Đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi mục đích sử dụng đất đến dòng chảy và chất lượng nước trên thượng lưu lưu vực sông chảy bằng công cụ đánh giá đất và nước SWAT

Đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi mục đích sử dụng đất đến dòng chảy và chất lượng nước trên thượng lưu lưu vực sông chảy bằng công cụ đánh giá đất và nước SWAT Đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi mục đích sử dụng đất đến dòng chảy và chất lượng nước trên thượng lưu lưu vực sông chảy bằng công cụ đánh giá đất và nước SWAT luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn đề tài “Đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi mục đích sử dụng đất đến dòng chảy và chất lượng nước trên thượng lưu lưu vực sông Chảy bằng Công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Ngọc Tuệ Số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa được bất kỳ tác giả nào công

bố

Hà Nội, ngày 20 tháng 6 năm 2019 Bùi Thị Phương

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến, TS Nguyễn Ngọc Tuệ, Bộ môn Hóa Lý - Viện Kỹ thuật Hóa học, người đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Viện Kỹ thuật Hóa học về những kiến thức và lời khuyên bổ ích trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp những người

đã luôn bên cạnh, thông cảm và động viên để tôi có thể hoàn thành khóa học này

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 4

MỤC LỤC i

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH ẢNH v

DANH MỤC BẢNG vi

MỞ ĐẦU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.2.1 Mục tiêu chung 3

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 4

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 4

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 4

TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Các đặc trưng biểu thị về dòng chảy và lưu vực sông 6

2.1.1 Đặc trưng về dòng chảy 6

2.1.2 Lưu vực sông 8

2.1.3 Tổng quan các nghiên cứu về quản lý lưu vực trong và ngoài nước 10

2.2 Hệ thống thông tin địa lý GIS 14

2.2.1 Sơ lược về hệ thống thông tin địa lý GIS 14

2.2.2 Các thành phần của GIS 17

2.2.3 Các chức năng của GIS 18

2.2.4 Các dạng dữ liệu của GIS 19

2.3 Tổng quan về mô hình SWAT 22

2.3.1 Lịch sử phát triển của SWAT 22

2.3.2 Nguyên lý mô phỏng SWAT 25

2.3.3 Các phương pháp sử dụng trong mô hình SWAT 33

2.4 Khái quát đặc điểm tự nhiên, kinh tế - xã hội lưu vực Hồ Thác Bà 42

2.4.1 Vị trí địa lý 42

2.4.2 Điều kiện tự nhiên 42

2.4.3 Điều kiện kinh tế - xã hội 44

2.4.4 Đặc điểm tài nguyên và môi trường lưu vực Hồ Thác Bà 45

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 46

3.1 Tiến trình mô phỏng SWAT 46

3.2 Thu thập, xử lý dữ liệu 48

3.2.1 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu vào và đầu ra của SWAT 48

3.2.2 Cấu trúc dữ liệu đầu vào 52

3.2.3 Xử lý dữ liệu đầu vào theo chuẩn của SWAT 58

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 69

4.1 Hiệu chỉnh và kiểm định bộ mô hình 69

4.1.1 Phân tích độ nhạy của các thông số ảnh hưởng đến lưu lượng dòng chảy 71 4.1.2 Kết quả hiệu chỉnh 72

4.1.3 Kết quả kiểm định 74

4.2 Hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số cho lượng bùn cát 76

4.2.1 Phân tích độ nhạy và các thông số ảnh hưởng đến lượng bùn cát 76

4.2.2 Kết quả hiệu chỉnh 78

4.2.3 Kết quả kiểm định 80

4.3 ĐÁNH GIÁ SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT ĐẾN LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY VÀ LƯỢNG BÙN CÁT 81

4.3.1 Lựa chọn kịch bản 81

4.3.2 Đánh giá kịch bản 82

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 91

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ARS Agricultural Research Service Trung tâm phục vụ nghiên cứu

nông nghiệp GIS Geographi Information System Hệ thống thông tin địa lý

SCS Soil Convervation System Phương pháp chỉ số đường cong SWAT Soil and Water Assessment

Tools

Công cụ đánh giá chất lượng đất

và nước USDA United States Department of

Agriculture

Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ

USGS United States Geological Survey Cục địa chất Hoa Kỳ

USLE Universal Soil Loss Erosion Phương trình mất đất toàn cầu RUSLE Revided Universal Soil Loss

Erosion

Phương trình xói mòn đất toàn cầu

đã hiệu chỉnh

DO Dissolved Oxygen Lượng oxy hòa tan trong nước cần

thiết cho sự hô hấp của các sinh vật nước

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học

TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn lơ lửng

HRUs Hydrologic Response Units Các đơn vị thủy văn

DEM Digital Elevation Model Mô hình độ cao số

AGRR Agricultural Land- Row Crops Đất trồng màu và cây công nghiệp AGRL Agricultural Land- Generic Đất nương rãy

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Đồ thị diễn tả một quá trình lũ 6

Hình 2.2 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS 18

Hình 2.3 Các chức năng của GIS 19

Hình 2.4 Mô hình Vector (trái) và Mô hình Raster (phải) 21

Hình 2.5 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT trên thế giới 25

Hình 2.6 Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất 26

Hình 2.7 Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy 27

Hình 2.8 Chu trình nước trong hệ thống sông ngòi 29

Hình 2.9 Vòng lặp HRU/ tiểu lưu vực 32

Hình 2.10 Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo phương trình Green và Ampt và trong thực tế 35

Hình 2.11 Bản đồ hành chính tỉnh Yên Bái 42

Hình 2.12 Một góc hình ảnh hồ Thác Bà 44

Hình 3.1 Sơ đồ tiến trình thực hiện nghiên cứu 46

Hình 3.2 Tiến trình mô phòng SWAT 48

Hình 3.3 Bản đồ địa hình lưu vực sông Chảy 59

Hình 3.4 Bản đồ loại đất trên thượng lưu lưu vực sông Chảy 61

Hình 3.5 Bản đồ các loại hình sử dụng đất ở thượng lưu Sông Chảy 62

Hình 3.6 Biểu đồ phân chia sử dụng đất ở thượng lưu lưu vực Sông Chảy 64

Hình 3.7 Phân bố nhiệt độ theo các trạm đo trên lưu vực sông Chảy 67

Hình 3.8 Phân bố lượng mưa theo các trạm đo trên lưu vực sông Chảy 67

Hình 4.1 Lưu lượng thực đo và mô phỏng giai đoạn hiệu chỉnh 73

Hình 4.2 Hệ số tương quan R2 giữa lưu lượng thực đo và mô phỏng trong giai đoạn hiệu chỉnh 74

Hình 4.3 Lưu lượng thực đo và mô phỏng giai đoạn kiểm định 74

Hình 4.4 Hệ số tương quan lưu lượng dòng chảy giữa thực đo và mô phỏng giai đoạn kiểm định 75

Hình 4.5 Quy trình nghiên cứu xói mòn lưu vực sông Chảy 76

Hình 4.6 Lượng bùn cát mô phỏng và thực đo giai đoạn hiệu chỉnh 79

Hình 4.7 Hệ số tương quan lượng bùn cát thực đo và mô phỏng giai đoạn hiệu chỉnh 79

Hình 4.8 Lượng bùn cát mô phỏng và thực đo giai đoạn kiểm định 80

Hình 4.9 Hệ số tương quan lượng bùn cát giữa thực đo và mô phỏng giai đoạn kiểm định 80

Hình 4.10 So sánh lưu lượng dòng chảy khi thay đổi lớp phủ thực vật 83

Hình 4.11 Bản đồ thể hiện sự chênh lệch lưu lượng giữa các kịch bản 83

Hình 4.12 Phần trăm lưu lượng dòng chảy thay đổi giữa mô phỏng và kịch bản 86

Hình 4.13 Lượng bùn cát thay đổi qua các kịch bản 87

Hình 4.14 Phần trăm lượng bùn cát thay đổi giữa kịch bản so với mô phỏng 88

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Lịch sử phát triển ngành GIS 15

