Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên phần mềm swat áp dụng cho lưu vực sông đuống

Việc sử dụng nước có mối liên quan mật thiết với sử dụng đất và ảnh hưởng đến hệ sinh thái lưu vực nên quản lý nước theo lưu vực sông sẽ giúp cho việc sử dụng và bảo vệ tốt hơn tài nguyê

-

Phạm Minh Tân

Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên phần mềm Swat áp dụng cho lưu vực sông đuống

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Công nghệ môi trường

Hà Nội – 2006

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Phạm Minh Tân

Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên phần mềm Swat áp dụng cho lưu vực sông đuống

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Công nghệ môi trường

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS TRỊNH THÀNH

Hà Nội - 2006

Chương 1- Tổng quan về vấn đề quản lý lưu vực

1.4 Công cụ mô hình hóa trong đánh giá quá trình quản lý lưu vực

sông

7

2.4.1 Sự di chuyển trong kênh chính 41

Chương 4- Một số kết quả ứng dụng SWAT cho lưu vực sông Đuống 64

Nước là một tài nguyên thiết yếu và quan trọng nhất của lưu vực sông Việc sử dụng nước có mối liên quan mật thiết với sử dụng đất và ảnh hưởng đến hệ sinh thái lưu vực nên quản lý nước theo lưu vực sông sẽ giúp cho việc sử dụng và bảo vệ tốt hơn tài nguyên đất và môi trường lưu vực, quản

lý và giảm nhẹ các tác động tiêu cực của các hoạt động phát triển kinh tế xã hội của con người tới tài nguyên và môi trường sống

Quản lý lưu vực sông là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong nửa cuối thế kỷ 20 và phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây 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 và môi trường của lưu vực sông

Để thực hiện việc quản lý lưu vực sông phục vụ mục đích phát triển bền vững, một loạt các công cụ quản lý đã được áp dụng như luật pháp, những giải pháp về khoa học kỹ thuật, nhằm làm giảm thiểu những tác động của hoạt động sản xuất tới môi trường lưu vực Trong các công cụ đó, thì công cụ đánh giá và dự báo chất lượng môi trường dài hạn với những kịch bản phát triển khác nhau là một khâu rất quan trọng Và đây cũng là một công đoạn chưa được các cơ quan quản lý Việt Nam quan tâm nhiều

Trong các công cụ sử dụng để dự báo môi trường tại lưu vực sông, thì SWAT nổi lên là một chương trình đánh giá tổng hợp môi trường lưu vực sông(cả đất và nước) với một bộ dữ liệu đầu vào tối thiểu Khi được sử dụng, thì SWAT cho một bức tranh khái quát về chất lượng môi trường lưu vực trong thời gian dài hạn với các kịch bản phát triển khác nhau Vì vậy, nó

đã ngày càng được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới và Cục Môi trường

lượng môi trường lưu vực sông

Với mục đích nghiên cứu chương trình SWAT, cũng như thử áp dụng kiểm nghiệm tính tương hợp của chương trình đối với điều kiện Việt Nam nên luận văn được trình bày trong 4 chương chính:

- Chương 1- Tổng quan về quản lý lưu vực

- Chương 2- Cơ sở lý thuyết của mô hình

- Chương 3- Quá trình xử lý dữ liệu của chương trình

- Chương 4- Một số kết quả ứng dụng SWAT cho lưu vực sông Đuống

- Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUẢN LÝ LƯU VỰC

1.1 Khái niệm lưu vực và quản lý lưu vực

Những khái niệm về “lưu vực” và “quản lý lưu vực” được xem xét và đưa ra ở đây nhằm thiết lập một cơ sở chung liên quan tới sự bố trí địa

lý và những hoạt động có thể diễn ra được bao hàm trong quản lý lưu vực

1.1.1 Lưu vực

Lưu vực sông là một khu vực địa lý mà trong đó có một dòng sông hay mạng lưới sông và dòng chảy chảy qua, và điểm kết thúc của nó là sông lớn hơn, hồ, đại dương.[10]

Khi nói tới lưu vực là xét tới toàn bộ lưu vực sông, cả đất và nước, việc cấp vào lòng sông cũng như những dòng chảy ra khỏi sông và những nhánh phụ của chúng Một tiểu lưu vực trong một lưu vực sông được cấp bởi những phụ lưu riêng lẻ chảy tới sông chính

1.1.2 Quản lý lưu vực

Quản lý lưu vực sông là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong nửa cuối thế kỷ 20 và phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây 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 và môi trường của các lưu vực sông Hiện nay, trên thế giới có hàng trăm 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, tối đa hoá lợi ích kinh tế và phúc lợi xã hội một cách công bằng nhưng không làm tổn hại đến tính bền vững của hệ thống môi trường trọng yếu của lưu vực, duy trì các điều kiện môi trường sống lâu bền cho con người Ví dụ, như Uỷ hội lưu vực

sông Mêkông quản lý tổng hợp nguồn tài nguyên của lưu vực sông trải dài trên nhiều quốc gia

Quản lý lưu vực là một quá trình quản lý những hoạt động của con người trong một khu vực được xác định bởi ranh giới lưu vực để bảo vệ và phục hồi đất và nước, và mối liên hệ của những tài nguyên dưới nước và trên cạn với sự nhận biết những lợi ích của sự tăng trưởng và phát triển có kế hoạch Mục đích của quản lý lưu vực là quản lý hoạt động phát triển có xem xét tới tình trạng môi trường, xã hội và kinh tế của một khu vực trên một cơ

sở bền vững

Quản lý lưu vực là một công cụ trợ giúp để đưa ra những quyết định

về sử dụng đất và nước Có 4 giai đoạn:

- Nhận diện vấn đề và thu thập dữ liệu

- Phân tích và lập kế hoạch

- Thực thi

- Quan trắc

1.2 Vấn đề quản lý lưu vực trên thế giới [2]

Hiện nay việc đổi mới thể chế trong quản lý lưu vực sông (QLLVS) ở các nước phát triển và đang phát triển thường tập trung vào 2 việc: thành lập các tổ chức quản lý ở cấp lưu vực, và đổi mới các hoạt động liên quan đến quản lý nước ở lưu vực sông như là xây dựng cơ chế phối hợp, đổi mới pháp chế, thiết kế lại các công cụ kinh tế trong chính sách nước (như giá nước, thuế, trợ cấp), thiết kế lại các tổ chức kinh tế

Trên thế giới đã có hàng các tổ chức lưu vực sông (TCLVS) được thành lập Các tổ chức này có cơ cấu tổ chức và chức năng không hoàn toàn giống nhau tuỳ thuộc vào mỗi nước và điều kiện các lưu vực sông Sự khác nhau thường tập trung vào các điểm chính: Hình thức tổ chức, chức năng, mức độ tham gia trong quản lý nước của TCLVS, phương thức hoạt động,

cơ chế tài chính Tuy có sự đa dạng trong các mô hình tở chức quản lý lưu vực sông, nhưng có thể quy về 3 hình thức phổ biến sau:

a Cơ quan thuỷ vụ lưu vực sông

Đây là hình thức TCLVS có đầy đủ quyền hạn và phạm vi quản lý lớn nhất Ví dụ, Cơ quan thuỷ vụ thung lũng Tennessce ở Mỹ và cơ quan thuỷ

vụ Núi tuyết ở Australia, Đây là những tổ chức liên ngành lớn, tiếp nhận hầu hết các chức năng của các cơ quan hiện hữu, trong đó bao gồm tất cả chức năng điều hành và quản lý nước Hình thức này có thể áp dụng đối với những lưu vực có nhiệm vụ phát triển lớn

b Ủy hội lưu vực sông

Là mô hình thấp hơn cơ quan thuỷ vụ lưu vực sông về quyền hạn cũng như sức mạnh của tổ chức và ảnh hưởng của nó trong quản lý lưu vực sông Một Ủy hội lưu vực sông thường bao gồm:

