Phân tích ảnh hưởng của biến động sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông la vĩ, tỉnh bình định

Từ những thay đổi của các loại hình sử dụng đất trên lưu vực này đã làm thay đổi lưu lượng dòng chảy trong giai đoạn 2005-2010.. Kết quả nghiên cứu đã chứng minh việc tích hợp GIS và mô

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY TẠI LƯU VỰC SÔNG LA VĨ

TỈNH BÌNH ĐỊNH GIAI ĐOẠN 2005 - 2010

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THÀNH NGHĨA

Ngành: Hệ thống Thông tin Địa lý Niên khóa: 2013 – 2017

Tháng 7/2017

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY TẠI LƯU VỰC SÔNG LA VĨ TỈNH BÌNH ĐỊNH

Giáo viên hướng dẫn:

KS Nguyễn Duy Liêm

Tháng 6 năm 2017

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này và có kiến thức như ngày hôm nay, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu cùng toàn thể Thầy, Cô khoa Môi trường và Tài nguyên trường Đại học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô, các anh chị trong bộ môn Hệ Thống Thông Tin Địa Lý đã hướng dẫn em hoàn thành báo cáo này Đặc biệt, xin cảm ơn ThS Nguyễn Duy Liêm đã tận tình trao đổi các kiến thức, kinh nghiệm, động viên cũng như chia sẻ tài liệu, dữ liệu quý báo cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng như hoàn thành đề tài này

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến PGS TS Nguyễn Kim Lợi, ThS Võ Ngọc Quỳnh Trâm cùng tất cả quý Thầy, Cô trong Bộ môn GIS đã hỗ trợ tôi rất nhiều để hoàn thành bài báo cáo này

Tuy đã hoàn thành tốt đề tài nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai sót nhất định trong quá trình nghiên cứu, rất mong được sự thông cảm và chia sẻ quý báu của quý Thầy

Số điện thoại: 01255223884 Email: 13162055@st.hcmuaf.edu.vn

ii

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu “Phân tích biến đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông La Vĩ tỉnh Bình Định” đã được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2/2017 đến tháng 6/2017

Phương pháp tiếp cận chủ yếu của đề tài là ứng dụng GIS, mô hình SWAT đã tiến hành phân tích, mô phỏng diễn biến dòng chảy theo hai kịch bản sử dụng đất 2005 và 2010 trên lưu vực Kết quả đưa ra được diện tích thay đổi của từng loại hình sử dụng đất tương ứng điển hình như diện tích đất nông nghiệp được giữ lại khoảng 62,09%; diện tích đất ở được giữ lại 78,57%; diện tích đất lâm nghiệp; đất chuyên dùng; mặt nước được giữ lại rất lớn đều trên 91% tổng số diện tích Diện tích các loại hình như đất chưa sử dụng; đất sản xuất nông nghiệp; đất chuyên dùng biến động tương đối và đều lớn hơn 44% so với tổng diện tích của từng loại hình Từ những thay đổi của các loại hình sử dụng đất trên lưu vực này đã làm thay đổi lưu lượng dòng chảy trong giai đoạn 2005-2010 Các thành phần dòng chảy có giá trị cao ở năm 2005 và năm 2007, 2010, giá trị thấp ở năm 2006 Cụ thể khi đánh giá theo năm, cho thấy giá trị trung bình nhiều năm của thành phần dòng chảy thay đổi như sau: dòng chảy mặt (SUR_Q) giảm khoảng 18%; dòng chảy ngầm (GW_Q) tăng khoảng 7%; dòng chảy trễ (LAT_Q) tăng khoảng 13%, dòng chảy trong kênh (WYLD_Q) giảm khoảng 0,38% Khi xét đến lưu lượng dòng chảy, ở kịch bản 2005 giá trị lớn hơn kịch bản 2010 có giá trị cao trong năm 2005, 2007 và 2010 Ngoài ra nghiên cứu đã cho thấy sự khác biệt của các thành phần dòng chảy và lưu lượng dòng chảy giữa 2 mùa mưa và mùa khô

Kết quả nghiên cứu đã chứng minh việc tích hợp GIS và mô hình SWAT trong đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông La Vĩ, tỉnh Bình Định là phù hợp Nhờ đó, hỗ trợ hữu hiệu cho công tác quản lý, quy hoạch sử dụng đất trên phạm vi lưu vực sông, đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội; bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên một cách bền vững

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH 1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 3

1.1 Tính c ấp thiết của đề tài 3

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.2.1 Mục tiêu chung 4

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 4

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 4

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

2.1 Các khái niệm về dòng chảy 5

2.1.1 Lưu lượng dòng chảy 5

2.1.2 Tổng lượng dòng chảy 5

2.1.3 Độ sâu dòng chảy 5

2.1.4 Module dòng chảy 6

2.1.5 Hệ số dòng chảy 6

2.2 Tổng quan về biến động sử dụng đất 6

2.2.1 Sử dụng đất 6

2.2.2 Biến động sử dụng đất 6

iv

2.3 Giới thiệu về mô hình SWAT 7

2.3.1 Tổng quan 7

2.3.2 Lịch sử phát triển 7

2.3.3 Nguyên lý mô hình 9

2.3.4 Thuật toán mô phỏng dòng chảy 12

2.3.5 Cấu trúc dữ liệu của mô hình SWAT 17

2.4 Đặc điểm lưu vực sông La Vĩ 23

2.4.1 Đặc điểm tự nhiên 23

2.4.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội 29

2.5 Tình hình nghiên cứu liên quan đến vấn đề nghiên cứu 31

2.5.1 Ngoài nước 31

2.5.2 Trong nước 32

CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

3.1 Phương pháp nghiên c ứu 34

3.2 Thu thập, xử lý dữ liệu đầu vào 35

3.2.1 Mô hình độ cao số (DEM) 35

3.2.2 Thổ nhưỡng 36

3.2.3 Sử dụng đất 37

3.2.4 Khí tượng 44

3.3 Phương pháp xác định biến động sử dụng đất 46

3.4 Phương pháp xác định sự thay đổi lưu lượng dòng chảy 46

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ, THẢO LUẬN 51

4.1 Tình hình biến động sử dụng đ ất giai đoạn 2005-2010 51

4.2 Ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến dòng chảy lưu vực sông La Vĩ 60

4.2.1 Sự thay đổi thành phần dòng chảy trên từng tiểu lưu vực 60

4.2.2 Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy 75

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 80

v

5.1 Kết luận 80

5.2 Kiến nghị 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 87

vi

DANH MỤC VIẾT TẮT

DEM(s) Digital Elevation Model (Mô hình độ cao số)

FAO Tổ chức nông lương thế giới (Food and Agriculture Organization) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) HRU(s) Đơn vị thủy văn (Hydrologic Reponse Units)

SWAT Mô hình đánh giá đất và nước (Soil anh Water Asessment Tool)

