nghiên cứu liên quan đến xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS, nước ta cũng có một số nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS Để từ đó chúng ta có thể đưa ra các phương án sử dụng đất tối ưu ít làm ảnh hưởng tới lưu lượng dòng chảy, mang lại hiệu quả cao

Xuất phát từ lí do trên và được sự đồng ý của Ban giám hiệu, ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn trực tiếp của thầy giáo Th.S Nguyễn Quang Thi tôi thực

hiện đề tài:“Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lưu vực hồ Ba Bể,

tỉnh Bắc Kạn bằng công nghệ GIS”

1.2 Mục tiêu của nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu tổng quát

Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lưu vực hồ Ba Bể, làm căn

cứ để đưa ra đề xuất cho việc sử dụng đất của các xã thuộc khu vực nghiên cứu

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

- Xác định được khu vực nghiên cứu, đưa ra được một số điểm khái quát

về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu

- Nêu lên được hiện trạng sử dụng đất của các xã thuộc khu vực nghiên cứu

- Xác định được hệ thống thủy văn khu vực nghiên cứu bằng công nghệ GIS

- Đưa ra một số đề xuất sử dụng đất tại khu vực nghiên cứu

1.3 Ý nghĩa của đề tài

1.3.1 Ý nghĩa khoa học

- Cơ hội tốt để sinh viên củng cố kiến thức đã được học, nghiên cứu

trong nhà trường và những kiến thức thực tế cho bản thân trong quá trình thực tập tại cơ sở

- Nâng cao khả năng tiếp cận, thu thập và xử lý thông tin trong quá trình làm đề tài

1.3.2 Ý nghĩa trong thực tiễn

Trên cơ sở xác định hệ thống thủy văn từ đó đề xuất sử dụng đất tại khu vực nghiên cứu phù hợp với điều kiện của địa phương

PHẦN 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU

2.1 Khái quát về tài nguyên nước

2.1.1 Định nghĩa của nước

Nước được xem như một tài nguyên quí giá và cần thiết cho sự sống Nước chi phối nhiều hoạt động của con người, thực và động vật và vận hành của thiên nhiên Theo định nghĩa thông thường:"Nước là một chất lỏng thông dụng Nước tinh khiết có công thức cấu tạo gồm 2 nguyên tử hydro và một nguyên tử oxy, nước là một chất không màu, không mùi, không vị Dưới áp suất khí trời 1 atmosphere, nước sôi ở 100°C và đông đặc ở 0°C, nước có khối lượng riêng là 1000 kg/m3”

2.1.2 Tính chất của nước

- Nước là một dung môi vạn năng: Nước có thể hòa tan được rất nhiều chất, đặc biệt là các chất khoáng và chất khí cung cấp dinh dưỡng và giúp cho

sự trao đổi chất trong cơ thể sinh vật

- Nước có nhiệt dung rất lớn: Nước có khả năng hấp thu rất nhiều nhiệt lượng khi nóng lên và đồng thời cũng tỏa ra nhiều nhiệt lượng khi lạnh đi Khả năng này giúp cho nhiệt độ ban ngày trên trái đất ít nóng hơn và ban đêm đỡ lạnh đi, giúp cho sự sống khỏi sự tiêu diệt ở mức chênh lệnh nhiệt độ quá lớn

- Nước rất khó bay hơi: Ở 20°C, muốn 1 lít nước bốc hơi phải tốn 539.500 calori Đặc tính này của nước đã cứu thoát sự sống khỏi bị khô héo nhanh chóng và giúp cho các nguồn nước không bị khô hạn, làm tiêu diệt các sinh vật sống trong nó

- Nước lại nở ra khi đông đặc: Khi hạ nhiệt độ xuống thấp dưới 4°C thì thể tích nước lại tăng lên Đến diểm đông đặc 0°C, thể tích nước tăng lên

khoảng 9 % so với bình thường, làm băng đá nổi lên mặt nước Nước có nhiệt

độ cao hơn sẽ chìm xuống đáy giúp các thủy sinh vật tồn tại và lớp băng đá - có tính dẫn nhiệt rất kém - trở thành chiếc áp giáp bảo vệ sự sống phía dưới nó

- Nước có sức căng mặt ngoài lớn: Nhờ có sức căng mặt ngoài lớn nên nước có tính mao dẫn mạnh Hiện tượng này có một ý nghĩa rất lớn trong việc duy trì sự sống trên trái đất, nước từ dưới đất có thể thấm đến từng ngọn cây Trong cơ thể người và động vật, máu và dịch mô vận chuyển được đến các cơ quan nội tạng cũng nhờ khả năng mao dẫn của nước

