Ứng dụng mô hình swat hỗ trợ quản lý tài nguyên nước lưu vực sông cầu, tỉnh bắc kạn

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu của đề tài: Đánh giá được chất lượng nước bằng mô hình SWAT làm cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cầu.. Để đạt đư

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phạm Xuân Cảnh

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT HỖ TRỢ QUẢN LÝ

TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU, TỈNH BẮC KẠN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Phạm Xuân Cảnh

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT HỖ TRỢ QUẢN LÝ

TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU, TỈNH BẮC KẠN

Chuyên ngành: Bản đồ, viễn thám và hệ thông tin địa lý

Mã số: 60 44 76

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN NGỌC THẠCH

Hà Nội - 2012

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH ẢNH iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết 1

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu 2

3 Phạm vi nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC TRONG LƯU VỰC SÔNG 5

1.1 Quản lý tổng hợp lưu vực sông 5

1.2 Quản lý tổng hợp tài nguyên nước trong lưu vực sông 7

1.1.2 Yêu cầu và mục đích quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông 7

1.2.3 Xác định nguồn gây ô nhiễm nước 8

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam 17

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH SWAT TRONG HỖ TRỢ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC… 21

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAT 21

2.2.1 Một số khái niệm trong mô hình SWAT 21

2.2.2 Mô hình SWAT 22

2.2.2.1 Chu trình thủy văn mặt đất 24

2.2.2.2 Chu trình nước trong hệ thống sông 30

2.2 Lựa chọn thông số dánh giá chất lượng nước 31

2.2.1 Các thông số đánh giá chất lượng nước 31

2.2.2 Lựa chọn thông số đầu ra của mô hình SWAT để dánh giá chất lượng nước lưu

vực sông Cầu 36

CHƯƠNG 3 - SỬ DỤNG MÔ HÌNH SWAT HỖ TRỢ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC LƯU VỰC SÔNG CẦU, TỈNH BẮC KẠN 38

3.1 Một số đặc điểm chính của lưu vực sông Cầu 38

3.1.1 Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Cầu 38

3.1.2 Tình hình khai thác sử dụng tài nguyên nước lưu vực sông Cầu 43

3.2 Quy trình nghiên cứu 44

3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào 45

3.3.1 Dữ liệu địa hình 45

3.3.2 Phân chia tiểu lưu vực 46

3.3.3 Dữ liệu đất 49

3.3.4 Dữ liệu Sử dụng đất 58

3.3.5 Dữ liệu thời tiết 60

3.3 Đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Cầu bằng mô hình SWAT 62

3.3.1 Các bước chạy mô hình 62

3.3.2 Kết quả đánh giá 63

3.4 Kiến nghị một số giải pháp hỗ trợ quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cầu 72

KẾT LUẬN 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Lưu vực sông và khái niệm đường phân nước [2] 5

Hình 1 2 Ô nhiễm nước do rác thải sinh hoạt 10

Hình 1 3 Nước xả nước thải của công ty Vedan làm ô nhiễm sông Thị Vải 11

Hình 1 4 Rác thải y tế (Nguồn: http://danviet.vn) 14

Hình 1 5 Chất thải chăn nuôi gia súc (Nguồn: http://vietbao.vn) 15

Hình 1 6 Phun thuốc bảo vệ thực vật (Nguồn: http://agrivn.com) 16

Hình 2 1 Chu trình nước trong pha đất [14] 24

Hình 2 2 Sơ đồ thuật toán của SWAT cho chu trình nước trong pha đất [14] 25

Hình 2 3 Chu kỳ Nitơ được sử dụng trong SWAT [16] 28

Hình 2 4 Chu kỳ Photpho được sử dụng trong SWAT [16] 29

Hình 2 5 Quá trình vận chuyển thuốc trừ sâu trong SWAT [16] 29

Hình 2 6 Chu trình nước trong hệ thống sông ngòi 30

Hình 3 1 Lưu vực sông Cầu 38

Hình 3 2 Sơ đồ quy trình nghiên cứu 44

Hình 3 3 Qui trình xử lí dữ liệu địa hình 45

Hình 3 4 Mô hình số độ cao lưu vực sông Cầu 46

Hình 3 5 Quy trình phân chia tiểu lưu vực từ DEM 47

Hình 3 6 Cách xác định hướng dòng chảy từ DEM 47

Hình 3 7 Ví dụ tính toán hướng dòng chảy từ DEM 47

Hình 3 8 Tính toán dòng chảy tích luỹ 48

Hình 3 9 Bản đồ phân chia tiểu lưu vực 49

Hình 3 10 Phân loại thành phần cơ giới theo tam giác đều [19] 52

Hình 3 11 Sơ đồ 3 pha 53

Hình 3 12 Bảng tra hệ số xói mòn của đất (Wischmeier, Johnson 1971) 55

Hình 3 13 Sơ đồ quy trình xử lý dữ liệu đất 56

Hình 3 14 Bản đồ đất 57

Hình 3 15 Bản đồ Hiện trạng sử dụng đất lưu vực sông Cầu, Tỉnh Bắc Kạn 59

Hình 3 16 Cấu trúc tổng thể dữ liệu thời tiết 61

Hình 3 17 Đồ thị phân bố lượng mưa khu vưc nghiên cứu 61

Hình 3 18 Đồ thị phân bố nhiệt độ khu vưc nghiên cứu 62

Hình 3 19 Giao diện mô hình SWAT trong phần mềm Arcgis 62 Hình 3 20 Thứ tự các bước nhập dữ liệu vào mô hình 63 Hình 3 21 Biểu đồ hàm lượng NO 3 tiểu lưu vực số 7 theo thời gian tính từ mô hình SWAT (đơn vị: mg/l) 64 Hình 3 22 Hiểu đồ tương quan giữa số liệu tính toán và thực đo của hàm lượng NO 3 65 Hình 3 23 Kết quả hàm lượng trung bình năm các chất trong nước các tiểu lưu vực năm

2010 65 Hình 3 24 Kết quả phân loại chất lượng nước theo QCVN 08: 2008/BTNMT của mỗi tiểu lưu vực 66 Hình 3 25 Bản đồ phân cấp chất lượng nước theo hàm lượng NO3 trung bình năm 2010 67 Hình 3 26 Bản đồ phân cấp chất lượng nước theo hàm lượng PO 4 trung bình năm 2010 68 Hình 3 27 Bản đồ phân cấp chất lượng nước theo hàm lượng NH 4 trung bình năm 2010 69 Hình 3 28 Bản đồ phân cấp chất lượng nước theo chỉ tiêu ô nhiễm chất dinh dưỡng trung bình năm 2010 71 Hình 3 29 Đồ thị tương quan giữa % diện tích rừng tiểu lưu vực và hàm lượng các chất 72 Hình 3 30 Hàm lượng NO 3 cao nhất tập trung chủ yếu vào mùa mưa 73

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Các thông số chọn lọc để đánh giá nhanh tình trạng ô nhiễm nước 37

Bảng 3 1 Diện tích một số cây trồng chính trên lưu vực 41

Bảng 3 2 Số lượng gia súc và gia cầm trên lưu vực 41

Bảng 3 3 Tổng hợp diện tích nuôi trồng thủy sản theo các địa phương 42

Bảng 3 4 Thông số đầu vào của đất trong mô hình SWAT, nguồn: [16] 50

Bảng 3 5 Bảng ký hiệu nhóm thủy văn đất, nguồn: [16] 51

Bảng 3 6 Bảng kí hiệu kết cấu đất, nguồn: [16] 51

Bảng 3 7 Bảng phân loại về kích thước của thành phần cơ giới đất [16] 52

Bảng 3 8 Các thông số vật lý và hóa học của dữ liệu đất 57

Bảng 3 9 Tổng hợp 4 thông số: Hydgrp, AWC, Ksat, USLE_K 58

Bảng 3 10 Bảng diện tích các nhóm hiện trạng sử dụng đất theo các tiểu lưu vực (đơn vị: ha) 60

Bảng 3 11 Phân cấp chất lượng nước theo giá trị giới hạn nồng độ chất dinh dưỡng theo QCVN 08: 2008/BTNMT 66