- Một “Hội đồng quản lý” đại diện cho tất cả các bên quan tâm

- Một “Văn phòng kỹ thuật” chuyên sâu hỗ trợ Ủy hội lưu vực sông liên quan chủ yếu đến xây dựng chính sách, lập quy hoạch phát triển lưu vực, xây dựng thủ tục và kiểm soát sử dụng nước Nó có thể điều chỉnh các vấn đề sử dụng nước liên quan đến nhiều tỉnh, thông qua các chính sách liên quan đến nước của lưu vực sông, xây dựng các cơ sở dữ liệu, thông tin và

mô hình phù hợp về các vấn đề quản lý trên quy mô toàn lưu vực

Một số Ủy hội lưu vực sông nắm cả chức năng vận hành (có thể cả đầu tư) đối với những công trình lớn, còn hầu hết vận hành và quản lý hàng ngày các công trình và hệ thống cung cấp dịch vụ nước là công việc của các tỉnh nằm trong lưu vực

Một Ủy hội như vậy có thể giám sát việc thực hiện các chiến lược, vận hành quản lý các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện chủ chốt

Tuy nhiên, trong thực tế Ủy hội thường uỷ quyền làm việc cho các tổ chức khác thông qua các thoả thuận hay hợp đồng vận hành Ví dụ về loại tổ chức này như là Ủy hội sông Mary-Darling của Australia, Ủy hội sông Mêkông,

c Hội đồng lưu vực sông

Đây là mô hình yếu hoặc có ít quyền lực nhất hiện nay Hội đồng lưu vực sông hoạt động chỉ như là một diễn đàn mà tại đó chính quyền liên bang, các tiểu bang, cũng như đại diện các hộ dùng nước chia sẻ trách nhiệm phân phối nước, thúc đẩy toàn diện quản lý nước tại cấp lưu vực Các hội đồng lưu vực sông thường hoạt động theo nguyên tắc đồng thuận

Nói chung, hình thức này có vai trò giới hạn trong quy hoạch dài hạn, điều phối các vấn đề chính sách và chiến lược cấp cao, không có vai trò vận hành hoặc quản lý hàng ngày Ví dụ, Hội đồng lưu vực sông Lerma-Chapala được thành lập năm 1993 của Mexico,

Tổ chức lưu vực sông có phạm vi xem xét và giải quyết của quản lý nước là trên toàn bộ lưu vực sông, trong đó chức năng của quản lý nước có thể bao gồm hai loại, đó là:

- Đề ra các tiêu chuẩn, kiểu tra, điều hành các tổ chức chịu trách nhiệm quản lý vận hành các công trình khai thác sử dụng nước, quản lý

- Điều hành về tài nguyên nước trên toàn bộ lưu vực sông

Các TCLVS tập trung vào việc xây dựng và phát triển các chiến lược, chính sách, phân chia và điều phối sử dụng nước trong phạm vi lưu vực sông Việc trực tiếp quản lý vận hành các công trình cụ thể được hệ thống quản lý nước theo địa giới hành chính đảm nhiệm

1.3 Tình hình quản lý lưu vực tại Việt Nam

1.3.1 Phân cấp quản lý lưu vực

Cũng như các nước đang phát triển khác, hiện tại Việt nam đang quản

lý nước theo phương thức truyền thống tức là quản lý theo địa giới hành chính Điều 58 của Luật Tài nguyên nước đã giao nhiệm vụ quản lý nước thuộc trách nhiệm của bộ máy hành chính các cấp từ trung ương đến địa phương mà chịu trách nhiệm chính là Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN & PTNT) Tuy nhiên, vấn đề môi trường của một lưu vực sông lại không phụ thuộc vào địa giới hành chính và để có thể đánh giá chất lượng môi trường lưu vực trong khoảng thời gian dài hạn cung cấp bức tranh về chất lượng môi trường lưu vực cho các cơ quan quản lý thì việc quản lý môi trường theo lưu vực là một xu hướng tất yếu

Tuy nhiên, với xu hướng hội nhập về kinh tế cũng như khoa học kỹ thuật hiện nay thì việc áp dụng những phương thức quản lý lưu vực cho sự phát triển bền vững mà thế giới đang áp dụng là cần thiết Để có được những quyết định hợp lý về quản lý cho một lưu vực sông thì việc áp dụng những công cụ đánh giá, dự báo các kịch bản về môi trường đối với mỗi hành vi quản lý là cần thiết

1.3.2 Công cụ đánh giá các hoạt động quản lý lên chất lượng lưu vực sông

Để có thể mô phỏng nhằm đánh giá những tác động dài hạn của các hoạt động sản xuất và quản lý diễn ra trên lưu vực sông yêu cầu một số lượng lớn cơ sở dữ liệu về quan trắc trong một thời gian dài và bao gồm nhiều lĩnh vực liên quan Nhưng hiện nay, do hạn chế về những cơ sở dữ liệu quan trắc nên quá trình đánh giá những ảnh hưởng của những hoạt động quản lý đối với lưu vực hiện nay:

- Hiện chỉ sử dụng những mô hình đơn lẻ về đánh giá chất lượng nước các lưu vực là chính Trong đó chỉ quan tâm đến một số thông số đơn lẻ của chất lượng nước

- Chưa có mạng lưới quan trắc liên tục và dài hạn trên các lưu vực sông Do đó, việc thành lập một cơ sở dữ liệu đủ lớn cho các quá trình dự báo, mô phỏng để đưa ra được những quyết định về quản lý cũng như quy hoạch là chưa được áp dụng

- Chưa sử dụng rộng rãi những mô hình đánh giá, dự báo tác động tổng hợp của những hoạt động quản lý, sản xuất diễn ra trên lưu vực tới chất lượng môi trường lưu vực sông mang tính tổng hợp và dài hạn

Với thực trạng trên cộng với đặc điểm của phần mềm SWAT là có thể

mô phỏng các quá trình vật lý cũng như hoá học cho nhiều loại lưu vực sông khác nhau, với nhiều cấp độ khác nhau và đặc biệt là phần mềm cho phép

mô phỏng với một bộ số liệu quan trắc tối thiểu Do đó, việc áp dụng chương trình SWAT để mô phỏng nhằm đưa ra những dự báo dài hạn về chất lượng môi trường của lưu vực sông phục vụ cho quá trình quản lý là có thể được

