Đánh giá tài nguyên nước và xói mòn đất lưu vực sông Srêpôk

Trong những năm gần đây, quản lý tài nguyên nước lưu vực Srêpôk đang gặp phải các vấn đề cấp bách về suy thoái tài nguyên nước về chất lượng và số lượng, đặc biệt hiện tượng xói mòn đất đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng. Nghiên cứu này sử dụng mô hình SWAT nhằm đánh giá tài nguyên nước và xói mòn đất ở lưu vực Srêpôk thuộc 2 tỉnh Đăk Lăk và Đăk Nông. Kết quả cho thấy SWAT mô phỏng dòng chảy lưu vực Srêpôk khá tốt (chỉ số R2 trong khoảng 0,41÷0,85, NSE nằm trong khoảng 0,37÷0,84, chỉ số PBIAS khoảng -22,79% ÷ 14,40%). Kết quả cũng cho thấy SWAT có khả năng ước tính xói mòn trên lưu vực với độ tin cậy chấp nhận được (Cầu 14: R2 = 0,45÷0,57 , PBIAS = 13,98%÷22,73%, NSE = 0,37÷0,48; Bản Đôn: R2 = 0,40÷0,42, PBIAS = 41,03%÷46,57%, NSE = 0,25÷0,37)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ XÓI MÒN ĐẤT

LƯU VỰC SÔNG SRÊPÔK

NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG CHUYÊN NGÀNH: TIN HỌC MÔI TRƯỜNG

SVTH: TRƯƠNG THỊ NGỌC HIỀN GVHD: TS ĐÀO NGUYÊN KHÔI

KHÓA HỌC: 2012-2016

TP.Hồ Chí Minh - 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ XÓI MÒN ĐẤT

LƯU VỰC SÔNG SRÊPÔK

Ngành: Khoa học Môi trường Chuyên ngành: Tin học Môi trường

Sinh viên thực hiện: Trương Thị Ngọc Hiền Giáo viên hướng dẫn: TS.Đào Nguyên Khôi

Khóa học: 2012 - 2016

TP.Hồ Chí Minh - 2016

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài, nếu không có sự hỗ trợ giúp đỡ của Quý thầy

cô, anh chị và các bạn thì chỉ với nỗ lực đơn thuần của riêng bản thân, chắc chắn đề tài

của em sẽ không thể được hoàn thành như ngày hôm nay

Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS.Đào Nguyên Khôi, thầy

đã rất tận tâm và nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ, chỉ dạy và động viên em trong suốt quá

trình thực hiện đề tài

Em cũng xin cám ơn quý thầy cô trong Khoa Môi Trường – Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã truyền đạt cho em những kiến thức hữu ích trong suốt 4 năm học vừa qua, giúp em có nền tảng kiến thức để tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đề

tài như hôm nay

Bên cạnh đó, em cũng đã nhận được sự giúp đỡ, hỗ trợ nhiệt tình và tận tâm các quý anh chị công tác tại trung tâm quản lý nước và biến đổi khí hậu-WACC, đặc biệt là chị Vũ Thị Thơm, chị đã giúp đỡ, truyền đạt cho nhiều kinh nghiệm, kỹ năng để em

thực hiện đề tài được thuận lợi

Mình cũng xin được cám ơn các bạn trong Khoa Môi Trường nói chung và trong bộ môn Tin học Môi Trường nói riêng Cảm ơn những tháng năm chúng ta bên

nhau

Cám ơn gia đình đã luôn sát cánh, chăm sóc, động viên và tạo mọi điều kiện

thuận lợi cho con trong suốt thời gian qua

Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn cũng như hạn chế về kiến thức, khóa luận còn rất nhiều thiếu sót Mong nhận được sự góp ý sửa chữa của Quý thầy cô và các bạn

để khóa luận được hoàn thiện hơn

TP HCM, tháng 7 năm 2016

SV Trương Thị Ngọc Hiền

TÓM TẮT

Trong những năm gần đây, quản lý tài nguyên nước lưu vực Srêpôk đang gặp phải các vấn đề cấp bách về suy thoái tài nguyên nước về chất lượng và số lượng, đặc biệt hiện tượng xói mòn đất đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng Nghiên cứu này sử dụng mô hình SWAT nhằm đánh giá tài nguyên nước và xói mòn đất ở lưu vực Srêpôk thuộc 2 tỉnh Đăk Lăk và Đăk Nông Kết quả cho thấy SWAT mô phỏng dòng chảy lưu vực Srêpôk khá tốt (chỉ số R2 trong khoảng 0,41÷0,85, NSE nằm trong khoảng 0,37÷0,84, chỉ số PBIAS khoảng -22,79% ÷ 14,40%) Kết quả cũng cho thấy SWAT

có khả năng ước tính xói mòn trên lưu vực với độ tin cậy chấp nhận được (Cầu 14: R2

= 0,45÷0,57 , PBIAS = 13,98%÷22,73%, NSE = 0,37÷0,48; Bản Đôn: R2 = 0,40÷0,42, PBIAS = 41,03%÷46,57%, NSE = 0,25÷0,37)

Từ khóa: xói mòn đất, tài nguyên nước, mô hình SWAT, Srêpôk

ABSTRACT

In recent year, water resources management of Srepok watershed is having urgent issues of water resources degradation including quanlity and quantity, special soil erision is occurring increasingly seriously This study uses SWAT model to

evaluate water resources and soil erision in Srepok watershed of Dak Lak and Dak Nong From the calculated results of SWAT model, the river discharge is simulated with quite accuracy (the R2, NSE and PBIAS coefficient is respectively between 0,41÷0,85, 0,37÷0,84 and -22,79%÷14,40%) Althought, the measurement of sediment

is limited; the simulations of sediment transport form SWAT model also give accepted results (Cau 14: R2 = 0,45÷0,57 , PBIAS = 13,98%÷22,73%, NSE = 0,37÷0,48; Ban Don: R2 = 0,40÷0,42 , PBIAS = 41,03%÷46,57%, NSE = 0,25÷0,37)

Key words: soil erision, water resources, SWAT model, Srepok

1.2.4 Các phương pháp đánh giá xói mòn 19

3.1.3 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy 56 3.1.4 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định phù sa (TSS) 64

Chương 4: Kết luận và kiến nghị 83

Danh mục bảng

Bảng Trang

Bảng 1 2: Trữ lượng khai thác tiềm năng nước dưới đất tỉnh Đăk Lăk 35

Bảng 2 2: Tên và vị trị các trạm mưa và nhiệt trong khu vực nghiên cứu 48 Bảng 2 3: Tên và trị trí các trạm quan trắc lưu lượng 48 Bảng 2 4: Mức độ mô phỏng của mô hình tương ứng với chỉ số R2, NSE, PBIAS 52 Bảng 3 1: Các trạm thủy văn và giai đoạn cho hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy 56 Bảng 3 2: 19 thông số thủy văn sử dụng để phân tích độ nhạy trong nghiên cứu 57 Bảng 3 3: Bộ thông số mô phỏng dòng chảy của mô hình tại khu vực nghiên cứu 59 Bảng 3 4: Kết quả hệ số NSE hiệu chỉnh, kiểm định dòng chảy 60 Bảng 3 5: Bộ thông số hiệu chỉnh và kiểm định quá trình mô phỏng chế độ xói mòn

Bảng 3 6: Kết quả hệ số NSE hiệu chỉnh, kiểm định TSS 64 Bảng 3 7: Hiện trạng xói mòn lưu vực sông Srêpôk theo TCVN 5299:2009 77 Bảng 3 8: Bảng thống kê chi tiết mức độ xói mòn ở các tiểu lưu vực 79