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu vào của SWAT 17

Bảng 2.2 Ý nghĩa các thông số trong bảng CropRng 19

Bảng 2.3 Ý nghĩa các thông số trong bảng UrbanRng 20

Bảng 2.4 Thông số đầu vào của dữ liệu thổ nhưỡng trong SWAT 21

Bảng 2.5 Các thông số đầu vào của dữ liệu thời tiết tổng quát 22

Bảng 2.6 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu ra của SWAT 22

Bảng 2.7 Thố ng kê diện tích cây trồng nông nghiệp năm 2014 (ha) 30

Bảng 2.8 Hiện trạng sử dụng đất c ủa các xã, thị trấn nằm trên lưu vực (ha) 30

Bảng 3.1 Diện tích c ủa các loại thổ nhưỡng lưu vực sông La Vĩ 37

Bảng 3.2 Chuyển đổi mã loại hình sử dụng đ ất theo SWAT năm 2005 và năm 2010 38

Bảng 3.3 Diện tích đ ất phân chia theo SWAT tại lưu vực La Vĩ năm 2005 và 2010 41

Bảng 3.4 Thông tin trạm đo phục vụ khu vực nghiên cứu 45

Bảng 4.1 Ma trận diện tích chuyển đổi loại hình sử dụng đất giai đoạn 2005-2010 lưu vực sông La Vĩ 52

Bảng 4.2 Mức độ thay đổi các loại hình sử dụng đất trên lưu vực La Vĩ trong giai đoạn 2005-2010 53

Bảng 4.3 Ma trận tỉ lệ phần trăm của sự biến động giữa các loại hình sử dụng đất ở lưu vực La Vĩ 54

Bảng 4.4 Giá trị trung bình từng thành phần dòng chảy theo năm c ủa 2 kịch bản 62

Bảng 4.5 Giá trị trung bình từng thành phần dòng chảy theo tháng của 2 kịch bản 68

Bảng 4.6 Giá trị trung bình năm lưu lượng dòng chảy tại cửa xả của 2 kịch bản 75

Bảng 4.7 Giá trị trung bình lưu lượng tại cửa xả của 2 kịch bản theo tháng (m 3/s) 78

1

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT 9

Hình 2.2 Mô hình hóa chu trình thủy văn trong pha đất (Phỏng theo Susan L Neitsch et al., 2009) 10

Hình 2.3 Các quá trình trong dòng chảy được mô phỏng bởi SWAT 11

Hình 2.4 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực 12

Hình 2.5 Mô phỏng dòng chảy mặt 13

Hình 2.6 Mối liên hệ giữa dòng chảy với mưa trong phương pháp đường cong số SCS (S.L Neitsch et al., 2005) 14

Hình 2.7 Mô phỏng lớp đất sườn dốc 15

Hình 2.8 Vị trí địa lý lưu vực sông La Vĩ 24

Hình 2.9 Bản đồ địa hình lưu vực La Vĩ 25

Hình 2.10 Lượng mưa trung bình năm giai đoạn 2000 - 2015 26

Hình 2.11 Lượng mưa trung bình tháng giai đoạn 2000- 2015 27

Hình 2.12 Nhiệt độ không khí trung bình tháng giai đoạn 2000- 2015 27

Hình 3.1 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu 34

Hình 3.2 Bản đồ địa hình lưu vực sông La Vĩ 35

Hình 3.3 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông La Vĩ 36

Hình 3.4 Kết quả phân chia thổ nhưỡng trong SWAT 37

Hình 3.5 Bản đồ sử dụng đ ất năm 2005 tại lưu vực La Vĩ 41

Hình 3.6 Kết quả phân chia các lo ại hình sử dụng đ ất năm 2005 trong SWAT 42

Hình 3.7 Bản đồ sử dụng đ ất lưu vực La Vĩ năm 2010 43

Hình 3.8 Kết quả phân chia các lo ại hình sử dụng đ ất năm 2010 trong SWAT 44

Hình 3.9 Bản đồ trạm khí tượng Quy Nhơn và trạm Phù Cát 45

Hình 3.10 Bản đồ phân định lưu vực sông La Vĩ 47

Hình 3.11 Kết quả phân chia lớp độ dốc trong SWAT 48

Hình 3.12 Nhập dữ liệu thời tiết 49

2

Hình 3.13 Tạo tập tin đ ầu vào 49

Hình 3.14 Thiết lập thông số chạy mô hình SWAT 50

Hình 3.15 Đọc kết quả đầu ra 50

Hình 4.1 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất SXN 55

Hình 4.2 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất LNP 56

Hình 4.3 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất OTC 57

Hình 4.4 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất CDG 58

Hình 4.5 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất SMN 59

Hình 4.6 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất CDS 60

Hình 4.7 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần SUR_Q giữa hai kịch bản 63

Hình 4.8 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần WYLD giữa hai kịch bản 64

Hình 4.9 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần LAT_Q giữa hai kịch bản 65

Hình 4.10 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần GW_Q giữa hai kịch bản 66

Hình 4.11 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của SUR_Q đánh giá theo mùa mưa 69

Hình 4.12 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của GW_Q đánh giá theo mùa mưa 71

Hình 4.13 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của GW_Q đánh giá theo mùa khô 72

Hình 4.14 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của LAT_Q đánh giá theo mùa mưa 73

Hình 4.15 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của LAT_Q đánh giá theo mùa khô 73

Hình 4.16 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của WYLD đánh giá theo mùa mưa 74

Hình 4.17 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của WYLD đánh giá theo mùa khô 75

Hình 4.18 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch lưu lượng dòng chảy theo năm giữa hai kịch bản 76

Hình 4.19 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của lưu lượng dòng chảy đánh giá theo tháng 79

3

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng làm biến đổi dòng chảy, ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông là do tác động của con người thông qua hoạt động sử dụng đất (Nguyễn Thị Hồng, 2014) Trong giai đoạn hiện nay, vấn đề cấp bách cần đặt ra là cần thiết phải tiến hành những nghiên cứu đánh giá một cách định lượng, mang tính chính xác cao, song phải cụ thể và chi tiết mức độ ảnh hưởng của hoạt động khai thác, sử dụng tài nguyên đất đai đến tài nguyên nước trên lưu vực La Vĩ ở thời điểm hiện tại cũng như định hướng quy hoạch trong tương lai Nhờ đó, tạo cơ sở khoa học quan trọng

hỗ trợ cho công tác, quản lý, quy hoạch sử dụng đất trên lưu vực một cách có hiệu quả nhất Lưu vực sông La Vĩ là thuộc trên địa phận các xã Cát Tân, Cát Trinh, Cát Hiệp và thị

xã Ngô Mây thuộc huyện Phù Cát và xã Bình Thuận thuộc huyện Tây Sơn của tỉnh Bình Định với diện tích là 10.369,48 ha Trong giai đoạn 2005 – 2010, tình hình thay đổi sử dụng đất trên lưu vực sông La Vĩ sự chuyển biến khá mạnh mẽ Điển hình phải kể đến đất sản xuất nông nghiệp, đất lâm nghiệp, đất chuyên dùng với diện tích đất chuyên dùng tăng từ 652,82 ha lên 1.005,02 ha; đất lâm nghiệp tăng 834,91 ha lên 2.530,6 ha Bên cạnh đó đất nông nghiệp giảm từ 5.530,19 ha xuống 4.145,76 ha; đất chưa sử dụng giảm từ 500,09 ha xuống 228 ha