Bảng 3 12 Đánh giá chung chất lượng nước từng tiểu lưu vực theo ô nhiễm chất dinh dưỡng 70

Bảng 3 13 Các giải pháp kiểm soát ô nhiễm nước 74

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

DEM: Digital elevation model

HRU: Hydrologic Response Unit - HRU

LULC: Landuse and landcover

QLTHLVS: Quản lý tổng hợp lưu vực sông

SWAT: Soil and water assessment tool

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Nước là một thành phần chính, quan trọng đối với việc tồn tại và phát triển

sự sống của tất cả sinh vật trên trái đất không ngoại trừ loài người Với khả năng hòa tan rất nhiều chất và bay hơi cao, nước đóng vai trò điều khiển sự phong hóa hóa học của đất đá, cung cấp dinh dưỡng cho thực vật và vận chuyển các chất hóa học vào cơ thể sinh vật

Nước là nguồn tài nguyên có khả năng phục hồi, tuy nhiên hiện nay các hoạt động của con người đều tác động mạnh mẽ tới nguồn tài nguyên này Chẳng hạn, đất nông nghiệp bị xáo trộn do những thay đổi của đồng cỏ hoặc rừng, hay việc làm tăng các sản phẩm nông nghiệp có thể là nguyên nhân làm giảm lớp phủ thực vật, thay đổi thoát hơi nước của cây cối và ảnh hưởng đến điều kiện khí hậu Kết quả làm tăng mưa, tăng xói mòn đất gây tích tụ phù sa trong nước Tiếp đó chu trình dinh dưỡng có thể xảy ra với tần xuất cao hơn, dẫn đến thay đổi nồng độ của các chất dinh dưỡng trong lớp nước bề mặt Cứ như vậy, lần lượt chúng tác động sâu sắc đến các tính chất hóa học và sinh học của nước

Sự có mặt của các hóa chất độc hại, chất thải hữu cơ từ các sản phẩm hóa học công nghiệp, kim loại nặng từ các phân xưởng mạ kim loại, thuốc trừ sâu diệt

cỏ ở các cánh đồng nông nghiệp,… đã làm xấu đi các tính chất của nguồn nước Mặc dù cho đến nay con người đã có nhiều biện pháp tích cực kiểm soát nguồn nước nhưng vẫn chưa thoát khỏi vấn đề ô nhiễm

Chính vì vậy vấn đề quản lý và sử dụng bền vững nguồn tài nguyên nước là hết sức cần thiết, điều này đã được thể hiện cụ thể bằng cả những văn bản mang tính pháp lý

Quản lý nước theo địa giới hành chính là phương thức truyền thống vẫn phổ biến trên thế giới nhiều thế kỷ gần đây và vẫn tồn tại cho đến ngày nay Ở nước ta cũng vậy, 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 Tuy

nhiên, để phát triển bền vững thì nước cũng cần thiết phải được quản lý theo lưu vực sông Nhận thức rõ vai trò và tầm quan trọng của vấn đề này, điều 64 của Luật Tài nguyên nước đã thể chế hoá về quản lý lưu vực sông bằng việc quy định nội dung quản lý quy hoạch lưu vực sông và việc thành lập cơ quan quản lý quy hoạch lưu vực sông đối với các lưu vực sông lớn ở nước ta

Việc thực hiện quản lý nước theo lưu vực sông là một xu thế và định hướng

mà nước ta sẽ phải thực hiện trong các giai đoạn tới Tuy nhiên đây là vấn đề rất mới và trong bối cảnh của nước ta thì việc thực hiện trong thực tế không phải dễ dàng, sẽ có nhiều vấn đề đặt ra cần phải nghiên cứu để từng bước giải quyết Phương hướng chung là phải tiếp cận kinh nghiệm của các nước trên thế giới và nghiên cứu vận dụng với điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội của các lưu vực sông ở nước ta, thông qua trao đổi rộng rãi để tìm ra một mô hình hợp lý

Nhận thức rõ tầm quan trọng của nguồn tài nguyên nước cũng như phương pháp quản lý nguồn tài nguyên nước theo lưu vực, Học viên đã nghiên cứu và thực

hiện luận văn khoa học: “Ứng dụng mô hình SWAT hỗ trợ quản lý tài nguyên nước

lưu vực sông Cầu, tỉnh Bắc Kạn”

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài: Đánh giá được chất lượng nước bằng mô hình SWAT làm cơ sở đề xuất các giải pháp quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cầu

Để đạt được mục tiêu, các nội dung chính sau đây được hiện:

- Tổng quan một số vấn đề và yêu cầu trong việc quản lý lưu vực nói chung và quản lý tài nguyên nước trong lưu vực nói riêng;

- Tổng quan hiện trạng khai thác và sử dụng tài nguyên nước lưu vực sông Cầu, tỉnh Bắc Kạn;

- Nghiên cứu mô hình SWAT và các tham số đầu vào của mô hình;

- Đánh giá tính thích hợp của mô hình SWAT với lưu vực sông Cầu và chạy mô hình;

- Trên cơ sở kết quả chạy mô hình về hiện trạng chất lượng nước của lưu vực sông Cầu đề xuất một số biện pháp quản lý tài nguyên nước cho địa phương

3 Phạm vi nghiên cứu

- Phạm vi lãnh thổ

Nhận thức được tầm quan trọng của việc quản lý tài nguyên nước theo lưu vực, đề tài đã chọn lưu vực sông Cầu làm khu vực nghiên cứu với 2 lý do chính sau:

+ Sông Cầu trên địa bàn Bắc Kạn thuộc đầu nguồn, đây là nguồn cung cấp nước chính cho sản xuất, sinh hoạt của nhân dân trong tỉnh và khu vực hạ lưu

+ Từ năm 2010 trở lại đây nhờ giao thông phát triển thuận lợi, Sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá của tỉnh Bắc Kạn đang được đẩy mạnh đòi hỏi sự chuyển dịch về cơ cấu sử dụng các loại đất nhằm đáp ứng yêu cầu sản xuất hàng hoá, tăng cường cơ sở kết cấu hạ tầng, phát triển các khu công nghiệp, du lịch, các công trình phúc lợi xã hội và thực hiện đô thị hoá,… Chính vì thế đã tác động không nhỏ đến sự thay đổi chất lượng nước lưu vực sông Cầu

- Phạm vi khoa học

Các hoạt động có liên quan đến nước thường thuộc các ngành cụ thể (cấp thoát nước, nông nghiệp và tưới tiêu, thủy điện và công nghiệp, thủy sản, vui chơi giải trí…) và được quản lý bởi các thể chế theo ngành, chịu tác động của các mục tiêu và quyền lợi cụ thể Kết quả là việc quản lý tài nguyên nước với tư cách là nguồn tài nguyên có hạn và có thể tái tạo được thường có khuynh hướng bị lấn át bởi quyền lợi ngành

Đề tài tiếp cận nghiên cứu với mục đích hỗ trợ và đưa ra tình hình tổng quan nhất về chất lượng cũng như lưu lượng nước trong lưu vực và các tiểu lưu vực tương ứng với định hướng phát triển vùng thể hiện rõ nhất là sự thay đổi về mục đích sử dụng đất trong phạm vi lưu vực Thông qua đấy có thể đánh giá hiện trạng chất lượng nước của lưu vực sông Cầu nói chung và các tiểu lưu vực nói riêng Kết quả nghiên cứu có thể hỗ trợ cho người ra quyết định về định hướng phát triển và

thay đổi cơ cấu sử dụng đất nhằm mục đích tăng trưởng đi đôi với bảo vệ nguồn tài nguyên nước

4 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu với những nội dung như trên, luận văn được cấu trúc thành 3 chương:

Chương 1 - Tổng quan về quản lý tài nguyên nước trong lưu vực sông

Chương 2 - Mô hình SWAT trong hỗ trợ quản lý tài nguyên nước

Chương 3 - Sử dụng mô hình SWAT hỗ trợ quản lý tài nguyên nước lưu vực sông Cầu, tỉnh Bắc Kạn