Danh mục hình ảnh

Hình Trang

Hình 1 2: : Khung mô hình mô phỏng dòng chảy và chất ô nhiễm trong HSPF 11

Hình 2 4: Các bước tiến hành trong SWAT và SWAT CUP 45

Hình 2 6: : Bản đồ sử dụng đất lưu vực Srêpôk (2003) 49

Hình 2 8: Bản đồ các trạm khí tượng thủy văn lưu vực Srêpôk 49 Hình 3 1: Quy trình đánh giá hiện trạng tài nguyên nước 54 Hình 3 2: Bản đồ phân chia tiểu lưu vực sông Srêpôk 55 Hình 3 3: Kết quả phân tích độ nhạy của 19 thông số thủy văn 58 Hình 3 4: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1990)

Hình 3 5: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)

Hình 3 6: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)

Hình 3 7: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)

Hình 3 8: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)

Hình 3 9: TSS mô phỏng và quan trắc tại trạm Cầu 14 trong giai đoạn hiệu chỉnh

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Tài nguyên nước có ý nghĩa sống còn đối với cuộc sống con người Bảo đảm an ninh nguồn nước là vấn đề cực kỳ quan trọng của mọi quốc gia Tuy nhiên hiện nay, tài nguyên nước đang chịu nhiều áp lực và thách thức lớn do xu hướng phát triển kinh tế

và đáp ứng năng lượng cho các quốc gia trên thế giới

Nước là một tài nguyên thiết yếu và quan trọng nhất của lưu vực sông Tài nguyên nước, đất và hệ sinh thái có mối liên quan mật thiết với nhau nên quản lý tổng hợp lưu vực sông là một vấn đề đã được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới trong nửa

cuối của thế kỷ 20 và vài thập kỷ gần đây

Quản lý tổng hợp lưu vực sông nhằm đối phó với những thách thức về sự khan hiếm nước, sự gia tăng tình trạng ô nhiễm và suy thoái các nguồn tài nguyên nước của các lưu vực sông Hiện nay trên thế giới đã có hàng trăm các tổ chức quản lý lưu vực sông được thành lập để quản lý tổng hợp và thống nhất tài nguyên nước, đất và các tài nguyên liên quan khác trên lưu vực sông, giúp tối đa hoá lợi ích kinh tế, phúc lợi xã hội, nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giải quyết tốt các mâu thuẫn trong khai thác và

sử dụng tài nguyên nước giữa các vùng của lưu vực sông nhưng không làm tổn hại đến

tính bền vững của hệ thống môi trường trọng yếu của lưu vực

Ngày nay, một trong những vấn đề cấp bách trong quản lý tài nguyên lưu vực sông là sự thoái hóa đất và đặc biệt là nguy cơ xói mòn đất xảy ra do yếu tố khí hậu phức tạp, phương thức canh tác của con người và tác động của những hoạt động phát triển kinh tế - xã hội đang diễn ra ở lưu vực Xói mòn đất là một vấn đề môi trường toàn cầu Hiện nay, rất nhiều nghiên cứu về xói mòn, các giải pháp chống xói mòn và

bảo vệ đất đã được đầu tư và triển khai ở các quốc gia phát triển

Srêpôk là dòng sông lớn nhất trong hệ thống sông ngòi Tây Nguyên Đây là một phụ lưu quan trọng của sông Mê Kông, không những có vai trò quan trọng trong phát

có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an ninh quốc phòng của Việt Nam nói chung Trong những năm trở lại đây, nguồn nước ở lưu vực sông Srêpôk đang chịu nhiều áp lực ngày càng lớn từ nhiều hoạt động liên quan đến phát triển và sử dụng tài nguyên nước cho các hoạt động từ thủy lợi tưới tiêu và cấp nước, đến thủy điện, giao thông thủy, du lịch trên lưu vực … Điều này dẫn đến những biểu hiện suy thoái tài nguyên nước cả về số lượng lẫn chất lượng, tình trạng ô nhiễm nguồn nước, khan hiếm nước đã xuất hiện ở nhiều nơi và đang có xu hướng gia tăng, đặc biệt là hiện tượng xói

mòn đang có xu hướng tăng rõ rệt

Do vậy, “Đánh giá tài nguyên nước và xói mòn đất lưu vực sông Srêpôk ” là

một đề tài có tính khoa học và thực tiễn cao, cung cấp các thông tin tham khảo giúp cho các nhà quản lý, hoạch định chính sách có thể quản lý tài nguyên nước và đưa ra được những quyết định chiến lược phát triển kinh tế xã hội trong tương lai một cách có

hiệu quả nhất

2 Mục tiêu nghiên cứu

Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá hiện trạng tài nguyên nước và xói mòn đất tại lưu vực sông Srêpôk Từ đó đề xuất giải pháp bảo vệ và phát triển bền vững

dòng sông Srêpôk

3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên thì cần nghiên cứu một số nội dung sau:

- Hiệu chỉnh, kiểm định dòng chảy và độ đục

- Đánh giá hiện trạng tài nguyên nước (số lượng và chất lượng)

- Đánh giá xói mòn đất

- Đề xuất các giải pháp bảo vệ dòng sông Srêpôk

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: tài nguyên nước và xói mòn đất

- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: lưu vực sông Srêpôk chảy qua 2 tỉnh Đăk Lăk

và Đăk Nông

5 Phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết được các mục tiêu và nhiệm vụ đã đề ra, đề tài sử dụng một số

phương pháp nghiên cứu chính sau:

5.1 Phương pháp thu thập và kế thừa tài liệu

Đây là bước đầu tiên của nghiên cứu khoa học sẽ khái quát chung về vấn đề nghiên cứu, nguồn tài liệu thu thập Phương pháp này chính là cơ sở giúp cho người thực hiện xác định những định hướng nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu và các phương

pháp nghiên cứu phù hợp

Tham khảo các luận án, báo cáo khoa học về đề tài, tài liệu chuyên ngành, sách

chuyên ngành liên quan đến môi trường đặc biệt là tài nguyên nước, xói mòn

5.2 Phương pháp bản đồ

- Xây dựng, chỉnh sửa các dữ liệu bản đồ (Địa hình, sử dụng đất, thổ

nhưỡng) tạo dữ liệu đầu vào cho mô hình

- Biểu diễn kết quả chạy mô hình và kết quả nghiên cứu Xây dựng bản đồ các thành phần cân bằng nước trung bình nhiều năm của vùng nghiên

cứu

5.3 Phương pháp mô hình hóa

- Sử dụng mô hình SWAT: mô phỏng dòng chảy và phù sa để đánh giá

chất lượng nước lưu vực Srêpôk

- Công cụ Output Visualization: đây là một công cụ được tích hợp trong QSWAT cho phép trích xuất kết quả đầu ra từ SWAT theo các đối tượng như sông suối (reach), tiểu lưu vực (subbasin), HRUs (đơn vị thủy văn)

Kết quả trích xuất dữ liệu cho ra định dạng tập tin (*.csv)

- Công cụ SWAT-CUP: thực hiện hiệu chỉnh, kiểm định kết quả mô phỏng

của mô hình SWAT với kết quả thực đo

5.4 Phương pháp thống kê, xử lí số liệu

Nhằm đánh giá độ tin cậy giữa dữ liệu thực tế và quá trình mô phỏng, ta thường dùng phương pháp thống kê để đánh giá Ở nghiên cứu này, các phương pháp đánh giá được sử dụng là hệ số tương quan (R2) và hệ số hiệu quả Nash- Sutcliffe (NSE), phần trăm sai số (PBIAS) Đồng thời, thống kê thành lập các bảng biểu, đồ thị để so sánh kết

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một số dữ liệu về dòng chảy, tài nguyên nước

và xói mòn đất trong giai đoạn 1982-2009 tại lưu vực sông Srêpôk làm tài liệu tham khảo có cơ sở khoa học về vấn đề chất lượng nước của lưu vực sông Srêpôk

Đề tài đề xuất các biện pháp bảo vệ dòng sông Srêpôk, góp phần hỗ trợ công tác

quản lý bền vững lưu vực sông Srêpôk

Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về các mô hình thủy văn

1.1.1 Mô hình SWAT

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất Đây

là một mô hình thủy văn ở cấp độ lưu vực 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 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

(Nguyễn Kim Lợi và cộng sự, 2013)