1.4 Công cụ mô hình hóa trong đánh giá quá trình quản lý lưu vực sông[10,22,23]

Trong quá trình quản lý lưu vực thì việc tiến hành quan trắc và đánh giá chất lượng môi trường là một công tác được tiến hành thường xuyên định kỳ Trong công tác đánh giá thì việc sử dụng công cụ mô hình để mô phỏng các quá trình vật lý, hoá học cũng như sinh học trong lưu vực nhằm

đưa ra những dự báo trong thời gian ngắn hạn cũng như dài hạn là một trong những công cụ hữu ích

Mặt khác, ngày nay, mô hình hóa đã trở nên hoạt động phổ biến trong hầu hết mọi lĩnh vực nói chung, và phân tích chất lượng nước và lập kế hoạch cho công tác quản lý lưu vực nói riêng Giá trị cơ bản của bất cứ loại

mô hình nào bao gồm hai phần: thứ nhất là hiểu và mô phỏng lại cách thức làm việc của hệ thống được mô hình, và tiếp theo là dự báo hệ thống sẽ phản ứng như thế nào với những điều kiện hoặc và hoạt động khác trong tương lai Trong một lưu vực sông, chất lượng nước tại bất kỳ vị trí nào được quyết định theo sự phân bố thực từ tất cả những nguồn điểm và nguồn diện Một hoặc nhiều hoạt động trên lưu vực sông có thể đòi hỏi đánh giá ảnh hưởng thực Do vậy, sự tin cậy trực quan, kinh nghiệm nghề nghiệp hay những kỹ thuật phân tích được đơn giản hoá là một biện pháp không thích hợp cho việc đưa ra những quyết định quản lý để có thể có những kết quả tốt về kinh

tế và môi trường Sự cần thiết để xem xét đầy đủ những quá trình quyết định

sự tồn tại và di chuyển của những chất trong nước đã được phát triển thành thuật ngữ phổ biến “Phân tích chất lượng nước toàn diện” Sự phân tích toàn diện đó sẽ không thể đạt được kết quả nếu không sử dụng những mô hình toán học tổng quát và các chương trình tính toán mô phỏng [9]

Do khả năng dự báo trước những điều kiện của tương lai nên công cụ

mô hình là rất hữu ích cho phác thảo những chiến lược và những thước đo quản lý khác nhau Vì vậy, mô hình hóa là một công cụ trợ giúp trọng việc lựa chọn những hoạt động quản lý mong muốn

Bên cạnh đó, để thuận tiện cho việc áp dụng các mô hình trong quá trình tính toán, mô phỏng người ta thường đóng gói các mô hình trong các phần mềm chuyên dụng Tên của các phần mềm thường trùng với tên của các mô hình chứa đựng trong nó

Sự đa dạng của những phần mềm hiện hữu giúp đánh giá những quan

hệ lợi ích của những hoạt động kết hợp tại phạm vi và mức độ lưu vực sông

Dù sao, nắm rõ những hạn chế của mô hình và những sự giả định là cần thiết cho sự giải thích phù hợp cho những kết quả của mô hình Điều quan trọng

là những phần mềm có được giá trị thoả đáng và độc lập với việc phân loại tình huống Sau đây là một số phần mềm đã được đánh giá cho một phạm vi thay đổi rộng của những điều kiện sản xuất nông nghiệp và đã được xem là thích hợp cho việc mô phỏng tác động của các hoạt động quản lý sản xuất ở quy mô trang trại hay cánh đồng

a GLEAMS- Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems- (Knisel và cộng sự, 1991) mô phỏng những tác động của những hoạt động quản lý và những lựa chọn tưới tiêu bên lề của dòng chảy mặt của cánh đồng, trầm tích và sự hoà tan cũng như gắn vào trầm tích của nitơ, photpho và thuốc trừ sâu Mô hình được sử dụng để dự báo sự di chuyển của thuốc trừ sâu (Zacharias và cộng sự, 1992) và dinh dưỡng và trầm tích từ những sự kết hợp khác nhau của sử dụng đất và quản lý (Knisel

và Leonard, 1989; Smith và cộng sự, 1991)

b EPIC- Erosion-Productivity Impact Calculator- (Sharpley và Williams, 1990) mô phỏng ảnh hưởng của những chiến lược quản lý lên chất lượng nước đồng ruộng và nitrat và thuốc trừ sâu thấm tới đáy của phẫu diện đất Mô hình EPIC đã được sử dụng để đánh giá những hoạt động quản lý đất trồng trọt khác nhau (Sugiharto và cộng sự, 1994; Edward và cộng sự, 1994)

c NLEAP (Follet và cộng sự, 1991) đánh giá tiềm năng của nitrat thấm qua do việc sử dụng đất và những hoạt động quản lý Mô hình NLEAP

đã được sử dụng để dự báo tiềm năng thấm qua của nitơ dưới những kịch bản quản lý khác nhau (Wylie và cộngs sự, 1994; Wylie và cộng sự, 1995)

d PRZM- Pesticide Root Zone Model- (Mullens và cộng sự, 1993)

mô phỏng sự di chuyển của thuốc trừ sâu trong những đất trồng không bão hoà trong và ngay bên dưới khu vực rễ cây PRZM đã được sử dụng dưới những điều kiện khác nhau để đánh giá thuốc trừ sâu thấm quan dưới những đồng ruộng(Zacharias và cộng sự, 1992; Smith và cộng sự, 1991)

e DRAINMOD (Skaggs, 1980) đã được sử dụng để dự báo những sự suy giảm ô nhiễm liên quan tới những kịch bản quản lý thoat nước khác nhau (Deal và cộng sự, 1986)

f REMM (Mô hình quản lý hệ sinh thái ven sông) là một mô hình mô phỏng máy tính sử dụng để mô phỏng thuỷ văn, động lực chất dinh dưỡng

và sự phát triển của cây tròng cho những khu vực đất giữa gờ cạnh của đồng ruộng và thân nước Kết quả của REMM cho phép những người thiết kế phát triển những hệ đệm giúp cho việc kiểm soát nguồn ô nhiễm diện

g NTRM (Shaffer và Larson, 1985) mô phỏng tác động của xói mòn đất lên năng suất dài hạn và ngắn hạn của đất trồng, và trợ giúp đánh giá những hoạt động quản lý đất hiện tại và dự định trong những khu vực nghiên cứu xói mòn, sự màu mỡ của đất, tưới tiêu, phần cặn bã của mùa vụ, và sự làm đất