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC

TRONG LƯU VỰC SÔNG

1.1 Quản lý tổng hợp lưu vực sông

Lưu vực là phần diện tích bề mặt đất trong tự nhiên mà mọi lượng nước

mưa khi rơi xuống sẽ tập trung lại và thoát qua một cửa ra duy nhất Trên thực tế, lưu vực thường được đề cập đến là lưu vực sông, và toàn bộ lượng nước trên sông

sẽ thoát ra cửa sông [2]

Lưu vực sông được giới hạn bằng đường phân nước của lưu vực Có 2 loại đường phân nước: đường phân nước mặt và đường phân nước ngầm Đường phân nước mặt là đường nối liên tục các điểm cao nhất chung quanh lưu vực và giới hạn bởi các lưu vực khác Nước mưa rơi xuống đường phân nước sẽ chảy về 2 phía của đường phân nước và đi về 2 lưu vực khác kế cận nhau theo sườn dốc của chúng Đường phân nước ngầm phân chia sự tập trung nước ngầm giữa các lưu vực

Thực tế, người ta thường lấy đường phân nước mặt để xác định diện tích lưu

vực và gọi là đường phân lưu Muốn xác định đường phân lưu phải căn cứ vào bản

đồ địa hình có vẽ các đường đồng cao độ (hình1.1) [2]

Hình 1 1 Lưu vực sông và khái niệm đường phân nước [2]

Vì toàn bộ lượng nước mưa xuống lưu vực sông sẽ tương tác với các đối tượng trong lưu vực và cuối cùng đổ ra của sông, chính vì thế quản lý và đánh giá chất lượng nguồn nước theo lưu vực sẽ cho kết quả khách quan, sát với quy luật tự nhiên nhất

Trong thành phần tự nhiên của một khu vực bao gồm các yếu tố khác nhau như đất, nước, sinh vật Chúng song song tồn tại và phát triển trong mối quan hệ biện chứng mà ở đó, nước đóng vai trò chủ đạo Mặt khác, tài nguyên nước được hình thành trên từng lưu vực sông khác nhau Vì vậy, đề cập vấn đề nước mặc nhiên phải đề cập đến vấn đề quản lý tổng hợp lưu vực sông (QLTHLVS)

QLTHLVS xem lưu vực sông là đối tượng trung tâm, là một hệ thống thống nhất trong đó thể hiện tác động qua lại giữa đất, nước và động thực vật tạo thành một hệ sinh thái ổn định, nhằm mục đích bảo vệ các nguồn tài nguyên thiên nhiên cũng như cải thiện chất lượng môi trường trên lưu vực sông QLTHLVS trước hết thực chất là quản lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên, đồng thời cũng quản lý toàn thể các hoạt động khác như quản lý đô thị, quản lý công nghiệp, quản lý nông nghiệp, quản lý xã hội

QLTHLVS là một quá trình linh hoạt và mềm dẻo nhằm giải quyết những vấn đề nảy sinh do hoàn cảnh và điều kiện thay đổi, trong đó bao gồm việc tích luỹ thêm kiến thức khi công tác quản lý tiến triển và tích lũy được ngày càng nhiều thông tin liên quan đến các quá trình quản lý

Nội dung khái quát của QLTHLVS bao gồm:

- Kiểm kê, đánh giá hiện trạng các dạng tài nguyên thiên nhiên về lượng và chất, sự thay đổi của chúng theo thời gian và không gian

- Đánh giá hiện trạng khai thác, sử dụng tài nguyên thiên nhiên trên lưu vực

- Lập quy hoạch khai thác sử dụng hợp lý tài nguyên thiên nhiên

- Theo dõi, kiểm tra, giám sát việc thực hiện các chương trình dự án liên quan đến khai thác sử dụng tài nguyên thiên nhiên trong lưu vực

1.2 Quản lý tổng hợp tài nguyên nước trong lưu vực sông

1.1.2 Yêu cầu và mục đích quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông

Dòng chảy tuân theo quy luật tự nhiên và không phụ thuộc vào biên giới hành chính Vì vậy nảy sinh ra vấn đề: nước có nên được quản lý và cơ cấu công tác quản lý xác định theo biên giới hành chính hiện tại hay theo biên giới tự nhiên, mà thường là lưu vực sông Lưu vực sông đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển kinh tế xã hội của một khu vực, một quốc gia hoặc một liên quốc gia Trên quan điểm hoàn toàn tài nguyên nước, vấn đề trở nên logic hơn rất nhiều nếu áp dụng phương pháp tiếp cận trên lưu vực sông như một đơn vị hợp lý để xây dựng quy hoạch Tuy vậy với nguyên tắc phát triển tài nguyên nước theo yêu cầu sử dụng, cần lập tổ chức lưu vực sông để đáp ứng các yêu cầu do các bên sử dụng nước đề

ra Cơ cấu và những quy định điều hành hành chính có thể gây nên một số trở ngại đối với quản lý nước lưu vực sông Các cơ quan trong địa bàn lưu vực không thể đảm bảo phát triển bền vững tài nguyên nước Họ cần có sự hỗ trợ từ những cơ quan, tổ chức khác trong việc xác định yêu cầu dùng nước khi những điều kiện kinh tế xã hội và chính trị thay đổi

Quản lý tổng hợp tài nguyên nước của một lưu vực sông là một cách tiếp cận mới nhằm giúp giải quyết các vấn đề lớn về tài nguyên và môi trường nước đang gặp phải tại nhiều quốc gia, đảm bảo sử dụng có hiệu quả và bền vững nguồn tài nguyên vô giá này Đó chính là quá trình tổng hợp những quan điểm và lợi ích của các ngành khác nhau trong quá trình quyết định, lưu tâm thích đáng đến quan hệ thượng lưu - hạ lưu

Quản lý tổng hợp tài nguyên nước theo lưu vực sông được xác định là một quá trình quy hoạch, xây dựng và thực hiện việc khai thác các dạng tài nguyên trong một lưu vực, xem xét toàn diện và đầy đủ các nhân tố có liên quan đến xã hội, kinh tế, môi trường trong mối tương tác về không gian (giữa các bộ phận trong lưu vực: thượng lưu, trung lưu và hạ lưu), tương tác giữa các nhân tố (chống xói mòn, rửa trôi, làm thoái hoá đất, giảm sức sinh sản của rừng và đất nông nghiệp, ngăn chặn bồi lắng, lũ đá, chống nhiễm bẩn nước…) Hình thành các tổ chức lưu

vực sông được coi như một phương tiện hữu hiệu để quy hoạch và thực hiện các nội dung phát triển kinh tế và xã hội

Quy hoạch lưu vực sông phải đảm bảo yêu cầu sử dụng tổng hợp nguồn nuớc, đáp ứng các yêu cầu về cấp nước cho sinh hoạt, phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, công nghiệp, khai khoáng, phát điện, giao thông thủy, nuôi trồng thuỷ, hải sản, sản xuất muối, thể thao, giải trí, du lịch, y tế, an dưỡng, nghiên cứu khoa học và các mục đích khác; bảo đảm các yêu cầu về phòng, chống lũ lụt, hạn hán và các tác hại khác do nước gây ra

Hiện nay thường xuất hiện 5 thách thức liên quan đến việc khai thác và sử dụng tài nguyên nước lưu vực sông: [6]

- Nhu cầu thuỷ điện gia tăng do sự phát triển công nghiệp và đô thị

- Nông nghiệp thiếu nước nghiêm trọng về mùa khô

- Xâm nhập mặn đối với các vùng ven biển

- Nhu cầu cấp nước sinh hoạt và công nghiệp ngày càng gia tăng

- Ô nhiễm nước do nước thải công nghiệp và đô thị

1.2.3 Xác định nguồn gây ô nhiễm nước

Lụt lội có thể làm nước mất sự trong sạch, khuấy động những chất dơ trong

hệ thống cống rãnh, mang theo nhiều chất thải độc hại từ nơi đổ rác, và cuốn theo các loại hoá chất trước đây đã được cất giữ

Nước lụt có thể bị ô nhiễm do hoá chất dùng trong nông nghiệp, kỹ nghệ hoặc do các tác nhân độc hại ở các khu phế thải Công nhân thu dọn lân cận các công trường kỹ nghệ bị lụt có thể bị tác hại bởi nước ô nhiễm hoá chất