 Lịch sử phát triển của SWAT

Những mô hình góp phần vào sự phát triển của SWAT bao gồm:

- Hệ thống quản lí nông nghiệp về hóa chất, rửa trôi và xói mòn (Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management

Systems - CREAMS) (Knisel, 1980);

- Mô hình những ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm (GLEAMS - Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems) (Leonard cộng sự., 1987) - đây là phần mở rộng của CREAMS bao gồm

bốn thành phần: thủy văn, xói mòn/bồi lắng, sự di chuyển của thuốc bảo

vệ thực vật và dinh dưỡng;

- Mô hình tính toán ảnh hưởng của các hoạt động sản xuất đến sự xói mòn

- (EPIC – Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams cộng sự.,

1984)

SWAT tích hợp nhiều mô hình của ARS, nó được phát triển từ mô hình mô

phỏng tài nguyên nước lưu vực nông thôn (Simulator for Water Resources in Rural

Basins - SWRRB) (Williams cộng sự., 1985; Arnold cộng sự., 1990)

Quá trình phát triển của SWRRB bắt đầu với việc sửa đổi mô hình thủy văn về lượng mưa ngày của mô hình CREAMS Các thay đổi chính so với mô hình thuỷ văn

CREAMS bao gồm:

ESWAT SWAT-G SWIM SWATMOD QUAL2E

reservoirs; return flow;

other flow aspects

Hình 1 1: Sơ đồ phát triển của mô hình SWAT (Nguồn: Philip W.G và cộng sự., 2009)

- Mô hình đã được mở rộng để cho phép đồng thời tính toán trên nhiều lưu

vực con để dự đoán dòng chảy từ nước mưa;

- Bổ sung thêm mô hình về nước ngầm, hay mô hình về dòng chảy hồi lưu;

- Bổ sung mô-đun hồ chứa nhằm tính toán tác động của ao hồ nông trại và

hồ chứa nước đến chế độ dòng chảy và lưu lượng bùn lắng;

- Thêm mô hình mô phỏng thời tiết chứa đựng các dữ liệu cho lượng mưa, bức xạ mặt trời, và nhiệt độ nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các mô phỏng lâu dài và cung cấp biến động thời tiết theo thời gian và không

gian;

- Phương pháp dự báo giá trị cực đại của tốc độ dòng chảy mặt đất đã

được cải thiện;

- Mô hình phát triển cây trồng EPIC đã được bổ sung nhằm mô phỏng tác

động của phát triển cây trồng hàng năm;

- Bổ sung mô-đun tính truyền lũ;

- Bổ sung mô-đun vận chuyển bùn cát nhằm mô phỏng chuyển vận của

phù sa bùn cát qua các ao, hồ chứa, dòng sông suối và thung lũng;

- Các tính toán về tổn thất truyền dẫn

Mô hình được chú trọng sử dụng trong cuối những năm 1980 chủ yếu nhằm đánh giá chất lượng nước và sự phát triển của SWRRB đã chứng tỏ điều này Những

cải tiến đáng kể của mô hình SWRRB vào thời gian đó bao gồm sự kết hợp với:

- Thành phần mô phỏng thuốc trừ sâu trong mô hình GLEAMS;

- Phương pháp SCS để tính toán giá trị cực đại của tốc độ dòng chảy mặt

đất

- Phương trình mới được phát triển về bồi lắng

Những sửa đổi, bổ sung này đã tăng cường khả năng sử dụng của mô hình trong việc giải quyết nhiều vấn đề về quản lý lưu vực Vào cuối những năm 1980, Cục các vấn đề về người da đỏ (the Bureau of Indian Affairs) cần một mô hình để ước lượng tác động vào dòng chảy hạ lưu của công tác quản lý nguồn nước trong phạm vi lưu vực

khu đất giành cho người da đỏ ở Arizona và New Mê-hi-cô Trong khi SWRRB đã được sử dụng một cách dễ dàng cho các sông có diện tích lên đến vài trăm km2 Cục các vấn đề về người da đỏ muốn mô phỏng dòng chảy cho lưu vực rộng hàng nghìn

km2 Đối với khu vực rộng lớn như vậy, lưu vực được nghiên cứu cần thiết phải phân chia thành vài trăm lưu vực con SWRRB chỉ cho phép chia lưu vực thành 10 lưu vực con và mô hình tính truyền vận chuyển dòng nước và bùn lắng ra khỏi lưu vực con trực

tiếp đến điểm ra của lưu vực dòng sông

Những hạn chế này đã dẫn đến sự phát triển của một mô hình có tên gọi là ROTO (Routing Output To Outlet) (Arnold cộng sự., 1995), trong đó kết quả từ nhiều lần chạy mô hình SWRRB cho các lưu vực con được chuyển theo dòng chảy trong các kênh và hồ chứa ROTO cung cấp một phương pháp tiếp cận tính toán theo từng đoạn sông và khắc phục được nhược điểm của SWRRB về giới hạn số lưu vực con bằng cách "liên kết" nhiều lần chạy mô hình SWRRB lại với nhau Mặc dù phương pháp tiếp cận này rất hiệu quả, những dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra của nhiều lần chạy SWRRB trở nên cồng kềnh và cần khả năng lưu trữ lớn trong máy tính Ngoài ra, tất cả các lần chạy mô hình SWRRB phải được thực hiện độc lập và sau đó nhập kết quả vào

mô hình ROTO để thực hiện bước tính truyền theo các kênh và hồ chứa

Để khắc phục được những rắc rối này, mô hình SWRRB và ROTO đã được kết hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là SWAT Trong khi SWAT cho phép mô phỏng khu vực rất rộng lớn, nó giữ lại tất cả các tính năng đã làm cho mô hình

SWRRB có giá trị như một mô hình mô phỏng

Từ khi SWAT được tạo ra vào đầu những năm 1990, nó đã liên tục trải qua nhiều lần xem xét, đánh giá và cải tiến nhằm mở rộng khả năng mô phỏng Những cải

tiến đáng kể nhất của các mô hình theo các phiên bản khác nhau bao gồm:

- SWAT94.2: Bổ sung khái niệm đơn vị thuỷ văn (HRUs)

- SWAT96.2: Phương án tự động bón phân và tưới nước được thêm vào như là

những quản lý tùy chọn; tính toán lượng nước do tán lá cây lưu trữ; thành

phần mô phỏng CO2 trong mô hình tăng trưởng cây trồng phục vụ các nghiên cứu về biến đổi khí hậu; bổ sung phương trình Penman-Monteith về bốc thoát nước tiềm năng; dòng chảy theo chiều ngang trong đất dựa trên mô hình lưu trữ động thái; bổ sung phương trình chất lượng nước về thành phần dinh dưỡng của dòng chảy từ mô hình QUAL2E; tính truyền vận chuyển

thuốc trừ sâu trong dòng chảy sông suối

- SWAT98.1: Cải tiến chương trình con về mô phỏng lượng tuyết tan; cải

thiện tính toán chất lượng nước trong dòng sông suối; mở rộng tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng; tác động chăn thả đồng cỏ, tác động cách thức áp dụng phân bón, và thêm phương án tiêu nước sử dụng cày sâu như là một phương thức quản lý, sửa đổi mô hình để có thể áp dụng ở khu vực Nam

bán cầu

- SWAT99.2: Cải tiến tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, cải tiến

tính toán ruộng lúa/đầm lầy, bổ sung phần ước tính lượng tổn thất chất dinh dưỡng do quá trình bồi lắng trong hồ chứa/ao/đầm lầy; bổ sung lượng nước chứa được do bờ sông, bổ sung tính truyền kim loại theo thứ tự các đoạn sông suối; tất cả các năm tài liệu tham khảo trong mô hình đã thay đổi biểu thị từ 2 chữ số thành 4 chữ số, bổ sung phương trình ảnh hưởng các khu đô thị lên dòng chảy từ mô hình SWMM theo phương trình quan hệ của Cơ

quan Thăm dò Địa chất (USGS)