Những mô hình có thể được sử dụng hoặc phân tích khu vực nông nghiệp hoặc quy mô lưu vực sông nhỏ

a WEPP (Flanagan và Nearing, 1995) mô phỏng dòng chảy của nước, xói mòn, và trầm tích sinh ra từ những cánh đồng hoặc lưu vực nhỏ Mô hình WEPP được áp dụng với những điều kiện quản lý và sử dụng đất khác nhau (Tiscareno-Lopez và cộng sự, 1993; Liu và cộng sự, 1997)

b SWAT – Soil and Water Asessment Tool(được kết hợp với SWRRBWQ) (Arnold và cộng sự, 1990) mô phỏng ảnh hưởng của những hoạt động của quản lý nông nghiệp như luân canh, sự bảo tồn đất canh tác,

chất cặn bã, dinh dưỡng, quản lý thuốc trừ sâu; và tăng cường những phương pháp áp dụng chất thải động vật đối với chất lượng nước Phần mềm SWRRB đã được sử dụng đối với một vài lưu vực sông để đánh giá những hoạt động quản lý và để kiểm tra tính hợp lý của nó (Arnold và Williams, 1987; Binger và cộng sự, 1987)

c AnnAGNPS- Annual Agricultural Non-Point Source- (Cronshey và Theurer, 1998) là mô hình phân phối không gian để ước tính dòng ô nhiễm

từ những lưu vực nông nghiệp Phần mềm AnnAGNPS đã được áp dụng với nhiều lĩnh vực và loại lưu vực sông để ước tính dòng ô nhiễm từ những hoạt động quản lý và sử dụng đất khác nhau (Bosch và cộng sự, 1998; Line và cộng sự, 1997; Young và những người khác, 1994; Sugiharto và cộng sự, 1994; Bingner và cộng sự, 1987)

d ANSWERS- Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation (Beasley và cộng sự, 1980) là phần mềm phân phối lưu vực theo không gian Về cơ bản mô hình là dòng chảy và mô hình trầm tích khi những quá trình dinh dưỡng đất không được mô phỏng Phần mềm ANSWERS đã được ứng dụng cho những khu vực đồng ruộng có kích thước nhỏ với những hoạt động quản lý khác nhau (Griffin và cộng sự, 1988; Bingner và cộng sự, 1987)

e BASINS- Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources-EPA, 2001- là một chương trình trên nền GIS thân thiện với người

sử dụng bao gồm vài mô hình có khả năng mô phỏng lưu vực sông nạp và nhận những tác động của nước ở những mức độ phức tạp khác nhau Phiên bản mới của BASINS cho phép chia những lưu vực sông lớn thành những đoạn lưu vực sông nhỏ hơn sử dụng công cụ phác hoạ tự động hay công cụ phác hoạ thủ công BASINS 3.0 bao gồm 3 chương trình mô phỏng lưu vực sông

- HSPF (Hydrological Simulation Program- Fortran) được cung cấp bởi một giao diện cửa sổ mới làm cho nó dễ dàng hơn trong việc vận hành

mô phỏng lưu vực ở những khu vực thành thị và nông thôn

- SWAT(Soil and Water Assessment Tool)- Mô hình lưu vực nông thôn, còn được gọi là Công cụ đánh giá nước và đất, được phòng dịch vụ nghiên cứu nông nghiệp Hoa Kỳ phát triển Nó được dự đoán trước là mô hình này sẽ được sử dụng rộng rãi tại những lưu vực sông có phát triển nông nghiệp

- PLOAD, là mô hình rất đơn giản, thích hợp nhất cho những phân tích thử nghiệm

Ngoài ra, còn có một mô hình mới là GenScn cho phép người sử dụng quản lý, trực quan, phân tích, và so sánh các kết quả của vài sự mô phỏng của HSPF và SWAT (www.epa.gov/ost/basins )

Những mô hình này có thể là những công cụ hữu ích cho dự kiến việc thực thi thước đo quản lý để đạt được những mục tiêu chất lượng nước, nhưng những giới hạn của mô hình và sự giải thích thoả đáng kết quả mô hình nên được hiểu đầy đủ trước khi đưa ra những quyết định thực thi

Mỗi một loại chương trình ở trên đều có những ưu và nhược điểm riêng của mình Việc lựa chọn áp dụng chương trình được dựa chủ yếu vào mục đích cũng như đối tượng sử dụng

Đối với mục đích để đánh giá tác động của những hoạt động quản lý

và sản xuất tới chất lượng nước và đất của một lưu vực sông trong một khoảng thời gian dài thì SWAT là một công cụ hữu hiệu Do được kết hợp bởi nhiều chương trình tính toán về các quá trình khí tượng, các quá trình vận chuyển vật lý cũng như các quá trình hoá học diễn ra trên lưu vực sông Ngoài ra, việc áp dụng phần mềm SWAT cũng khá linh hoạt và phù hợp với

nhiều điều kiện hoàn cảnh khác nhau nên việc sử dụng phần mềm này đang trở nên phổ biến ở nhiều nước trên thế giới

1.5 Lịch sử phát triển của SWAT

SWAT kết hợp những đặc điểm của vài chương trình ARS (Agricultural Research Service) và là sự phát triển trực tiếp của chương trình SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins) Những chương trình riêng được phát triển đặc biệt của SWAT là CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)(Knisel,

Management Systems)(Leona và cộng sự, 1987), và Productivity Impact Calculator)(Williams và cộng sự, 1984)

EPIC(Erosion-Sự phát triển của SWRRB bắt đầu với việc biến đổi của mô hình thuỷ văn của lượng mưa hàng ngày của CREAMS Những sự thay đổi chính của

mô hình CREAMS là:

- Mô hình được mở rộng cho phép tính toán mô phỏng trên nhiều tiểu lưu vực nhằm dự báo lượng nước sinh ra

- Thêm vào dòng nước mặt và dòng trở lại (return flow)

- Thêm vào thành phần hồ chứa nhằm tính toán ảnh hưởng của ao, hồ chứa nước cho nông nghiệp đối với việc phát sinh nước và trầm tích

- Kết hợp các dữ liệu của lượng mưa, bức xạ mặt trời, và nhiệt độ voà

mô hình mô phỏng khí hậu nhằm thuận tiện cho việc mô phỏng dài hạn và cung cấp những mô phỏng khí tượng về không gian và thời gian

- Nâng cao phương pháp dự báo tốc độ dòng chảy đỉnh

- Mô hình của sự phát triển mùa vụ EPIC được bổ sung nhằm tính toán sự thay đổi hàng năm trong tăng trưởng

- Bổ sung thành phần đường đi đơn giản của lũ

- Bổ sung những thành phần vận chuyển trầm tích để mô phỏng sự vận chuyển của trầm tích qua ao, hồ, dòng chảy và thung lũng

- Kết hợp với sự tính toán tổn thất trong quá trình vận chuyển

Mô hình được sử dụng chủ yếu vào những năm 1980 để đánh giá chất lượng nước và sự phát triển của SWRRB đã phản ánh tầm quan trọng này Những

sự thay đổi đáng kể của SWRRB trong thời gian này bao gồm:

- Sự kết hợp thành phần phân huỷ thuốc trừ sâu trong GLEAMS

- Lựa chọn công nghệ SCS ước tính tốc độ dòng chảy đỉnh

- Phát triển các phương trình mới cho việc phát sinh trầm tích

Những sự thay đổi này mở rộng khả năng của mô hình nhằm giải quyết một sự thay đổi rộng trong những vấn đề quản lý lưu vực