Bảng 3.1 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu vào của SWAT 48

Bảng 3.2 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu ra của SWAT 50

Bảng 3.3 Ý nghĩa các thông số trong bảng CropRng 53

Bảng 3.4 Ý nghĩa các thông số trong bảng UrbanRng 54

Bảng 3.5 Thông số đầu vào của dữ liệu thổ nhưỡng trong SWAT 55

Bảng 3.6 Các thông số đầu vào của dữ liệu thời tiết trong SWAT 57

Bảng 3.7 Các trạm quan trắc thủy văn trên lưu vực Sông Chảy 58

Bảng 3.8 Các loại đất trên lưu vực thượng lưu sông Chảy 61

Bảng 3.9 Các loại hình sử dụng đất trên lưu vực sông Chảy 63

Bảng 3.10 Thông tin về các tập tin dữ liệu thời tiết 65

Bảng 3.11 Các trạm quan trắc thủy văn trên lưu vực Sông Chảy 66

Bảng 4.1 Tiêu chuẩn phân loại mức độ chính xác của kết quả mô phỏng 70

Bảng 4.2 Các thông số thay đổi 73

Bảng 4.3 Giá trị hệ số bảo vệ đất USLE P 77

Bảng 4.4 Giá trị hệ số lớp phủ mặt đất USLE C 77

Bảng 4.5 Giá trị hệ số xói mòn đất USLE K 78

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Thiên tai đã và đang gây nên hậu quả thảm khốc về người và vật chất ở khắp nơi trên toàn thế giới Ở Việt Nam trong năm 2018 đã hứng chịu 13 cơn bão, 212 trận động đất, 14 trận lũ quét, sạt lở đất, 9 đợt gió mạnh trên biển thiệt hại về người ước tính

là 218 người, thiệt hại kinh tế khoảng 20 000 tỉ đồng [1] Con người trên con đường phát triển kinh tế đã hủy hoại môi trường tự nhiên, làm cho các thảm họa thiên nhiên ngày càng khốc liệt như động đất, sóng thần, lũ lụt… dẫn đến cạn kiệt các nguồn tài nguyên, ô nhiễm nguồn nước Việc sử dụng đất không hợp lí, chặt phá rừng, trồng cây không theo quy hoạch, đô thị hóa tràn lan… đang ngày càng gây ra những hậu quả nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới cộng đồng dân cư sống trên thượng lưu và

hạ lưu các lưu vực sông suối, cũng như ảnh hưởng tới môi trường sinh thái toàn khu vực đặc biệt là các khu vực có độ dốc cao

Sự thay đổi các hình thức sử dụng đất có ý nghĩa rất lớn, có ảnh hưởng không nhỏ đến lưu lượng dòng chảy, xói mòn đất cũng như biến đổi khí hậu [2] Vì vậy việc đánh giá ảnh hưởng của việc quy hoạch sử dụng đất đến sự suy thoái lưu vực nói chung và hiện trạng dòng chảy, chất lượng nước trên thượng lưu các lưu vực nói riêng

là một vấn đề cấp thiết trong định hướng phát triển bền vững của toàn khu vực

Để nghiên cứu đánh giá lưu lượng nước, chất lượng nước của dòng chảy khu vực thượng lưu và hạ lưu có nhiều mô hình thủy văn khác nhau như: TANK, SSARR, NAM, MITSIM, STANFORD, RRMOD, MIKE 11, HEC-HMS, HEC-RAS… [3] Trong đó SWAT là một mô hình được sử dụng khá nhiều và mang lại hiệu quả cao khi nghiên cứu Ngoài ra SWAT còn được ứng dụng rộng rãi trong việc quản lý bền vững tài nguyên thiên nhiên và môi trường [4]

Hồ Thác Bà là một trong những hồ nhân tạo lớn nhất nước ta Hồ nằm trong lưu vực sông Chảy thuộc địa phận huyện Lục Yên và Yên Bình, tỉnh Yên Bái Hồ được khởi công xây dựng năm 1962, hoàn thành năm 1970 với mục đích chính là phục vụ cho nhà máy thủy điện Thác Bà Hồ Thác Bà có diện tích 23400 ha, trong đó, diện tích

mặt nước là 19050 ha, chiều dài 80 km, chiều rộng lớn nhất 30 km, mực nước dao động từ 46 m đến 58 m, chứa được 3 đến 3,9 tỉ mét khối nước trải từ Yên Bình đến Lục Yên, chiều rộng 10 - 15 km và có độ sâu 50 - 60 m Ngoài dòng sông Chảy là nơi cung cấp nước chủ yếu, hồ Thác Bà còn có một hệ thống ngòi lớn như: ngòi Hành, ngòi Cát đổ về, làm tăng lượng phù sa và các loài sinh vật phong phú cho hồ Hồ Thác Bà có hơn 1.334 đảo lớn nhỏ tạo nên nhiều hang động và cảnh đẹp sơn thủy hữu tình [5]

Với diện tích mặt nước rộng, mang tính chất gần như hồ tự nhiên, hồ Thác Bà có rất nhiều tiềm năng Điều kiện thổ nhưỡng, khí hậu vùng hồ thuận tiện để phát triển cây rừng theo hướng đa dạng sinh học, trồng cây ăn quả và cây công nghiệp để phát triển kinh tế Diện tích mặt hồ lớn thuận lợi nuôi trồng đánh bắt thủy sản nước ngọt Hồ Thác Bà còn là nơi lí tưởng để phát triển du lịch với các hang động núi đá vôi lớn nhỏ, cảnh thiên nhiên đẹp và những di tích đáng chú ý dự báo sẽ được phát triển thành một khu du lịch, nghỉ dưỡng hấp dẫn

Bên cạnh những tiềm năng đó hồ Thác Bà cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro Các hình thái

sử dụng đất trên thượng nguồn sẽ ảnh hưởng trực tiếp tới môi trường hồ nói chung, làm giảm đa dạng sinh học, hay hiện tượng bồi lắng lòng hồ làm giảm khả năng trữ nước, gây ô nhiễm môi trường cũng như hủy hoại tài nguyên du lịch và nuôi trồng thủy sản nơi đây

Với mục đích hỗ trợ và có được luận cứ khoa học về môi trường nhằm khai thác có hiệu quả tiềm năng khu vực hồ Thác Bà nhưng vẫn duy trì được hệ sinh thái sạch và môi trường phát triển bền vững theo “Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế - xã hội

tỉnh Yên Bái giai đoạn 2011 – 2020”, đã được lựa chọn nghiên cứu đề tài “Đánh giá

ảnh hưởng của sự thay đổi mục đích sử dụng đất đến dòng chảy và chất lượng nước trên thượng lưu lưu vực sông Chảy bằng Công cụ đánh giá đất và nước (SWAT)”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Mục tiêu chung của đề tài là “Đánh giá ảnh hưởng của sự thay đổi mục đích sử dụng đất đến dòng chảy và chất lượng nước trên thượng lưu lưu vực sông Chảy bằng công cụ đánh giá đất và nước (SWAT)” Trên nền hệ thống thông tin toàn

cầu (GIS) và mô hình đất và nước (SWAT) để nghiên cứu, dự đoán và đánh giá sự biến đổi của lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước trên thượng lưu lưu vực sông Chảy qua các kịch bản tương lai

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

Yêu cầu và nhiệm vụ cần đạt được:

1 Xây dựng bộ số liệu cho mô hình SWAT cho khu vực thượng lưu lưu vực sông Chảy: mô hình số độ cao (DEM), bản đồ số sử dụng đất, bản đồ số đất, bản đồ vị trí các trạm khí tượng, chất lượng nước và thủy văn trên lưu vực