- Nước có khả năng tự làm sạch: Nước trong quá trình vận chuyển của

nó khắp nơi trong thiên nhiên còn có khả năng tự làm sạch, loại bỏ một phần chất bẩn, tạo điều kiện cho môi trưòng sinh thái được cải thiện

2.1.3.Vai trò của nước trong cuộc sống

Nước là yếu tố hàng đầu quyết định sự tồn tại và phát triển của sinh giới Không có nước sự sống lập tức bị rối loạn, ngưng lại và tiêu diệt

- Nước chiếm thành phần chủ yếu trong cấu tạo cơ thể thực và động vật Con người có khoảng 65 - 75 % trọng lượng nước trong cơ thể, đặc biệt nước chiếm tới 95 % trong huyết tương, cá có khoảng 80 % nước trong cơ thể, cây trên cạn có 50 - 70 % nước, trong rong rêu và các loại thủy thực vật khác có

95 - 98 % là nước

- Muốn có thực phẩm cho người và gia súc cần có nước: muốn có 1 tấn lúa mì, cần 300 - 500 m3 nước, 1 tấn gạo cần tiêu thụ 1.500 - 2.000 m3 nước

và để có 1 tấn thịt trong chăn nuôi cần tốn 20.000 - 50.000 m3 nước

- Lượng nước trên trái đất là một máy điều hòa nhiệt và làm cho cán cân sinh thái được cân bằng Sự sống thường tập trung ở các nguồn nước, phần lớn các nền văn minh, các trung tâm kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp, khoa học kỹ thuật, văn hóa xã hội, dân cư, đều nằm dọc theo các vùng tập trung nước

- Sự thay đổi cán cân phân phối nước hoặc sự phá hoại nguồn nước có thể làm tàn lụi các vùng trù phú, biến các vùng đất màu mỡ thành các vùng khô cằn

2.2 Khái quát về lưu vực

2.2.1 Những khái niệm cơ bản về lưu vực

- Hệ thống thủy văn: là các quá trình thủy văn (chu trình thủy văn) diễn

ra trên thực tế trong một vùng không gian nhất định

- Chu trình thủy văn: là hệ thống gồm các thành phần là bốc hơi, lượng

mưa, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình

- Lưu vực: là một phạm vi không gian lãnh thổ được phân chia dựa trên

địa hình và đường ranh giới phân chia lưu vực gọi là đường phân thủy Trong phạm vi không gian đó mọi lượng nước mưa khi rơi xuống có thể chảy thành dòng trên bề mặt thông qua hệ thống sông suối, tập trung lại và thoát qua một cửa ra duy nhất ở điểm cuối của lưu vực Tại đây có thể xây đập nhằm phục

vụ cho tưới tiêu, thủy lợi trong nông nghiệp hoặc cung cấp nước sinh hoạt hay các thủy điện hoặc điểm cuối của lưu vực này cũng lại là điểm đầu của lưu vực khác, nơi đây dòng chảy có thể đổ ra lưu vực lớn hơn, hay ra hồ hoặc

đổ thẳng ra biển.Lưu vực là một hệ thống khép kín, độc lập và rất phức tạp, gồm có những thành phần hữu sinh, vô sinh, các yếu tố trong lưu vực có mối quan hệ mật thiết chặt chẽ với nhau và thường được kết nối với các hệ sinh thái khác nhau Lưu vực không nhất thiết là một vùng cao hay vùng địa hình núi, nó có thể tồn tại ở vùng đồng bằng Trong lưu vực có thể tồn tại rừng, khu dân cư, nông nghiệp, công nghiệp, thương nghiệp…

- Tiểu lưu vực: một lưu vực lớn sẽ được chia nhỏ thành nhiều tiểu lưu

vực Mỗi tiểu lưu vực có vị trí địa lý trong lưu vực và có mối quan hệ về mặt không gian với các tiểu lưu vực khác Tiểu lưu vực được xác lập dựa trên đường phân thủy, phụ thuộc vào địa hình bề mặt, kéo dài từ dòng chảy đến

điểm ra (outlet) của tiểu lưu vực đó Một tiểu lưu vực chứa ít nhất một đơn vị thủy văn, một sông nhánh và một sông chính Mỗi đơn vị thủy văn có sự tương đồn nhau về thuộc tính đất, sử dụng đất, độ dốc.

