Chu trình thủy văn trong pha đất(Soil and Water Assessment Tool)

Trang 1

Chuyên đề SWAT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

KS Nguyễn Duy Liêm

Điện thoại: 0983.613.551

Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn

Bài giảng: Chuyên đề SWAT

(Soil and Water Assessment Tool)

Trang 2

3 Chu trình thủy văn trong pha đất

(Soil and Water Assessment Tool)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

Trang 3

Nội dung

 Nguyên lý mô phỏng SWAT

 Chu trình thủy văn trong pha đất

 Phương trình cân bằng nước

 Các dữ liệu đầu vào và các quá trình liên quan

Trang 4

Nguyên lý mô phỏng SWAT

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

phối mọi quá trình diễn ra trong lưu vực.

Quá trình trên đất

Hệ thống lưu vực SWAT

Trang 5

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

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

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

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

Trang 6

Phương trình cân bằng nước

Trang 7

Trang 8

Thấm vào tầng nước ngậm nông

Dòng chảy trễ

Bốc thoát nước

Trang 9

Thấm vào tầng nước ngậm sâu

Dòng chảy hồi quy

Trang 10

Trang 11

Thấm ngược từ tầng nước ngậm nông

Dòng chảy ra khỏi lưu

vực

Thấm vào tầng nước ngậm sâu

Dòng chảy mặt

Qsurf

wseep

SWt

Qgw

Trang 12

Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất

SWt = SWo +

i=1

t(Rday − Qsurf − Ea − wseep − Qgw)

SWt: lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O)

SWo: lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm H2O)

t : thời gian (ngày)

Rday : lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm H2O)

Qsurf: lượng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i (mm H2O)

Ea: lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H2O)

wseep: lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm H2O)

Qgw: lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H2O)

Trang 13

Trình tự quá trình mô phỏng pha đất của chu trình

thủy văn trong SWAT

Nhập hoặc tạo số liệumưa, nhiệt độtối cao/tối thấp

Nhập hoặc tạo số liệubức xạ Mặt trời, độ ẩmkhông khí, tốc độ gió

Tính toán nhiệt độ

đất

Tính toán tuyết, tuyết tan

Mưa + tuyết tan >

0?

Tính toán dòng chảymặt, dòng thấm Dòng chảymặt > 0?

Tính toán đỉnh dòng chảy, thất thoát nước, tải lượngbùn cát, dinh dưỡng vàthuốc bảo vệ thực vật

Tính toán dẫn dòng nước trongđất, bốc hơi nước, sinh trưởngcây trồng, hồ ao, đất ngập nước, dòng chảy ngầm và độ sâu

Kết thúc vòng lặp tínhHRU/tiểu lưu vực

Đ S

Trang 14

Các dữ liệu đầu vào và các quá trình liên quan

 Khí hậu

 Khí hậu cung cấp độ ẩm và năng lượng để kiểm soát quá trình

cân bằng nước và xác định mức độ quan trọng của các thành

phần cân bằng nước.

 SWAT yêu cầu các dữ liệu thời tiết theo ngày bao gồm:

 L ượng mưa,

 N hiệt độ không khí lớn nhất/ nhỏ nhất,

Độ ẩm không khí tương đối,

 N ăng lượng bức xạ mặt trời,

Tốc độ gió.

 Những dữ liệu này có thể thu thập từ các trạm khí tượng hoặc tự

mô phỏng bởi SWAT (sử dụng số liệu thống kê tháng)

Trang 15

 Khí hậu

 Dữ liệu khí tượng mô phỏng

Phần mềm mô phỏng giá trị trung bình ngày của các thông số khí tượng từ

các giá trị trung bình tháng

 Sau đó mỗi tiểu lưu vực sẽ được gán một bộ dữ liệu khí tượng đã được tạo ra trong quá trình mô phỏng khí hậu Các giá trị cho các tiểu lưu vực này được tạo ra một cách độc lập và không hề có quan hệ không gian nào giữa chúng với nhau.