Ô nhiễm nước do các yếu tố tự nhiên (núi lửa, xói mòn, bão, lụt, ) có thể rất nghiêm trọng, nhưng không thường xuyên, và không phải là nguyên nhân chính gây suy thoái chất lượng nước toàn cầu

- Ô nhiễm nhân tạo

+ Từ sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt: là nước thải phát sinh từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, cơ quan trường học, chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt, vệ sinh của con người

Thành phần cơ bản của nước thải sinh hoạt là các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (cacbohydrat, protein, dầu mỡ), chất dinh dưỡng (photpho, nitơ), chất rắn và vi trùng Tùy theo mức sống và lối sống mà lượng nước thải cũng như tải lượng các chất có trong nước thải của mỗi người trong một ngày là khác nhau Nhìn chung mức sống càng cao thì lượng nước thải và tải lượng thải càng cao

Nước thải đô thị: là loại nước thải tạo thành do sự gộp chung nước thải sinh hoạt, nước thải vệ sinh và nước thải của các cơ sở thương mại, công nghiệp nhỏ trong khu đô thị Nước thải đô thị thường được thu gom vào hệ thống cống thải thành phố, đô thị để xử lý chung Thông thường ở các đô thị có hệ thống cống thải, khoảng 70% đến 90% tổng lượng nước sử dụng của đô thị sẽ trở thành nước thải

đô thị và chảy vào đường cống Nhìn chung, thành phần cơ bản của nước thải đô thị cũng gần tương tự nước thải sinh hoạt

Ở nhiều vùng, phân người và nước thải sinh hoạt không được xử lý mà quay trở lại vòng tuần hoàn của nước Do đó bệnh tật có điều kiện để lây lan và gây ô nhiễm môi trường Nước thải không được xử lý chảy vào sông rạch và ao hồ gây thiếu hụt oxy làm cho nhiều loại động vật và cây cỏ không thể tồn tại

Không chỉ có hoá chất, rác, bệnh phẩm, trên nhiều các sông, kênh người dân đua nhau lấn chiếm lòng sông, làm cản trở dòng chảy, cản trở giao thông đường thuỷ và tranh thủ sử dụng khoảng sông nhỏ hẹp ấy như một hệ thống WC

Các bãi rác là nơi chứa đựng sự ô nhiễm rất cao, nếu không được thu dọn,

xử lý triệt để thì nước từ các bãi rác theo nước mưa, chảy vào các ao hồ gần khu dân cư, hoặc thấm vào nguồn nước ngầm gây ô nhiễm

Còn tại các khu đô thị, trung bình mỗi ngày thải ra 20.000 tấn chất thải rắn nhưng chỉ thu gom và đưa ra các bãi rác được trên 60% tổng lượng chất thải nên đã gây ô nhiễm nguồn nước

Hình 1 2 Ô nhiễm nước do rác thải sinh hoạt

+ Từ các hoạt động công nghiệp

Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải Khác với nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị, nước thải công nghiệp không có thành phần cơ bản giống nhau, mà phụ thuộc vào ngành sản xuất công nghiệp cụ thể Ví dụ: nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm thường chứa lượng lớn các chất hữu cơ, nước thải của các xí nghiệp thuộc da ngoài các chất hữu cơ còn có các kim loại nặng, sulfua,

Hình 1 3 Nước xả nước thải của công ty Vedan làm ô nhiễm sông Thị Vải

Ví dụ: Tính PE của nguồn nước thải có lưu lượng là 200 m3/ngày, nồng độ BOD5 của nước thải là 1200 mg/L Lượng BOD5 trung bình do một người thải ra trong một ngày là 50 g/người/ngày

Như vậy, xét đối với thông số BOD5, nước thải của nguồn thải này tương đương với nước thải của một khu dân cư có 4800 người

Có nhiều hoạt động sản xuất công nghiệp gây ô nhiễm nước, trong đó chủ yếu là:

- Do các hoạt động sản xuất: Hiện nay trong tổng số 134 khu công nghiệp, khu chế xuất đã đi vào hoạt động ở nước ta mới chỉ có 1/3 khu công nghiệp,

chế xuất có hệ thống xử lý nước thải Nhiều nhà máy vẫn dùng công nghệ

cũ, có khu công nghiệp thải ra 500.000 m3 nước thải mỗi ngày chưa qua xử

lý Chất lượng nước thải công nghiệp đều vượt quá nhiều lần giới hạn cho phép Đặc biệt là nước thải các ngành công nghiệp nhuộm, thuộc da, chế biến thực phẩm, hóa chất có hàm lượng các chất gây ô nhiễm cao, không được xử lý thải trực tiếp vào hệ thống thoát nước đã làm cho nguồn nước bị

ô nhiễm nặng

- Do khai thác khoáng sản: Trong việc khai khoáng công nghiệp thì khó khăn lớn nhất là xử lý chất thải dưới dạng đất đá và bùn Trong chất thải này có thể có các hóa chất độc hại mà người ta sử dụng để tách quặng khỏi đất đá Trong chất thải ở các mỏ thường có các hợp chất sulfide - kim loại, chúng

có thể tạo thành axít, với khối lượng lớn chúng có thể gây hại đối với đồng ruộng và nguồn nước ở xung quanh Bùn từ các khu mỏ chảy ra sông suối

có thể gây ùn tắc dòng chảy từ đó gây lũ lụt Một lượng chất thải rất lớn bao gồm chất thải rắn, nước thải và bùn thải hàng năm, không được quản lý và

xử lý, gây ô nhiễm môi trường

- Hiện tượng ô nhiễm và lắng đọng trầm tích ở các sông và biển do khai thác khoáng sản cũng có thể đe dọa đến đa dạng sinh học trong các thủy vực, đe dọa đến sức khỏe của người dân gần đó, và xa hơn nữa là làm ảnh hưởng đến các cộng đồng sống phụ thuộc vào nguồn nước Các chất thải có thể làm bẩn các nguồn nước dự trữ khác như các túi nước ngầm Xói lở từ các mái dốc không có rừng bao phủ làm các con sông đầy ắp bùn phù sa và làm tăng khả năng lũ lụt Khai thác khoáng sản gần các lưu vực sông, đặc biệt là mỏ than hầm lò càng làm tăng thêm những nguy cơ tai nạn do bị ngập lụt

- Từ các lò nung và chế biến hợp kim: Trong quá trình sản xuất và chế biến các loại kim loại như đồng, nicken, kẽm, bạc, kobalt, vàng và kadmium, môi trường bị ảnh hưởng nặng nề Hydrofluor, Sunfua-dioxit, Nitơ-oxit khói độc cũng như các kim loại nặng như chì, Arsen, Chrom, Kadmium, Nickel, đồng

và kẽm bị thải ra môi trường.Một lượng lớn axít-sunfuaric được sử dụng để

chế biến Chất thải rắn độc hại cũng gây hại đến môi trường Thông thường con người hít thở các chất độc hại này hoặc chúng thâm nhập vào chuỗi thực phẩm Bụi mịn gây hại nặng nề và ảnh hưởng tới nguồn nước Hàm lượng nước thải của các ngành công nghiệp này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần, H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên

đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư

Mức độ ô nhiễm nước ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn Điều nguy hiểm hơn là trong số các cở sở sản xuất công nghiệp, các khu chế xuất đa phần chưa có trạm xử lý nước thải, khí thải và hệ thống cơ sở hạ tầng đáp ứng yêu cầu bảo vệ môi trường

Hình 1 4 Rác thải y tế (Nguồn: http://danviet.vn)

Đặc tính của nước thải bệnh viện: ngoài những yếu tố ô nhiễm thông thường như chất hữu cơ, dầu mỡ động thực vật, vi khuẩn, còn có những chất bẩn khoáng

và hữu cơ đặc thù như các phế phẩm thuốc, các chất khử trùng, các dung môi hóa học, dư lượng thuốc kháng sinh, các đồng vị phóng xạ được sử dụng trong quá trình chẩn đoán và điều trị bệnh Việc sử dụng rộng rãi các chất tẩy rửa (chất hoạt động bề mặt) ở xưởng giặt của bệnh viện cũng tạo nguy cơ làm xấu đi mức độ hoạt động của công trình xử lý nước thải bệnh viện

