Thứ tư – 21/08/2013 14 : 10Những năm gần đây, lũ lụt xảy ra trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn với mức độ ngày càng phức tạp và có những tín hiệu không bình thường. Bên cạnh nguyên do khách quan do sự biến hóa về khí hậu còn có những nguyên do do con người gây ra như lấn chiếm lòng sông, bãi sông gây cản trở dòng chảy, đặc biệt quan trọng là nạn chặt phá rừng đầu nguồn đã làm giảm đáng kể năng lực tiêu nước phòng hộ ở thượng nguồn … Bài viết này trình diễn năng lực ứng dụng của mô hình SWAT để nhìn nhận sự ảnh hưởng tác động của rừng đến lũ lụt ở khu vực này .
Ngoài trận lũ lịch sử xảy ra vào năm 1999, một số năm gầm đây lũ lụt cũng thường xuyên xảy ra với mức độ tương đối lớn như trận lũ năm 2007, 2009. Có nhiều nguyên nhân trong đó có nguyên nhân khách quan do sự biến đổi khí hậu đã gây mưa lớn bất thường hơn trên diện rộng còn có những nguyên nhân chủ quan do sự tác động của các hoạt động trong quá trình phát triển kinh tế – xã hội như phát triển cơ sở hạ tầng ven sông làm thu hẹp lòng dẫn, sự tàn phá rừng nguyên sinh đầu nguồn…
Từ trước đến nay trong tiềm thức của chúng ta rừng có nghĩa rất lớn, nó làm tăng dòng chảy kiệt và làm giảm dòng chảy lũ. Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của rừng đến lũ nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ đánh giá một cách định tính mà chưa có nghiên cứu nào đánh giá chính xác về mặt định lượng xem nếu rừng thay đổi thì dòng chảy thay đổi biến động như thế nào. Việc đánh giá định lượng đó có thể sử dụng mô hình toán để tính toán.
Hiện nay mô hình toán phát triển rất nhanh và ở Việt Nam nó dường như là công cụ không thể thiếu trong các nghiên cứu cũng như giải quyết các bài toán qui hoạch…Để đánh giá định lượng ảnh hưởng của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thì có thể lựa chọn mô hình SWAT để nghiên cứu. Đây là công cụ mô hình đã ứng dụng nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam, những năm gần đây nó cũng được đưa vào ứng dụng nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ sử dụng mô hình để tính toán dòng chảy làm đầu vào cho các mô hình khác như mô hình thủy lực hay phục vụ bài toán cân bằng nước. Bài báo này giới thiệu khả năng của mô hình đi theo một hướng ứng dụng khác là đánh giá ảnh hưởng của rừng tới chế độ dòng chảy trên lưu vực Vu Gia – Thu Bồn.
1. Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAT
Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong hệ thống lưu vực sông với các loại đất, với các điều kiện sử dụng đất khác nhau và điều kiện quản lý tương ứng với một khoảng thời gian dài.
Mô hình được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên. Ngoài việc sử dụng các phương trình tương quan để mô tả mối quan hệ giữa các biến vào và ra, 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. 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,… được tính toán trực tiếp bởi mô hình từ các thông số đầu vào. Việc mô phỏng cho một lưu vực theo các chiến lược quản lý khác nhau có thể được diễn ra tương đối đơn giản. Mô hình SWAT dựa trên các bản đồ số về địa hình (DEM), sông ngòi, đường bao lưu vực để tính toán và chia lưu vực ra thành các vùng hay các lưu vực nhỏ (sub-basin). Đây là các lưu vực của các nhánh sông chính trong lưu vực nghiên cứu.
Mô hình đồng thời cho phép người sử dụng thêm các nút bổ sung nước (inlet) để hỗ trợ cung cấp thêm nguồn nước thực tế khi mà các bản đồ GIS chưa cập nhật kịp thời và các điểm đo nước (outlet) để chia nhỏ các lưu vực con giúp người sử dụng có thể tham khảo các vùng khác của lưu vực trong cùng một phạm vi không gian. Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong mô hình để mô phỏng dòng chảy là rất thuận lợi khi mà các lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất. Bên cạnh đó, mô hình cho phép mô phỏng hoạt động của hồ chứa trên lưu vực với các thông số như dung tích, diện tích mặt nước, Q tràn,…
Ảnh hưởng của đất và việc sử dụng đất được thể hiện rõ trong việc nhập và xử lý các bản đồ GIS. Mô hình sẽ cập nhật bản đồ sử dụng đất và phân loại sử dụng đất theo tên và số phần trăm diện tích loại hình sử dụng đất đó. Tương tự với bản đồ đất, cũng được cập nhật theo tên và phần trăm diện tích đất.
Các trạm KTTV được cập nhật theo kinh vĩ độ và tương ứng là các chuỗi số liệu của trạm đó theo thời gian. Mô hình tính toán mưa theo phương pháp đa giác Theissen.