 Mô phỏng dữ liệu mưa/tuyết

SWAT sử dụng mô hình Markov chain-skewed (Nicks, 1974) hoặc Markov chain-exponential (Williams, 1995) để mô phỏng dữ liệu mưa cho những lưu vực không có dữ liệu quan trắc/dữ liệu còn thiếu.

 Mô hình sử dụng chuỗi Markov bậc nhất để xác định một ngày sẽ có mưa hay không mưa bằng cách so sánh một số được tạo ra ngẫu nhiên (0,0-1,0) với xác suất xảy ra mưa hàng tháng mà người sử dụng phải đưa vào Nếu ngày đó có mưa thì lượng mưa sẽ được tạo nên từ phân bố lệch chuẩn hay phân bố hàm mũ cải tiến.

15

Trang 16

 Khí hậu

 Mô phỏng dữ liệu nhiệt độ không khí và bức xạ mặt trời

Nhiệt độ cực đại và cực tiểu, cũng như bức xạ mặt trời được tạo nên

từ phân bố xác suất chuẩn

Phần mềm sử dụng phương trình liên tục để biểu thị tác động của thời tiết mưa nắng đối với biến động của nhiệt độ và bức xạ mặt trời

Nhiệt độ cực đại và bức xạ mặt trời giảm xuống khi có mưa và tăng lên khi trời không mưa Những điều chỉnh đó được thực hiện sao cho về lâu dài thì các giá trị trung bình tháng phải trùng hợp với giá trị của dữ liệu đầu vào.

Trang 17

 Khí hậu

 Mô phỏng dữ liệu tốc độ gió

Phần mềm sử dụng phương trình hàm mũ để tạo ra dữ liệu tốc độ gió ngày từ dữ liệu tốc độ gió trung bình tháng

 Mô phỏng dữ liệu độ ẩm không khí tương đối

 Mô hình độ ẩm tương đối hàng ngày sử dụng phân bố tam giác từ giá trị trung bình tháng

Giống như đối với nhiệt độ và bức xạ mặt trời, giá trị trung bình ngày của độ ẩm tương đối cũng được điều chỉnh để biểu thị tác động của ngày có mưa và không có mưa

17

Trang 18

 Dòng chảy mặt di chuyển nhanh về phía các rãnh kênh và là yếu

tố chính tạo nên hiệu ứng dòng chảy ngắn hạn

 Lượng nước thấm xuống đất có thể nằm lại trong các lớp đất để sau đó biến thành hơi nước hay tiếp tục chuyển động theo những khe dẫn đến hệ thống các tầng nước ngầm

Trang 19

Sơ đồ vận chuyển của nước được mô

Nước trong đất

Hút nước

Thấm nước

Dòng chảy mặt

Thất thoát

Cân bằng nước hồ/ao Tưới

Hao hụt

Chảy ra

Tầng nước ngầm nông

Tầng nước ngầm sâu Tưới nước

Thấm ngược

Hao hụt

Dòng chảy sông Tưới nước

Đổ vào sông/hồ

Trang 20

 Thủy văn

 Nước lưu trữ trong tán lá cây

 Tán cây có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thấm, dòng chảy mặt và bốc hơi nước

 Khi mưa rơi, tán cây làm giảm năng lượng xói mòn của giọt mưa và giữ lại một phần lượng mưa trong tán

Ảnh hưởng của tán cây lên các quá trình này là một hàm số phụ thuộc vào mật độ che phủ thực vật và hình thái của các loài thực vật

Trong phương pháp đường cong của SCS (The US Soil Conservation Service) để tính toán dòng chảy mặt, lượng nước lưu trữ trong tán lá cây cũng được tính đến trong tính toán dòng chảy mặt

 Tuy nhiên, nếu những phương pháp như của Green và Ampt được sử dụng để tính toán dòng thấm thì lượng nước lưu trữ trong tán lá cây phải có mô hình mô phỏng riêng biệt

Trang 21

 Thủy văn

 Nước lưu trữ trong tán lá cây: I = P – TF – SF

21

Đọng lại trên tán (Interception- I)

Chảy qua (Throughfall- TF)