Chính vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá các yếu tố tác động đến các nguồn tài nguyên thiên nhiên trên lưu vực sông là hết sức cần thiết và cấp bách Trên thế giới đã có nhiều cách tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu đánh giá biến động sử dụng đất tại các lưu vực sông, trong đó nổi bật như nghiên cứu của tác giả Ghaffari G và cộng sự (2010) đã thực hiện đánh giá ảnh hưởng dòng chảy dưới tác động của thay đổi sử dụng đất ở lưu vực Zanjanrood, Iran hay nghiên cứu của tác giả Nguyễn Ý Như và Nguyễn Thanh Sơn (2009) tại lưu vực sông Bến Hải, nghiên cứu của Nguyễn Quang Bảo (2013), tại lưu vực sông Thạch Hãn nghiên cứu tại lưu vực sông Đắk Bla của Nguyễn Thị Ấu và cộng sự (2013) Trong đó, mô hình đánh giá đất và nước SWAT (Soil and Water Assessment Tool), mô hình mô phỏng tài nguyên nước lưu vực sông là một trong số những mô hình đang được

4

ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực SWAT là mô hình ở cấp độ lưu vực sông có khả năng tích hợp với GIS, nhờ đó nâng cao độ chính xác của kết quả từ việc mô phỏng dòng chảy, quá trình vật lý trên lưu vực Đồng thời, mô hình SWAT còn được xây dựng để đánh giá tác động của việc sử dụng đất, đến dòng chảy trên một hệ thống lưu vực sông Từ những

ưu điểm đó, sau khi cân nhắc nghiên cứu, đã lựa chọn sử dụng mô hình SWAT để thực hiện mục tiêu của đề tài

Xuất phát từ các lý do trên, đề tài “Phân tích biến đổi sử dụng đất đến lưu lượng

dòng chảy tại lưu vực sông La Vĩ tỉnh Bình Định” đã được thực hiện.

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Mục tiêu chung của nghiên cứu là phân tích thay đổi dòng chảy dưới tác động của biến động sử dụng đất trên lưu vực sông La Vĩ

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

 Phân tích biến động sử dụng đất giai đoạn 2005 - 2010 trên lưu vực sông La Vĩ;

 Mô phỏng diễn biến dòng chảy theo hai kịch bản sử dụng đất 2005 và 2010 trên lưu vực bằng mô hình SWAT;

 So sánh dòng chảy giữa hai kịch bản sử dụng đất 2005 và 2010 trên lưu vực

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là biến động của các loại hình sử dụng đất, lưu lượng dòng chảy

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong lưu vực sông La Vĩ nằm trên địa phận các

xã Cát Tân, Cát Trinh, Cát Hiệp và thị xã Ngô Mây thuộc huyện Phù Cát và xã Bình Thuận thuộc huyện Tây Sơn tỉnh Bình Định

5

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Các khái niệm về dòng chảy

2.1.1 Lưu lượng dòng chảy

Lưu lượng dòng chảy là lưu lượng dòng chảy chảy qua mặt cắt ngang sông trong một đơn vị thời gian (m3/s) Lưu lượng trên sông thay đổi theo thời gian Quá trình thay đổi lưu lượng hoặc mực nước theo thời gian tại một vị trí được gọi là quá trình lưu lượng hoặc quá trình mực nước Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đó gọi là đường quá trình lưu lượng Q(t) Lưu lượng bình quân trong khoảng thời gian T là giá trị trung bình của lưu lưu lượng dòng chảy trong khoảng thời gian đó, được xác định theo công thức sau:

𝐐̅ = 𝟏𝐓∫ 𝐐(𝐭)𝟎𝐓 hoặc 𝐐̅ =∑𝐧𝐢=𝟏𝐐𝐢

𝐧 (2.1) Trong đó : Q̅ giá trị bình quân của lưu lượng, n là số thời đoạn tính toán, là lưu lượng bình quân tại mỗi thời đoạn thứ i bất kỳ

2.2 Tổng quan về biến động sử dụng đất

2.2.1 Sử dụng đất

Sử dụng đất là hoạt động của con người tác động vào đất đai theo một mục đích nào

đó nhằm đạt kết quả mong muốn trong quá trình sử dụng Sử dụng đất được thực hiện bởi con người bao gồm các hoạt động cải tiến môi trường tự nhiên hoặc những vùng hoang vu vào sản xuất như đồng ruộng, đồng cỏ hoặc xây dựng các khu dân cư Thực chất sử dụng đất là một hệ thống các biện pháp nhằm điều hòa mối quan hệ giữa con người với đất đai (FAO/UNEP, 1999)

2.2.2 Biến động sử dụng đất

Biến động sử dụng đất là sự thay đổi trạng thái tự nhiên của lớp phủ bề mặt đất gây

ra bởi hành động của con người, là một hiện tượng phổ biến liên quan đến tăng trưởng dân

số, phát triển thị trường, đổi mới công nghệ, kỹ thuật và sự thay đổi thể chế, chính sách

2.3 Giới thiệu về mô hình SWAT

2.3.1 Tổng quan

SWAT 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 quá trình thủy văn, 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

Mô hình SWRRB ra đời đầu thập niên 80 của thế kỉ XX với sự chỉnh sửa mô hình thủy văn lượng mưa hàng ngày của CREAMS, có sự bổ sung nhiều thành phần mới trong đó có mô hình con về phát triển cây trồng của EPIC Cuối thập niên này, mô hình SWRRB tiếp tục

bộ nhớ máy tính

Để khắc phục sự bất tiện này, SWRRB và ROTO được kết hợp thành một mô hình duy nhất là SWAT Mô hình SWAT giữ lại tất cả những thành phần của SWRRB, trong khi vẫn cho phép mô phỏng khu vực rộng lớn

Từ khi ra đời vào đầu thập niên 90 thế kỉ XX, SWAT luôn được nghiên cứu và mở rộng khả năng Từ khi ra đời SWAT đã được cải tiến qua các thế hệ phiên bản như: SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2, SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009

và mới nhất là SWAT2012

9

Hình 2.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT

( Phỏng theo phỏng theo Philip W Gassman etn al., 2009)

2.3.3 Nguyên lý mô hình

SWAT là mô hình được thiết kế để dự báo những ảnh hưởng lên nước, phù sa và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực không có mạng lưới quan trắc Mô hình dựa trên các quá trình vật lý, với sự hỗ trợ của máy tính và khả năng

mô phỏng liên tục trong khoảng thời gian dài Các thành phần chính của mô hình bao gồm thời tiết, thủy văn, tính chất và nhiệt độ của đất, sự phát triển cây trồng, dưỡng chất, thuốc trừ sâu, vi khuẩn và mầm bệnh và quản lý đất đai (Philip W Gassman, 2009)

Để sự mô phỏng trong SWAT rõ ràng nhất thì lưu vực được phân chia thành nhiều tiểu lưu vực và tiếp tục được chia thành các đơn vị thủy văn (HRUs) Thông tin đầu vào của mỗi tiểu lưu vực được tập hợp và phân loại thành những nhóm chính sau: khí hậu, HRUs, hồ, nước ngầm, sông chính và nhánh, đường phân thủy HRUs là các đơn vị đất đai trong tiểu lưu vực có sự đồng nhất về sử dụng đất, tính chất đất và thực hành quản lý (S.L Neitsch, J.G Arnold)