- Phân chia lưu vực:là xác định đường ranh giới cho các lưu vực Cơ sở

của việc phân chia lưu vực là dựa trên độ cao của địa hình sao cho khi hạt mưa rơi vào bên trong đường biên thì nó sẽ chảy vào lưu vực đó mà thôi Phân chia lưu vực có ý nghĩa quan trọng trong quản lý tài nguyên đất và nước

và là cơ sở để phát triển quan điểm sinh thái cho nghiên cứu khoa học Có hai cách phân định lưu vực: thủ công với việc vẽ trên nền bản đồ địa hình hoặc tự động với sự hỗ trợ của kĩ thuật dựa trên nền cơ sở dữ liệu GIS

2.2.2 Thông số hình thái của lưu vực

Hình thái sông ngòi bao gồm các đặc trưng như vị trí nguồn sông, cửa sông, độ cao nguồn sông, chiều dài sông, chiều dài lưu vực, diện tích hướng nước, độ cao bình quân lưu vực, độ dốc, độ rộng bình quân lưu vực, mật độ mạng lưới sông, hệ số uốn khúc và hệ số hình dạng…Đây là những đặc trưng quan trọng khi tính toán thủy văn hoặc phân tích địa lí thủy văn Các thông số hình thái thủy văn cụ thể như sau:

- Diện tích lưu vực F (km 2 ): là phần bề mặt trái đất kể cả chiều dày lớp

phủ thổ nhưỡng mà từ đó nước chảy vào hệ thống sông suối của lưu vực Diện tích lưu vực được xác định qua bản đồ địa hình với máy đo diện tích hoặc phương pháp kẻ ô Có thể phân biệt diện tích lưu vực mặt và diện tích lưu vực ngầm Thông thường hai diện tích này không trùng nhau song do việc xác định chính xác diện tích lưu vực ngầm thường khó khăn nên khi tính toán thường chỉ dùng diện tích lưu vực mặt

- Chiều dài lưu vực L (km): là khoảng cách xác định theo đường thẳng

từ cửa sông đến điểm xa nhất trên đường phân thủy trong trường hợp hình

dạng lưu vực cân đối Trong trường hợp lưu vực dạng hình cong, chiều dài lưu vực được đo theo đường trung tuyến dẫn qua trung tâm lưu vực

- Độ rộng trung bình lưu vực B tb (km):xác định bằng cách chia diện tích

F cho chiều dài lưu vực L:

- Độ cao trung bình của lưu vực sông ngòi (Htb): được tính theo công thức:

Trong đó:

Htb: Độ cao trung bình của lưu vực

f1, f2, …,fn: Diện tích thành phần của lưu vực nằm giữa các đường đồng mức km2

H1, H2, …, Hn: Độ cao trung bình giữa các đường đẳng thời,

F: Diện tích lưu vực

- Độ dốc trung bình của lưu vực Itb được tính theo công thức:

Trong đó:

h: Độ cao địa hình (hiệu của hai đường đồng mức kề nhau)

l0, l1, l2, … ln-1: Độ dài đường đồng mức trong giới hạn lưu vực

F: Diện tích lưu vực, km2

2.2.3 Thông số mạng lưới thủy văn của lưu vực

Thông số thủy văn là những đặc trưng của dòng chảy lưu vực thể hiện được những điểm khác biệt của lưu vực này với lưu vực khác Thông số mạng lưới thủy văn của một lưu vực chịu tác động bởi các yếu tố địa hình, khí tượng, nhiệt độ trong khu vực tự nhiên của lưu vực đó

- Chiều dài sông L: là khoảng cách từ nguồn tới cửa sông được đo bằng

đơn vị km Thường độ dài sông được đo trực tiếp trên bản đồ địa hình bằng dụng cụ đo đường cong Thông thường phải đo hai lần, nếu chênh lệch số đo không quá 2% thì nhận giá trị trung bình của hai lần đo làm chiều dài của sông theo công thức:

L =Mka

Trong đó: M là giá trị trung bình đo được

K là hệ số hiệu chỉnh uốn khúc

a là hệ số chuyển đổi tỉ lệ bản đồ

L là chiều dài thực tế của con sông

- Mật độ mạng lưới sông:là chỉ số đặc trưng cho mức độ phát triển dòng

chảy mặt trên lãnh thổ đang xem xét, được tính theo tỉ lệ độ dài sông trên 1

km2 diện tích lãnh thổ Hệ số mạng lưới sông được xác định theo công thức:

 Cấp 1: = 1,5 – 2,0 Mật độ sông, suối rất dày

 Cấp 2: = 1,0 – 1,5 Mật độ sông, suối dày

 Cấp 3: = 0,5 – 1,0 Mật độ sông, suối tương đối dày

 Cấp 4: < 0,5 Mật độ sông, suối thưa

2.3 Giới thiệu về GIS và mô hình SWAT

2.3.1 Giới thiệu về GIS

2.3.1.1 Các khái niệm chung

Khái niệm thông tin địa lý được hình thành từ ba khái niệm: hệ thống; thông tin; địa lý; và được viết tắt là GIS (Geographyic Information Systems) Khái niệm hệ thống (System) đề cập đến cách tiếp cận hệ thống của GIS Môi trường hệ thống GIS được chia nhỏ thành các modul để dễ hiểu, dễ quản lý nhưng chúng được tích hợp thành những hệ thống thống nhất, toàn vện Công nghệ thông tin trở thành quan trọng và hầu hết các hệ thống đều được tiến hành trên cơ sở máy tính

Khái niệm thông tin (information) đề cập đến dữ kiệu khổng lồ do GIS quản lý Các đối tượng thế giới thực đều có tập riêng các dữ liệu chữ số hay

dữ liệu thuộc tính và các thông tin vị trí cần cho lưu trữ, quản lý các đặc trưng không gian

Khái niệm địa lý (geographic) được sử dụng ở đây vì GIS trước hết liên quan đến các đặc trưng địa lý hay không gian Các đặc trưng này thể hiện trên đối tượng không gian Chúng có thể là đối tượng vật lý,văn hóa hay kinh

tế trong tự nhiên Các đặc trưng trên bản đồ là biểu diễn ảnh không gian trong thế giới thực thông qua hệ thống biểu tượng ký hiệu, màu, kiểu đường… Định nghĩa về GIS: GIS được định nghĩa như một hệ thống thông tin mà

nó sử dụng dữ liệu đầu vào, các thao tác phân tích, cơ sở dữ liệu đầu ra liên quan về mặt địa lý không gian nhằm trợ giúp việc thu nhận, lưu trữ, quản lý,

xử lý, phân tích và hiển thị các thông tin từ thế giới thực để giải quyết các vấn đề tổng hợp thông tin cho các mục đích con người đặt ra, chẳng hạn như

hỗ trợ việc ra quyết định cho việc quy hoạch và quản lý, sử dụng đất, tài nguyên thiên nhiên, môi trường, giao thông, dễ dàng trong việc quy hoạch phát triển đô thị và những việc lưu trữ hành chính

Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung đã thống nhất quan niệm

GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định

- Xét dưới góc độ là công cụ: GIS dung để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể

- Xét dước góc độ là phần mềm: GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng

- Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước: GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có tọa độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý

- Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là các hệ thống gồm các hợp phần: phần cứng, phần mềm,cơ sở dữ liệu và cơ sở tri thức chuyên gia

- Xét theo chức năng: GIS là một hệ thống bao gồm 3 hệ con: dữ liệu vào, quản trị dữ liệu (quản lý và phân tích dữ liệu) và dữ liệu ra

2.3.1.2 Thành phần của GIS

Phần cứng: bao gồm hệ thống máy tính mà các phần mềm GIS chạy trên

đó Việc lựa chọn hệ thống máy tính có thể là máy tính cá nhân hay siêu máy tính Các máy tính cần thiết phải có bộ vi xử lý đủ mạnh để chạy phần mềm

và dung lượng bộ nhớ đủ để lưu trữ thông tin (dữ liệu)

Phần mềm: phần mềm GIS cung cấp các chức năng và công cụ cần thiết

để lưu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian Nhìn chung, tất cả các phần mềm GIS có thể đáp ứng được những yêu cầu này, nhưng giao diện của chúng có thể khác nhau

Dữ liệu: có thể coi là thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu Bao gồm các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính Hệ GIS sẽ kết

hợp dữ liệu không gian với các dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS

để tổ chức lưu trữ và quản lí dữ liệu

Phương pháp: một hệ thống GIS vận hành theo một kế hoạch, đó là những mô hình và cách thức hoạt động đối với mỗi nhiệm vụ Về cơ bản, nó bao gồm các phương pháp phân tích không gian cho một ứng dụng cụ thể