Cuối những năm 1980, Vụ những vấn đề người da đỏ(Bureau of Indian Affairs) yêu cầu một mô hình ước tính tác động xuôi dòng của việc quản lý nước trong những khu vực đất của người da đỏ ở Arizona và New Mexico Trong khi SWRRB chỉ thích hợp cho những lưu vực có kích thước vài trăm kilomet vuông, Vụ này muốn mô phỏng dòng chảy cho lưu vực mở rộng tới vài nghìn kilomet vuông Với một khu vực được mở rộng, lưu vực nghiên cứu cần được chia nhỏ ra thành vài trăm tiểu lưu vực Sự phân chia lưu vực trong SWRRB bị giới hạn trong 10 tiểu lưu vực và mô hình được đi của nước và vận chuyển trầm tích ra khỏi các tiểu lưu vực một cách trực tiếp tới cửa thoát nước của lưu vực sông Những hạn chế này dẫn tới việc phát triển của một mô hình ROTO(Routing Outputs to Outlet)(Arnold và cộng sự,1985), mô hình đã đem nguồn ra từ những sự vận hành của SWRRB và vận chuyển những dòng chảy thông qua các kênh và hồ chứa ROTO cung cấp một phương pháp tiếp cận đường đi của dòng chảy và khắc phục sự giới hạn các tiểu lưu vực của SWRRB bằng cách liên kết những sự hoạt động đồng thời của nhiều SWRRB Mặc dù sự tiếp cận này có hiệu quả, những

file đầu vào và đầu ra của SWRRB cồng kềnh và yêu cầu trữ lượng tính toán lớn Thêm vào đó, tất cả những vận hành của SWRRB phải được tiến hành độc lấp và sau đó đưa vào ROTO đối với đường đi trong kênh và hồ chứa

Để khắc phục khó khăn này, SWRRB và ROTO được kết hợp thành một mô hình duy nhất là SWAT Trong khi cho phép những sự mô phỏng của những khu vực mở rộng, SWAT giữ lại tất cả những đặc tính của SWRRB như mô hình mô phỏng giá trị

Kể từ khi SWAT được sáng lập vào đầu những năm 90, nó đã liên tục trải qua những kiểm nghiệm và mở rộng tính năng Những giai đoạn phát triển quan trọng của mô hình gồm:

 SWAT94.2: Kết hợp thêm nhiều đơn vị phản ứng thuỷ văn (HRUs)

 SWAT96.2: Sự tự màu mỡ và tưới tiêu được bổ sung vào như những lựa chọn quản lý; kết hợp với sự tích nước trong tán cây; bổ sung thêm thành phần CO2 vào mô hình sinh trưởng của mùa vụ trong những nghiên cứu sự biến đổi khí hậu; bổ sung phương trình Penman-Monteith để tính lượng bốc hơi tiềm năng; kết hợp thêm dòng chảy ngầm được dựa vào động học của

mô hình lưu trữ: những phương trình chất lượng nước trong dòng chảy từ QUAL2E được bổ sung thêm; đường đi của thuốc trừ sâu trong dòng chảy

 SWAT98.1: Hoàn thiện tuyết tan thông thường; nâng cấp chất lượng nước trong dòng chảy; mở rộng chu trình dinh dưỡng; ứng dụng chăn thả, bón phân, và dòng chảy thoát nước cứng được bổ sung như những lựa chọn quản lý; mô hình được cải biên để sử dụng ỏ Southern Hemisphere

 SWAT99.2: phát triển chu trình dinh dưỡng, phát triển đối với mùa vụ/ đất ngập nước, việc loại bỏ dinh dưỡng khỏi hồ chứa/ao/đất ngập nước do sa lắng được bổ sung; việc tích luỹ nước ở bờ sông của dòng chảy được thêm vào; đường đi của kim loại thông qua dòng chảy được bổ sung; tất cả những năm được xem xét trong mô hình thay đổi từ 2 số của năm lên 4 chữ số;

những phương trình về xây dựng đô thị/rửa trôi từ SWMM được thêm vào cùng với những phương trình hồi quy của USGS

 SWAT2000: Bổ sung thêm việc di chuyển của vi khuẩn; Sự thấm qua của Green & Ampt; hoàn thiện việc dự báo thời tiết; cho phép tính toán hay đọc

dữ liệu về bức xạ mặt trời hàng ngày, độ ẩm tương đối, và tốc độ gió; cho phép các giá trị bay hơi tiềm năng đối với lưu vực có thể được tính toán hay

sử dụng các cơ sở dữ liệu quan trắc; mọi phương pháp tính toán lượng bốc hơi tiềm năng đều được tính đến; hoàn thiện những quá trình theo đai độ cao; cho phép mô phỏng không hạn chế về số lượng các hồ chứa; bổ sung phương pháp đường đi Muskingum; cải biên những tính toán về trạng thái ngủ cho việc mô phỏng trong những khu vực có rừng

Bên cạnh những thay đổi liệt kê ở trên, giao diện cho phần mềm đã được phát triển trên Windows, GRASS, và ArcView SWAT cũng tiếp tục được mở rộng độ chính xác

Từ khi SWAT được công bố và cục Môi trường Mỹ(EPA) coi đó là một công cụ chuẩn để đánh giá đất và nước của lưu vực, SWAT đã được sử dụng một cách rộng rãi trên thế giới Kể từ năm 1998, nhóm SWAT, gồm các thành viên trên của nhiều nước trên thế giới lại họp mặt một lần nhằm công bố những nghiên cứu mở rộng tính chính xác và phát triển thêm những khả năng mới của SWAT

Do SWAT là sự kết hợp của nhiều chương trình mô phỏng riêng biệt nên nó sử dụng một lượng lớn các thao tác tính toán, vận hành Nên để có thể kiểm soát được chương trình cũng như tính chính xác của kết quả mô phỏng thì việc hiểu được cơ sở lý thuyết cũng như phương thức xử lý dữ liệu của SWAT là việc cần thiết nhất là khi SWAT là một ứng dụng mới ở nước

ta

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH

Để thực hiện quá trình mô phỏng các quá trình xảy ra trên 1 lưu vực

SWAT đã sử dụng một loạt các chương trình riêng được kết hợp với nhau để

mô tả những hiện tượng diễn ra trên lưu vực Trong số các chương trình

được sử dụng thì có 2 loại chính là: chương trình dự báo khí tượng và

chương trình dự báo về thuỷ văn

Hình 2.1 Sơ đồ tóm tắt các hợp phần của SWAT

Như sơ đồ chỉ ra, chương trình bao gồm nhiều hợp phần và mỗi hợp

phần lại có rất nhiều các phương trình giả thiết cũng như một loạt các thông

số lựa chọn cũng như thông số kinh nghiệm khác nhau Vì thế, để có thể

Mô hình về khí tượng

- Ước tính lượng mưa

- Dự báo về độ ẩm trung bình

- Dự báo nhiệt độ và bức xạ nhiệt

Pha đất của chu trình thuỷ văn:

Hoạt động quản lý của con người:

- Sử dụng nước cho sinh hoạt

- Hoạt động canh tác

kiểm soát, vận hành được chương trình thì việc hiểu các thuật toán cũng như phương thức xử lý số liệu của chương trình là một nhiệm vụ không thể thiếu

Nhưng do, SWAT là một chương trình lớn, với một số lượng phương trình cũng như dữ liệu đầu vào lớn, liên tục và chính xác vì thế với điều kiện

và khuôn khổ luận văn chỉ tập trung vào một số chỉ tiêu chính và sử dụng đa

số các giá trị mặc định của các thông số

2.1 Khí hậu

Đối với công tác mô phỏng các quá trình vật lý, hóa học cũng như sinh học trong lưu vực sông thì yếu tố khí hậu là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp Khí hậu trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nước trong lưu vực, ảnh hưởng tới tốc độ sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đến các quá trình phân huỷ và tổng hợp các hợp chất hữu cơ trong đất và nước; nó có tầm ảnh hưởng rộng trên toàn bộ lưu vực Do vậy, trong mô hình dự báo chất lượng môi trường lưu vực thì việc dự báo về khí hậu là công việc cần phải tiến hành đầu tiên

