Bài giảng: Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool)

Khái quát về thủy văn, thủy văn học Nước vận động có tính hệ thống , theo chu trình thủy văn  Theo Dooge 1964, hệ thống là bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

KS Nguyễn Duy Liêm

Bài giảng: Chuyên đề SWAT

(Soil and Water Assessment Tool)

1 Tổng quan về mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

What is that?

Nội dung

 Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Thủy văn là gì? Thủy văn học là gì?

 Mô hình thủy văn là gì? Phân loại?

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Số lượng, chất lượng của nước.

 Mối liên hệ của nước với tự nhiên, môi trường sống.

dụ các quá trình vật lý, hóa học, sinh học của nước?

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Nước vận động có tính hệ thống , theo chu trình thủy văn

 Theo Dooge (1964), hệ thống là

bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó,

thực hay trừu tượng,

được gắn với bước thời gian nhất định,

 liên hệ giữa lượng vào (nguyên nhân, năng lượng, thông tin) với

lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng).

(Xử lý) (Đầu vào) (Xử lý) (Đầu ra)

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Chu trình thuỷ văn

 Hệ thống gồm các thành phần là bốc hơi, lượng mưa, dòng chảy

và các pha khác nhau của chu trình

 Các thành phần này tập hợp thành các hệ thống con của chu trình lớn  Để phân tích hệ thống toàn cục, có thể phân tích riêng rẽ

các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên mối quan hệ qua lại giữa chúng.

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Cấu trúc của hệ thống là tập hợp các đường đi của dòng chảy trên mặt đất hoặc trong đất,

 Bao gồm cả các dòng chảy nhánh, những dòng này cuối cùng sẽ nhập lưu tại mặt cắt cửa ra,

 Cấu trúc của hệ thống chịu ảnh hưởng của các đặc tính lưu vực

như địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, các đặc trưng hình thái lưu vực và sông.

Biên hệ thống thủy văn có phải luôn đóng kín? Vì sao?

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Phân loại mô hình thủy văn

 Mô hình vật lý biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô hình thủy lực của đập tràn

 Mô hình tương tự có tính chất tương tự như mô hình nguyên thể, chẳng hạn một số mô hình điện trong thủy lực

 Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng tập hợp các

phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện quan hệ giữa các biến và các thông số (đặc trưng số lượng) của mô hình để mô phỏng hệ thống thủy văn.

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Phân loại mô hình thủy văn theo bản chất

Mô hình ngẫu nhiên Mô hình tất định

Mô hình ngẫu nhiên

– tất định

Mô hình nhận thức

Mô hình hộp đen

Mô hình thông số tập trung

Mô hình thông số phân bố

Mô hình sóng động học

SWAT được xếp vào mô hình nào?

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

 Đặc điểm của mô hình toán thủy văn

 Phản ánh gần đúng hệ thống thủy văn có thật

 Các yếu tố đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v ) và sản

phẩm đầu ra (tốc độ dông chảy, mực nước, áp suất v.v ) là các biến thủy văn đo được

 Ứng dụng trên quy mô lớn như quy hoạch thoát lũ, công trình

thủy lợi,… trên cấp độ lưu vực,

 Giá thành rẻ hơn, cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý,

 Thay đổi phương án trong mô hình thực hiện linh hoạt, nhanh

chóng.

 Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng

 Đây là mô hình thủy văn ở cấp độ lưu vực được phát triển bởi

 Trang chủ SWAT: http://swat.tamu.edu/

đất đai và biến đổi khí hậu.

Tổng quan về SWAT

 Đặc điểm:

 Yêu cầu dữ liệu đầu vào tối thiểu bao gồm: địa hình, quản lý sử dụng

đất/thực phủ, thổ nhưỡng, thời tiết

Có thể mô phỏng cho những lưu vực mà ở đó chưa có dữ liệu quan trắc,

Đánh giá được tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào (thay đổi sử dụng đất,

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

Dữ liệu GIS được thu thập từ nhiều cơ quan khác nhau

Ngay cả đối với các lưu vực rộng lớn với thời gian tính toán ngắn, tốn ít tài nguyên máy tính

 Mô phỏng tác động theo chuỗi thời gian liên tục lâu dài (ngày, tháng, năm,

Tổng quan về SWAT

 Giai đoạn hình thành sơ khai

in Rural Basins) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990)

 CREAMS (Chemicals, Runoff, Erosion from Agricultural Management

Systems) (Knisel et al., 1980),

 GLEAMS (Groundwater Loading Effects on Agricultural Management

Systems) (Leonard et al., 1987),

 EPIC (Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984), sau đổi thành Environmental Impact Policy Climate,

 ROTO (Routing Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995),

 QUAL2E (Enhanced Stream Water Quality Model) (Brown and Barnwell,

1987).