2 Xây dựng bộ thông số hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình

3 Xây dựng các kịch bản đánh giá sự thay đổi của lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước trong tương lai

4 Đề xuất các giải pháp quản lý hiệu quả, sử dụng bền vững tài nguyên nước, tránh ô nhiễm cho lưu vực thượng lưu sông Chảy, gây ảnh hưởng cho khu vực hạ lưu

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, đối tượng chính mà đề tài tập trung nghiên cứu là tài nguyên nước thông qua việc đánh giá lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước trên lưu vực thượng lưu sông Chảy

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu được xác định trong lưu vực sông Chảy Sông Chảy là một con sông tại miền Bắc Việt Nam, bắt nguồn từ sườn tây nam đỉnh Tây Côn Lĩnh (2.419

m) và sườn đông bắc đỉnh Kiều Liên Ti (2402 m) trên khối núi thượng nguồn sông Chảy, phía tây bắc tỉnh Hà Giang, vượt qua các tỉnh Lào Cai, Yên Bái rồi chảy vào sông Lô ở Đoan Hùng, tỉnh Phú Thọ [6]

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Cùng với việc phát triển nền kinh tế, công nghiệp hóa, đô thị hóa ngày càng mạnh ở các địa phương đã làm suy giảm diện tích đất rừng và nông nghiệp, đi kèm với hiện tượng xả thải chất thải chưa qua xử lí, việc chặt phá rừng đầu nguồn, rừng phòng hộ, khai thác khoáng sản tràn lan…đã gây ra rất nhiều hệ lụy như biến đổi khí hậu, trực tiếp đe dọa đến chất lượng nguồn nước Nhu cầu sử dụng nước sạch trong sinh hoạt

và tưới tiêu trong nông nghiệp ngày càng lớn trong khi chất lượng nước ngày càng khó kiểm soát và diễn biến thời tiết khó lường

Do vậy việc xây dựng hoặc phát triển các mô hình toán nhằm mô phỏng, đánh giá hiện trạng cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của nguồn nước, giảm thiểu nguy hại đến sứ khỏe con người là rất cần thiết, mang tính hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí nghiên cứu

Công cụ đánh giá đất và nước (Soil and Water Assessment Tools: SWAT) là mô hình

mô phỏng trên quy mô lưu vực được phát triển bởi tiến sỹ Jeff Arnold và Giáo sư Srinivasan thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ SWAT là mô hình thủy văn phân bố, được phát triển từ những năm 90 của thế kỷ trước Mô hình này được xây dựng để đánh giá tác động của các hình thức sử dụng đất và hoá chất trong nông nghiệp đối với nguồn nước, chất lơ lửng, hàm lượng các chất hóa học nông nghiệp khác trong lưu vực rộng lớn và phức tạp với sự biến đổi tính chất đất, hình thức sử dụng đất và các điều kiện quản lý trong một khoảng thời gian dài Phương pháp tiếp cận này có

độ chính xác khá tốt, đem lại hiệu quả cao [2]

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả của đề tài cung cấp bộ dữ liệu mô hình số độ cao, sử dụng đất, đất, dòng chảy, lưu lượng nước qua các mùa trong năm trong nhiều năm cung cấp những dự

đoán sự ảnh hưởng các hình thái sử dụng đất đến chất lượng nguồn nước cùng những

đề nghị, giải pháp để giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước trên lưu vực nghiên cứu nói riêng và các lưu vực khác ở miền Bắc nói chung Điều này giúp ích cho các nhà quản

lý, hoạch định chính sách có cái nhìn tổng thể và bao quát về tình hình tài nguyên nước trong lưu vực, qua đó có những giải pháp quy hoạch chính xác và hiệu quả, sử dụng nguồn tài nguyên một cách hợp lí, linh hoạt đem lại ổn định và phát triển kinh

tế xã hội cho địa phương cũng như cả nước

TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Các đặc trưng biểu thị về dòng chảy và lưu vực sông

2.1.1 Đặc trưng về dòng chảy

a Lưu lượng nước

Lưu lượng nước Q (water discharge): là lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra trong

một đơn vị thời gian là 1 giây (m3/s) Lưu lượng là tích số của vận tốc trung bình dòng chảy nhân cho diện tích mặt cắt ướt của dòng chảy

Lưu lượng nước tại một thời điểm bất kỳ gọi là Lưu lượng tức thời Quá trình thay đổi của Lưu lượng nước theo thời gian tại tuyến cửa ra gọi là quá trình lưu lượng, ký hiệu là Q(t) hoặc Q ~ t Đồ thị của sự thay đổi giữa Lưu lượng nước và thời gian là đường quá trình Lưu lượng nước

Hình 2.1 Đồ thị diễn tả một quá trình lũ

Lưu lượng bình quân trong một khoảng thời gian t bất kỳ là giá trị trung bình của Lưu lượng nước trong khoảng thời gian đó Lưu lượng bình quân được tính theo công thức tích phân hoặc biểu thức sau:

Q̅ =1

𝑡∫ 𝑄(𝑡)𝑑𝑡 ℎ𝑜ặ𝑐 Q̅ =∑𝑛𝑖=1𝑄𝑖

𝑛 𝑡

Trong đó:

Q̅ : giá trị bình quân của lưu lượng (m3/s)

n : số thời đoạn tính toán, là lưu lượng bình quân tại mỗi thời đoạn thứ i bất kì (s)

Qi : lưu lượng bình quân tại mỗi thời đoạn thứ i bất kì (m3/s)

b Tổng lưu lượng dòng chảy

Tổng lượng dòng chảy là lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra trong một khoảng thời gian t (tính theo tháng, mùa, năm) nào đó từ thời điểm t1 đến t2 (t = t2 - t1)

𝑊̅ = ∫ 𝑄(𝑡)𝑑𝑡 ℎ𝑜ặ𝑐 𝑊𝑡2 ̅

𝑡1 = 𝑄̅(𝑡2− 𝑡1) (2.2)

Trong đó:

W : tổng lượng dòng chảy (m3 hoặc km3)

Q : lưu lượng bình quân trong khoảng thời gian t

M : mô đun dòng chảy (l/s.km2)

Q : giá trị bình quân của lưu lượng (m3/s)

Từ các công thức trên, ta có dạng các biến đổi sau:

Trong đó: α là hệ số không thứ nguyên, vì 0 ≤ Y ≤ X nên 0 ≤ α ≤ 1

Hệ số α càng lớn, tổn thất dòng chảy càng bé và ngược lại Bởi vậy, α phản ánh tình hình sản sinh dòng chảy trên lưu vực Trong khi đó, module dòng chảy M phản ánh khả năng phong phú của nguồn nước trong một lưu vực Tương tự, độ sâu dòng chảy

Y càng lớn thì lượng nước càng nhiều Để so sánh mức độ dồi dào nguồn nước, hai trị số M và Y thường được sử dụng

2.1.2 Lưu vực sông

✓ Diện tích lưu vực (km2): là diện tích hứng nước mưa tính đến một vị trí nào

đó của sông Diện tích lưu vực được giới hạn bởi đường phân nước càng lớn thì nguồn cung cấp nước cho sông càng lớn

✓ Chiều dài lưu vực (km): là khoảng cách theo đường gấp khúc qua các điểm giữa của đoạn thẳng cắt ngang qua lưu vực và vuông góc với hướng dòng chảy đi từ nguồn nước Trong thực tế lấy chiều dài sông chính là chiều dài lưu vực

✓ Chiều rộng lưu vực B (km): được xác định theo công thức: B = F / L Chiều rộng lưu vực sông không cố định mà thay đổi theo chiều dài sông Sự thay đổi của nó ảnh hưởng đến sự tập trung nước trong sông