- SWAT2000: Bổ sung tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy; bổ

sung phương trình thấm Green & Ampt, cải thiện mô hình mô phỏng thời tiết, cho phép đọc vào hoặc mô phỏng dữ liệu bức xạ mặt trời hàng ngày, độ

ẩm tương đối, và tốc độ gió; cho phép đọc vào hoặc ước tính các giá trị bốc thoát nước tiềm năng ET cho lưu vực; xem xét lại tất cả các phương pháp ước tính ET tiềm năng; cải thiện quá trình liên quan đến độ cao của bờ sông; cho phép mô phỏng không giới hạn số lượng hồ chứa; bổ sung phương pháp tính truyền Muskingum; sửa đổi tính toán mô phỏng trạng thái ngưng

hoạt động sống (ngủ đông) cho phù hợp với các khu vực nhiệt đới

- SWAT2005: Cải thiện tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy;

thêm kịch bản dự báo thời tiết; bổ sung phần mô phỏng lượng mưa rơi; thông số lưu trữ nước trong tính toán giá trị CN hàng ngày có thể là hàm số của lượng nước trong đất (độ ẩm đất) hay của lượng bốc thoát hơi nước từ

cây cối

Phiên bản hiện tại đang được sử dụng là SWAT2012

1.1.2 Mô hình HSPF

HSPF : Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA) (1984)

Mô hình HSPF mô phỏng trong không gian hai chiều ở trạng thái động lực với các thông số chất lượng nước: Các chất hoà tan, TSS, DO, các chất dinh dưỡng và các loại vi khuẩn chỉ thị Mô hình dự báo xu thế thay đổi chất lượng nước trong dòng chảy sau các trận mưa và các thông tin về việc thu nước ở các kênh Có 4 mô đun quan trọng

bao gồm:

- Hợp phần đầu vào: Khí tượng (mưa, nhiệt độ, bức xạ, hướng gió, …) và dữ liệu

liên quan chất ô nhiễm (nguồn thải điểm, nguồn thải phân tán)

- Hợp phần dòng chảy thể hiện các quá trình liên quan đến chu trình thủy văn ở

lưu vực

- Hợp phần các chất ô nhiễm thể hiện các quá trình vận chuyển, chuyển hóa các

chất ô nhiễm hòa tan và không hòa tan trong nước, trong đất

- Hợp phần kết quả

Để xây dựng mô hình tính toán quá trình vận chuyển các chất ô nhiễm cần thu

thập nhiều dữ liệu, cụ thể bao gồm:

- Thông tin về lớp phủ

- Hiện trạng sử dụng đất

- Bản đồ địa hình (tỉ lệ 1 : 25.000) để xây dựng mô hình số độ cao cho toàn lưu

vực, từ đó chiết tách thông tin về thủy văn, địa hình

- Các nguồn ô nhiễm phân tán, các nguồn thải tập trung

- Số liệu khí tượng, thủy văn, loại đất, chất lượng đất, chất lượng nước …

Hình 1 2: : Khung mô hình mô phỏng dòng chảy và chất ô nhiễm trong HSPF

(Nguồn: Nguyễn Hồng Quân và cộng sự, 2014)

1.1.3 Mô hình AGNPS

Mô hình AGNPS - mô hình ô nhiễm phân tán từ nông nghiệp Mô hình này do các nhà khoa học nông nghiệp Mỹ xây dựng nhằm dự đoán xói mòn và sự di chuyển

của các chất dinh dưỡng, hóa chất từ những lưu vực nông nghiệp

Lưu vực nghiên cứu được chia ra thành các tiểu lưu vực và lưới ô vuông có kích thước

bằng nhau Mô hình gồm 3 mô hình con đó là:

- Mô hình xói mòn dựa trên phương trình mất đất phổ dụng USLE

- Mô hình nước dựa trên kỹ thuật thiết kế các đường thủy toán (SCS) mà mỗi giá trị đại diện cho một chế độ đất, cây trồng, hệ số dẫn nước, hệ số dòng

chảy khác nhau

- Quá trình vận chuyển các chất dinh dưỡng và hóa chất được mô hình hóa dựa trên các đặc tính của đất, lượng các chất bón vào đất và khả năng vận

chuyển của dòng chảy

Mô hình làm việc trên cơ sở hệ thống lưới ô vuông Các ô vuông là những ô có diện tích bằng nhau để chia nhỏ lưu vực Sự phân chia này cho phép ta phân tích mọi

diện tích trong lưu vực

Số liệu đầu vào cho mô hình gồm 22 chỉ tiêu về đặc tính: độ dốc, hướng dốc, đặc tính hóa lý đất, cây trồng và lượng các chất hóa học bón vào đất của lưu vực, của

từng ô đơn vị, lượng mưa, kiểu mưa

Số liệu đầu ra của mô hình gồm 13 chỉ tiêu về nước như tốc độ dòng chảy, đỉnh

lũ, tổng lượng dòng chảy, hàm lượng cặn, khối lượng đất bị xói mòn Tiếp theo là 11 chỉ tiêu về dinh dưỡng và hóa chất như lượng đạm, lân, thuốc sâu mất đi trong cặn đất

và trong nước chảy tràn bề mặt

Tiểu kết: Đề tài đã sử dụng mô hình SWAT để thực hiện mô phỏng tài nguyên

nước sông Srêpôk do một số ưu điểm sau của SWAT:

- Mô hình SWAT đã được cộng đồng quốc tế công nhận là một mô hình quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ Nó được ứng dụng rộng rãi trong đánh giá tài nguyên nước, xói mòn đất, chất ô nhiễm, định lượng tác động của biến đổi khí hậu, thay đổi sử dụng đất… ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới Ví dụ như Nghiên cứu "Mô phỏng Thủy văn và Atrazine cho lưu vực Cedar Creek bằng cách Sử dụng mô hình SWAT" của Larose và cộng sự; Nghiên cứu “Mô phỏng dòng chảy và xói mòn đất bằng cách sử dụng mô hình SWAT cho khúc giữa và

hạ lưu sông Lancang” của S.L Liu và cộng sự

- Sử dụng miễn phí

- Có thể mô phỏng cho những lưu vực mà ở đó chưa có hoặc thiếu dữ liệu quan

trắc

- Đánh giá được tác động của những thay đổi dữ liệu đầu vào (thay đổi sử dụng

đất, biến đổi khí hậu) đến tài nguyên đất nước

- Mô hình có tích hợp với ArcGIS

- 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

- 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 Trong khi đó 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

1.2 Tổng quan về xói mòn

1.2.1 Định nghĩa

Đến nay, có rất nhiều các định nghĩa, khái niệm khác nhau về xói mòn đất Theo

từ điển bách khoa toàn thư về khoa học đất, xói mòn xuất phát từ tiếng Latin là

“erodere” chỉ sự ăn mòn dần, thuật ngữ xói mòn dùng để chỉ các quá trình liên quan đến các lớp đất, đá tơi ra và bị mang đi bởi các tác nhân như gió, nước, băng, tuyết tan

hoặc hoạt động của sinh vật

Theo Ellison (1944): "Xói mòn là hiện tượng di chuyển đất bởi nước mưa, bởi gió dưới tác động của trọng lực lên bề mặt của đất Xói mòn đất được xem như là một hàm số với biến số là loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật,

lượng mưa và cường độ mưa"

Ngoài ra, theo Hudson (1968) xói mòn đất còn được xem là sự chuyển dời vật lý của lớp đất do nhiều tác nhân khác nhau như lực đập của giọt nước, gió, tuyết và bao

gồm cả quá trình sạt lở do trọng lực

Theo Nguyễn Quang Mỹ, Nguyễn Tứ Dần (1986), một trong những cách tiếp cận khác khi nghiên cứu về lớp phủ thực vật thì xói mòn là một quá trình động lực phá hủy độ màu mỡ của đất, làm mất trạng thái cân bằng của cả vùng bị xói mòn lẫn vùng

FAO (1994): "Xói mòn là hiện tượng các phần tử mảnh, cục và có khi cả lớp bề

mặt đất bị bào mòn, cuốn trôi do sức gió và sức nước."