Ví dụ, trong thành lập bản đồ, có nhiều kĩ thuật khác nhau như tự động chuyển đổi từ raster sang vector hoặc vector hóa thủ công trên nền ảnh quét Con người: người sử dụng GIS có thể là các chuyên gia kĩ thuật, đó là người thiết kế và thực hiện hệ thống GIS, hay có thể là người sử dụng GIS để

hỗ trợ cho các công việc thường ngày GIS giải quyết các vấn đề không gian theo thời gian thực Con người lên kế hoạch, thực hiện và vận hành GIS để đưa ra những kết luận, hỗ trợ cho việc ra quyết định [6]

Hình 2.1 Thành phần cơ bản của GIS

2.3.1.3 Chức năng của GIS

Nhập dữ liệu: nhập dữ liệu là một chức năng của GIS qua đó dữ liệu

dưới dạng tương tự hay dạng số được biến đổi sang dạng số có thể sử dụng được bằng GIS Việc nhập dữ liệu được thực hiện nhờ vào các thiết bị như bàn số hóa, máy quét, bàn phím và các chương trình hay môđun nhập và chuyển đổi dữ liệu của GIS

Quản lí dữ liệu: việc xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS lớn bằng các

phương pháp nhập dữ liệu khác nhau thường rất tốn kém về thời gian, công sức và tiền bạc Số chi phí bằng tiền cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu có thể lớn hơn hẳn chi phí phần cứng và phần mềm GIS Điều đó phần nào nói lên ý nghĩa của việc quản lý dữ liệu, một chức năng quan trọng của tất cả các hệ thống thông tin địa lý Chức năng này bao gồm việc tổ chức lưu trữ và truy cập dữ liệu sao cho hiệu quả nhất

Phân tích dữ liệu: phân tích dữ liệu là chức năng quan trọng nhất của

GIS GIS cung cấp các công cụ cần thiết để phân tích dữ liệu không gian, dữ liệu thuộc tính và phân tích tổng hợp cả hai loại dữ liệu đó ở trong cơ sở dữ liệu để tạo ra thông tin mới trợ giúp các quyết định mang tính không gian

Xuất dữ liệu: chức năng xuất dữ liệu hay còn gọi là chức năng báo cáo

của GIS cho phép hiển thị, trình bày các kết quả phân tích và mô hình hóa không gian bằng GIS dưới dạng bản đồ, bảng thuộc tính hay văn bản trên màn hình hay trên các vật liệu truyền thống khác ở các tỷ lệ và chất lượng khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của người dùng và khả năng của các thiết bị xuất dữ liệu như màn hình, máy in, máy vẽ

2.3.1.4 Nguyên tắc hoạt động của GIS

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của GIS

2.3.1.5 Các ứng dụng của GIS

Đánh giá môi trường: Mô hình hóa các tiến trình xói mòn, sự lan truyền

ô nhiễm trong môi trường khí hay nước hoặc phản ứng của một lưu vực song dưới sự ảnh hưởng của một trận mưa lớn…

Khí tượng thủy văn: Phục vụ chống thiên tai ở lưu vực hạ lưu, xác định

tâm bão, dự đoán các luồng cháy, xác định độ ngập lụt, đưa ra các biện pháp phòng chống kịp thời…

Nông nghiêp:

Bảng 2.1: Các ứng dụng của GIS về nông nghiệp

Thổ nhưỡng - Xây dựng các bản đồ đất và đơn tích đất

- Đặc trưng hóa các lớp phủ thổ nhưỡng

Trồng trọt

- Khả năng thích nghi các loại cây trồng

- Sự thay đổi của việc sử dụng đất

- Xây dựng các đề đề xuất về sử dụng đất

- Khả năng bền vững của sản xuất nông nghiệp Nông - Lâm kết hợp

- Theo dõi mạng lưới khuyến nông

- Khảo sát nghiên cứu dịch - bệnh cây trồng (côn trùng và cỏ dại)