✓ Độ cao bình quân lưu vực Hbq (m): ảnh hưởng đến điều kiện thủy văn khí hậu

Độ cao bình quân của lưu vực có ảnh hưởng rất lớn tới các nhân tố khí hậu, đặc biệt

là đối với các lưu vực rộng lớn

𝐻𝑏𝑞 = ∑𝑛𝑖=1𝑓𝑖ℎ𝑖

(∑𝑛𝑖=1𝑓𝑖=𝐹) (𝑚) (2.7)

Trong đó:

h : cao trình bình quân giữa hai đường đồng mức (m)

f i : diện tích giữa hai đường đồng mức (m2)

n : số mảnh diện tích

✓ Độ dốc trung bình lưu vực (Jtb): ảnh hưởng rất quan trọng tới quá trình tập trung dòng chảy, sự tạo thành lũ và tính chất lũ trong lưu vực Lưu vực càng dốc thì dòng chảy tập trung càng nhanh và lũ lên càng nhanh

𝐽 = Δℎ ∑𝑛𝑖=1𝑙𝑖

(∑𝑛𝑖=1𝑓𝑖=𝐹 ) (2.8)

Trong đó:

li : khoảng cách bình quân giữa hai đường đồng mức bằng nhau

∆h : chênh lệch cao độ giữa hai đường đồng mức (trên bản đồ địa hình thường có giá trị như nhau đối với mọi đường đồng mức)

fi : Mật độ lưới sông D (km/km2): mật độ lưới sông bằng tổng chiều dài của tất cả các sông suối trên lưu vực chia cho diện tích của nó

𝐷 = ∑ 𝐿𝑖

𝐹 (2.9) Sông suối càng dày mật độ lưới sông càng lớn Những vùng có nguồn nước phong phú thì D thường có giá trị lớn Một số phân cấp mật độ lưới sông:

Cấp 1: D = 1,5 - 2,0 Mật độ sông, suối rất dày

Cấp 2: D = 1,0 - 1,5 Mật độ sông, suối dày

Cấp 3: D = 0,5 - 1,0 Mật độ sông, suối tương đối dày

Cấp 4: D < 0,5 Mật độ sông, suối thưa [8]

2.1.3 Tổng quan các nghiên cứu về quản lý lưu vực trong và ngoài nước

Xói mòn đất là quá trình tự nhiên và nó làm ảnh hưởng tới đất ở tất cả các dạng địa hình khác nhau từ cao đến thấp Trong nông nghiệp, xói mòn đất là quá trình lớp đất mặt bị mang đi nơi khác do nhiều yếu tố vật lý tác động như dòng chảy của nước, gió hoặc các yếu tố liên quan đến hoạt động trồng trọt Mặc dù xói mòn là một quá trình

tự nhiên nhưng các hoạt động của con người làm gia tăng tốc độ xói mòn lên từ 10 -

40 lần Xói mòn gia tăng gây ra các vấn đề tại vị trí đó hoặc những nơi khác liên quan đến các dòng chảy trầm tích này Tại vị trí bị xói mòn thì sản lượng nông nghiệp sẽ giảm do mất lớp đất mặt phì nhiêu và hệ sinh thái bị phá hủy Trong một vài trường hợp, sự xói mòn diễn ra quá mạnh và không có biện pháp cải thiện kịp thời và hiệu quả thì sẽ dẫn đến sự sa mạc hóa Các ảnh hưởng ngoài nơi xói mòn như sự lắng đọng trầm tích trên các kênh dẫn và gây phú dưỡng các vực nước, cũng như gây phá vỡ đường sá và nhà cửa liên quan đến trầm tích Xói mòn do gió và nước là hai yếu tố

cơ bản làm giảm chất lượng đất, hai yếu tố trên chiếm đến 84% sự xuống cấp của đất trên toàn cầu, nên đây là một trong những vấn đề môi trường quan trọng nhất toàn cầu hiện nay [8]

Để đánh giá được xói mòn, bồi lắng trên một lưu vực cần phải nghiên cứu, tính toán

và đánh giá số lượng và chất lượng cũng như mức độ xói mòn dưới sự tác động của các yếu tố như: thổ nhưỡng, địa hình, sử dụng đất, thời tiết và con người bằng các phương pháp phù hợp Đã có nhiều nghiên cứu về xói mòn, bồi lắng được thực hiện trên thế giới cũng như ở Việt Nam bằng nhiều phương pháp:

- Phương pháp Thực nghiệm: mô hình mô phỏng lượng bùn cát, đồng vị, modul bùn cát, cầu xói mòn, máy quét hồng ngoại…

- Mô hình tính toán: USLE, RUSLE, mô hình kết hợp trầm tích, mô hình tính toán mương xói, mô hình xói mòn do gió và mô hình cân bằng vật chất…

a Trên thế giới

Nền nông nghiệp trên thế giới chuyển dần từ di cư sang định cư làm cho công tác quản lý và kiểm soát xói mòn trở thành một thách thức cho các nhà quản lý và quy hoạch sử dụng đất Với cố gắng kiểm soát xói mòn trên những vùng đất dốc cộng với phát triển nông nghiệp như trồng lúa nước đã dẫn đến sự ra đời của ruộng bậc thang Ruộng bậc thang đã trở thành nét truyền thống của rất nhiều cộng đồng cư dân cổ trên toàn thế giới bao gồm Trung và Đông Nam Á, Tây Á ( như Yêmen), Trung – Nam

Mỹ Người dân Inca đã thiết kế hệ thống ruộng bậc thang với tường đá phức tạp ở Peru (Wiliam L.S, 1987) [11]

Năm 1907 tại Mỹ khi Bộ Nông nghiệp nước này tuyên bố chính sách về bảo vệ nguồn tài nguyên đất thì các chương trình nghiên cứu về xói mòn đất mới bắt đầu Đến những năm 1930 các khái niệm cả về cơ bản lẫn ứng dụng trong nghiên cứu xói mòn

và bồi lắng mới được phát triển trên thế giới “Nguyên nhân và bồi lắng ở hồ Decatur” của Carl B Brown và cộng sự thực hiện vào năm 1947 là một trong những nghiên cứu sơ khai nhất về xói mòn và bồi lắng Nghiên cứu này đã cho ra kết quả khá tích cực khi tính được lượng bồi lắng gia tăng trong giai đoạn từ năm 1922 – 1946, thiệt hại về mặt kinh tế của nó và đề xuất về các giải pháp về bồi lắng và xói mòn [12] Năm 1960 cuốn chuyên khảo “Thời tiết và xói mòn” của Fourier được công bố có tính đến lượng bồi lắng của các con sông trên thế giới và các hệ thống quản lý sơ khai kiểu mẫu về các quá trình mất đất trên thế giới (D E Walling và B W Webb, 1996) Ông là người đi tiên phong trong việc sử dụng hệ thống lưu vực để tính toán xói mòn

và bồi lắng trên thế giới tạo tiền đề cho các hệ thống nghiên cứu xói mòn và bồi lắng trên quy mô lưu vực ra đời (cf Jansson, 1982, 1988; Milliman & Meade, 1983; Walling, 1985; Walling & Webb, 1983)

Năm 1996, D E Walling và B W Webb cũng đã có một nghiên cứu thể hiện tổng quan về vấn đề xói mòn và bồi lắng trên toàn thế giới kế thừa những nghiên cứu của Fourier nhưng mở rộng hệ thống dữ liệu khi nghiên cứu với nhiều hệ thống sông hơn

và đã tính được lượng bồi lắng trên toàn cầu và thành lập bản đồ xói mòn bồi lắng toàn cầu

Năm 2001, Helena Mitasova và Lubos Mitas đã tiến hành phân cấp xói mòn và bồi lắng phục vụ quản lý sử dụng đất, hỗ trợ việc quy hoạch sử dụng đất nhằm định hướng phát triển bền vững trên toàn lưu vưc như đề tài “Ứng dụng SWAT hỗ trợ làm giảm lượng bồi lắng trên lưu vực Tana, Kenya”( J.E Hunink và ctv, 2013); “Ảnh hưởng lâu dài của việc quy hoạch sử dụng đất đến hiện trạng bồi lắng tại đầm phá Oualidia,