10

Mô hình thủy văn trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính (S.L Neitsch, J.G Arnold):

 Pha đất của chu trình thủy văn: kiểm soát lưu lượng dòng chảy, phù sa, dinh

dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính (hình 2.2)

Hình 2.2 Mô hình hóa chu trình thủy văn trong pha đất

(Phỏng theo Susan L Neitsch et al., 2009)

 Pha đất của chu trình thủy văn:

𝐒𝐖𝐭 = 𝐒𝐖𝟎 + ∑𝐭 (

𝐢=𝟏 𝐑𝐝𝐚𝐲 − 𝐐𝐒𝐮𝐫𝐟 − 𝐄𝐚 − 𝐖𝐬𝐞𝐞𝐩− 𝐐𝐠𝐰)(2 6)Trong đó:

SWt : lưu lượng dòng chảy trong đất tại thời điểm t (mm)

SW0 : lưu lượng dòng chảy trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm)

t : thời gian (ngày)

Rday : lưu lượng dòng chảy mưa trong ngày thứ i (mm)

Qsurf : lượng dòng chảy mặt trong ngày thứ i (mm)

11

Ea : lưu lượng dòng chảy bốc hơi trong ngày thứ i (mm)

Wseep : lưu lượng dòng chảy thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm)

Qgw : lưu lượng dòng chảy ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm)

 Pha nước của chu trình thủy văn: (Hình 2.3) kiểm soát quá trình di chuyển

của dòng nước, quá trình bồi lắng, v.v…diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa xả

Hình 2.3 Các quá trình trong dòng chảy được mô phỏng bởi SWAT

(Phỏng theo Susan L Neitsch et al., 2009) SWAT xác định quá trình di chuyển nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi của lưu vực bằng cách sử dụng cấu trúc lệnh (Williams and Hann,

1972 trích dẫn trong S.L Neitsch, J.G Arnold., 2009, p.20) Thêm vào đó, để thể hiện dòng

di chuyển của hóa chất, SWAT mô phỏng sự biến đổi của hóa chất trong kênh, rạch và sông chính và được thể hiện qua sơ đồ tại hình 2.4:

12

Hình 2.4 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực

(Phỏng theo Susan L Neitsch et al., 2009)

2.3.4 Thuật toán mô phỏng dòng chảy

a) Dòng chảy mặt

Dòng chảy mặt, hay dòng chảy tràn, dòng chảy trong kênh là dòng chảy xuất hiện trên

bề mặt lưu vực khi lưu lượng dòng chảy trên bề mặt đất vượt quá tỉ lệ thấm Khi nước chảy trên đất khô, tỉ lệ thấm thường cao Tuy nhiên, tỉ lệ này sẽ giảm khi đất trở nên ướt hơn Đến khi lưu lượng dòng chảy chảy tràn cao hơn tỉ lệ thấm, bề mặt đất dần trở nên bão hòa, dòng chảy mặt bắt đầu xuất hiện (xem hình 2.5)

13

SWAT cung cấp hai phương pháp ước lượng dòng chảy mặt là đường cong số SCS (Soil Conservation Service, 1972) và Green – Ampt (Green, W.H and G.A Ampt, 1911) Phương pháp đường cong số chỉ cần lượng mưa theo ngày, trong khi đó phương pháp Green – Ampt yêu cầu lượng mưa theo giờ

Phương trình dòng chảy SCS là một mô hình thực nghiệm được sử dụng phổ biến trong những năm 50 của thế kỉ XX Nó là sản phẩm của hơn 20 năm nghiên cứu mối liên

hệ mưa – dòng chảy tại các lưu vực nông thôn trên toàn nước Mỹ (Green, W.H and G.A Ampt, 1911)

𝐐𝐬𝐮𝐫𝐟 = 𝐑𝐝𝐚𝐲− 𝐈𝐚

𝐑𝐝𝐚𝐲− 𝐈𝐚+ 𝐒(2 7)Trong đó, Qsurf là dòng chảy mặt (mm); Rday là lượng mưa trong ngày (mm); Ia là lưu lượng dòng chảy mất đi ban đầu bao gồm lưu trữ bề mặt, thấm trước khi hình thành dòng chảy (mm); S là tham số duy trì (mm)

Tham số duy trì thay đổi theo không gian tùy thuộc vào sự biến đổi của đất, sử dụng đất, quản lý và độ dốc và theo thời gian do sự thay đổi nước trong đất Tham số này được định nghĩa như sau (S.L Neitsch, J.G Arnold, 2009):

𝐒 = 𝟐𝟓, 𝟒𝟏𝟎𝟎𝟎

𝐂𝐍 − 𝟏𝟎 (2 8) Trong đó, CN là đường cong số trong ngày Lưu lượng dòng chảy mất đi ban đầu Ia

thường

thường xấp xỉ bằng 0,2S Khi đó, phương trình trở thành:

Hình 2.5 Mô phỏng dòng chảy mặt

14

𝐐𝐬𝐮𝐫𝐟 = (𝐑𝐝𝐚𝐲− 𝟎, 𝟐𝐒)

𝟐

(𝐑𝐝𝐚𝐲+ 𝟎, 𝟖 𝐒)− 𝟏𝟎 (2 9) Dòng chảy chỉ xuất hiện khi Rday > Ia Lời giải hình học cho phương trình ứng với các đường cong số khác nhau được thể hiện như hình 2.6

Hình 2.6 Mối liên hệ giữa dòng chảy với mưa trong phương pháp đường cong

số SCS (S.L Neitsch et al., 2005) b) Dòng chảy trễ

Dòng chảy trễ có ý nghĩa quan trọng đối với những khu vực có đất với độ dẫn thủy lực cao trong lớp đất bề mặt, lớp đất không thấm nước hoặc bán thấm ở độ sâu nông Trong một hệ thống như vậy, lượng mưa sẽ thấm theo chiều thẳng đứng cho đến khi nó gặp lớp không thấm, tạo thành một khu vực bão hòa nước, tức là mực nước ngầm Vùng bão hòa này là nguồn nước cho dòng nước ngầm bên dưới

Mô hình SWAT kết hợp mô hình lượng trữ động học được phát triển bởi Sloan và Moore (1984), mô phỏng dòng chảy trễ theo hai chiều dọc theo sườn dốc, dựa trên phương trình khối lượng liên tục, hoặc cân bằng khối lượng, với toàn bộ sườn dốc được sử dụng

15

như một thể tích kiểm tra Đoạn sườn dốc có một lớp đất thấm với độ sâu Dperm và chiều dài

Lhill và một lớp không thấm hay biên dưới với độ dốc ahill (xem hình 2.7)

Hình 2.7 Mô phỏng lớp đất sườn dốc

(Phỏng S.L Neitsch, J.G Arnold, 2009) Lưu lượng dòng chảy được lưu trữ trong vùng bão hòa hay gọi là dòng chảy trễ được tính bởi công thức:

𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬= 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝐇𝟎 ∅𝐝. 𝐋𝐡𝐢𝐥𝐥

Trong đó, SWly,excess là thể tích thoát nước vượt quá được lưu giữ trong vùng bão hòa (mm), Ho là độ dày bão hòa (mm / mm ), ∅d là độ xốp thoát nước của đất (mm / mm), Lhill

là chiều dài của dốc (m)

Phương trình Ho được tính như sau :

𝐇𝟎 = 𝟐 𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬

𝟏𝟎𝟎𝟎.𝐇𝟎.∅𝐝..𝐋𝐡𝐢𝐥𝐥(2.11)

Độ xốp thoát nước của đất (∅d) được tính toán:

∅𝐝 = ∅𝐬𝐨𝐢𝐥− ∅𝐟𝐜 (2 12)

Trong đó: ∅𝑑 là độ xốp thoát nước của đất; ∅𝑠𝑜𝑖𝑙 là tổng độ xốp của lớp đất (mm/mm),

∅𝑓𝑐là độ rỗng của lớp đất đầy nước khi lớp là Ở thể tích nước (mm/mm)

16

Quá trình thấm được tính cho từng lớp đất Nước sẽ thấm xuống lớp đất tiếp theo khi lưu lượng dòng chảy vượt quá khả năng trữ của lớp đất đó Lưu lượng dòng chảy thấm xác định theo phương trình:

𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬= 𝐒𝐖𝐥𝐲 − 𝐅𝐂𝐥𝐲 𝐧ế𝐮 𝐒𝐖𝐥𝐲 > 𝐅𝐂𝐥𝐲 (2 13)

𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬= 𝟎 𝐧ế𝐮 𝐒𝐖𝐥𝐲 ≤ 𝐅𝐂𝐥𝐲Trong đó: SWly,excess là lưu lượng dòng chảy thấm trong một ngày (mm), SWly là lưu lượng dòng chảy trữ trong lớp đất trong một ngày (mm), FCly là khả năng trữ nước lớn nhất của lớp đất (mm)

Lưu lượng dòng chảy chảy ra từ cửa xả, Qlat, được xác định bởi công thức sau:

𝐐𝐥𝐚𝐭 = 𝟐𝟒 𝐇𝟎 𝐯𝐥𝐚𝐭 (2 14) Trong đó Qlat là nước chảy ra từ cửa xả (mm / ngày), Ho là độ dày bão hòa bình thường đến đỉnh đồi ở cửa xả bằng một phần của tổng chiều dày (mm/mm); vlat là vận tốc dòng chảy tại cửa xả (mm h-1); 24 là yếu tố để chuyển đổi hàng giờ

Vận tốc dòng chảy tại cửa xả được xác định như sau:

𝐯𝐥𝐚𝐭 = 𝐊𝐬𝐚𝐭 𝐬𝐢𝐧 (𝛂𝐡𝐢𝐥𝐥) (2 15) Trong đó, Ksat là độ dẫn nước bão hòa (mm.h-1) và αhill là độ dốc của đoạn dốc đồi

Độ dốc được nhập vào SWAT khi độ cao tăng tương ứng với tan (αhill) Bởi lẻ tan (𝛼ℎ𝑖𝑙𝑙) ≅ sin (𝛼ℎ𝑖𝑙𝑙) Phương trình (2.12) được sửa đổi để sử dụng giá trị cho độ dốc làm đầu vào cho

17

động đến sông hình thành dòng chảy ngầm Đây là thành phần chủ yếu của dòng chảy bổ sung cho hệ thống sông trong thời gian

Dòng chảy ngầm được thể hiện qua công thức sau:

Qgw,i = Qgw,i−1 exp[−αgw ∆t] + wrchrg (1 − exp[−αgw ∆t])

Nếu aqsh > aqshthr,q (2.18)

Qgw,i = 0 Nếu aqsh ≤ aqshthr,q

Trong đó Qgw,i và Qgw,i-1: dòng chảy ngầm trong kênh dẫn chính vào ngày thứ i và i-1 (mm); αgw: hệ số hồi quy dòng chảy ngầm; Δt: khoảng thời gian (ngày); wrchrg: lưu lượng dòng chảy thấm vào tầng ngầm nước vào ngày thứ i (mm)

Và khi tầng nước ngầm nông không được cung cấp nước nữa thì phương trình (2.18) được đơn giản hóa, phương trình (2.18) trở thành:

𝐐𝐠𝐰 = 𝐐𝐠𝐰,𝟎 𝐞𝐱𝐩[−𝛂𝐠𝐰 𝐭] 𝐧ế𝐮 𝐚𝐪𝐬𝐡 > 𝐚𝐪𝐬𝐡𝐭𝐡𝐫,𝐪

𝐐𝐠𝐰,𝐢= 𝟎 𝐧ế𝐮 𝐚𝐪𝐬𝐡 ≤ 𝐚𝐪𝐬𝐡𝐭𝐡𝐫,𝐪 (2.19) Trong đó, Qgw: dòng chảy ngầm trong kênh dẫn tại thời điểm t (mm); αgw: hệ số hồi quy dòng chảy ngầm; Qgw, 0 là dòng nước ngầm chảy vào kênh chính (thời gian t = 0); t là thời gian đã kết thúc kể từ khi bắt đầu rút nước (ngày);aqsh là lưu lượng dòng chảy chứa trong tầng nước ngầm vào đầu ngày i (mm) và aqshthr, q là mực nước ngưỡng trong tầng nước ngầm nông để đóng góp nước ngầm vào kênh chính xảy ra (mm)

Dòng chảy ngầm bao gồm dòng chảy ngầm trong tầng ngậm nước nông và tầng ngậm nước sâu

2.3.5 Cấu trúc dữ liệu của mô hình SWAT

SWAT là mô hình tổng quát đòi hỏi số lượng lớn thông tin để thực hiện chạy mô hình Đối với nghiên cứu này, dữ liệu đầu vào cho quá trình mô phỏng lưu lượng dòng chảy trên

cơ sở sử dụng đất, trong SWAT bao gồm dữ liệu địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng, thời tiết

a) Cấu trúc dữ liệu đầu vào của SWAT

Cấu trúc tổng quát của tập tin đầu vào của SWAT được thể hiện như bảng 2.1

Bảng 2.1 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu vào của SWAT

18

file.cio File quản lý lưu vực File chứa tên của những file ở cấp độ lưu vực và

những thông số liên quan đến việc in ấn

.pcp File dữ liệu mưa đầu vào File này chứa số liệu lượng mưa đo theo ngày

của những trạm đo mưa Trên 18 file có thể sử dụng cho mỗi kịch bản

và mỗi file chứa dữ liệu cho trên 300 trạm File quản lý dữ liệu ở cấp độ tiểu lưu vực

.tmp File nhiệt độ không khí đầu vào File này chứa số liệu nhiệt độ lớn nhất,

nhỏ nhất theo ngày tại trạm đo Trên 18 file có thể sử dụng cho mỗi kịch bản và mỗi file chứa dữ liệu cho trên 150 trạm File quản lý dữ liệu ở cấp độ tiểu lưu vực