Chảy dọc thân cây (Stemflow- SF)

Cây sồi Rừng Đồng cỏ Mưa

(Precipitation- P)

Trang 22

 Thủy văn

 Dòng thấm vào đất

Dòng thấm đề cập đến hiện tượng dòng nước chuyển động xuyên

qua bề mặt đất để thấm vào trong lòng đất

 Khi dòng thấm này xảy ra liên tục, đất ngày càng trở nên ẩm ướt, làm cho tốc độ thấm sẽ giảm theo thời gian cho đến khi đạt đến một giá trị ổn định

Trang 23

 Thủy văn

 Dòng thấm vào đất

Tốc độ thấm ban đầu phụ thuộc vào độ ẩm của đất trước khi nước bắt đầu thấm vào đất Tốc độ thấm tới hạn cuối cùng có giá trị tương

đương với hệ số dẫn nước thuỷ lực của đất bão hoà

Lượng nước thấm vào trong đất được tính toán như là khoảng chênh lệch giữa lượng mưa và dòng chảy mặt

23

Trang 24

 Thủy văn

 Sự bốc thoát hơi

 Bao gồm quá trình nước trong pha

lỏng (sông, suối, ao, hồ) hoặc pha rắn (lớp đất tiếp xúc với không khí,

bề mặt lá cây, khối băng tuyết) trở thành hơi nước trong không khí.

Lượng bốc hơi nước tiềm tàng là

hàm số của bốc thoát hơi tiềm tàng

và chỉ số diện tích lá (diện tích cây/HRU).

Lượng bốc hơi nước thực tế được

ước tính sử dụng một hàm số mũ của độ sâu đất với độ ẩm đất.

Lượng thoát hơi nước từ cây được

mô phỏng như là hàm số tuyến tính

Trang 25

25

Trang 26

Trang 27

bờ và đáy ao, lượng bốc hơi từ mặt nước ao, lượng mưa rơi vào ao

 Yêu cầu đầu vào cho mô hình là dung lượng lưu trữ và diện tích bề

mặt của ao khi ao chứa đầy nước

27

Trang 28

Trang 29

Tất cả các dòng chảy trong các kênh nhánh đều kết thúc trong dòng của kênh chính và được tính truyền dọc theo kênh chính của tiểu lưu vực

 S WAT sử dụng các thuộc tính của các kênh nhánh để xác định thời

gian tập trung nước cho các tiểu lưu vực.

29

Trang 30

Trang 31

 Thủy văn

 Dòng chảy hồi quy

 Dòng chảy hồi quy, hoặc dòng chảy cơ bản, là tổng lượng dòng chảy có nguồn gốc từ nước ngầm

 SWAT chia nước ngầm thành hai hệ thống tầng nước ngầm (Arnold et al., 1993):

 một tầng nước ngầm ở độ sâu nông, có mặt nước tự do, không có áp,

 một tầng nước ngầm ở sâu dưới đất, bị ngăn phía trên bởi một tầng địa chất không thấm nước, và có đóng góp cho dòng chảy của dòng sông suối ở bên ngoài lưu vực

Nước chuyển động thấm qua vùng rễ cây hoạt động được phân thành hai dạng nước, mà mỗi dạng cung cấp nước cho một trong hai loại tầng nước ngầm

 Ngoài dòng chảy hồi quy, nước được lưu giữ trong các tầng nước ngầm nông có thể bổ sung độ ẩm cho tầng đất trong điều kiện đất trở nên rất khô hay trực tiếp được rễ cây sử dụng

Nước trong tầng nước ngầm nông hoặc sâu đều có thể được con người khai thác bằng bơm nước

31

Trang 32

 Thủy văn

 Dòng chảy hồi quy

Trang 33

Trang 34

trầm tích)

Lắng đọng trầm tích trên mặt đất/ dòng chảy

Trang 35

 Xói mòn đất

35

Tách rời (sườn dốc bị xói mòn)

Lắng đọng

Trầm tích lắng đọng

Vận chuyển

Tải lượng trầm tích (sông suối, ao hồ,…)

Lượng đất

bị mất

Trang 36

Tách rời Vận chuyển

Lắng đọng

Trang 37

 Trong SWAT, xói mòn và trầm tích được ước tính cho mỗi HRU theo phương trình MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation) (Williams, 1975).