Ma Rốc” (Mehdi MAANAN và ctv, 2014)

Dựa theo phương pháp và lịch sử nghiên cứu xói mòn và bồi lắng trên thế giới có thể chia thành 4 thời kỳ chủ đạo là:

- Phương trình Musgrave: 1947 -1958

- Phương trình xói mòn đất phổ dụng USLE (RUSLE): 1958-1980

- Thời kỳ phát triển và ứng dụng các mô hình dựa trên phương trình USLE:

dễ chấp nhận nhưng chỉ áp dụng cho quy mô nhỏ còn nhược điểm là khó đưa ra các

dự báo và xu thế, tốn nhiều chi phí và thời gian, đồng thời chỉ đánh giá được các nơi thuận lợi giao thông Các phương pháp mô hình toán (USLE, RUSLE, mô hình xói mòn do gió …) tuy ít tốn chi phí, thời gian; có thể đánh giá ở các vùng hiểm trở khó tiếp cận và hoàn toàn có thể đưa ra dự báo xu thế nhưng lại khó thuyết phục, quy mô rộng mang tính khái quát Vì vậy việc xác định phương pháp đánh giá thích hợp cho từng vùng cụ thể là khía cạnh quan trọng trong việc nghiên cứu đánh giá xói mòn và bồi lắng

b Tại Việt Nam

Việt Nam là một nước nhiệt đới gió mùa, khí hậu và địa hình phân hóa phức tạp do

đó hiện tượng xói mòn diễn ra rộng khắp cả nước và rất đa dạng, công tác nghiên cứu xói mòn đất cũng vì thế được quan tâm từ rất sớm Tuy nhiên, các nghiên cứu xói mòn đất và các biện pháp chống xói mòn trong giai đoạn trước những năm 1954 hầu như chưa đem lại kết quả gì đáng kể và chỉ dựa chủ yếu vào kinh nghiệm thực tiễn [13]

Cùng với nền văn minh lúa nước, bằng phương pháp truyền thống cha ông ta đã xây dựng khá nhiều ruộng bậc thang trồng lúa nước Nhiều ruộng bậc thang ở miền núi

và vùng cao đến nay vẫn canh tác và cho năng suất ổn định Theo Nguyễn Quang Mỹ (2005) [14] thì lịch sử nghiên cứu xói mòn của nước ta có thể chia làm 3 giai đoạn:

- Trước năm 1954: Giai đoạn này mặc dù đã biết đến tác hại của xói mòn đất, nhưng chỉ mới bắt đầu xuất hiện các biện pháp canh tác chống xói mòn như làm ruộng bậc thang, xây kè cống…chứ chưa được nghiên cứu đưa lên thành lý luận

- Từ 1954-1975: Giai đoạn này bắt đầu xuất hiện một số công trình nghiên cứu và nhiều biện pháp canh tác chống xói mòn được đưa ra trên các nông trường miền núi phía Bắc Một số nghiên cứu đáng chú ý giai đoạn này như:

+ Năm 1958: Thái Công Tụng và Moorman nghiên cứu về cơ bản xói mòn đất kết luận phương pháp canh tác ruộng bậc thang trên sườn núi dốc của người làm nông giúp giảm hiện tượng xói mòn đất

+ Năm 1962: Nguyễn Ngọc Bình nêu lên ảnh hưởng của độ dốc đến xói mòn đất, góp phần đưa ra các tiêu chí bảo vệ đất, sử dụng và khai thác đất dốc, tác động của lớp phủ thực vật đến xói mòn đất

+ Năm 1962 và1963: Chu Đình Hoàng nghiên cứu sự ảnh hưởng của giọt mưa đến xói mòn đất và chống xói mòn bằng biện pháp canh tác nông nghiệp, lâm nghiệp phù hợp

- Từ 1975 đến nay: giai đoạn này các công trình nghiên cứu bắt đầu áp dụng phương trình mất đất đất phổ dụng của Wischmeier and Smith (1978) như: Phạm Ngọc Dũng

(1991) đã tiến hành nghiên cứu về ứng dụng phương trình mất đất phổ quát vào dự báo tiềm năng xói mòn đất và đưa ra các biện pháp chống xói mòn cho các tỉnh Tây Nguyên; Nguyễn Tử Xiêm và Thái Phiên (1996) với công trình nghiên cứu về đất đồi núi Việt Nam Về mặt lý luận các tác giả đã đánh giá được năng lực phòng hộ của một số dạng cấu trúc thảm thực vật rừng về mặt chống xói mòn và tiến hành các nghiên cứu với quy mô lớn hơn và áp dụng các biện pháp chống xói mòn hiện đại hơn

Trong những năm gần đây, phương pháp viễn thám và GIS đã được áp dụng trong nghiên cứu xói mòn đất Đặc biệt là trong đo vẽ bản đồ, đánh giá định lượng các nhân

tố ảnh hưởng đến quá trình xói mòn đất Tiêu biểu cho giai đoạn này là các công trình của Nguyễn Quang Mỹ, Nguyễn Xuân Đạo, Phạm Văn Cự, Nguyễn Ngọc Thạch, Nguyễn Tứ Dần, Lại Vĩnh Cẩm Các công trình ứng dụng viễn thám và GIS trong nghiên cứu xói mòn đất có độ tin cậy cao, thời gian thực hiện ngắn, chi phí thấp

2.2 Hệ thống thông tin địa lý GIS

2.2.1 Sơ lược về hệ thống thông tin địa lý GIS

Hệ thống thông tin địa lý - Geographic Information System (GIS) là một nhánh của

công nghệ thông tin, đã hình thành từ những năm 60 của thế kỷ trước và phát triển rất mạnh trong những năm gần đây.GIS được sử dụng nhằm xử lý đồng bộ các lớp thông tin không gian (bản đồ) gắn với các thông tin thuộc tính, phục vụ nghiên cứu, quy hoạch và quản lý các hoạt động theo lãnh thổ

Ngày nay, ở nhiều quốc gia trên thế giới, GIS đã trở thành công cụ trợ giúp quyết định trong hầu hết các hoạt động kinh tế-xã hội, an ninh, quốc phòng, đối phó với thảm hoạ thiên tai GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan chính phủ, các nhà quản

lý, các doanh nghiệp, các cá nhân đánh giá được hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế - xã hội thông qua các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin được gắn với một nền bản đồ số nhất quán trên cơ sở toạ độ của các dữ liệu bản đồ đầu vào

Có nhiều định nghĩa về GIS, nhưng nói chung: GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định

✓ Xét dưới góc độ là công cụ, GIS dùng để thu thập, lưu trữ, biến đổi, hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể

✓ Xét dưới góc độ là phần mềm, GIS làm việc với các thông tin không gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tượng Có thể nói các chức năng phân tích không gian đã tạo ra diện mạo riêng cho GIS

✓ Xét dưới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nước, GIS có thể được hiểu như là một công nghệ xử lý các dữ liệu có toạ độ để biến chúng thành các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý

✓ Xét dưới góc độ hệ thống, GIS là hệ thống gồm các hợp phần: Phần cứng, Phần mềm, Cơ sở dữ liệu và Cơ sở tri thức chuyên gia [10]

Theo Burrough (1986), GIS là một hộp công cụ mạnh được dùng để lưu trữ và truy vấn tùy ý, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực cho những mục tiêu đặc biệt

Theo Smith (1987), GIS là hệ thống cơ sở dữ liệu mà các dữ liệu gắn liền với vị trí không gian và qui trình hoạt động của nó nhằm đáp ứng những yêu cầu của đối tượng không gian trong cơ sở dữ liệu