Tóm lại, xói mòn đất là quá trình phá hủy lớp thổ nhưỡng bề mặt dưới tác động của các yếu tố tự nhiên và kinh tế xã hội, làm mất đất, giảm chất lượng đất và ảnh hưởng đến môi trường, kinh tế và xã hội Các khái niệm xói mòn đất phụ thuộc vào

hướng tiếp cận đối tượng và mục tiêu nghiên cứu

1.2.2 Tiến trình xói mòn

Về nguyên lý, Ellision (1944) xem xói mòn đất như là một hàm số với biến số là loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật, lượng mưa và cường độ mưa Xói mòn là một quá trình tự nhiên, tuy nhiên ở một vài nơi quá trình này diễn ra nhanh hơn do các hoạt động của con người

Ellision đã xác định tác nhân gây xói mòn mạnh mẽ nhất là xung lực hạt mưa

tác động vào mặt đất và chia quá trình này thành 3 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Hạt mưa rơi xuống làm vỡ cấu trúc đất, tách rời từng hạt đất ra khỏi bề mặt đất, xảy ra khi lực của các giọt mưa tác động với động năng lớn, vượt quá

sự kết dính của đất Các hạt đất sẽ được được tách ra và vận chuyển

- Giai đoạn 2: Những hạt đất bị bong ra bị dòng nước cuốn trôi theo sườn dốc,

di chuyển đi nơi khác, làm mất đất ở khu vực này Việc vận chuyển này là do động

năng của nước và đặc điểm trầm tích như kích thước hạt, mật độ và hình dạng

Hình 1 3: Tiến trình xói mòn (Nguyễn Kim Lợi, 2005)

- Giai đoạn 3: lắng đọng hoặc bồi lắng Những hạt đất lắng đọng ở một nơi khác, tăng thêm khối lượng đất cho nơi này, vùi lấp bề mặt đất cũ, làm cạn lòng hồ Lắng đọng xảy ra khi lượng phù sa của một loại hạt đất vượt quá lực vận tải Quá trình

di chuyển biến đổi khác nhau phụ thuộc vào vận tốc của nước chảy, những thay đổi trong điều kiện bề mặt: “bao phủ bề mặt, độ dốc” Bên cạnh đó là ảnh hưởng của mưa như: “kích thước hạt mưa, vận tốc và tần số” Trầm tích thường đọng lại chân của sườn

và trên đồng bằng ngập lũ, lưu vực hay hồ chứa

1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng

Có 5 yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xói mòn: khí hậu, con người, địa hình, thổ nhưỡng và thảm thực vật

Hình 1 4: Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất

(Nguyễn Thị Mai Hương, 2015)

Địa hình

Thổ nhưỡng

Con người

Thảm thực vật Khí hậu

Xói mòn

Ảnh hưởng hai chiều

Ảnh hưởng tích cực

Ảnh hưởng tiêu cực

a Khí hậu

Yếu tố khí hậu có thể nói là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến xói mòn đất Trong các yếu tố khí hậu thì mưa có tác động đến xói mòn quan trọng nhất Đã có nhiều công trình nghiên cứu cả trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa đều cho thấy rằng tác động của hạt mưa lớn hơn nhiều so với các yếu tố khác như hiệu ứng cắt xé và rửa trôi của dòng chảy do nước mưa gây nên Ngoài ra có những yếu tố ảnh hưởng trực tiếp hay gián tiếp đến xói mòn như nhiệt độ không khí, độ ẩm, tốc độ gió…

Mưa tác động tới xói mòn chủ yếu qua 2 yếu tố là tổng lượng mưa và cường độ mưa Sau nhiều công trình nghiên cứu về xói mòn đất một cách có hệ thống các nhà khoa học phát hiện ra rằng nhân tố quan trọng nhất gây ra xói mòn đất đó là hạt mưa Theo Elison (1944) là người đầu tiên chỉ ra chính hạt mưa là thủ phạm tạo ra sự xói mòn Năm 1985, Hudson N.W nghiên cứu rằng: Nước nặng hơn 800 lần so với không khí và từ kết quả thực nghiệm cho thấy hạt mưa có động năng lớn hơn 256 lần so với dòng chảy trên mặt mà nó sinh ra Như vậy tác động chủ yếu của các hạt mưa là sự phá

vỡ kết cấu lớp đất mặt bằng động năng của mình chính điều này làm các hạt đất tách ra khỏi mặt đất Đồng thời mưa còn tạo ra dòng chảy để vận chuyển các hạt đất đến vị trí bồi lắng Giữa hạt mưa và dòng chảy do nó tạo ra có mối quan hệ với nhau Chính sự

va đập của mưa vào mặt đất làm cho đất hóa lầy và dòng chảy trên mặt tăng lên Tùy

thuộc vào cấu trúc và sa cấu đất mà hệ số này biến đổi khác nhau

Các yếu tố khác tác động trực tiếp hoặc gián tiếp lên sự xói mòn đất như nhiệt độ không khí, sự bay hơi nước, tốc độ gió (khi mưa xuống), Những tác động này nếu so sánh với tác động do mưa gây ra thì có thể xem là không đáng kể, trừ một số trường

hợp đặc biệt như lượng mưa quá nhỏ

b Thảm thực vật

Ngoài ra, một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng tới xói mòn là yếu tố thảm thực vật Thảm thực vật có tác dụng rất lớn trong việc ngăn chặn xói mòn nhờ làm tắt năng

lượng hạt mưa, làm chậm tích tụ nước, giảm năng lượng của gió, tăng khả năng thấm nước và tăng ma sát cơ học thông qua bộ rễ và thảm lá rụng Thảm thực vật rừng nhiệt đới tự nhiên có khả năng hạn chế xói mòn cao hơn nhiều so với rừng trồng về công

năng giữ đất và giữ nước

đến tính xói mòn của đất được chia làm 2 nhóm:

- Nhóm 1: Các tính chất vật lý của đất như cấu trúc đất, thành phần cơ giới,

tốc độ thấm

- Nhóm 2: Các biện pháp làm đất trong quá trình sử dụng đất

Quá trình vận chuyển các hạt đất Sự xói mòn của các loại đất khác nhau thì khác nhau Nếu đất có kết cấu, tồn tại một trạng thái cân bằng, các khe hở và các đoàn lạp được duy trì làm cho cấu trúc đất khó bị phá vỡ Nếu đất không có cấu tạo hạt kết thì các hạt đất không liên kết với nhau Đất như vậy rời rạc khi năng lượng của hạt mưa tác động vào đất làm cho cấu trúc đất dễ bị phá vỡ dẫn đến xói mòn đất Như vậy, sự xói mòn của các loại đất khác nhau thì khác nhau Tính xói mòn của đất không chỉ chịu

sự ảnh hưởng của thành phần cơ giới mà còn thuộc vào cấu trúc đất Đối với các loại đất có cấu trúc, giàu hữu cơ thì khả năng kháng xói mòn tốt hơn các loại đất có không

có cấu trúc (cấu trúc rời rạc), nghèo hữu cơ

d Địa hình

Địa hình ảnh hưởng rất lớn lên xói mòn và với mỗi kiểu địa hình sẽ có những loại hình xói mòn khác nhau Nếu địa hình núi, phân cắt có độ dốc lớn thì xói mòn khe rãnh dạng tuyến diễn ra mạnh mẽ Còn đối với những mặt sườn phơi và địa hình thấp, thoải thì xói mòn theo diện (hay xói mòn bề mặt) sẽ chiếm ưu thế Với địa hình núi đá

vôi thì không có hai loại hình trên mà có xói mòn ngầm, tạo các dạng hang động

Trên lý thuyết thì những vùng núi cao, độ dốc lớn thì được coi là những nơi có xói mòn, còn những vùng đồng bằng, nơi có độ dốc không đáng kể thì được coi là vùng bồi tụ, tức là tích tụ vật chất bị xói mòn từ những vùng cao xuống Thực tế thì cả những vùng đồng bằng cũng có bị xói mòn nhưng lượng đất mất rất ít, chủ yếu là quá trình rửa trôi lớp đất màu bề mặt và hậu quả là làm giảm độ phì của đất canh tác Khi thực hiện lập bản đồ xói mòn tiềm năng đất bằng hệ thông tin địa lý thì để đơn giản, chúng tôi chỉ xét tới những vùng có khả năng xói mòn tiềm năng cao (những vùng độ dốc lớn) mà không xét tới những vùng ít khả năng (như vùng thung lũng giữa núi, ruộng bậc thang, đồng bằng) hoặc vùng cồn cát ven biển (chịu tác động mạnh của gió,

dòng chảy dọc bờ, thuỷ triều nhiều hơn)