.slr File bức xạ mặt trời đầu vào Chứa số liệu bức xạ Mặt trời theo ngày tại

trạm đo File này chứa dữ liệu cho trên 300 trạm File quản lý dữ liệu ở cấp độ tiểu lưu vực

.wnd File tốc độ gió đầu vào, chứa số liệu tốc độ gió theo ngày tại trạm đo

File này chứa dữ liệu cho trên 300 trạm File quản lý dữ liệu cấp độ tiểu lưu vực

.hmd File độ ẩm tương đối đầu vào, chứa số liệu độ ẩm tương đối theo ngày

tại trạm đo File này chứa dữ liệu cho trên 300 trạm File quản lý dữ liệu

ở cấp độ tiểu lưu vực

.pet File khả năng bốc hơi, chứa số liệu khả năng bốc hơi theo ngày tại trạm

đo File quản lý dữ liệu ở cấp độ lưu vực

.sub File dữ liệu đầu vào của tiểu lưu vực, cung cấp thông tin về khí tượng,

sự phân phối kênh nhánh, số lượng và loại HRU trên mỗi tiểu lưu vực

.wgn File dữ liệu đầu vào về trạm khí tượng, cung cấp thông tin về khí tượng,

sự phân phối kênh nhánh, số lượng và loại HRU trên mỗi tiểu lưu vực

.pnd File dữ liệu đầu vào về hồ chứa

.wwq File dữ liệu đầu vào về chất lưu lượng dòng chảy trong lưu vực File

này chứa thông số sử dụng cho mô hình QUAL2E

.swq File dữ liệu đầu vào về CLN File này chứa thông số sử dụng cho mô

hình QUAL2E tính toán lượng thuốc trừ sâu và di chuyển chất dinh dưỡng trong sông chính của tiểu lưu vực

.hru File dữ liệu đầu vào của HRU

.sol File dữ liệu đầu vào của đất, chứa thông tin về đặc điểm vật lý của các

loại đất trong HRU

.chm File dữ liệu đầu vào của đất, chứa thông tin về đặc điểm hóa học của

các loại đất trong HRU

.gw File dữ liệu đầu vào của nước ngầm, chứa thông tin về độ nông sâu

19

 Dữ liệu địa hình

 Mô hình độ cao số (Digital Elevation Model, DEM): ESRI GRID Format

 Giá trị độ cao ở dạng số nguyên hoặc số thực cho các giá trị cao

 Đơn vị đo xác định độ phân giải GRID (X, Y) và độ cao (Z) có thể khác nhau

Độ phân giải GRID được xác định theo một trong các đơn vị sau đây: meters, kilometers, feet, yards, miles, decimal degrees Độ cao được xác định theo một trong các đơn vị sau đây: meters, centimeters, yards, feet, inches

 Dữ liệu sử dụng đất

Hình thức sử dụng đất thay đổi không ngừng theo thời gian Mục đích sử dụng đất của con người phụ thuộc vào điều kiện kinh tế - xã hội và đường lối chiến lược phát triển của từng địa phương là khác nhau Hình thức sử dụng đất trong SWAT được phân chia thành hai nhóm chính sau:

 Thực vật và các hoạt động canh tác nông nghiệp của con người: đất rừng, đất trồng lúa, đất trồng cây hàng năm, đất trồng cây lâu năm,

 Đô thị: khu dân cư, thương mại, công nghiệp, cơ quan và giao thông

Bảng 2.2 Ý nghĩa các thông số trong bảng CropRng

CPM Bốn mã ký tự đại diện cho tên cây trồng, thực phủ

BIO_E Tỷ lệ sinh khối/ năng lượng

BLAI Chỉ số diện tích lá lớp nhất

FRGRW1 Tỉ lệ giai đoạn sinh trưởng cây trồng tương ứng với điểm đầu tiên

nằm trên đường cong phát triển diện tích lá tối ưu

LAIMX1 Tỉ lệ chỉ số diện tích lá tối đa tương ứng với điểm đầu tiên nằm

trên đường cong phát triển diện tích lá tối ưu

FRGRW2 Tỉ lệ giai đoạn sinh trưởng cây trồng tương ứng với điểm thứ hai

nằm trên đường cong phát triển diện tích lá tối ưu

LAIMX2 Tỉ lệ chỉ số diện tích lá tối đa tương ứng với điểm thứ hai nằm trên

đường cong phát triển diện tích lá tối ưu

DLAI Tỉ lệ giai đoạn sinh trưởng của cây trồng từ khi diện tích lá bắt đầu

suy giảm

CHTMX Chiều cao tán tối đa (m)

RDMX Độ sâu rễ tối đa (m)

T_OPT Nhiệt độ không khí tối ưu cho sự phát triển của cây trồng(oC)

20

T_BASE Nhiệt độ nhỏ nhất cho sự phát triển của cây trồng(oC)

Cropname Tên mô tả của cây trồng

CN2 Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

OV_N Giá trị “n” cho dòng chảy mặt

CN2A Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

CN2B Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

(S.L Neitsch, J.G Arnold, 2012)

Bảng 2.3 Ý nghĩa các thông số trong bảng UrbanRng

URBNAME 4 mã ký tự cho sử dụng đất đô thị

URBFLNM Tên mô tả cho việc sử dụng đất khu đô thị

FIMP Tổng diện tích đất không thấm nước trong loại đất khu đô thị

CURBDEN Mật độ lề đường trong sử dụng đất đô thị

URBCOEF Hệ số làm sạch để loại bỏ các thành phần hình thành khu vực không

FCIMP Tỉ lệ đất đô thị liên kết với các diện tích đất không thấm nước

CN2 Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

OV_N Giá trị “n” cho dòng chảy mặt

CN2A Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

CN2B Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

CN2C Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

CN2D Giá trị đường cong dòng chảy SCS cho điều kiện độ ẩm II

(S.L Neitsch, J.G Arnold, 2012)

Bản đồ sử dụng đất/thực phủ: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format Danh

mục các loại hình sử dụng đất/thực phủ cần phải được phân loại lại theo các loại cây trồng/thực phủ quy định trong SWAT

 Dữ liệu thổ nhưỡng

Dữ liệu đất sử dụng trong SWAT được chia thành hai nhóm: đặc điểm vật lý và đặc điểm hóa học của đất Đặc điểm vật lý của đất sẽ ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của nước và không khí, đồng thời có tác động đáng kể đến chu trình nước trong tiểu lưu vực Trong đề tài này thì đặc điểm vật lý được quan tâm hơn so với đặc điểm hóa học Vì vậy,

HYDGRP Nhóm thủy văn đất (Soil hydrologic group): A, B, C, D

SOL_ZMX Độ sâu cực đại của rễ có thể cắm hết các lớp đất (mm)

ANION_EXCL Hầu hết các chất khoáng trong đất đều mang điện tích âm ở pH trung

tính và có sự tương tác giữa lớp điện tích ngoài cùng với các anion cùng dấu, đó là lực đẩy bề mặt của các hạt khoáng Nếu không có số liệu thì mặc định giá trị ANION_EXCL là 0.5