Từ các số liệu về khí hậu về lượng mưa, nhiệt độ, bức xạ nhiệt, tốc độ gió thu thập được từ các trạm quan trắc SWAT đã sử dụng các thuật toán để

dự báo về các yếu tố khí hậu

2.1.1 Nhiệt độ và bức xạ mặt trời [15]

Nhiệt độ ảnh hưởng tới một số quá trình vật lý, hoá học và sinh học/ Nhiệt độ không khí hàng ngày có thể được nạp vào phần mềm hay được tính toán từ những giá trị trung bình tháng Nhiệt độ không khí có vai trò cấp nhiệt cho nước và đất

Cơ sở tính những giá trị nhiệt độ tối đa, tối thiểu, bức xạ mặt trời được Matalas đề xuất (1967):

mon i

mon

mon i

mon

mon i

mon day rad rad

i(1) là phần dư của nhiệt độ tối đa vào ngày xác định

i(2) là phần dư cho nhiệt độ tối thiểu vào ngày xác định

i(3) là phần dư cho bức xạ mặt trời vào ngày xác định

mxmon, mnmon, radmon là độ lệch tiêu chuẩn cho nhiệt độ tối đa trong tháng, nhiệt độ tối thiểu trong tháng và bức xạ mặt trời trong tháng

2.1.2 Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối được sử dụng trong phương trình Penman-Monteith

để tính sự bay hơi tiềm năng

 Độ ẩm tương đối trung bình hàng tháng:

Độ ẩm trung bình được định nghĩa là tỷ số của áp suất hơi nước thực với áp suất hơi nước bão hoà tại một nhiệt độ xác định:

o mon

mon hmon

e

e

với Rhmon là độ ẩm tương đối trung bình cho tháng

emon là áp suất hơi nước thực tại nhiệt độ trung bình hàng tháng (kPa) 0

mon

e là áp suất hơi nước bão hoà tại nhiệt độ trung bình hàng tháng

 Độ ẩm tương đối trung bình hàng ngày:

Phân bố tam giác được sử dụng để tính giá trị độ ẩm tương đối hàng ngày yêu cầu 4 dữ liệu đầu vào: độ ẩm tương đối trung bình hàng tháng, giá trị độ ẩm tương đối cực đại cho phép trong tháng, giá trị độ ẩm tương đối cực tiểu cho phép trong tháng, và một giá trị ngẫu nhiên giữa 0.0 và 1.0

- Giá trị độ ẩm tương đối cực đại, hay giới hạn trên của sự phân bố

tam giác, được tính từ độ ẩm tương đối trung bình hàng tháng với phương trình:

)1exp(

)1

Rhmon là độ ẩm tương đối trung bình cho tháng

- Giá trị ẩm tương đối cực tiểu, hay giới hạn dưới của sự phân bố tam

giác, được tính từ độ ẩm tương đối trung bình hàng tháng với phương trình:

Rhmon là trung bình độ ẩm tương đối cho tháng

Sự phân bố tam giác sử dụng một trong hai hệ phương trình để tính giá trị ẩm trung bình trong ngày

hLmon hmon

R R

R R

hLmon hmon

R R

R R

hLmon hUmon

hmon hUmon

hUmon

h

R R

rnd R

rnd R

R R

R

Rh là độ ẩm trung bình tương đối tính cho ngày

rnd1 là một giá trị ngẫu nhiên được mô hình phát sinh hàng ngày

Rhmon là trung bình độ ẩm tương đối tính cho tháng

RhLmon là giá trị độ ẩm tương đối cực tiểu có thể tính được vào một ngày trong tháng

RhUmon là giá trị độ ẩm tương đối lớn nhất có thể được tính vào một ngày xác định trong tháng

- Mặt khác, khi xem xét tác động của điều kiện trời quang đãng hay có mây che phủ thì phương trình được biến đổi thành:

dry hDmon

wet hWmon

tot hmon days R days R days

RhWmon là trung bình độ ẩm tương đối cho tháng tính với những ngày

ẩm

dayswet là số ngày ẩm trong tháng

RhDmon là trung bình độ ẩm tương đối cho tháng tính với những ngày khô

daysdry là số ngày khô trong tháng

+ Trung bình độ ẩm tương đối của ngày ẩm được xem lớn hơn ngày khô vài phần:

)1

( hDmon

H hDmon hWmon R b R

1

tot

wet H

hmon hDmon

days

days b

days

days b

R

+ Để phản ánh tác động của những điều kiện ẩm hay khô, SWAT sẽ thay thế Rhmon bằng RhWmon với ngày ẩm hay RhDmon vào những ngày khô trong những phương trình từ (2.1.28) tới (2.1.31)

2.1.3 Lượng mưa

Để xác định lượng mưa hàng ngày, Rday, SWAT đã kết hợp được cả việc đo đạc và dự báo lượng mưa Để mô phỏng lượng mưa SWAT đã cung cấp đồng thời 2 phương pháp xác định lượng mưa: sự phân bố lệch (skewed distribution) của Nicks (1976) và sự phân bố số mũ:

- Sự phân bố lệch: được Nicks đề xuất (1974) dựa vào sự phân bố

lệch của Fiering (1967) tính dòng chảy đại diện Phương trình tính tổng lượng mưa vào ngày ẩm là:

mon mon

day

g

g g SND R

1 1 6

6

2

3





mon là lượng mưa trung bình ngày (mmH2O) cho tháng

mọn là độ lệch tiêu chuẩn của lượng mưa hàng ngày(mmH2O) tháng SNDday là độ lệch chuẩn thông thường ngày

gmon là hệ số đối xứng lệch đối với lượng mưa hàng ngày trong tháng

- + Sự phân bố số mũ được cung cấp như một lựa chọn thay thế cho

phân bố lệch Sự phân bố này yêu cầu ít số liệu đầu vào hơn và được sử dụng phổ biến nhất cho những khu vực bị hạn chế về cơ sở dữ liệu về lượng mưa:

với rnd1 là số ngẫu nhiên giữa 0.0 và 1.0

mon là lượng mưa trung bình hàng ngày (mmH2O)

rexp là số mũ nên được đặt giữa 1.0 và 2.0 Khi giá trị của rexp tăng,

số lượng của của những hiện tượng mưa lớn trong năm tăng lên

với 10m là tốc độ gió trung bình cho ngày (m s-1)

wndmon là tốc độ gió trung bình cho tháng (m s-1)

rnd1 là một số ngẫu nhiên giữa 0.0 và 1.0

2.1.5 Nhiệt độ đất

Nhiệt độ đất ảnh hưởng sự di chuyển của nước và tốc độ phân huỷ của chất cặn bã trong đất Trung bình nhiệt độ đất hàng ngày được tính tại bề mặt thổ nhưỡng và trung tâm của mỗi lớp thổ nhưỡng Nhiệt độ của bề mặt thổ nhưỡng là một hàm số của độ che phủ của tuyết, thực vật và che phủ của chất cặn bã, nhiệt độ tối thiểu của bề mặt thổ nhưỡng, và nhiệt độ đất của ngày hôm trước