Ảnh hưởng của địa hình có thể trực tiếp hay gián tiếp đến sự xói mòn đất Trước hết, địa hình làm thay đổi vi khí hậu trong vùng đến ảnh hưởng gián tiếp đến xói mòn đất thông qua tác động của khí hậu Địa hình núi cao cùng với sườn chắn gió ẩm là một trong những yếu tố tạo nên những tâm mưa lớn Ảnh hưởng trực tiếp của địa hình đến

xói mòn được thông qua yếu tố chính là độ dốc và chiều dài sườn dốc

e Con người

Trong các hoạt động của mình con người tác động đến thế giới tự nhiên theo hai hướng tích cực và tiêu cực, các hoạt động này có thể là nguyên nhân trực tiếp hay gián tiếp tác động lên xói mòn Yếu tố con người ở đây có thể là các hoạt động cày bừa, làm

đất hay chặt phá rừng, chăn nuôi gia súc trong thời gian dài…

Về mặt tích cực, con người có khả năng tác động vào thảm thực vật nhằm hạn chế xói mòn theo hướng có lợi cho con người thông qua các biện pháp canh tác hợp lý

và duy trì sản xuất một cách bền vững Ví dụ, các phương pháp canh tác theo đường

đồng mức, trồng cây theo băng, luân canh, đa canh, trồng xen, gối vụ, tạo các đai rừng, bón phân hợp lý để cây phát triển và tạo tán che kịp thời Ngoài ra, trong quá trình canh

tác, một số biện pháp công trình cũng có những ảnh hưởng tới mức độ xói mòn đất

Về mặt tiêu cực, việc phá rừng của con người đã gián tiếp đẩy mạnh quá trình xói mòn đất Canh tác trên đất dốc không khoa học, du canh du cư cũng là những tác nhân

gây gia tăng xói mòn đất

1.2.4 Các phương pháp đánh giá xói mòn

Hiện nay việc đánh giá xói mòn đất có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp phân loại phân vùng lãnh thổ theo mức độ xói mòn,

phương pháp đánh giá xói mòn dùng đồng vị 137Cs, phương pháp mô hình hóa…

Trong những thập niên gần đây phương pháp mô hình hóa được ứng dụng nhiều cho việc đánh giá xói mòn đất… Thông qua mô hình ta có thể diễn tả quá trình xói mòn đất, tính toán, dự báo lượng đất xói mòn, từ đó đánh giá được tiềm năng và thực trạng xói mòn Phương pháp này đã phần nào lượng hóa được vai trò của các yếu tố ảnh hưởng đến xói mòn Những mô hình tính toán xói mòn được sử dụng nhiều trên thế giới có thể kể đến như mô hình dự báo xói mòn do nước WEPP (Lane và Nearing, 1989) Mô hình xói mòn Châu Âu EUROSEM (Morgan và cộng sự, 1998); Chương trình dự báo xói mòn theo quá trình (Schramm, 1994), Mô hình SEIM (Soil Erosion Index Model), mô hình ESLE (Emprical Soil Loss Equation), mô hình USLE (Universal Soil Loss Erosion), mô hình MUSLE (Modified Univesal Soil Loss

Equation )… Chi tiết một số mô hình như sau:

a Mô hình WEPP

WEPP (Water Erosion Prediction Project) là một mô hình toán vật lý, nhằm mục đích phát triển một kỹ thuật dự báo xói mòn mới, được xây dựng trên cơ sở phối hợp giữa Cơ quan bảo vệ đất (USDA), Sở Lâm Nghiệp (USDA), Cục quản lý đất (Viện kỹ thuật Hoa Kỳ) và một số cơ quan khác Mô hình WEPP trình bày kỹ thuật dự báo dựa

trên quy tắc cơ bản về các quá trình thủy văn và xói mòn cơ học, nó cho phép đánh giá theo không gian và thời gian của quá trình bồi và xói mòn bề mặt Mô hình WEPP có

thể ứng dụng cho một lưu vực hay một sườn dốc Chi tiết như sau:

Trong đó:

- Di: Lượng trầm tích từ quá trình xói mòn (kg/m2/s)

- Ki: Tính xói mòn của mảng (kg/m3/s)

- Ie: Tác động của cường độ mưa (m/s)

- Ge: Nhân tố điều chỉnh lớp phủ

- Sf = 1,05 – 0,85 exp (- 4 Sin): Nhân tố điều chỉnh độ dốc

b Mô hình USLE

Mô hình USLE (Wischmeier and Smith, 1960) là mô hình được sử dụng rộng rãi trong việc tính toán xói mòn cho đất trồng trên sườn dốc Trong mô hình, lượng đất xói mòn hàng năm được tính toán dựa trên cơ sở đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố: mưa, khả năng kháng xói mòn của đất, chiều dài sườn dốc và độ dốc sườn cũng như thông số về lớp phủ thực vật và phương pháp canh tác đất Việc xác lập, định lượng các yếu tố xói mòn trong mô hình hết sức quan trọng, bởi qua các yếu tố này mô hình

sẽ ước lượng được tiềm năng và hiện trạng xói mòn Nếu một trong các yếu tố của mô hình thay đổi thì sẽ làm thay đổi kết quả của mô hình Đây là một mô hình đơn giản,

kết quả khá chính xác, đã được sử dụng rộng rãi

Mô hình USLE được thể hiện thông qua phương trình:

A = R * K * LS * C * P (1.2) Trong đó:

- A: Lượng mất đất trung bình trên một đơn vị diện tích trong năm (tấn/ha năm)

- R: Hệ số mưa/chảy tràn, là hệ số đánh giá năng lượng mưa và dòng chảy tràn

(MJ mm h-1ha-1y-1)

- K: Hệ số xói mòn đất của đất (ha-1MJ-1mm-1)

- LS: Hệ số chiều dài sườn và độ dốc, là tỉ lệ mất đất của sườn và độ dốc thực tế

so với sườn dài 22,1 m (72,6 feet) và nghiêng đều với độ dốc 9% (~50)

Lượng mất đất, xói mòn tại trong khu vực nghiên cứu được tính toán dựa trên công thức Modified Univesal Soil Los Equation (MULSE) (Williams, 1975) Chi tiết

như sau:

Trong đó:

- Sed: khối lượng phù sa (tấn)

- Qsurf: Thể tích dòng chảy mặt (mm/ha)

- areaHRU: diện tích HRU (ha)

- K: hệ số kháng xói của đất

- C: Hệ số lớp thảm thực vật

- P: Hệ số canh tác đất

- LS: Hệ số chiều dài sườn và độ dốc, là tỉ lệ mất đất của sườn và độ dốc thực tế

so với sườn dài 22,1 m (72,6 feet) và nghiêng đều với độ dốc 9% (∼50)

Sed = 11, x (Qsurf x qpeak x areaHRU)0,56 x K x C x P x LS x CFRG (1.3)

2

Sed = 11, x (Qsurf x qpeak x areaHRU) 0,56 x K x C x P x LS x CFRG

- CFRG: Hệ số thô cứng của đất

Mô hình MUSLE sẽ đưa đến một số lợi ích như: do sử dụng kết hợp lưu lượng dòng chảy để tính toán nên độ chính xác của tính toán lượng phù sa, mất đất tốt hơn, có thể tính toán lượng đất xói mòn trong mỗi trận mưa, theo các bước thời gian ngắn và có thể đo đạc, kiểm nghiệm thực tế dễ hơn so với mô mình USLE Do đó trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng mô hình MUSLE được để tính toán quá trình xói mòn tại lưu vực sông Srêpôk