 MUSLE là phiên bản sửa đổi của USLE (Universal Soil Loss

Equation) phát triển bởi Wischmeier and Smith (1965, 1978)

 Trong khi USLE xem lượng mưa là nguồn năng lượng gây xói

mòn, thì MUSLE sử dụng dòng chảy mặt.

 Cải tiến này mang lại một số ích lợi:

độ chính xác của dự báo xói mòn đất tốt hơn,

 không cần đến thông số tỷ lệ bào mòn, và

có thể tính toán lượng đất xói mòn trong mỗi trận mưa

37

Trang 38

 Phương trình MUSLE (Williams, 1995) có dạng như sau:

 sed là lượng trầm tích trong ngày (tấn),

 Q surf là lượng dòng chảy mặt (mm H2O/ha),

 q peak là đỉnh lưu lượng dòng chảy (m3/s),

 area hru là diện tích HRU (ha)

 K USLE là hệ số xói mòn của đất (0,013 tấn m2 hr/(m3 tấn cm))

 C USLE là hệ số thảm thực vật

 P USLE là hệ số thực hành kiểm soát xói mòn

 LS hệ số chiều dài sườn dốc và độ dốc

Trang 39

 Sự phát triển cây trồng

 SWAT sử dụng mô hình sinh trưởng cây trồng để mô phỏng lớp phủ thực vật Mô hình có khả năng phân biệt giữa các cây hàng năm và cây lâu năm

 Mô hình sinh trưởng cây trồng được sử dụng để tính toán lượng nước và các chất dinh dưỡng di chuyển khỏi vùng rễ cây, thoát đi qua hô hấp của cây, và tích lũy, chuyển hóa thành sinh khối/ sản lượng cây trồng

39

Trang 40

 Sự phát triển cây trồng

Dự báo sản lượng

Trang 41

41

Trang 42

 Các chất dinh dưỡng

 Vòng tuần hoàn biến chuyển nitơ từ các dạng khác nhau trong

đất

Trang 43

 Các chất dinh dưỡng

 Vòng tuần hoàn biến chuyển phốt pho từ các dạng khác nhau

trong đất

43

Trang 44

đất và nước ngầm (dưới dạng hòa tan).

Trang 45

 Thuốc bảo vệ thực vật (TBVTV)

 SWAT sử dụng mô hình GLEAMS (Leonard et al., 1987) mô phỏng quá trình vận chuyển TBVTV thông qua chu trình nước trong pha đất.

 Sự di chuyển này được kiểm soát bởi:

khả năng hòa tan của hóa chất,

 chu kì bán phân rã và

hiệu quả hấp phụ C hữu cơ trong đất.

45

Trang 46

 Khi một thời vụ cây trồng kết thúc, toàn bộ lượng sinh khối của cây trồng có thể được đưa ra khỏi các HRU dưới dạng sản phẩm nông nghiệp hay nằm trên đất dưới dạng cặn bã hữu cơ

 Ngoài các biện pháp canh tác cơ bản như trên, mô hình cũng cho phép đưa vào tác động của những biện pháp khác như khai thác đồng cỏ cho chăn nuôi, bón phân và tưới nước tự động, hay bất

cứ biện pháp đặc biệt nào khác

Trang 47

 Trình bày nguyên lý mô phỏng của SWAT

 Viết phương trình cân bằng nước trong pha đất

 Mô tả các quá trình diễn ra trong pha đất (khí hậu, thủy

văn, xói mòn đất,…)

47

Trang 48

Câu hỏi kiểm tra trên lớp

 Trình bày vòng lặp mô phỏng pha đất của chu trình thủy văn diễn ra trong tiểu lưu vực/HRU? Đối với người sử

dụng mô hình, vòng lặp này có ý nghĩa như thế nào?

Định dạng
Số trang	48
Dung lượng	1,23 MB