- Suy đoán hay nội suy các ứng dụng kỹ thuật

Quy hoạch thủy văn

và tưới tiêu

- Xác định hệ thống tưới tiêu

- Lập thời biểu tưới nước

- Tính toán sự xói mòn/ bồi lắng trong hồ chứa nước

- Nghiên cứu đánh giá ngập lũ

Kinh tế nông nghiệp

- Điều tra dân số / nông hộ

- Ước lượng / tiên đoán năng suất cây trồng

Chăn nuôi gia súc

2.3.1.6 Các phép toán phân tích dữ liệu trong GIS

Các phép toán trong GIS bao gồm phép toán số học và phép toán logic Chồng ghép bằng phương pháp số học dùng các phép toán học trong khi chồng ghép như: +, -, *, /, mod, div, sqrt

Hình 2.3 Ví dụ các phép toán đại số

Ngoài ra còn sử dụng các phép toán Logic như: OR, AND, XOR, …

Hình 2.4 Các phép toán logic trong GIS

2.3.2 Giới thiệu về mô hình SWAT

2.3.2.1 Tổng quan về mô hình SWAT

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS- Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA- United States Department of Agriculture) và giáo sư Srinivasan thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ

SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực Mô hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng nguồn tài nguyên đất của đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ mất rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên với việc sử dụng các phương trình tương quan, hồi qui để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu vào (Sử dụng đất/thảm thực vật, đất, địa hình và khí hậu) và thông số đầu ra (lưu lượng dòng chảy, bồi lắng, …), SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực

Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mô hình trước đó là khi

mô phỏng SWAT sẽ phân chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ chi tiết mô phỏng về mặt không gian 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 Do vậy mô hình còn có khả năng dự báo thông qua việc thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí sử dụng đất, khí hậu, thực vật…) đều định lượng được những tác động của sự thay đổi đến dòng chảy ra của các lưu vực hoặc

các thông số khác; có hiệu quả cao, có thể tính toán và mô phỏng trên lưu vực rộng lớn hoặc hỗ trợ ra quyết định đối với những chiến lược quản lí đa dạng, phức tạp với sự đầu tư kinh tế và thời gian thấp; cho phép người sử dụng nghiên cứu những tác động trong thời gian dài Nhiều vấn đề hiện nay được SWAT xem xét không những lưu lượng dòng, đỉnh lũ mà còn đến như sự tích lũy chất ô nhiễm và những ảnh hưởng đến vùng hạ lưu Hiện nay trong nước đã xuất hiện nhiều mô hình thủy văn phân chia, đánh giá tài nguyên nước, tính toán lũ cho các lưu vực như MIKEBASIN, HEC-HMS, ANSWERS, AGNPS nhưng hầu các mô hình thường không đi kèm các công cụ hiệu chỉnh, kiểm định một cách

tự động để tăng độ tin cậy SWAT cung cấp công cụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định một cách tự động SWAT-CUP, nhằm rút gọn thời gian nhưng vẫn mang lại tính chính xác và hiệu quả cho người sử dụng

2.3.2.2 Lịch sử phát triển

SWAT là một công cụ đánh giá đất và nước cho một lưu vực, được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở viện nghiên cứu phục vụ nông nghiệp Hoa Kì (ARS) Được nghiên cứu ở viện ARS Hoa Kì trong suốt 30 năm qua SWAT

là sự kết hợp ba mô hình CREAMS, GLEAMS, EPIC bước đầu phát triển nên mô hình Mô Phỏng Tài Nguyên Nước Lưu Vực Nông Thôn –SWRRB Trong đó ba mô hình sẽ cho ra các thông số của mô hình SWRRB

- GLEAMS: Tính toán cung cấp thành phần thuốc bảo vệ thực vật, chất dinh dưỡng

- CREAMS: Cung cấp các thành phần về chế độ thủy văn, lượng mưa hàng ngày

- EPIC: Tính toán sự biến đổi mùa vụ hàng năm

Ngoài ra, sự cải tiến của mô hình SWRRB là cho phép mô phỏng trên nhiều tiểu lưu vực để dự báo lượng nước của lưu vực, xét đặc điểm hồ chứa,

lưu lượng và sự bồi lắng, kết hợp dữ liệu thời tiết để mô phỏng trong thời gian dài

Từ khi thành lập cho tới nay SWAT luôn luôn được nghiên cứu để nâng cao tính năng làm việc và khắc phục những khuyết điểm Với 6 lần cải tiến

mô hình vào các năm: SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2, SWAT2000, SWAT2005

một lưu vực theo các chiến lược quản lý khác nhau có thể được diễn ra tương đối đơn giản Mô hình SWAT dựa trên các bản đồ số về địa hình (DEM), sông ngòi, đường bao lưu vực để tính toán và chia lưu vực ra thành các vùng hay các lưu vực nhỏ (sub-basin) Đây là các lưu vực của các nhánh sông chính trong lưu vực nghiên cứu