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về các vấn đề liên quan đến xói mòn đất sử dụng mô hình SWAT

Nghiên cứu “Tính toán dòng chảy mặt và xói mìn đất sử dụng mô hình SWAT tại lưu vực Keleta, Ethopia” của D.Tibebe và cộng sự (2011) đã thực hiện hiệu chỉnh

và kiểm định mô hình với bước thời gian tháng, kết quả cho thấy việc tính toán dòng chảy mặt và xói mòn mòn đất có độ chính xác cao Dòng chảy mặt được mô phỏng tương quan tốt với dữ liệu quan trắc (R = 0.831, NSE = 0.789) Các dòng chảy mặt sinh ra nói chung khá cao tại những vùng lưu vực đặc trưng bởi đất sét nặng có tính thấm nước thấp, đất nông nghiệp và gradient độ dốc trên 25% Tỉ lệ tổn thất đất được ước tính từ việc so sánh với những gì quan sát được và kết quả của các nghiên cứu trước đó Tổn thất đất dài hạn trung bình ước tính khỏang 43 tấn/ha/năm; hầu hết diện tích của lưu vực (80%) được dự báo là có nguy cơ xói mòn thấp hoặc vừa phải (<8 tấn/ha/năm), chỉ 12% lưu vực được ước tính xói mòn vướt quá 12 tấn/ha/năm Dự kiến, tổn thất đất được ước tính có liên quan đến lượng mưa được đo và dòng chảy mặt được

mô phỏng Dựa trên tỉ lệ tổn thất đất được ước tính, lưu vực được chia thành 4 cấp độ xói mòn (<4 tấn/ha/năm, 4-8 tấn/ha/năm, 8-12 tấn/ha/năm, >12 tấn/ha/năm) Nghiên cứu cho thấy răng mô hình SWAT là một công cụ hữu ích trong việc đánh giá xói mòn

từ đầu nguồn và tạo điều kiện cho việc xây dựng kế hoạch quản lý lưu vực bền vững ở

Ethopia

Nghiên cứu “Tác động của biến đổi khí hậu đến lượng trầm tích lưu vực sông

Mê Kông: trường hợp nghiên cứu ở lưu vực Nam Ou, Lào” của B Shrestha và cộng sự (2013) sử dụng mô hình SWAT để đánh giá sự thay đổi dòng trầm tích trong tương lai

do sự biến đổi khí hậu Kết quả cho thấy có sự chênh lệch nhiệt độ theo mùa lên đến 3oC và mưa theo mùa thay đổi 27% (giảm) đến 41% (tăng) Sự thay đổi lớn nhất về nhiệt độ được nhìn thấy vào mùa khô và sự thay đổi lớn nhất về lượng mưa quan sát được vào mùa mưa Nhìn chung, nhiệt độ có xư hướng tăng nhưng sự thay đổi về lượng mưa thì không theo một chiều hướng nhất định và phụ thuộc vào kịch bản phát thải khí hiệu ứng nhà kính (GHGES), mô hình khí hậu, giai đoạn và mùa dự đoán Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi lưu lượng dòng chảy hàng năm dao động từ giảm 17% đến tăng 66% trong tương lai và dẫn đến sự thay đổi lượng phù sa hằng năm dao động từ giảm 27% đến tăng khoảng 160% Sự thay đổi lưu lượng cũng như trầm tích trong năm (hàng tháng) thậm chí còn lớn hơn (-66 đến 105% đối với lưu lượng và -88 đến 243% đối với trầm tích) Mặc dù sự biến đổi tương đối cao nhất xảy ra trong những tháng khô nhưng dự kiến thì các dòng trầm tích, lưu lượng sẽ cao hơn trong suốt

mùa mưa

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, SWAT bắt đầu du nhập từ năm 1998 Ngay từ thời điểm đó, mô hình SWAT đã nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Từ những nghiên cứu nhỏ lẻ, rải rác ở một số khu vực của Việt Nam, đến nay mô hình SWAT đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quản lý lưu vực sông trên cả 3 miền: Bắc, Trung, Nam với những quy mô, mức độ khác nhau

Nghiên cứu “Kết quả ứng dụng mô hình SWAT trong tính toán xói bề mặt lưu vực hạ lưu sông Mê Kông” của Lê Mạnh Hùng và cộng sự (2012) đã trình bày kết quả ứng dụng mô hình SWAT trong tính toán xói mòn lưu vực Mê Kông, từ đó ước tính tải lượng bùn cát về Kratie, đầu nguồn của vùng đồng bằng châu thổ Kết quả tính toán cho thấy SWAT dự báo dòng chảy trên sông Mê Kông với độchính xác khá tốt (chỉ số NSE nằm trong khoảng 0.67 ÷ 0.86, chỉ số PBIAS khoảng 11.96 ÷ 22.55) Kết quả

cũng cho thấy SWAT có khả năng ước tính tải lượng bùn cát trên lưu vực với độ tin cậy chấp nhận được Trên phần hạlưu vực Mekong, vùng có suất bùn cát lớn nhất là vùng từ Luang Prabang cho đến Mudkahan với suất bùn cát trung bình khoảng 289,000 tấn/ngày Đây là vùng có địa hình dốc, lượng mưa trung bình hàng năm lớn Tải lượng bùn cát trung bình năm tính toán tại Kratie trong giai đoạn 2007-2011 là khoảng 162

triệu tấn/năm

Nghiên cứu “Quản lý tài nguyên lưu vực: mô phỏng nguy cơ xói mòn đất bằng công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) ở lưu vực sông Tả Trạch, miền Trung Việt Nam” của Nguyễn Bích Ngọc và cộng sự (2014) thực hiện mô phỏng xói mòn đất tại lưu vực sông Tả Trạch, tỉnh Thừa Thiên Huế từ năm 2005 đến năm 2010 Kết quả cho thấy lượng bối lắng tại lưu vực chiếm tỉ lệ cao, trong khoảng thời gian nghiên cứu trung bình lượng bối lắng mỗi năm là 41,6 tấn/ha, mức độ xói mòn phân cấp thành 5 cấp xói mòn Trong đó mức độ xói mòn ít nguy hại chiếm tỉ lệ cao hơn 55% diện tích lưu vực, chủ yếu phân bố ở những khu vực có địa hình cao, độ dốc lớn Diện tích xói mòn nguy hại chiếm tỉ lệ thấp hơn 22,63% diện tích toàn lưu vực nhưng đây cũng là một dấu hiệu báo động cho mức độ thoái hóa đất diễn ra ở lưu vực trong tương lai nếu

mức độ xói mòn tăng lên

Nghiên cứu “Mô phỏng xói mòn đất trong lưu vực núi nhỏ ở miền Trung Việt Nam sử dụng GIS và mô hình SWAT” của Trần Thị Phương và cộng sự (2014) đã thực hiện mô phỏng xói mòn tại thượng nguồn sông Bồ Kết quả nghiên cứu này cho thấy lượng xói mòn lớn nhất là 92,33 tấn/ha vào năm 2007, tiếp theo là năm 2010 (85,41 tấn/ha) và năm 2005 (76,79 tấn/ha) Tổn thất đất trung bình trong giai đoạn từ năm 2000-2010 là 65,2 tấn/ha Ngoài ra, nghiên cứu này còn chỉ ra rằng mức độ xói mòn nghiêm trọng vẫn chiếm tỉ lệ cao trong năm 2000 và 2010, trên 30% và có xu hướng tăng lên ở phía Bắc và Tây Nam của lưu vực Mất đất xảy ra chủ yếu ở những vùng đất nông nghiệp khô với độ dốc trên 250 đối với đất xám (Ferralic Acrisols); trong khi đó ở khu vực có độ dốc 80-150 gồm đất hỗn hợp đất rừng và đất xám thì lượng mất đất thấp Trường hợp nghiên cứu này đã cung cấp một ví dụ về việc sử dụng