CREAMS EPIC SWRRB SWAT

Tổng quan về SWAT

 Giai đoạn ra đời, bước đầu phát triển

 Đầu những năm 1990s, mô hình SWRRB và ROTO đã được kết

hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là SWAT Sau này

đến phiên bản SWAT96.2, mô hình QUAL2E được thêm vào.

 Kể từ thời điểm ra đời, SWAT liên tục trải qua nhiều lần cải tiến nhằm mở rộng khả năng mô phỏng với nhiều phiên bản khác

nhau bao gồm:

 SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2,

 SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009, SWAT 2012 (đang xây dựng)

Tổng quan về SWAT

 Định hướng phát triển hiện tại, tương lai

Phạm vi mô phỏng Thời gian và không gian

 Tính sẵn có và chất lượng của dữ liệu đầu vào Thời tiết, thuỷ văn, Thổ

nhưỡng, Hoạt động sản xuất nông nghiệp

Hiệu chỉnh và phân tích tính bất định

 Mô phỏng theo thời gian thực

 Tích hợp với các mô hình khác APEX, SWMM(EPA), ALMANAC, DSSAT

Hợp tác phát triển mô hình CGIAR, ISRIC

Đào tạo, truyền thông

 SWAT 2005, 2009, 2012

 ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), QSWAT (QGIS), SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT

Tổng quan về SWAT

Tổng quan về SWAT

 SWAT đã được cộng đồng quốc tế công nhận là một mô hình

quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ.

 Ứng dụng rộng rãi trong đánh giá chất lượng, tiềm năng nước,

kiểm soát xói mòn đất, theo dõi ô nhiễm, định lượng tác động của biến đổi khí hậu… ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới.

 > 500 người sử dụng, 30 nhà phát triển

 > 100 học viên cao học, nghiên cứu sinh đang sử dụng SWAT

 > 1000 bài báo nghiên cứu về SWAT

Tổng quan về SWAT

 Hội nghị, tập huấn SWAT

Tổng quan về SWAT

 Ứng dụng SWAT tại Việt Nam

năm 1998

chí, kỉ yếu hội thảo, luận văn thạc

sĩ, luận án tiến sĩ)

 Mô phỏng thủy văn,

Đánh giá thay đổi sử dụng đất/biến

đổi khí hậu,

 Nghiên cứu xói mòn/bồi lắng,

 Mô phỏng chất lượng nước,

Kiểm soát lũ lụt

Nguyên lý mô phỏng SWAT

 Chu trình thủy văn và cân bằng nước là động lực chi

phối mọi quá trình diễn ra trong lưu vực.

Quá trình trên đất

Hệ thống lưu vực SWAT

Nguyên lý mô phỏng SWAT

 Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành

hai nhóm chính (Susan L.N et al., 2009):

 Pha đất của chu trình thủy văn: kiểm soát lượng nước, phù sa,

dinh dưỡng và thuốc trừ sâu từ mỗi tiểu lưu vực đổ ra sông

Thấm ngược từ tầng nước ngậm nông

Thấm vào tầng nước ngậm nông

Dòng chảy mặt

Dòng chảy trễ

Dòng chảy hồi quy

(Rday − Qsurf − Ea − wseep − Qgw)

Sơ đồ chu trình thủy văn

trong pha đất

Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy

Phân hủy sinh học

Quang phân Thủy phân

Bay hơi vào khí quyển

huyền phù

Nồng độ sinh học

Tiến trình mô phỏng SWAT

Cơ sở dữliệu SWAT

Tham sốhóa

Mô hìnhSWAT

Hiệu chỉnh, kiểm tra

Kiểm định

DEM

Thủy văn

Sử dụng

đất

Thổ nhưỡng

Câu hỏi ôn tập

 Quá trình hình thành, phát triển của SWAT

Câu hỏi kiểm tra