Mô hình đồng thời cho phép người sử dụng thêm các nút bổ sung nước (inlet) để hỗ trợ cung cấp thêm nguồn nước thực tế khi mà các bản đồ GIS chưa cập nhật kịp thời và các điểm đo nước (outlet) để chia nhỏ các lưu vực con giúp người sử dụng có thể tham khảo các vùng khác của lưu vực trong cùng một phạm vi không gian Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong

mô hình để mô phỏng dòng chảy là rất thuận lợi khi mà các lưu vực này có

đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất Bên cạnh đó, mô hình cho phép mô phỏng hoạt ðộng của hồ chứa trên lýu vực với các thông số nhý dung tích, diện tích mặt nýớc, Q tràn

Ảnh hưởng của đất và việc sử dụng đất được thể hiện rõ trong việc nhập

và xử lý các bản đồ GIS Mô hình sẽ cập nhật bản đồ sử dụng đất và phân loại sử dụng đất theo tên và số phần trăm diện tích loại hình sử dụng đất đó Tương tự với bản đồ đất, cũng được cập nhật theo tên và phần trăm diện tích đất Các trạm khí tượng thủy văn được cập nhật theo kinh vĩ độ và tương ứng

là các chuỗi số liệu của trạm đó theo thời gian Mô hình tính toán mưa theo phương pháp đa giác Theissen Trong quá trình tính toán dòng chảy, mô hình

đã sử dụng phương pháp tính bốc hơi (theo Penman-Monteith, Taylor, Hardgreve) diễn toán dòng chảy theo phương pháp Muskingum, các phương pháp diễn toán chất lượng nước Xét về toàn lưu vực thì mô hình SWAT là một mô hình phân bố Mô hình này chia dòng chảy thành 3 pha:

Priestley-pha mặt đất, Priestley-pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và Priestley-pha trong sông Việc mô tả các quá trình thuỷ văn được chia làm hai phần chính: phần thứ nhất là pha lưu vực với chu trình thuỷ văn dùng để kiểm soát khối lượng nước, bùn cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các lòng dẫn chính của mỗi lưu vực Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ trong hệ thống lòng dẫn và tới mặt cắt cửa ra của lưu vực

Chu trình thuỷ văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước tổng quát như công thức:

SWt = SW0 + ∑ Rday – Qsurf – Ea – Wseep - Qgw)

Hình 2.6 Chu trình nước trong pha đất

Trong đó:

SWt: Tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm) SWo: Tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm)

t: Thời gian (ngày) Rday: Tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm) Qsurf: Tổng lượngnước mặt của ngày thứ i (mm) Ea: Lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm) Wseep: lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm) Qgw: Lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)

Phương trình phản ánh sự khác nhau giữa các tiểu lưu vực thông qua sự khác biệt về đặc điểm canh tác và tính chất đất

Quá trình xói mòn được dự báo riêng lẻ trên từng tiểu lưu vực và sẽ sử dụng để tính toán lượng xói mòn chung trên toàn lưu vực Điều này giúp nâng cao tính chính xác và mô tả ý nghĩa vật lí của phương trình cân bằng nước tốt hơn

2.4 Những kết quả nghiên cứu về việc xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS

2.4.1 Những kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS trên Thế Giới

Theo nghiên cứu của Stephen K.Hamilton và Wiliam M.Lewis tháng 9 năm 1990 đã cho thấy mối tương quan giữa hình thái lưu vực liên quan đến đặc điểm hóa học và sinh thái của sông hồ trên vùng đồng bằng sông Orinoco, Venezuela [13]

Theo nghiên cứu của William E Dietrich cục địa chất và địa vật lí, đại học California năm 2005 đã làm rõ mối quan hệ giữa hình thái lưu vực với cảnh quan trong lưu vực đồng thời làm rõ sự gắn kết của hình thái lưu vực và chế độ thoát nước của các hệ thống sông trong lưu vực [4]

Theo nghiên cứu của J Dicke và cộng sự năm 2008, [4] khẳng định các thông số hình thái và mạng lưới thủy văn là một yếu tố ảnh hưởng quan trọng đến sự di cư của các động vật thủy sinh như sự đi cư của cá hồi trên khu vực