GIS và mô hình SWAT có thể mô phỏng tốt trong trường hợp bị giới hạn dữ liệu khí tượng đầu vào

1.3.3 Các nghiên cứu tại lưu vực Srêpôk

Nghiên cứu “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Srêpôk-tỉnh Đăk Lăk” của Nguyễn Kim Lợi và cộng sự (2011): Nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng chất lượng nước lưu vực sông Srêpôk, đoạn chảy qua TP Buôn Ma Thuột trong khoảng thời gian hai năm 2004 và 2005 Dựa trên kết quả mô phỏng trong SWAT, 5 thông số chất lượng nước bao gồm oxi hòa tan DO, amoni NH4+ , nitrit NO2-, nitrat NO3- , phosphat PO43- được xem xét, đánh giá cho 5 dòng sông là 17, 18, 56, 57

và 58 Kết quả cho thấy, phân hạng chung chất lượng nước cho 5 dòng sông này đều ởmức kém và rất kém trong hầu hết các tháng trong năm, chất lượng nước chỉ phù hợp với mục đích sử dụng giao thông thủy hoặc các mục đích khác có yêu cầu chất lượng nước thấp

Nghiên cứu “Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên sự thay đổi dòng chảy

ở lưu vực Srêpôk” của TS.Đào Nguyên Khôi (2012) xem xét đến ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lên sự thay đổi dòng chảy trên lưu vực sông Srêpôk Các kịch bản biến đổi khí hậu được xây dựng bằng phương pháp chi tiết hóa thống kê (phương pháp thay đổi giá trị delta) dựa vào kết quả mô phỏng của mô hình toàn cầu MIROC 3.2 Hires Mô hình SWAT được sử dụng để xem xét sự thay đổi của lưu lượng dòng chảy trong tương lai so với hiện tại Kết quả hiệu chỉnh (1981-1990) và kiểm định (1991-2000)

mô hình được tiến hành tại các trạm thủy văn chính của lưu vực (các trạm Đức Xuyên, Cầu 14, và Bản Đôn) chỉ ra rằng mô hình SWAT có thể mô phỏng tốt dòng chảy trong lưu vực sông Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự tăng nhiệt độ năm khoảng từ 1.3 đến 3.9°C và sự giảm lượng mưa năm từ 0.5 đến 4.4% dẫn đến sự giảm lưu lượng dòng chảy năm khoảng 2.8 đến 7.6% Sự giảm mạnh lưu lượng dòng chảy được quan sát

diễn ra trong mùa khô

Sau quá trình xem xét khả năng, thời gian, ưu nhược điểm nghiên cứu lựa chọn

đi sâu tìm hiểu mô hình SWAT và khả năng ứng dụng của nó Đây là mô hình có

nguồn mở, có nhiều tính năng và các công cụ đi kèm như SWAT Plot, MWSSWAT, SWATCUP giúp tính toán và đánh giá mô hình nhanh chóng hơn…hiệu quả của mô hình này đã được ứng dụng nhiều trong nghiên cứu về trầm tích và xói mòn

1.4 Tổng quan về khu vực nghiên cứu

1.3.1 Đặc điểm tự nhiên

a Vị trí địa lý

Lưu vực sông Srêpôk nằm ở phía Tây của dãy núi Trường Sơn, thuộc khu vực Tây Nguyên của Việt nam Tổng diện tích lưu vực chảy qua lãnh thổ Việt Nam là 12.000 km2 với tổng số dân khoảng 1.7 triệu người (2006)

Hình 1 5: Bản đồ vị trí lưu vực Srêpôk

Lưu vực sông Srêpôk trải dài trên địa bàn hai tỉnh Đăk Lăk và Đăk Nông, nằm ở

khoảng 11°45’ – 13°15’ vĩ độ Bắc và 107°15’ – 109° kinh độ Đông (xem Hình 1.5)

Sông Srêpôk được hình thành từ hai nhánh sông chính là sông Krông Nô và sông Krông Ana Sông Srêpôk là hợp lưu của hai sông chính, đó là sông Krông Knô và sông Krông Ana Sông Krông Knô bắt nguồn từ dãy núi cao trên 2.000 m Sông Krông Ana là hợp lưu của ba sông chính: Krông Buk, Krông Pach và Krông Bông Sông Krông Knô và sông Krông Ana gặp nhau tại thác Buôn Dray Sap tạo thành dòng chính

Srêpôk

b Địa hình

Lưu vực Srêpôk nằm phía Tây dãy Trường Sơn Địa hình lưu vực khá phức tạp, dốc đứng về phía đông (độ cao trên 2.400m so với mực nước biển) và thoải dần sang tây ở độ cao 140m Địa hình của lưu vực có độ cao trung bình vào khoảng 400-500m, gồm những mặt bằng rộng rãi, đôi chỗ hơi lượn sóng, bị chia cắt bởi những thung lũng

hình chữ V

Địa hình của lưu vực này còn trẻ, chưa bị xâm thực bao nhiêu nhưng nếu không

có biện pháp bảo vệ đất chống xói mòn hợp lý thì lượng đất và lượng dinh dưỡng mất

hàng năm sẽ ảnh hưởng tới việc sản xuất trên lưu vực

c Thổ nhưỡng

Trên bề mặt lưu vực được phủ một tầng đất nâu đỏ núi lửa dày, nhưng đỉnh ở phía Tây và ven nón núi lửa đã tắt vẫn lộ ra những dòng dung nham trẻ, có những tảng

Bazan chưa kịp bị phong hóa nằm trồi cả trên mặt

Trong lưu vực này, có hai loại đất chính là đất xám và đất bazan nâu đỏ Các loại đất này rất màu mỡ, phù hợp cho phát triển nông nghiệp Do đó, nông nghiệp cũng

là hoạt động kinh tế chính của lưu vực

Bảng 1 1: Phân loại tài nguyên đất lưu vực Srêpôk (Ngô Đình Tuấn, 2003)

Nhóm đất Diện tích Đặc điểm -Phân loại Phân bố

và các thung lũng hẹp ngập nước

núi lửa cũ, vùng rìa các khối bazan và các vùng thung

Là loại đất chua mạnh, hoạt tính

thấp thường chia ra:

- Đất xám bạc màu trên phù

sa cổ, trên macma axits và

đá cát

- Đất đỏ vàng phát triển trên đất sét và biến chất (Fs), trên granit (Fa), trên đá cát

Cao nguyên Buôn

Mê Thuột, Đăk

Nông, Đăk Mil

mùn và các chất dinh dưỡng khác

Tăng lên ở những vùng có lượng mưa

phong phú

d Thảm phủ thực vật

Do điều kiện thổ nhưỡng rất thuận lợi cho cây cối phát triển nên rừng của lưu vực nổi tiếng là giàu có Độ che phủ của rừng là 61,69% (1993) Rừng ở đây thường thuộc kiểu rừng xanh nhiệt đới ẩm nhiều tầng, nhiều loài.Tầng cây chính có thân cao

và thẳng, có thể cao tới 20 - 25m Tầng dưới rừng chằng chịt những dây leo, luôn ẩm

ướt

Những rừng cây gỗ quý thường có nhiều ở Tây Đăk Lăk gồm những gỗ có vân đẹp (như trắc, cẩm lai, mun, giáng hương), những gỗ không mối không mọt (sáo, kền kền, lim, táu…), những gỗ có thể lạng khoang (kiền vàng, vạng, tùng, gối) (Ngô Đình

khoảng 15 triệu USD

Trình độ công nghiệp hóa, đô thị hóa có vai trò đáng kể trong việc giảm mức sinh, môi trường công nghiệp hóa và đô thị hóa luôn đòi hỏi lao động có chất lượng và trình độ kĩ thuật cao Đắk Lắk là tỉnh có thế mạnh về nông, lâm nghiệp, nên trong suốt giai đoạn 2010 – 2014, tỉ trọng ngành công nghiệp tăng 3,8 % không đáng kể Quá