- Nhiệt độ của đất khi không có lớp phủ bề mặt:

2

) ( mx mn

sr av bare

T T T

av

T là nhiệt độ trung bình ngày

Tmx, Tmn là nhiệt độ tối đa và tối thiểu hàng ngày

sr là giới hạn bức xạ

- Nhiệt độ đất khi có lớp phủ bề mặt:

Tssurf = bcv.Tsoil(1, dn-1) + (1- bcv).Tbare

Tssurf là nhiệt độ bề mặt đất trong ngày (0C)

bcv là hệ số phụ với những tác động của lớp phủ

Tsoil(1, dn-1) là nhiệt độ đất của lớp đất đầu tiên của ngày hôm trước

Tbare là nhiệt độ của bề mặt đất trống

T là nhiệt độ trung bình trong ngày (0C)

Bên cạnh nhiệt độ không khí, nhiệt độ nước bị bức xạ mặt trời, độ ẩm tương đối, tốc độ gió, độ sâu của nước, dòng nước ngầm vào, những nguồn nhiệt nhân tạo, sự dẫn nhiệt của trầm tích và sự có mặt của sự ngăn nước dọc theo mạng lưới dòng chảy ảnh hưởng SWAT coi tác động của những biến khác lên nhiệt độ của nước là không đáng kể

2.2 Thuỷ văn

Khi mưa rơi, một phần nhỏ nước mưa được bốc hơi ngay trong không khí, một phần được tán lá giữ lại và bốc hơi trên tán, phần còn lại rơi xuống mặt đất Phần nước mưa tới bề mặt đất thì có một phần thấm qua phẫu diện đất tạo thành dòng chảy ngầm, phần còn lại thì tạo dòng chảy bề mặt đổ vào sông hồ Cùng với sự bay hơi chúng tạo thành một chu trình khép kín

Ta có thể tóm tắt quá trình bằng phương trình cân bằng nước:

SWt là lượng nước chứa trong đất sau cùng (mmH2O)

SW0 là lượng nước chứa trong đất ban đầu vào ngày thứ i (mmH2O)

Rday là tổng lượng mưa vào ngày thứ i (mmH2O)

Qsurf là tổng dòng mặt vào ngày thứ i (mmH2O)

Ea là tổng lượng bốc hơi vào ngày thứ i (mmH2O)

wseep là tổng lượng nước xâm nhập vào vùng vadose từ đất vào ngày thứ i (mmH2O)

Qqw là tổng dòng trở lại vào ngày thứ i (mmH2O)

2.2.1 Sự lưu lại trên tán

Sự lưu lại tại tán là nước bị chặn lại do bề mặt thực vật (tán lá), tại đó nước được giữ lại và tạo ra khả năng bay hơi

Tổng lượng nước tối đa có thể được giữ lại thay đổi theo ngày là một hàm của chỉ số bề mặt lá:

mx mx

day

LAI

LAI can

LAI là chỉ số che phủ của lá vào ngày xác định

LAImx là chỉ số che phủ lá tối đa

2.2.2 Sự thấm qua

Sự thấm qua tìm đến sự xâm nhập của nước vào đất từ bề mặt Khi thấm qua tiếp tục diễn ra, đất trở nên ẩm hơn, nó sẽ làm giảm tốc độ thấm qua theo thời gian cho tới khi nó đạt tới một giá trị không đổi

- Sự thấm qua được tính cho từng lớp đất của phẫu diện Thể tích nước thấm qua cho mỗi lớp đất phụ thuộc vào dung tích trữ nước của từng lớp (mmH2O)

1.2.3.1 Sự bay hơi tiềm năng

Sự bay hơi là một thuật ngữ chung cho tất cả những quá trình chuyển biến nước từ pha lỏng hay rắn thành hơi nước trong khí quyển Sự bay hơi bao gồm sự bay hơi từ sông và hồ, đất trống, và bề mặt thực vật; sự bay hơi

từ lá của cây trồng; và sự thăng hoa từ bề mặt băng và tuyết

Để tính sự bay hơi tiềm năng, SWAT cung cấp cho người sử dụng 3 phương pháp xác định: Phương pháp Penman-Monteith; phương pháp Priestley-Taylor và phương pháp Hargreaves Mỗi phương pháp lại yêu cầu một bộ số liệu đầu vào khác nhau:

a Phương pháp Penman-Monteith(Monteith,1965; Allen,1986; Allen, 1989): yêu cầu bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và tốc

độ gió

) 1 (

] [

) (

0

a c

a z z p air net

r r

r e e c G

H E

+

 +



−



 +

: độ dốc của đường cong nhiệt độ hơi nước bão hoà

e : áp suất hơi bão hoà của không khí tại độ cao z (kPa)

ez: áp suất hơi nước của không khí tại độ cao z (kPa)

: hằng số ẩm (kPa 0C-1)

rc: trở lực tán lá (s m-1)

ra: trở lực khuếch tán trong không khí (s m-1)

b Phương pháp Priestley- Taylor(Priestley-Taylor, 1972): yêu cầu dữ

liệu về bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối

: ẩn nhiệt hoá hơi (MJ kg-1)

E0: sự bay hơi tiềm năng (mm d-1)

: ẩn nhiệt hoá hơi (MJ kg-1)

E0: sự bay hơi tiềm năng (mm d-1)

Tmx: nhiệt độ tối đa

Tmn: nhiệt độ tối thiểu

SWAT loại bỏ tối đa nước khỏi tán khi tính toán lượng bốc hơi thực

tế Nừu sự bay hơi tiềm năng, E0, nhỏ hơn tổng lượng nước tự do được lưu lại trong tán, RINT, thì:

( ) ( )

0

can INT f INT i

Với, Ea: tổng lượng bay hơi thực tế trên lưu vực trong ngày (mmH2O),

Ecan: tổng lượng bay hơi của nước tự do trong tán trong ngày(mmH2O),

E0: tổng lượng bay hơi tiềm năng trong ngày(mmH2O),

RINT(i): Tổng lượng nước tự do ban đầu được lưu lại trong tán trong ngày(mmH2O),

RINT(f): tổng lượng nước tự do còn lại được lưu trong tán trong ngày (mmH2O)

b Sự thoát hơ nướci của thực vật

Nếu khi ta sử dụng phương trình của Penman-Monteith trong phương pháp tính lượng bay hơi tiềm năng, sự thoát hơi nước từ thực vật cũng sẽ được tính theo phương trình ở phần 1.2.3.1.a

Khi tính lượng bay hơi tiềm năng bằng các phương pháp khác, sự thoát hơi nước từ thực vật được tính:

0

3.0 khi khi LAI>3.0

c Sự thăng hoa và bay hơi từ đất

Tổng lượng thăng hoa hay bay hơi cực đại từ đất trong ngày được tính theo:

covsol = exp − 5.0 10  − CV

với CV: sinh khối và cặn bã che phủ mặt đất(kg.ha-1)