Theo Nguyễn Kim Lợi (2009), GIS là một hệ thống thông tin mà nó sử dụng dữ liệu đầu vào, các thao tác phân tích, cơ sở dữ liệu đầu ra liên quan về mặt địa lý không gian, nhằm trợ giúp việc thu nhận; lưu trữ; quản lý; xử lý; phân tích và hiển thị các thông tin không gian từ thế giới thực, để giải quyết các vấn đề tổng hợp thông tin cho các mục đích của con người đặt ra như hỗ trợ việc ra quyết định cho vấn đề quy hoạch; quản lý; sử dụng đất; tài nguyên thiên nhiên

Bảng 2.1 Lịch sử phát triển ngành GIS

Năm Sự kiện

1963 Phòng đồ họa vi tính của trường Địa học tổng hợp Havard (R Fisher,

J Dangermond, D Sinton, N Chrisman, G Dutton, S Morehouse, T Peuker)

1963 Thành lập Hiệp hội các hệ thống thông tin đô thị và khu vực (URISA)

1964 Symap ra đời (Hệ thống phần mềm vẽ bản đồ cơ sở do Đại học tổng

hợp Harvard xây dựng)

1967 GIS Canađa ra đời (R Tomlinson là tác giả của thuật ngữ GIS)

1967 Thành lập Cơ quan đo vẽ bản đồ thực nghiệm ở Anh (Boyle, Rhind)

1969 Thành lập Intergraph và ESRI (Dangermond và Morehouse)

1973 Các hội nghị về Hệ thống thông tin đô thị (URPIS) được tổ chức tại

Australia dẫn đến sự thành lập của Tổ chức các hệ thống thông tin đô thị Australia (AURISA) năm 1975

1978 Hệ thống hiển thị thông tin nội địa Nhà Trắng (Mỹ) ra đời

1980 Phần mềm ArcINFO ra đời

1987 Phần mềm MapINFO ra đời

1987 Tạp chí GIS quốc tế ra đời

Các nhà khoa học Canada đã xây dựng hệ GIS đầu tiên với tên gọi “Canada

Geographic Information System” vào những năm của thập kỷ 60, được sử dụng trong

công tác quản lý tài nguyên ở Canada GIS ban đầu chủ yếu dùng để phục vụ công tác điều tra và quản lý tài nguyên Dần dần GIS được dung để quản lí và điều hành

đô thị

Những năm 70 là thời khì phát triển mạnh mẽ của GIS khi phần cứng máy tính phát triển (giá thành giảm, tốc độ tăng, khả năng lưu trữ tăng) Khả năng xử lí máy tính càng ngày càng lớn và thuận tiện, giúp cho GIS được thương mại hóa dần dần, đồng thời hàng loạt các trương trình xử lí đồ họa và các phiên bản GIS đầu tiên ra đời

Từ những năm 80 trở lại đây, công nghệ GIS đã có một sự nhảy vọt về chất, trở thành một công cụ hữu hiệu trong công tác quản lý và trợ giúp quyết định Phần mềm GIS đang hướng tới đưa công nghệ GIS thành Hệ tự động thành lập bản đồ và xử lý dữ liệu Hypermedia (phương tiện cao cấp), Hệ chuyên gia, Hệ trí tuệ nhân tạo và Hướng đối tượng [11] Ngày nay công nghệ GIS đang phát triển mạnh theo hướng tổ hợp và

liên kết mạng (Entrprise) Trong suốt quá trình hình thành và phát triển, công nghệ

GIS luôn tự hoàn thiện từ thấp đến cao, từ đơn giản đến phức tạp để phù hợp với các tiến bộ mới nhất của khoa học và kỹ thuật [12]

2.2.2 Các thành phần của GIS

Về thành phần của GIS thì tùy vào quy mô ứng dụng của GIS mà tính được số thành phần tương ứng là 3, 4, 5 hoặc 6 Nhưng thông thường thì ta xem GIS có năm 05 thành phần cơ bản:

❖ Phần cứng (Hardware) Bao gồm hệ thống máy tính và các thiết bị ngoại vi có khả năng thực hiện các chức năng nhập thông tin (Input), xuất thông tin (Output) và

xử lý thông tin của phần mềm Hệ thống này gồm có máy chủ (server), máy khách (client), máy quét (scanner), máy in (printer) được liên kết với nhau trong mạng

LAN hay Internet

❖ Phần mềm (Software) Đi kèm với hệ thống thiết bị trong GIS ở trên là một hệ

phần mềm có tối thiểu 4 nhóm chức năng sau đây:

- Nhập thông tin không gian và thông tin thuộc tính từ các nguồn khác nhau

- Lưu trữ, điều chỉnh, cập nhật và tổ chức các thông tin không gian và thông tin thuộc tính

- Phân tích biến đổi thông tin trong cơ sở dữ liệu nhằm giải quyết các bài toán tối

ưu và mô hình mô phỏng không gian- thời gian

- Hiển thị và trình bày thông tin dưới các dạng khác nhau, với các biện pháp khác nhau

❖ Số liệu dữ liệu địa lý (Geographic data) GIS phải bao gồm một cơ sở dữ liệu

chứa các thông tin không gian (thông tin địa lý: cặp tọa độ x, y trong hệ tọa độ phẳng hoặc địa lý) và các thông tin thuộc tính liên kết chặt chẽ với nhau và được tổ chức theo một ý đồ chuyên ngành nhất định Thời gian được mô tả như một kiểu thuộc tính đặc biệt Quan hệ được biểu diễn thông qua thông tin không gian và/hoặc thuộc tính

❖ Cơ sở tri thức chuyên gia (con người) (Expertise)

❖ Chính sách và cách quản lý (Policy and management)

Hình ảnh minh họa như phía dưới:

Hình 2.2 Các hợp phần thiết yếu cho công nghệ GIS

2.2.3 Các chức năng của GIS

✓ Thu thập - lưu trữ dữ liệu: dữ liệu được sử dụng trong GIS đến từ nhiều nguồn

khác nhau, có nhiều dạng và được lưu trữ theo nhiều cách khác nhau GIS cung cấp công cụ để tích hợp dữ liệu thành một định dạng chung để so sánh và phân tích

✓ Quản lý dữ liệu: sau khi dữ liệu được thu thập và tích hợp, GIS cung cấp chức năng lưu trữ và duy trì dữ liệu Hệ thống quản lý dữ liệu hiệu quả phải đảm bảo điều kiện về an toàn dữ liệu, toàn vẹn dữ liệu, lưu trữ và trích xuất dữ liệu, thao tác dữ liệu

✓ Phân tích không gian: đây là chức năng quan trọng nhất của GIS, cung cấp các chức năng như nội suy không gian, tạo vùng đệm và chồng lớp

✓ Hiển thị kết quả: với nhiều thao tác trên dữ liệu địa lý, kết quả cuối cùng được hiển thị tốt nhất ở dạng bản đồ hoặc biểu đồ GIS cung cấp nhiều công cụ mới và thú vị để mở rộng tính nghệ thuật và khoa học của ngành bản đồ

Hình 2.3 Các chức năng của GIS

2.2.4 Các dạng dữ liệu của GIS

Hệ thống thông tin địa lý bao gồm: Dữ liệu không gian và phi không gian

Dữ liệu là trung tâm của hệ thống GIS được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và thu thập thông qua các mô hình thế giới thực Dữ liệu trong GIS còn được gọi là thông tin không gian Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian Đặc trưng thông tin không gian mô tả “quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên Mô hình không

gian đặc biệt quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện phân tích dữ liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống

Dữ liệu không gian được thể hiện trên bản đồ và hệ thống thông tin địa lí dưới dạng