Điểm đặc thù của nước thải bệnh viện là sự lan truyền rất mạnh các vi khuẩn gây bệnh, nhất là nước thải từ những bệnh viện chuyên về bệnh truyền nhiễm cũng như khoa lây nhiễm của các bệnh viện khác Những nguồn nước thải này là một trong những nhân tố cơ bản có khả năng gây truyền nhiễm qua đường tiêu hóa và làm ô nhiễm môi trường Đặc biệt nguy hiểm khi nước thải bị nhiễm các vi khuẩn gây bệnh có thể dẫn đến dịch bệnh cho người và động vật qua nguồn nước, qua các loại rau được tưới bằng nước thải

Nước thải bệnh viện chứa vô số loại vi trùng, virus và các mầm bệnh sinh học khác trong máu mủ, dịch, đờm, phân của người bệnh, các loại hóa chất độc hại

từ cơ thể và chế phẩm điều trị, thậm chí cả chất phóng xạ Do đó, nó được xếp vào danh mục chất thải nguy hại, gây nguy hiểm cho người tiếp xúc

Theo kết quả phân tích của cơ quan chức năng, loại nước này ô nhiễm nặng

về mặt hữu cơ và vi sinh Hàm lượng vi sinh cao gấp 100 - 1.000 lần tiêu chuẩn cho phép, với nhiều loại vi khuẩn như Salmonella, tụ cầu, liên cầu, virus đường tiêu hoá, bại liệt, các loại ký sinh trùng, amip, nấm Hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp 2-3 lần tiêu chuẩn cho phép Ngoài ra, những chất thải như máu, dịch, nước tiểu có hàm lượng hữu cơ cao, phân hủy nhanh nếu không được xử lý đúng mức, không chỉ gây bệnh mà còn gây mùi hôi thối nồng nặc, làm ô nhiễm không khí trong các khu dân cư

Sau khi hòa vào hệ thống nước thải sinh hoạt, những mầm bệnh này chu du khắp nơi, xâm nhập vào các loại thủy sản, vật nuôi, cây trồng, nhất là rau thủy canh

và trở lại với con người Việc tiếp xúc gần với nguồn ô nhiễm còn làm tăng nguy

cơ ung thư và các bệnh hiểm nghèo khác cho người dân

+ Từ hoạt động sản xuất nông, ngư nghiệp:

Trong sản xuất nông nghiệp:

Các hoạt động chăn nuôi gia súc: phân, nước tiểu gia súc, thức ăn thừa không qua xử lý đưa vào môi trường và các hoạt động sản xuất nông nghiệp khác: thuốc trừ sâu, phân bón từ các ruộng lúa, dưa, vườn cây, rau chứa các chất hóa học độc hại có thể gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước mặt

Hình 1 5 Chất thải chăn nuôi gia súc (Nguồn: http://vietbao.vn)

Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, đa số nông dân đều sử dụng thuốc bảo vệ thực vật gấp ba lần liều khuyến cáo Chẳng những thế, nông dân còn sử dụng cả các loại thuốc trừ sâu đã bị cấm như Aldrin, Thiodol, Monitor Trong quá trình bón phân, phun xịt thuốc, người nông dân không hề trang bị bảo hộ lao động

Đa số nông dân không có kho cất giữ bảo quản thuốc, thuốc khi mua về chưa sử dụng được cất giữ khắp nơi, kể cả gần nhà ăn, giếng sinh hoạt Đa số vỏ chai thuốc sau khi sử dụng xong bị vứt ngay ra bờ ruộng, số còn lại được gom để bán phế liệu

Hình 1 6 Phun thuốc bảo vệ thực vật (Nguồn: http://agrivn.com)

Trong sản xuất ngư nghiệp:

Nước ta là nước có bờ biển dài và có nhiều điều kiện thuận lợi cho ngành nuôi trồng thủy hải sản, tuy nhiên cũng vì đó mà việc ô nhiễm nguồn nước do các

hồ nuôi trồng thủy sản gây ra không phải là nhỏ

Nguyên nhân là do thức ăn, nước trong hồ, ao nuôi lâu ngày bị phân hủy không được xử lý tốt mà xả ra sông suối, biển gây ô nhiễm nguồn nước Các chất thải nuôi trồng thủy sản là nguồn thức ăn dư thừa thối rữa bị phân hủy, các chất tồn

dư sử dụng như hóa chất và thuốc kháng sinh, vôi và các loại khoáng chất Chất thải ao nuôi công nghiệp có thể chứa đến trên 45% Nitrogen và 22% là các chất hữu cơ khác, là nguồn có thể gây ô nhiễm môi trường và dịch bệnh thủy sản phát sinh trong môi trường nước

Bên cạnh đó, các xưởng chế biến mỗi ngày chế biến hàng tấn thủy hải sản, tuy nhiên trong quá trình chế biến đã thải ra môi trường toàn bộ lượng nước thải, bao gồm cả hóa chất, chất bảo quản Ngoài ra, nhiều loại thủy hải sản chỉ lấy một phần, phần còn lại vứt xuống sông, biển làm nước bị ô nhiễm, bốc mùi hôi khó chịu

Một thực trạng đang xảy ra với các cơ sở nuôi trồng thủy sản là hiện tượng thức ăn nuôi trồng thủy sản gây ô nhiễm Do thiếu quy hoạch và ý thức về môi trường, ở các doanh nghiệp và cá nhân, nước ta có nghề nuôi cá lồng trên biển đang phát triển rất mạnh Ô nhiễm môi trường biển ở khu vực này đang diễn biến hết sức phức tạp Mỗi ngày ở những ô lồng nuôi cá giò, người nuôi đã đưa xuống biển một lượng thức ăn nuôi cá gồm hàng chục tấn các loại Lượng thức ăn này một phần do cá ăn không hết, hoặc lọt qua lưới rơi xuống đáy biển, trôi sang khu vực biển gần đó Mỗi bè lại có một kiểu cho cá ăn riêng Các loại cá sống, cá chết đựơc băm nhỏ dùng làm thức ăn, rồi tinh bột, rau tươi…Tất cả đều thả xuống hàng chục nghìn ô lồng

Để quản lý tốt tài nguyên nước theo lưu vực thì việc thiết yếu là phải nắm rõ yêu cầu và mục đích của việc quản lý tổng hợp tài nguyên nước theo lưu vực sông cũng như xác định được các nguồn gây ô nhiễm nước

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam

Quản lý lưu vực sông là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong nửa cuối của thế kỷ 20 và phát triển rất 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 đã có hàng trăm các tổ chức quản lý lưu vực sông được thành lập

để quản lý tổng hợp và thống nhất tài nguyên nước, đất và các tài nguyên liên quan

khác trên lưu vực sông, 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 [10]

Rất nhiều cách tiếp cận và giả thiết để thành lập mô hình mô phỏng và tính toán lưu lượng và chất lượng nước Các thông số được quan tâm nhiều nhất là BOD, COD, độ mặn, cặn lơ lửng, các chất dinh dưỡng… Từ những năm 1925, Streeter và Phelps đã thiết lập mô hình QUAL I đánh giá hàm lượng BOD và COD trong sông Ohio (Hoa Kỳ) Tuy nhiên, trong giai đoạn này do thiếu công cụ xử lý, các mô hình thường trong giới hạn tuyến tính, trạng thái tương đối ổn định

Đến năm 1960, công cụ máy tính ra đời cho phép tính toán và xử lý các vấn

đề mà trước đây không thể giải quyết được, hàng loạt các mô hình nền tảng nhằm phát triển hàm phi tuyến tính ra đời Mô hình đã đề cập đến bài toán hai chiều và giải quyết được các vấn đề phức tạp, tăng độ tin cậy của mô hình Nổi bật trong giai đoạn này có mô hình của Thomann và Sobal - 1964