2.2.4 Sự tái phân phối

Sự phân phối lại có liên quan tới sự di chuyển liên tục của nước thông qua một phẫu diện đất sau khi nước xâm nhập vào (thông qua mưa hay tưới tiêu) đã dừng lại tại đất mặt.Sự tái phân bố là nguyên nhân cho sự khác biệt

về lượng nước trong phẫu diện

Một khi lượng nước trong toàn bộ phẫu diện là đồng đều, sự tái phân

bố sẽ ngừng lại

Thành phần tái phân bố của SWAT sử dụng một kỹ thuật lộ trình dự trữ để dự báo dòng chảy thông qua mỗi lớp đất trong khu vực rễ

- Dòng chảy xuống hay sự thấm qua, xảy ra khi khả năng trả lại của một lớp đất bị vượt quá và lớp bên dưới chưa bão hoà Tốc độ dòng bị tính dẫn bão hoà của mỗi lớp đất chi phối

Sự tái phân phối chịu ảnh hưởng của nhiệt độ đất Nếu nhiệt độ của một lớp đất cá biệt bằng 0 hay nhỏ hơn, thì sẽ không có sự tái phân phối xảy

ra ở lớp đất đó

a Dòng chảy ngầm

Dòng chảy bên dưới bề mặt, hay dòng chảy lẫn, là sự phân phối dòng chảy bắt nguồn từ bên dưới bề mặt nhưng bên trên khu vực đá được bão hoà nước Dòng chảy bên dưới bề mặt trong phẫu diện đất (0-2m) được tính đồng thời với sự tái phân bố Mô hình động lực lưu trữ được sử dụng để dự đoán dòng bên trong mỗi lớp đất Mô hình tính cho sự thay đổi trong tính dẫn nước, độ dốc và lượng nước trong đất

0

24

lat lat

Qlat: nước thoát ra từ độ dốc của dòng nước

Vlat: tốc độ dòng chảy tại cửa thoát nước (mm/h)

, 0

Dòng chảy bề mặt xảy ra khi tốc độ của nước xuống bề mặt vượt tốc

độ thấm SWAT cung cấp 2 phương pháp để ước tính dòng chảy bề mặt:

Thủ tục đường cong số SCS (SCS, 1972) và phương pháp thấm Green&Ampt (1911)

- Phương pháp đường cong số, đường cong số biến thiên phi tuyến với lượng ẩm của đất Đường cong số bị thấp đi khi đất tiến tới điểm hao mòn và tăng lên tới gần 100 khi đất tiến tới điểm bão hoà [18]

) (

)

S I R

I R Q

a day

a day

t

F K

Area: khu vực tiểu lưu vực (km2)

3.6: hệ số chuyển đổi đơn vị

c Ao

Ao là những cấu trúc lưu trữ nước được định vị trong một tiểu lưu vực

mà nó chắn dòng chảy bề mặt Khu vực hứng nước của một ao được định nghĩa như là một phần của toàn bộ khu vực tiểu lưu vực

Sự tích trữ nước trong ao là một hàm của sức chứa của ao, các dòng vào và ra hàng ngày, sự rò rỉ và bay hơi

Yêu cầu đầu vào: khả năng chứa và khu vực bề mặt của ao khi lấp đầy dung tích Sức chứa bên dưới khu vực bề mặt được tính như là một hàm phi tuyến của sự lưu trữ

d Kênh phụ

Có 2 dạng kênh được định nghĩa trong 1 tiểu lưu vực: kênh chính và những kênh phụ Những kênh phụ có cấp bậc nhỏ hơn hay thấp hơn những kênh phân nhánh từ kênh chính trong tiểu lưu vực Mỗi kênh phụ trong tiểu lưu vực chỉ dẫn một phần của tiểu lưu vực và không nhận sự phân phối nước ngầm vào dòng của mình Tất cả các dòng trong những kênh phụ được giải phóng và đi qua kênh chính của tiểu lưu vực SWAT sử dụng thuộc tính của những kênh phụ để quyết định thời gian tập trung cho mỗi tiểu lưu vực

Những tổn thất do vận chuyển: những tổn thất do vận chuyển là những tổn thất của dòng bề mặt đi qua lòng suối Dạng tổn thất này xảy ra trong những dòng chảy tạm thời hoặc không liên tục nơi sự phân phối nước ngầm diễn ra chỉ ở những thời điểm xác định trong năm

SWAT sử dụng phương pháp Lane để tính những tổn thất vận chuyển Những tổn thất nước từ kênh là một hàm của độ rộng và chiều dài kênh và thời gian dòng chảy

Khi xảy ra những tổn thất do vận chuyển trong những kênh phụ, cả thể tích dòng chảy cũng như tốc độ tối đa đều được điều chỉnh lại

e Dòng hồi lưu(return flow)[12]

Dòng trở lại, hay dòng đáy, là thể tích của dòng chảy bắt nguồn từ nước ngầm SWAT chia nước ngầm thành 2 hệ tầng ngậm nước: tầng ngậm nước được bảo vệ và tầng ngậm nước tự do phân phối dòng trở lại vào những dòng chảy bên ngoài lưu vực (Arnold và cộng sự, 1993)

Nước thấm qua đáy của khu vực rễ được chia thành 2 phần – mỗi phần phục hồi cho một trong những tầng ngậm nước

Thêm vào dòng trở lại, nước được trữ trong tầng ngậm nước được bảo

vệ có thể bổ sung độ ẩm trong phẫu diện đất trong điều kiện rất khô hay được cây trồng trực tiếp lấy đi Nước trong tầng được bảo vệ hay tự do có thể được lấy đi bằng bơm

2.2.5 Lớp phủ thực vật

a Sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng

1 Sự phát triển tiềm năng

Sự tăng lên tiềm năng của sinh khối thực vật vào một ngày xác định được định nghĩa là sự tăng lên của sinh khối dưới những điều kiện sinh trưởng lý tưởng Sự tăng lên tiềm năng của sinh khối cho một ngày là một hàm của năng lượng tiếp nhận và năng suất chuyển đổi năng lượng thành sinh khối của cây trồng Năng lượng tiếp nhận được tính như một hàm của bức xạ mặt trời và chỉ số khu vực lá cây

b quá trình hấp thu dinh dưỡng

Nitơ và Photpho cây trồng sử dụng được tính toán với một phép tính gần đúng sự cung cấp và nhu cầu ở nơi mà những nhu cầu về phôtpho và nitơ cho cây trồng được tính như là sự khác nhau giữa nồng độ thực của nguyên tố trong cây trồng và nồng độ tối ưu

Nồng độ tối ưu của các nguyên tố thay đổi với giai đoạn sinh trưởng được Jones mô tả (1983)

c Các yếu tố giới hạn khả năng sinh trưởng và phát triển của cây trồng

Sự sinh trưởng tiềm năng của cây trồng và mùa màng thường không đạt được đúng với những sự thúc ép do môi trường áp đặt Mô hình tính toán những thúc ép từ nước, dinh dưỡng và nhiệt độ

1 khi av 2 opt base

Mô hình thuỷ văn cung cấp những sự đánh giá thể tích dòng chảy và tốc độ dòng chảy cho mỗi vùng tiểu lưu vực Thể tích và tốc độ dòng chảy được dùng để tính sự biến thiên năng lượng xói mòn của dòng chảy