điểm (point), đường (line) hoặc vùng (polygon) Dữ liệu không gian là dữ liệu về

đối tượng mà vị trí của nó được xác định trên bề mặt trái đất Hệ thống thông tin địa lí làm việc với hai dạng mô hình dữ liệu địa lý khác nhau đó là mô hình vector

và mô hình raster

Mô hình vector (Vector Data Model): biểu diễn dữ liệu không gian như điểm,

đường, vùng có kèm theo thuộc tính để mô tả đối tượng Mô hình dữ liệu này phù hợp trong biểu diễn dữ liệu có ranh giới rõ rệt như ranh đất, ranh nhà, ranh đường…

Để biểu diễn các dữ liệu vector có hai loại cấu trúc dữ liệu thường được sử dụng:

Spaghetti và Topology

➢ Kiểu đối tượng điểm (Points): Điểm được xác định bởi cặp giá trị đơn Các đối

tượng đơn, thông tin về địa lý chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm

➢ Kiểu đối tượng đường (Line): Đường được xác định như một tập hợp dãy của các

điểm Mô tả các đối tượng địa lý dạng tuyến

➢ Kiểu đối tượng vùng (Polygon): Vùng được xác định bởi ranh giới các đường

thẳng Các đối tượng địa lý có diện tích và đóng kín bởi một đường gọi là đối tượng vùng polygons [12]

Mô hình Raster (Raster Data Model): được phát triển cho mô phỏng các đối tượng

liên tục Một ảnh raster là một tập hợp các ô lưới Cấu trúc đơn giản nhất là mảng gồm các ô của bản đồ Mỗi ô trên bản đồ được biểu diễn bởi tổ hợp tọa độ (hàng, cột) Kết quả mỗi ô biểu diễn một phần của bề mặt trái đất và giá trị của nó là tính chất tại vị trí đó

Mô hình raster có các đặc điểm sau:

➢ Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới

➢ Mỗi một điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị

➢ Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp (layer)

➢ Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp

Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ô (thường hình vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột Nếu có thể, các hàng và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đồ thích hợp Việc sử dụng cấu trúc dữ liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị mất Với lý do này, hệ thống

raster - based không được sử dụng trong các trường hợp nơi chi tiết có chất lượng

cao được đòi hỏi

Hình 2.4 Mô hình Vector (trái) và Mô hình Raster (phải)

Dữ liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính (Non- Spatial Data hay Attribute)

là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định Một trong các chức năng đặc biệt của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại số liệu thuộc tính:

➢ Đặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có thể

thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích

➢ Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt động

2.3 Tổng quan về mô hình SWAT

2.3.1 Lịch sử phát triển của SWAT

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

được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp

(ARS- Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA-

United States Department of Agriculture) và Giáo sư Srinivasan thuộc Đại học

Texas A&M, Hoa Kỳ vào đầu thập niên 90 của thế kỷ XX Mô hình SWAT là một

mô hình có nhiều ưu điểm dùng để quản lý đất và nước bởi vì : nó có thể mô hình hóa lưu vực không có dữ liệu giám sát, có thể định lượng một cách tương đối tác động của một số dữ liệu đầu vào thay thế, mô phỏng một cách chi tiết về mặt không gian

vì SWAT đã phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực để mô phỏng, có thể tính toán

và mô phỏng trên lưu vực lớn mà vẫn tiết kiệm thời gian cũng như chi phí và cho phép người dùng mô phỏng dự báo trong khoảng thời gian dài

Mô hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng nguồn tài nguyên đất của đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ mất rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên với việc sử dụng các phương trình tương quan, hồi qui để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu vào (Sử dụng đất/thảm thực vật, đất, địa hình và khí hậu) và thông số đầu ra (lưu lượng dòng chảy, bồi lắng… ), SWAT còn yêu cầu các

số liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực Mô hình SWAT sẽ trực tiếp tính toán các quá trình tự nhiên liên quan tới chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng, dựa vào các thông số dữ liệu đầu vào Do vậy mô hình còn có khả năng

dự báo thông qua việc thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí sử dụng đất, khí hậu, thực vật) đều định lượng được những tác động của sự thay đổi đến dòng chảy ra của các lưu vực hoặc các thông số khác; có hiệu quả cao, có thể tính toán và mô phỏng trên lưu vực rộng lớn hoặc hỗ trợ ra quyết định đối với những chiến lược quản lí đa dạng, phức tạp với sự đầu tư kinh tế và thời gian thấp; cho phép người sử dụng nghiên cứu những tác động trong thời gian dài

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

nguyên nước lưu vực nông thôn (Simulator for Water Resources in Rural Basins -

SWRRB) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990) Những mô hình góp phần vào

sự phát triển của SWAT bao gồm: hệ thống quản lí nông nghiệp về hóa chất, rửa trôi

và xói mòn (Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management

Systems - CREAMS) (Knisel, 1980); mô hình những ảnh hưởng của sự tích trữ nước

ngầm (GLEAMS - Groundwater Loading Effects on Agricultural Management

Systems) (Leonard et al., 1987), đây là phần mở rộng của CREAMS bao gồm bốn

thành phần: thủy văn, xói mòn hay bồi lắng, sự di chuyển của thuốc bảo vệ thực vật

và dinh dưỡng và mô hình tính toán những ảnh hưởng của các hoạt động sản xuất đến

sự xói mòn (EPIC – Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984)

[19]

Từ đó đến nay SWAT đã liên tục trải qua nhiều lần được xem xét, đánh giá và cải tiến nhằm mở rộng khả năng mô phỏng Những cải tiến đáng kể nhất của các mô hình theo các phiên bản khác nhau bao gồm:

➢ SWAT 94.2: bổ sung khái niệm đơn vị thuỷ văn (HRUs)

➢ SWAT 96.2: thêm những quản lý tùy chọn về phương án tự động bón phân và tưới nước; tính toán lượng nước do tán lá cây lưu trữ; thêm thành phần mô phỏng

CO2 trong mô hình tăng trưởng cây trồng phục vụ các nghiên cứu về biến đổi khí hậu;

bổ sung phương trình Penman-Monteith về bốc thoát nước tiềm năng…

➢ SWAT 98.1: cải tiến chương trình con về mô phỏng lượng tuyết tan; cải thiện tính toán chất lượng nước trong dòng sông suối; mở rộng tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng; thêm phương thức quản lý về tiêu nước sử dụng cày sâu và tác động của việc chăn thả và bón phân hóa học, sửa đổi mô hình để có thể áp dụng ở khu vực Nam bán cầu

➢ SWAT 99.2: cải tiến tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, cải tiến tính toán ruộng lúa/đầm lầy, bổ sung phần ước tính lượng tổn thất chất dinh dưỡng do quá trình bồi lắng trong hồ chứa, ao, đầm lầy; bổ sung lượng nước chứa được do bờ sông,

bổ sung tính truyền kim loại theo thứ tự các đoạn sông suối, …

➢ SWAT 2000: bổ sung tính truyền vận chuyển trong dòng chảy; bổ sung phương trình thấm Green & Ampt, cải thiện mô hình mô phỏng thời tiết, cho phép đọc vào hoặc mô phỏng dữ liệu bức xạ mặt trời hàng ngày, độ m đất tương đối, và tốc độ gió; cho phép đọc vào hoặc ước tính các giá trị bốc thoát nước tiềm năng ET cho lưu vực,

…

➢ SWAT 2005: cải thiện tính truyền vận chuyển vi khu n trong dòng chảy; thêm kịch bản dự báo thời tiết; bổ sung phần mô phỏng lượng mưa rơi; thông số lưu trữ nước trong tính toán giá trị CN hàng ngày có thể là hàm số của lượng nước trong đất (độ m đất) hay của lượng bốc thoát hơi nước từ cây cối Phiên bản hiện tại đang được phát triển là SWAT 2012 Ngoài những thay đổi đã được liệt kê ở trên, giao diện cho các mô hình đã được phát triển cho môi trường hệ điều hành Windows (Visual Basic), GRASS, và ArcView