Từ năm 1977 trở lại đây, đặc biệt là thập niên 80 của thế kỷ XX, các nhà mô hình tập trung nghiên cứu các vấn đề về chuyển hóa các chất độ hại trong nước Các mô hình đã bao quát được các quá trình sinh lý liên quan đến chuỗi thức ăn Nhiều nhà khoa học cho rằng các quá trình tự nhiên quá phức tạp để biểu thị dưới các phương trình toán học Vì thế họ đi theo cách tiếp cận khác, các tương quan có thể thiết lập theo thực nghiệm bằng các phương pháp thống kê Theo hướng tiếp cận này, chẳng hạn mô hình SWMM là mô hình tổng hợp để phân tích các bài toán lưu lượng và chất lượng của dòng chảy Đến năm 1990 Viện Thủy lực Đan Mạch

đã thiết lập mô hình chất lượng nước cho sông và kênh: MIKE 11 Mô hình này đã

mô tả được dòng chảy tràn bề mặt, sông suối, vận chuyển cặn, chất lượng nước… trong hệ thống sông suối

Ở nước ta, các mô hình thủy văn đã được nhiều tác giả nghiên cứu, trong đó

có một số mô hình được nước ngoài chuyển giao qua dự án sông Mê Kông, sông Hồng như các mô hình SSARR, MITTSIM, WENDY Năm 1993, Viện cơ học đã

xây dựng mô hình SALT93 để tính toán truyền triều, xâm nhập mặn và lan truyền

ô nhiễm cho hệ thống sông

Mô hình chất lượng nước bắt đầu được quan tâm ở nước ta vào những năm của thập niên 90 Phạm Toàn Thắng đã ứng dụng mô hình BOD-DO (QUAL I) để tính phân bố BOD, DO trong sông Tô Lịch, sông Cầu Mô hình này tỏ ra nhiều hạn chế với các sông tự nhiên Năm 1999 hai tác giả Nguyễn Hữu Nhân và Nguyễn Tất Đắc đã hiệu chỉnh và ứng dụng các mô hình Water Quality và Hydrogis để tính toán dực báo ô nhiễm nước sông Thị Vải

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tools) được ứng dụng trong các nghiên về quản lý lưu vực ở rất nhiều quốc gia: Điều tra các hiệu ứng thủy văn của các thay đổi sử dụng đất tại lưu vực sông Pinios ở Thessaly (Pikounis M., Varanou E., 2003); Kiểm định và đánh giá thượng lưu sông Maquoketa, Taxes của Trung tâm phát triển nông nghiệp Mỹ (2005); Ứng dụng GIS tích hợp mô hình SWAT để phân tích và định lượng cân bằng nước cho lưu vực sông Kunthipuzha ở Kerala, của Bộ tài nguyên đất đai và nước Ấn Độ (Sathian, K.K; Syamala, P., 2007); Mô hình chất lượng nước ở lưu vực hồ Caddo, Taxes (Kendra Riebschleager, 2009);

Mô hình SWAT ở nước ta hiện nay cũng được áp dụng trong các lĩnh vực quản lý lưu vực sông: Đánh giá việc bồi lắng trong hồ chứa nước của dự án thủy điện sông Hinh của Trương Hòai Thế Tuyên (2005); Ứng dụng mô hình thông số phân bố SWAT để đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng đất đến bồi lắng hồ chứa nước hồ Đại Lải của Phạm Thị Hương Lan (2005)

- Năm 2005, nhóm các tác giả Vũ Tấn Phương, Phạm Thị Hương Lan và Nguyễn Thị Hải đã tập trung nghiên cứu đánh giá tác động của che phủ rừng tới dòng chảy và xói mòn tại các lưu vực sông Chảy, sông Bồ và sông Ba Thông qua việc tiếp cận lưu vực nghiên cứu sử dụng công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) để xác định tác động của che phủ rừng tới dòng chảy và xói mòn trên toàn lưu vực Kết quả cho thấy, mật độ biến động về dòng chảy và xói mòn được xác định là chịu

ảnh hưởng của các yếu tố địa hình, địa chất, lượng mưa, che phủ rừng và kỹ thuật canh tác

- Nhóm tác giả Nguyễn Thị Bích, Nguyễn Kiên Dũng nghiên cứu ứng dụng

mô hình SWAT tính toán dòng chảy và bùn cát lưu vực sông Sê san

Nhận thấy được những ưu điểm khi sử dụng mô hình SWAT, học viên sử dụng và hiệu chỉnh mô hình phù hợp với điều kiện lưu vực sông Cầu để đánh giá chất lượng nước lưu của vực sông này nhằm hỗ trợ cho việc quản lý và bảo vệ nguồn tài nguyên nước

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH SWAT TRONG HỖ TRỢ QUẢN LÝ

TÀI NGUYÊN NƯỚC

2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAT

2.2.1 Một số khái niệm trong mô hình SWAT

a Lưu Vực (Watershed)

Brooks et al (1992) đã mô tả lưu vực là một khu vực đất được phân chia dựa vào địa hình trên cơ sở của đường phân thủy để lượng mưa có thể chảy được thông qua hệ thống sông với điểm cuối của lưu vực được gọi là outlet, tại đây có thể xây dựng đập nhằm phục vụ cho tưới tiêu, thủy lợi trong nông nghiệp hoặc cung cấp nước cho sinh hoạt hay các thủy điện hoặc điểm cuối của lưu vực này sẽ

là điểm đầu của lưu vực khác Nơi đây có thể đổ ra lưu vực lớn hơn, ra hồ hoặc đổ thẳng ra biển Lưu vực là một hệ thống rất lớn trên mặt đất, những khu vực gần nhau được chia cách bởi các đường phân thủy

Thuật ngữ “Watershed” đồng nghĩa với “River basin”, “Catchment”,

“Drainage area” Thuật ngữ “River basin” thường dùng để chỉ một lưu vực lớn (thường lớn hơn 100000 ha) “Catchment” thì được dùng để chỉ những lưu vực nhỏ hơn (từ 1000 ha đến 100000 ha)

Lưu vực là một hệ thống độc lập rất phức tạp gồm những thành phần hữu sinh và vô sinh, thường được kết nối với các hệ sinh thái khác nhau Lưu vực không nhất thiết là một vùng cao hay vùng địa hình núi, nó có thể tồn tại ở vùng đồng bằng Trong khu vực có thể tồn tại khu dân cư, thương mại, công nghiệp, nông nghiệp, giáo dục

Bước đầu tiên để thiết lập lưu vực nghiên cứu, cần phải chia nhỏ lưu vực thành những lưu vực đơn vị hay còn gọi là tiểu lưu vực (Subbasin) SWAT cho phép định nghĩa các tiểu lưu vực nằm trong biên giới của lưu vực nghiên cứu [8]

b Tiểu Lưu Vực (Subbasin)

Một lưu vực lớn sẽ được chia nhỏ thành nhiều tiểu lưu vực Mỗi tiểu lưu vực có vị trí địa lí trong lưu vực và có mối quan hệ về mặt không gian với các tiểu

lưu vực khác Tiểu lưu vực được xác lập dựa trên đường phân thủy, phụ thuộc vào địa hình bề mặt, kéo dài từ những dòng chảy đến điểm ra của tiểu lưu vực đó

Khi dữ liệu không gian đầu vào ở dạng raster: DEM, NEXRAD, LULC (landuse and landcover), tiểu lưu vực được xác lập dựa vào biên giới grid cell Tuy nhiên, với cách định nghĩa như vậy, grid cell không thể hiện được dòng chảy, kênh hay sông Một tiểu lưu vực chứa ít nhất một HRU, một sông nhánh và một sông chính

c Đơn Vị Thủy Văn (Hydrologic Response Unit - HRU)

Một tiểu lưu vực có thể được chia nhỏ thành những đơn vị thủy văn, các cell trong mỗi đơn vị thủy văn sẽ tương đồng về thuộc tính sử dụng đất, đất, quản lí Đơn vị thủy văn cho phép làm đơn giản hóa mô hình Cần chấp nhận rằng không

có sự tác động lẫn nhau giữa các đơn vị thủy văn trong tiểu lưu vực

Các quá trình rửa trôi, bồi lắng, di chuyển dinh dưỡng sẽ được tính toán độc lập trên mỗi đơn vị thủy văn, trên cơ sở đó sẽ cộng lại trên toàn bộ tiểu lưu vực Lợi ích khi sử dụng đơn vị thủy văn là: làm tăng độ chính xác của dự báo các quá trình Thông thường mỗi tiểu lưu vực có 1 – 10 đơn vị thủy văn