SOL_CRK Tỷ lệ thể tích lớn nhất khi bị nén/ tổng thể tích ban đầu

TEXTURE Thành phần cơ giới

SOL_Z Độ dày của từng lớp đất (mm)

SOL_BD Dung trọng của lớp đất (g/cm3)

SOL_AWC Phạm vi nước hữu hiệu của đất (mm nước/mm đất)

SOL_CBN Hàm lượng carbon hữu cơ (%)

Bản đồ thổ nhưỡng: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format

Danh mục các loại đất trong bản đồ thổ nhưỡng cần phải được kết nối với cơ sở dữ liệu đất của Mỹ thông qua giao diện hoặc cơ sở dữ liệu đất tùy biến cho các loại đất không

có trong cơ sở dữ liệu đất của Mỹ

 Dữ liệu thời tiết

Dữ liệu thời tiết bao gồm các thành phần: dữ liệu thời tiết tổng quát và dữ liệu thời tiết thành phần (lượng mưa, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí tương đối, bức xạ Mặt trời, tốc độ gió) Dữ liệu thời tiết tổng quát được thể hiện chi tiết trong bảng 2.5

22

Bảng 2.5 Các thông số đầu vào của dữ liệu thời tiết tổng quát

WLATITUDE Vi độ (o)

WLONGITUDE Kinh độ (o)

RAIN_YRS Số năm tính toán

TMPMX Nhiệt độ không khí lớn nhất trung bình trong tháng (oC)

TMPMN Nhiệt độ không khí nhỏ nhất trung bình trong tháng(oC)

TMPSTDMX Độ lệch chuẩn của nhiệt độ không khí lớn nhất trong tháng

TMPSTDMN Độ lệch chuẩn của nhiệt độ không khí nhỏ nhất trong tháng

PCPMM Lượng mưa trung bình trong tháng(mm)

PCPSTD Độ lệch chuẩn của mưa theo ngày trong tháng

PCPSKW Hệ số lệch của lượng mưa ngày trong tháng

PR_W1_ Xác suất của một ngày ẩm ướt sau một ngày khô ráo trong

tháng

PR_W2_ Xác suất của một ngày ẩm ướt sau một ngày ẩm ướt trong

tháng

PCPD Số ngày mưa trung bình trong tháng (ngày)

RAINHHMX Lượng mưa nửa giờ lớn nhất trong tháng (mm)

SOLARAV Bức xạ mặt trời trung bình hàng ngày trong tháng (mm)

DEWPT Nhiệt độ điểm sương trung bình trong tháng(oC)

WNDAV Tốc độ gió trung bình trong tháng (m/s)

(S.L Neitsch, J.G Arnold, 2012)

 Dữ liệu thời tiết thành phần:

Mỗi dữ liệu thời tiết thành phần này cần có bảng tọa trạm đo và bảng tra Trong đó, bảng tọa độ trạm đo cung cấp thông tin về vị trí các trạm đo; bảng tra lưu trữ số liệu của từng dữ liệu thời tiết thành phần quan trắc tại mỗi trạm đo; hai bảng này đều ở định dạng ASCII

b) Cấu trúc dữ liệu đầu ra của SWAT

Đối với đề tài đánh giá sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy các tập tin được trình bày trong bảng 2.6 là cần thiết

Bảng 2.6 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu ra của SWAT

.std Tập tin thống kê số liệu đầu ra theo bước thời gian mô phỏng

23

hàng ngày, hàng tháng hoặc hàng năm tại cấp độ lưu vực Nó

là tập tin đầu tiên người dùng nên kiểm tra để có hiểu biết cơ bản về nước, trầm tích, chất dinh dưỡng và thuốc trừ sâu của lưu vực sông Giá trị trung bình lưu vực là tổng trọng số của các giá trị ở cấp độ HRU trước khi đi vào kênh hoặc hồ chứa

.hru Tập tin thống kê số liệu đầu ra tại cấp độ đơn vị thủy văn

.sub Tập tin thống kê số liệu đầu ra tại mỗi tiểu lưu vực trong lưu

vực Giá trị trung bình tiểu lưu vực là tổng trọng số của các giá trị ở các HRU trong tiểu lưu vực đó

.rch Tập tin thống kê số liệu đầu ra tại mỗi dòng chảy trên lưu vực

Độ dốc lưu vực nhỏ, khoảng 0- 101%, phổ biến là 0- 3,27% Độ dốc 3,27- 8,1% phân

bố dọc theo mạng lưới sông ngòi Độ dốc lớn nhất là 8,1- 101% tập trung ở những vùng đồi phía Tây Bắc, Bắc và Nam của lưu vực Cụ thể như hình 2.9

25

Hình 2.9 Bản đồ địa hình lưu vực La Vĩ a) Thủy văn

Hệ thống sông ngòi trên lưu vực sông La Vĩ khá dày đặc, có dạng hình nan quạt Tổng chiều dài sông suối khoảng 249 km, mật độ sông suối là 2,4 km/km² Sông ngòi trên lưu vực chảy theo ba hướng chính: Bắc- Nam (từ xã Cát Trinh), Tây Bắc- Đông Nam (từ xã Cát Hiệp, Bình Thuận), Nam- Bắc (từ xã Cát Tân), hợp lưu tại thị trấn Ngô Mây và chảy ra cửa xả lưu vực tại xã Cát Tân Lưu lượng dòng chảy trên lưu vực rất thấp và có sự tương phản sâu sắc giữa mùa lũ và mùa kiệt

Hình 2.10 Lượng mưa trung bình năm giai đoạn 2000 - 2015

57

16 30 37 111

71 69

124 230

512 507

154

0 100 200 300 400 500 600

Tháng Lượng mưa trung bình tháng

27

Hình 2.11 Lượng mưa trung bình tháng giai đoạn 2000- 2015

Do mặt hạn chế dữ liệu của trạm đo trên lưu vực, nên đề tài lấy dữ liệu trạm đo Quy Nhơn nằm gần lưu vực để thống kê các số liệu về nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, số giờ nắng, tốc độ gió

 Nhiệt độ không khí:

Về nhiệt độ không khí, lưu vực sông La Vĩ có nền nhiệt độ tương đối cao với nhiệt độ trung bình năm khoảng 27,3oC Nhiệt độ trung bình tháng nhỏ nhất là 23,2oC, lớn nhất là 30,4oC Độ ẩm trung bình năm trong khoảng 76 - 80% Độ ẩm thấp nhất là 33% Cụ thể ở hình 2.12

Hình 2.12 Nhiệt độ không khí trung bình tháng giai đoạn 2000- 2015

 Số giờ nắng:

Tùy từng nơi trên lưu vực mà tổng số giờ nắng trung bình hàng năm vào khoảng 2400

- 2600 giờ Số giờ nắng cao nhất trong tháng là 12 giờ, nhỏ nhất là 2 giờ

 Tốc độ gió:

Đất đai ở lưu vực đa phần có độ phì nhiêu thấp, có nhiều đá lẫn, đất chua, thành phần

cơ giới nhẹ Đất có chất lượng cao gồm đất nâu vàng trên phù sa cổ, đất thung lung do sản phẩm dốc tụ, đất phù sa có tầng loang lổ, có chất lượng trung bình là nhóm đất xámđất không có khả năng sản xuất gồm đất xói mòn trơ sỏi đá Đất có khả năng phát triển nông nghiệp, lâm nghiệp chủ yếu là các loại đất xám trên macma acid và đá cát, đất xám bạc màu trên macma acid và đá cát, đất phù sa có tầng loang lổ, đất đỏ vàng trên đá macma acid, đất nâu vàng trên phù sa cổ đất thung lung do sản phẩm dốc tụ đất xói mòn trơ sỏi đá Nhìn chung, trên lưu vực có 7 nhóm đất chính cụ thể như sau: đất xám trên macma acid và đá cát (Xa) và đất xám bạc màu trên macma acid và đá cát (Ba) chiếm đa số (lần lượt 48,67%, 36,41%), ngoài ra đất phù sa có tầng loang lỗ (Pf) với 53,08 ha, chiếm 0,51%; đất nâu vàng trên phù sa cổ (Fp) đây là đất có thành phần cơ giới thịt nhẹ với diện tích là 224.69ha chiếm 2.17% khả năng sử dụng vào nông nghiệp thuận lơi Có thể bố trí cây ăn quả, cây lâu năm các loại; đất đỏ vàng trên đá macma acid (Fa), là loại đất có thành phần cơ giới cát pha đến thịt nhẹ Tỷ lệ sét tăng theo chiều sâu phẫu diện, có mục đích nông nghiệp hạn chế chiếm 853.48ha và tì số phần trăm là 8.23% bên cạnh đó là 2 loại đất là đất thung lung do sản phẩm dốc tụ (D) và đất xói mòn trơ sỏi đá (E) với diện tích là 290.11ha và 125.62ha, chiếm

tỉ lệ nhỏ lần lượt là 2,80 % và 1,21% trên tổng diện tích lưu vực

29

2.4.2 Đặc điểm kinh tế - xã hội

a) Dân cư, xã hội

Dân số trung bình trên lưu vực sông La Vĩ bao gồm thị trấn Ngô Mây, xã Cát Tân, Cát Trinh, Cát Hiệp, Cát Hạnh thuộc huyện Phù Cát và xã Bình Thuận thuộc huyện Tây Sơn là khoảng 56.483 người (xem Bảng 2.2) Mật độ dân số trung bình 341,9 người/km²

Bảng 2.2: Diện tích, dân số và mật độ dân số các xã đi qua lưu vực

(km²)

Dân số trung bình (người) Mật độ dân số (người/km²)

Ghi chú: * số liệu tính đến 2015, các số liệu còn lại tính đến 2014

(Chi cục Thống kê huyện Phù Cát, 2015; Chi cục Thống kê huyện Tây Sơn, 2016)

d) Cơ cấu kinh tế

Nền kinh tế của lưu vực sông La Vĩ chủ yếu dựa vào sản xuất nông nghiệp Một số

hệ thống kết cấu hạ tầng nông nghiệp, nông thôn được đầu tư xây dựng, phục vụ phát triển đời sống và sản xuất của người dân

Về nông nghiệp, diện tích một số loại cây nông nghiệp theo đơn vị hành chính thuộc lưu vực sông thể hiện ở Bảng 2.4 Đối với lúa, tập trung nhiều nhất ở xã Cát Hanh với 2.157

ha và thấp nhất là thị trấn Ngô Mây với 255 ha Đối với lạc, diện tích cao nhất là xã Cát Hiệp với 658 ha và thấp thấp là thị trấn Ngô Mây với 115 ha Đối với sắn, diện tích cao nhất là xã Cát Hiệp với 612 ha và thấp thấp là thị trấn Ngô Mây với 65 ha

là 41,05 ha ha cao ở đất lâm nghiệp diện tích là 1.884,91 ha và thấp nhất ở loại hình là đất

ở diện tích là 62,15 ha được thể hiện ở bảng 2.9 và bảng 2.10

Bảng 2.8 Hiện trạng sử dụng đất của các xã, thị trấn nằm trên lưu vực (ha)

Ghi chú: * số liệu tính đến 2015, các số liệu còn lại tính đến 2014

(Chi cục Thống kê huyện Phù Cát, 2015; Chi cục Thống kê huyện Tây Sơn, 2016)

Hiện trạng sử dụng đất xã Bình Thuận thuộc huyện Tây Sơn vào năm 2015, với đất sản xuất nông nghiệp là 2.498,3ha, đất lâm nghiệp là 1.052ha đất chuyên dùng là 301,3ha,

Một số nghiên cứu tiêu biêu như:

Năm 2009, Mao D và Cherkauer K đã có nghiên cứu sử dụng mô hình VIC để đánh giá sự thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy và thành phần cân bằng nước cân bằng nước ở ba tiểu bang Great Lakes: Minnesota, Wisconsin và Michigan, Hoa Kỳ Nghiên cứu cho thấy kết quả trước sự thay đổi sử dụng đất không đồng đều và theo mùa đã làm giảm bốc hơi 10% và tăng 25% tổng lưu lượng dòng chảy Các vùng phía Bắc, giảm 5% lượng bốc hơi và tăng 30% lưu lượng dòng chảy

Năm 2010, Ghaffari G và cộng sự đã thực hiện đánh giá ảnh hưởng dòng chảy dưới tác động của thay đổi sử dụng đất ở lưu vực Zanjanrood, Iran Phương pháp thực hiện bằng công cụ SWAT để đánh giá thành phần cân bằng nước Kết quả mô phỏng các thành phần chính của chu trình thuỷ văn để nghiên cứu tác động của thay đổi sử dụng đất vào năm

1967, 1994 và 2007 Nghiên cứu cho thấy trong năm 1967 thực phủ giảm 34 ± 5% Đất nông nghiệp (12,9%), đất nông nghiệp (13,9%), đất lâm nghiệp (12,1%), đất trống (5,2%) đất nông nghiệp khác(2,2%), và khu đô thị (0,7%) đã dẫn đến tăng lưu lượng dòng chảy chảy mặt giảm 22% so với lưu lượng dòng chảy ngầm tăng lên (30%) lưu lượng dòng chảy tăng lên đáng kể hơn 60%

Năm 2010, Zhang X và cộng sự đã nghiên cứu sự biến đổi dòng chảy bề mặt và tải lượng bùn cát do của sự thay đổi sử dụng đất trong lưu vực sông Loess Plateau, Trung Quốc bằng mô hình SWAT Nghiên cứu cho thấy do tái trồng rừng và đất nông nghiệp, làm cho lượng xói mòn trên bề mặt và lượng phù sa giảm tương ứng là 20-100% và 10-100% Giảm lưu lượng dòng chảy bề mặt đáng kể theo các chế độ mưa khác nhau Sự thay đổi tương đối của sản lượng trầm tích trong bốn vùng đầu nguồn trồng rừng và đất ruộng của đất nông nghiệp giảm khi lượng mưa tăng từ 350 mm đến 650 mm, sau đó tăng khi lượng mưa tăng

từ 650 mm lên 870 mm Tỷ lệ che phủ rừng ban đầu dưới 45%, sản lượng trầm tích giảm đáng kể do độ che phủ rừng tăng lên