Theo định hướng phát triển trong thời gian sắp tới, SWAT sẽ tiếp tục được phát triển, tập trung chính vào các mảng sau:

✓ Mở rộng phạm vi mô phỏng gồm cả thời gian và không gian

✓ Cung cấp nguồn dữ liệu đầu vào sẵn có, miễn phí và đảm bảo chất lượng như thời tiết, thuỷ văn, thổ nhưỡng, hoạt động sản xuất nông nghiệp

✓ Hiệu chỉnh, phân tích tính bất định của mô hình

✓ Mô phỏng theo thời gian thực

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

✓ Hợp tác phát triển mô hình với các tổ chức như CGIAR, ISRIC

✓ Tăng cường đào tạo, truyền thông về SWAT

✓ Xây dựng nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT về các phiên bản sử dụng

(SWAT 2005, 2009, 2012), các phần mềm hỗ trợ như ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT (Output Vizualization), các tài liệu hướng dẫn đa

ngôn ngữ [2]

Hình 2.5 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT trên thế giới

2.3.2 Nguyên lý mô phỏng SWAT

Mô hình SWAT có thể mô phỏng một số quá trình vật lý khác nhau trên lưu vực

sông Một lưu vực có thể được phân chia thành nhiều lưu vực con Việc phân chia

này đặc biệt có lợi khi những vùng khác nhau của lưu vực có những thuộc tính khác

nhau về đất, thảm phủ Cho dù nghiên cứu vấn đề gì trong SWAT thì cân bằng nước

vẫn là lực chi phối phía sau tất cả những thứ xuất hiện trong lưu vực Để dự báo

chính xác sự di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và dưỡng chất thì chu trình thủy văn được mô phỏng bởi SWAT cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong lưu vực

Mô hình SWAT chia dòng chảy thành 3 pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và pha trong sông

✓ Pha mặt đất diễn tả các thành phần dòng chảy mặt, phần xói mòn

✓ Pha sát mặt diễn tả các thành phần dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm

✓ Pha trong sông diễn tả diễn toán lượng dòng chảy tới mặt cắt cửa ra của lưu vực

Pha thứ nhất: được gọi là pha đất của chu trình thuỷ văn hay còn gọi là mô hình

thuỷ văn Pha đất sẽ tính toán tổng lượng nước, bùn cát, chất dinh dưỡng và hoá chất tới kênh chính của từng lưu vực

Hình 2.6 Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất

Pha thứ hai: được gọi là pha nước hay pha diễn toán của chu trình thuỷ văn hay còn

gọi là mô hình diễn toán Pha nước sẽ tính toán các thành phần qua hệ thống mạng

lưới sông suối tới mặt cắt cửa ra

Hình 2.7 Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy

Pha đất của chu trình thuỷ văn

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

𝑆𝑊𝑡 = 𝑆𝑊0+ ∑ (𝑅𝑑𝑎𝑦− 𝑄𝑠𝑢𝑟𝑓− 𝐸𝑎

𝑡 𝑖=1

− 𝑤𝑠𝑒𝑒𝑝− 𝑄𝑊) (2.9) Trong đó:

SWt : Tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm)

SWo : Tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm)

t : Thời gian (ngày)

Rday : Tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm)

Qsurf : Tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm)

Ea : Lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm)

Wseep : Lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm)

Qgw : Lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)

Phương trình phản ánh những sự khác nhau giữa các tiểu lưu vực thông qua sự khác biệt về đặc điểm canh tác và tính chất đất [12]

Pha nước của chu trình thủy văn

SWAT xác định quá trình di chuyển nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi của lưu vực bằng cách sử dụng cấu trúc lệnh được tính truyền dọc theo mạng lưới sông ngòi của lưu vực [15]

Việc phân chia lưu vực nghiên cứu thành các lưu vực con cho phép mô hình thể hiện được sự khác nhau về lượng bốc thoát nước đối với các loại cây trồng và loại

đất khác nhau Dòng chảy tràn trên mặt đất (runoff) được mô phỏng riêng cho từng

đơn vị đồng nhất thủy văn (HRU) và tính truyền lũ để thu được tổng dòng chảy tràn mặt đất cho toàn bộ lưu vực Điều này làm tăng độ chính xác của mô hình và biểu thị tốt hơn phương trình cân bằng nước về mặt vật lý

Lưu vực sông là vùng diện tích mà tại đó tất cả nước trên bề mặt, nước mưa, băng tuyết hội tụ và nước chảy dồn về theo cùng một dòng Bao gồm dòng chính và tất cả các phụ lưu, chi lưu Các khái niệm liên quan:

✓ Nguồn (Source): là một vùng cao (đồi, núi) nơi dòng sông bắt đầu

✓ Nhánh sông (Tributary): là con dòng sông nhỏ để hợp lại thành dòng sông lớn

hơn

✓ Hợp lưu (Confluence): là điểm mà các nhánh sông hợp lại

✓ Cửa sông (Mouth): là nơi dòng sông đổ ra biển

✓ Đường giáp nước (Watershed) : ranh giới giữa các lưu vực 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) [16] 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 2.8 Chu trình nước trong hệ thống sông ngòi

Qua đây ta tìm hiểu về một số chỉ tiêu chất lượng nước:[14]

➢ DO (Dissolved Oxygen) là lượng oxy hoà tan trong nước cần thiết cho sự hô

hấp của các sinh vật nước (cá, lưỡng thê, thuỷ sinh, côn trùng ) thường được tạo

ra do sự hoà tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo Nồng độ oxy tự do trong

nước nằm trong khoảng 8 - 10 ppm, và dao động mạnh phụ thuộc vào nhiệt độ,

sự phân huỷ hoá chất, sự quang hợp của tảo Khi nồng độ DO thấp, các loài sinh vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết Do vậy, DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của các thuỷ vực

➢ BOD (Biochemical oxygen Demand - nhu cầu oxy sinh hoá) là lượng oxy cần

thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ thành CO2 và H2O BOD có ý nghĩa

biểu thị lượng các chất thải hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật

➢ COD (Chemical Oxygen Demand - nhu cầu oxy hóa học) là lượng oxy cần

thiết để oxy hoá các hợp chất hoá học trong nước bao gồm cả vô cơ và hữu cơ Như vậy, COD là lượng oxy cần để oxy hoá toàn bộ các chất hoá học trong nước

➢ TSS (Total Suspended Solids) là tổng rắn lơ lửng Độ đục gây ra bởi hiện

tượng tương tác giữa ánh sáng và các chất lơ lửng trong nước như cát, sét, tảo và những vi sinh vật và chất hữu cơ có trong nước Các chất rắn lơ lửng phân tán ánh sáng hoặc hấp thụ chúng và phát xạ trở lại với cách thức tùy thuộc vào kích thước, hình dạng và thành phần của các hạt lơ lửng và vì thế cho phép các thiết bị đo độ đục ứng dụng để phản ánh sự thay đổi về loại, kích thước và nồng độ của các hạt

có trong mẫu

Các yếu tố khí hậu

Các yếu tố khí hậu của lưu vực cung cấp số liệu đầu vào của mô hình để kiểm soát cân bằng nước và xác định mối liên quan giữa các thành phần khác nhau trong chu trình thuỷ văn Các biến khí hậu được sử dụng trong mô hình SWAT bao gồm: Mưa ngày, nhiệt độ không khí max, nhiệt độ không khí min, mức xạ mặt trời, tốc

độ gió và độ ẩm tương đối Các số liệu này được lấy ở những trạm đo khí tượng

Các yếu tố thủy văn

Khi lượng mưa rơi xuống, nó có thể bị chặn trong tầng lá cây hoặc rơi xuống bề mặt đất Nước trên bề mặt đất sẽ thấm vào trong đất hoặc chảy tràn trên bề mặt lưu vực Nước di chuyển một cách tương đối nhanh chóng về phía kênh dẫn tạo ra