Trong đó, sông chính sẽ chảy qua tất cả các tiểu lưu vực, kéo vật chất từ trong tiểu lưu vực ra hệ thống sông ngòi Dòng ra của khu vực thượng lưu sẽ là dòng vào của khu vực hạ lưu Sông nhánh được sử dụng để cho thấy sự khác nhau

về dữ liệu đầu vào của những dòng chảy gây ra rửa trôi bề mặt Những dữ liệu đó

để tính toán thời gian hình thành dòng chảy gây rửa trôi và sự lan truyền ô nhiễn từ quá trình rửa trôi đó Nguồn ô nhiễm điểm thông thường là các trạm xử lí nước thải, cửa xả của các nhà máy, khu dân cư đổ nước thải vào sông

2.2.2 Mô hình SWAT

SWAT là công cụ đánh giá nước và đất, mô hình SWAT 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) SWAT là mô hình dùng để dự báo những ảnh hưởng của sự quản lí sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra

từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Mô hình là sự tập hợp những phép toán hồi quy để thể hiện mối quan

hệ giữa giá trị thông số đầu vào và thông số đầu ra

SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lí trên cùng một lưu vực

Ý nghĩa của mô hình SWAT là một lưu vực lớn có thể được chia thành nhiều tiểu lưu vực, mô hình hóa theo tiểu lưu vực mang lại lợi ích khi những vùng này tương đồng về đặc điểm sử dụng đất và tính chất đất Sự phân chia này giúp người sử dụng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu của một vùng này vào một vùng khác khi chúng có sự tương đồng nhất định

Thông tin đầu vào đối với mỗi tiểu lưu vực sẽ được tập hợp và phân loại thành những nhóm chính sau: khí hậu, HRUs, hồ, nước ngầm, sông chính và nhánh, đường phân thủy Để dự báo một cách chính xác sự di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và dưỡng chất thì mô hình cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong lưu vực

Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính, chúng có thể tồn tại riêng lẻ:

- Chu trình thủy văn mặt đất: kiểm soát lượng nước, sự bồi lắng, dinh dưỡng

và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính

- Chu trình nước trong hệ thống sông: kiểm soát quá trình di chuyển của dòng nước và quá trình bồi lắng diễn ra từ trong hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa sông

2.2.2.1 Chu trình thủy văn mặt đất

Hình 2 1 Chu trình nước trong pha đất [14]

Chu trình thuỷ văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước như sau: [14]

o : lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu (mm H

a : lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H

2O) w

seep : lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm H

2O) Q

gw : lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H

2O)

Sự phân chia nhỏ của lưu vực làm cho mô hình có khả năng phản ánh sự bốc hơi nước khác nhau thông qua sự khác biệt những cây trồng và đất Dòng chảy được dự đoán riêng cho từng HRU và định tuyến để có được tổng số dòng chảy

Σ (R day – Q surf –E a – W seep –Q gw )

i=1

t

SW 0 + SW

t =

cho lưu vực Điều này làm tăng tính chính xác và mô tả ý nghĩa vật lý của phương trình cân bằng nước

Dữ liệu đầu vào khác nhau và các quá trình tham gia vào giai đoạn của chu trình tuần hoàn nước được tóm tắt trong phần sau:

Hình 2 2 Sơ đồ thuật toán của SWAT cho chu trình nước trong pha đất [14]

Những dữ liệu đầu vào và các quá trình liên quan đến chu trình nước trong pha đất bao gồm:

a Khí hậu:

Khí hậu của lưu vực cung cấp dữ liệu đầu vào về độ ẩm và năng lượng để kiểm soát quá trình cân bằng nước và xác định các thông số quan trọng khác liên quan đến chu trình nước

SWAT yêu cầu các thông số khí hậu sau: lượng mưa hằng ngày, nhiệt độ không khí lớn nhất/ nhỏ nhất, năng lượng bức xạ mặt trời, tốc độ gió và độ ẩm Trong đó, các thông số: lượng mưa hằng ngày, nhiệt độ không khí lớn nhất/ nhỏ nhất là yêu cầu bắt buộc, các thông số còn lại tùy vào điều kiện có thể có hay không

Thời tiết: mô hình sẽ tạo ra một bộ dữ liệu về thời tiết cho mỗi một tiểu lưu

vực Những thông số ứng với một tiểu lưu vực sẽ tồn tại độc lập và không có mối quan hệ về mặt không gian giữa các tiểu lưu vực

Lượng mưa: SWAT sử dụng mô hình được xây dựng bởi Nicks (1974) để

xác định lượng mưa hằng ngày cho mô phỏng mà không đọc dữ liệu đo

Nhiệt độ: nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất theo ngày trong tháng, nhiệt độ tính

theo đơn vị (oC)

b Thủy văn

Lượng nước ngăn cản: là nước bị ngăn cản và giữ lại trên bề mặt lớp thực

vật, một phần nước này sẽ bị bốc hơi Lượng nước ngăn cản được xét đến để tính tóan lượng nước thất thóat bề mặt Tuy nhiên, nếu các phương pháp Green & Ampt

đã từng được sử dụng để tính toán quá trình xâm nhập hay thất thoát thì lượng nước ngăn cản phải được mô hình hóa một cách độc lập SWAT cho phép người sử dụng nhập giá trị lượng nước lớn nhất có thể bị giữ lại trên đơn vị bề mặt lá của khu vực che phủ Những giá trị này và độ che phủ được mô hình sử dụng để tính toán lượng nước lớn nhất cho quá trình phát triển của cây trồng

Sự thấm hút: là quá trình thấm hút nước từ bề mặt vào một lớp đất Quá

trình này xảy ra làm tăng độ ẩm trong đất và làm giảm tốc độ thấm hút nước vào

đất theo thời gian Tốc độ thấm vào phụ thuộc vào lượng nước bốc hơi qua bề mặt đất Quá trình thấm hút sẽ dừng lại khi đất đạt trạng thái bão hòa

Sự bốc hơi: là quá trình tổng hợp, bao gồm bốc hơi của nước trong pha lỏng

(sông, suối, ao, hồ) và trong pha rắn (lớp đất tiếp xúc với không khí, bề mặt lá cây, khối băng tuyết)

Dòng chảy dưới bề mặt: là dòng chảy bắt nguồn từ lớp dưới bề mặt nhưng

nằm trên lớp đá bão hòa nước Dòng chảy dưới bề mặt nằm trong lớp đất có độ sâu

0 – 2 m Mô hình động học nước được sử dụng để tính toán dòng chảy dưới bề mặt trong mỗi lớp đất

Dòng chảy bề mặt: là dòng nước chảy rửa trôi trên bề mặt dốc Từ dữ liệu

lượng mưa hằng ngày, SWAT sẽ tính toán thể tích rửa trôi và tốc độ rửa trôi trong mỗi HRU Dòng chảy bề mặt được tính toán bằng mô hình sửa đổi từ phương pháp curve number (USDA Soil Conservation Service, 1972) hoặc phương pháp Green

& Ampt (1911)

c Sự phát triển của cây trồng

SWAT đã sử dụng mô hình phát triển của một cây đơn lẻ để mô tả cho tất cả các loại cây khác nhau Mô hình cũng cho thấy sự khác biệt giữa cây lâu năm và cây một năm/một mùa Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây một năm/một mùa bắt đầu từ khi gieo trồng đến khi thu họach Những cây lâu năm nuôi dưỡng

hệ thống rễ suốt cả năm, vào những tháng mùa đông cây sẽ ở trạng thái ngủ đông Chúng sẽ sinh trưởng và phát triển tiếp khi nhiệt độ tăng lên Quá trình phát triển của cây trồng dùng để tính toán lượng nước và dưỡng chất mất đi, đồng thời cũng tính được hơi nước và sinh khối sinh ra

Khả năng sinh trưởng làm gia tăng sinh khối trong một thời gian nhất định,

nó được định nghĩa là sự gia tăng sinh khối dưới điều kiện lý tưởng, là hiệu quả của hoạt động hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển tải thành dạng sinh khối Năng lượng hấp thụ được tính dựa trên bức xạ mặt trời

d Xói mòn

Sự xói mòn và bồi lắng đối với mỗi HRU được tính toán dựa trên mô hình Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE) (Williams, 1975) Trong khi mô hình USLE sử dụng lượng mưa, thì mô hình MUSLE sử dụng lượng nước chảy bề mặt để tính toán

e Dinh dưỡng

SWAT theo dõi sự chuyển động và chuyển đổi một số hình thức Nitơ và Phốt pho ở lưu vực Trong đất, sự chuyển đổi của Nitơ từ hình thức này đến hình thức khác được quy định bởi chu kỳ nitơ như miêu tả trong hình 2.3, sự chuyển đổi Phốt pho trong đất được điều khiển bởi chu trình Phốt pho trong hình 2.4 Chất dinh dưỡng có thể được đưa vào các lòng sông chính và vận chuyển đến hạ lưu thông qua dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

Chu trình Nitơ

Hình 2 3 Chu kỳ Nitơ được sử dụng trong SWAT [16]

Cây sử dụng Nitrat và Nitơ hữu cơ trong đất với nước làm chất vận chuyển trung gian Lượng Nitrat trong dòng chảy bề mặt và dòng thấm được tính toán thông qua thể tích nước và nồng độ Nitrat trung bình trong đó Lượng Nitơ hữu cơ được tính bằng mô hình của McElroy et al (1976) và được chỉnh sửa bởi Williams and Hann (1978)

Chu trình Photpho

Hình 2 4 Chu kỳ Photpho được sử dụng trong SWAT [16]

f Thuốc bảo vệ thực vật (Pesticides)

SWAT xem xét thuốc bảo vệ thực vật trong mỗi HRU để nghiên cứu sự lưu chuyển hóa chất trong lưu vực SWAT mô hình hóa quá trình vận chuyển thuốc trừ sâu vào trong hệ thống sông ngòi thông qua con đường rửa trôi bề mặt (có sự hòa tan và hấp phụ) vào trong đất và tầng ngậm nước nhờ dòng nước áp lực (sự hòa tan)

SWAT sử dụng mô hình GLEAMS (Leonard et al., 1987) mô hình hoá sự vận chuyển thuốc trừ sâu thông qua chu trình nước trong pha đất Sự di chuyển này được kiểm sóat nhờ: khả năng hòa tan của hóa chất, chu kỳ bán phân rã và hiệu quả hấp thụ C hữu cơ trong đất Thuốc bảo vệ thực vật gây hại, làm suy thoái tán lá và đất trồng

Hình 2 5 Quá trình vận chuyển thuốc trừ sâu trong SWAT [16]

2.2.2.2 Chu trình nước trong hệ thống sông

SWAT xác định, tính toán quá trình di chuyển nước, phù sa, dinh dưỡng và thuốc trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi bằng cách sử dụng đồng nhất cấu trúc lệnh (Williams and Hann, 1972) Thêm vào đó, để thể hiện dòng chất di chuyển của hóa chất, SWAT mô phỏng quá trình vận chuyển trong kênh rạch và sông chính

Hình 2 6 Chu trình nước trong hệ thống sông ngòi

a Dòng chảy tràn

Khi nước chảy sông ngòi, có các khả năng xảy ra:

- Nước mất đi do sự bốc hơi, do sự thấm hút qua lòng sông, do việc lấy nước tưới tiêu phục vụ cho nông nghiệp

- Nước thêm vào do mưa rơi trực tiếp vào sông ngòi và từ các điểm xả thải Dòng chảy tràn được mô hình bằng phương pháp hệ số lưu trữ biến đổi (variable storage coefficient) của Williams (1969) hoặc mô hình toán thủy văn Muskingum

đã định nghĩa năng lượng dòng nước sinh ra do tỷ trọng nước, tốc độ dòng chảy và

độ dốc mặt nước Williams (1980) sử dụng định nghĩa của Bagnold về năng lượng dòng nước để phát triển một phương pháp xác định suy thoái đất thông qua hàm số của các biến: độ dốc kênh và tốc độ dòng chảy

c Dòng dinh dưỡng

Sự di chuyển dinh dưỡng trong sông được xác định bằng mô hình chất lượng nước trong sông đó, QUAL2E (Brown and Barnwell, 1987) Mô hình xác định dinh dưỡng hòa tan trong nước sông và dinh dưỡng bị hấp thụ vào bùn lắng ở đáy sông

d Dòng thuốc trừ sâu trong lòng sông

Trong khi số lượng thuốc trừ sâu được sử dụng trong mỗi HRUs là không giới hạn, nhưng để làm giảm tính phức tạp của quá trình mô hình chỉ chọn một lọai Tương tự như dinh dưỡng, thuốc trừ sâu cũng tồn tại ở hai dạng là hòa tan trong nước và bị hấp thụ vào bùn lắng

2.2 Lựa chọn thông số dánh giá chất lượng nước

2.2.1 Các thông số đánh giá chất lượng nước

Có rất nhiều thông số vật lý, hoá học và sinh học dùng để đánh giá chất lượng nước Mỗi thông số đặc trưng cho một số tác nhân ô nhiễm nhất định Một số thông

số vật lý, hoá học và sinh vật thường dùng để quan trắc môi trường nước và đánh giá chất lượng nước như sau [6]

pH là đơn vị biểu thị nồng độ ion H+ có trong nước được tính theo công thức Sorenson:

pH= -log[H+]

pH là một trong những thông số quan trọng và được sử dụng thường xuyên nhất trong hoá nước, dùng để đánh gía mức độ ô nhiễm nguồn nước, chất lượng nước ngầm, nước thải, đánh giá độ cứng của nước, sự keo tụ, khả năng ăn mòn…

và trong nhiều tính toán cân bằng axit-bazơ pH có giá trị từ 0 đến 14 Giá trị của

nó chỉ ra mức độ axit (khi pH< 7) hoặc kiềm (khi pH>7), thể hiện ảnh hưởng của hoá chất khi xâm nhập vào môi trường nước Giá trị pH thấp hay cao đều có hại đến thuỷ sinh Tiêu chuẩn môi trường Việt Nam quy định giá trị pH của một số nguồn nước nằm trong khoảng từ 5,5 đến 9

b Nhiệt độ

Nhiệt độ có ảnh hưởng đến sự hoà tan ôxy, đến khả năng tổng hợp quang hoá của tảo và các thực vật thuỷ sinh Trong ao, hồ, nhiệt độ nước phụ thuộc vào độ sau Hoạt động của con người cũng có thể làm tăng nhiệt độ nước và gây ra các tác động sinh thái nhất định Việc chặt cây cối bên bờ làm cho ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp xuống nước, sự xói mòn đất, phá rừng, xây dựng nhà cửa… gây đục nước làm cho khả năng hấp thụ ánh sánh mặt trời tăng lên, xả nước thải làm nguội thiết

bị nhiệt điện… làm tăng nhiệt độ nước sông hồ

Thông số nhiệt độ được dùng để tính các dạng độ kiềm, để nghiên cứu mức

độ bão hoà ôxy, cacbonat, tính toán độ muối và các hoạt động thí nghiệm khác Yếu tố nhiệt độ cũng rất cần thiết khi chuyển các đại lượng hiện trường về điều kiện tiêu chuẩn

c Chất rắn lơ lửng

Chất rắn lơ lửng nói riêng và tổng chất rắn nói chung có ảnh hưởng đến chất lượng nước trên nhiều phương diện Hàm lượng chất rắn trong nước thấp làm hạn chế sự sinh trưởng hoặc ngăn cản sự sinh sống của thủy sinh Các chất rắn lơ lửng

có thể làm tắc nghẽn mang cá, cản trở sự hô hấp dẫn đến làm giảm khả năng sinh trưởng của cá, ngăn cản sự phát triển của trứng và ấu trùng, hàm lượng chất lơ lửng lớn gây khó khăn cho việc sử dụng nước