Trong quá trình tính toán dòng chảy, mô hình đã sử dụng phương pháp tính bốc hơi (theo Penman-Monteith, Priestley-Taylor, Hardgreve hoặc đọc từ file), diễn toán dòng chảy theo phương pháp Muskingum, các phương pháp diễn toán chất lượng nước. Xét về toàn lưu vực thì mô hình SWAT là một mô hình phân bố. Mô hình này chia dòng chảy thành 3 pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và pha trong sông. Việc mô tả các quá trình thuỷ văn được chia làm hai phần chính: Phần thứ nhất là pha lưu vực với chu trình thuỷ văn dùng để kiểm soát khối lượng nước, bùn cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các lòng dẫn chính của mỗi lưu vực. Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ trong hệ thống lòng dẫn và tới mặt cắt cửa ra của lưu vực. Chu trình thuỷ văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước tổng quát như sau:
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)
2. Khả năng ứng dụng của mô hình SWAT.
Các sản phẩm của mô hình được thể hiện định lượng nhằm:
– Đánh giá về số lượng và về chất lượng của tài nguyên nước trong lưu vực
– Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực
– Đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên như hiện trạng rừng, đất, sử dụng đất tới dòng chảy, bùn cát, xói mòn, chất dinh dưỡng…
– Đánh giá hiệu quả trong công tác quản lý lưu vực
III. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA RỪNG TỚI KHẢ NĂNG GÂY LŨ LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN
1. Số liệu phục vụ tính toán
a. Số liệu bản đồ
+ Số liệu không gian
Số liệu vào mô hình bao gồm số liệu không gian là các bản đồ và số liệu thuộc tính của chúng.
Các bản đồ được dùng để tính toán bao gồm:
– Bản đồ số hóa độ cao (DEM) lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
– Bản đồ đất lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.
– Bản đồ thảm phủ thực vật ứng với hiện trạng rừng và sử dụng đất của năm 1993 và 2005.
– Bản đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm đo khí tượng thủy văn
Mô hình SWAT (oil andaterssessmentool) được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong hệ thống lưu vực sông với các loại đất, với các điều kiện sử dụng đất khác nhau và điều kiện quản lý tương ứng với một khoảng thời gian dài.Mô hình được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên. Ngoài việc sử dụng các phương trình tương quan để mô tả mối quan hệ giữa các biến vào và ra, 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. 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,… được tính toán trực tiếp bởi mô hình từ các thông số đầu vào. Việc mô phỏng cho một lưu vực theo các chiến lược quản lý khác nhau có thể được diễn ra tương đối đơn giản. Mô hình SWAT dựa trên các bản đồ số về địa hình (DEM), sông ngòi, đường bao lưu vực để tính toán và chia lưu vực ra thành các vùng hay các lưu vực nhỏ (sub-basin). Đây là các lưu vực của các nhánh sông chính trong lưu vực nghiên cứu.Mô hình đồng thời cho phép người sử dụng thêm các nút bổ sung nước (inlet) để hỗ trợ cung cấp thêm nguồn nước thực tế khi mà các bản đồ GIS chưa cập nhật kịp thời và các điểm đo nước (outlet) để chia nhỏ các lưu vực con giúp người sử dụng có thể tham khảo các vùng khác của lưu vực trong cùng một phạm vi không gian. Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong mô hình để mô phỏng dòng chảy là rất thuận lợi khi mà các lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất. Bên cạnh đó, mô hình cho phép mô phỏng hoạt động của hồ chứa trên lưu vực với các thông số như dung tích, diện tích mặt nước, Q tràn,…Ảnh hưởng của đất và việc sử dụng đất được thể hiện rõ trong việc nhập và xử lý các bản đồ GIS. Mô hình sẽ cập nhật bản đồ sử dụng đất và phân loại sử dụng đất theo tên và số phần trăm diện tích loại hình sử dụng đất đó. Tương tự với bản đồ đất, cũng được cập nhật theo tên và phần trăm diện tích đất.Các trạm KTTV được cập nhật theo kinh vĩ độ và tương ứng là các chuỗi số liệu của trạm đó theo thời gian. Mô hình tính toán mưa theo phương pháp đa giác Theissen.Trong quá trình tính toán dòng chảy, mô hình đã sử dụng phương pháp tính bốc hơi (theo Penman-Monteith, Priestley-Taylor, Hardgreve hoặc đọc từ file), diễn toán dòng chảy theo phương pháp Muskingum, các phương pháp diễn toán chất lượng nước. Xét về toàn lưu vực thì mô hình SWAT là một mô hình phân bố. Mô hình này chia dòng chảy thành 3 pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và pha trong sông. Việc mô tả các quá trình thuỷ văn được chia làm hai phần chính: Phần thứ nhất là pha lưu vực với chu trình thuỷ văn dùng để kiểm soát khối lượng nước, bùn cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các lòng dẫn chính của mỗi lưu vực. Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ trong hệ thống lòng dẫn và tới mặt cắt cửa ra của lưu vực. Chu trình thuỷ văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước tổng quát như sau:Trong đó:SW: Tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm)SW: Tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm)t : Thời gian (ngày): Tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm): Tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm): Lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm): Lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm): Lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)Các sản phẩm của mô hình được thể hiện định lượng nhằm:- Đánh giá về số lượng và về chất lượng của tài nguyên nước trong lưu vực- Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực- Đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên như hiện trạng rừng, đất, sử dụng đất tới dòng chảy, bùn cát, xói mòn, chất dinh dưỡng…- Đánh giá hiệu quả trong công tác quản lý lưu vực+ Số liệu không gianSố liệu vào mô hình bao gồm số liệu không gian là các bản đồ và số liệu thuộc tính của chúng.Các bản đồ được dùng để tính toán bao gồm:- Bản đồ số hóa độ cao (DEM) lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn- Bản đồ đất lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.- Bản đồ thảm phủ thực vật ứng với hiện trạng rừng và sử dụng đất của năm 1993 và 2005.- Bản đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm đo khí tượng thủy văn
Hình 1: Bản đồ DEM trong mô hình SWAT và Hình 2: Bản đồ các loại đất trong mô hình SWAT
Hình 3: Bản đồ sử dụng đất năm 1993 trong mô hình SWAT và Hình 4: Bản đồ sử dụng đất năm 2005 trong mô hình SWAT
+ Số liệu thuộc tính
– Vị trí địa lý các trạm đo trên lưu vực
– Số liệu khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí (tối cao, tối thấp), tốc độ gió, bức xạ, độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối.
– Số liệu thuỷ văn bao gồm lượng mưa trung bình ngày, lưu lượng trung bình ngày và độ đục bình quân ngày.
Các số liệu không gian được xử lý bằng phần mềm ARCGIS 9.3. Bản đồ địa hình được đưa vào dưới dạng DEM còn bản đồ sử dụng đất và loại đất được đưa vào mô hình dưới dạng grid file hoặc shape file. Các số liệu thuộc tính được đưa vào dưới dạng database…
b. Số liệu khí tượng thuỷ văn
(1). Số liệu mưa
Số liệu mưa bình quân ngày được dùng trong tính toán, trong đó có các trạm mưa: Thành Mỹ, Nông Sơn, Tam Kỳ, Ái Nghĩa, Câu Lâu, Đà Nẵng, Cẩm Lệ, Hội Khách, Hội An, Khâm Đức, Tiên Phước, Trà My, Trao (Hiên). Các trạm mưa có số liệu tương đối đủ dài, đo mưa từ năm 1976 đến nay. Để đảm bảo tính đồng nhất chuỗi số liệu mưa cho 2 trường hợp tính toán thử nghiệm, kiểm định, đã sử dụng chuỗi số liệu quan trắc dài và đầy đủ của 13 trạm mưa trên.
(2). Số liệu khí tượng
Số liệu khí tượng cần thiết để chạy mô hình bao gồm các yếu tố sau:
– Số giờ nắng
– Bức xạ mặt trời
– Tốc độ gió
– Nhiệt độ trung bình, tối cao, tối thấp
– Độ ẩm tương đối
Các số liệu khí tượng bình quân ngày của trạm Nông Sơn, Tam Kỳ và Khâm Đức được dùng để tính toán. Các trạm này đều quan trắc đầy đủ các yếu tố khí hậu trên.
(3). Số liệu lưu lượng
Số liệu lưu lượng trung bình ngày của trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn, trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia, số liệu lưu lượng có được từ năm 1976 đến năm 2009. Trong chuỗi số liệu đó lấy lưu lượng năm 1993 ứng với số liệu rừng năm 1993 làm số liệu hiệu chỉnh mô hình, và số liệu năm 2005 ứng với số liệu rừng năm 2005 làm số liệu kiểm định mô hình.
(4). Số liệu về các loại đất: được phân loại theo tổ chức nông lương thế giới (FAO).
(5). Số liệu về thảm phủ thực vật
Bản đồ thảm phủ thực vật được thu thập với năm 1993 và 2005. Trong lưu vực nghiên cứu có một số loại hình sử dụng đất như :
– Đất có rừng gồm các loại: Rừng giàu, rừng trung bình, rừng thứ sinh nhiệt đới thường xanh cây lá rộng, rừng tre nứa hoặc hồn giao tre nứa, tràng cỏ, trảng cây bụi thường xanh lá rộng,…
– Đất trống gồm các loại: đất trống, đất trống có cỏ, đất trống có cây bụi, đất trống có cây bụi rải rác….
– Đất nông nghiệp gồm các loại: đất trồng lúa, màu, đất trồng cây công nghiệp, đất vườn ươm…
– Đất thổ cư, khu công nghiệp,
– Đất sông suối, hồ tự nhiên
2. Xác định bộ thông số của mô hình SWAT cho lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
2.1. Các bước chạy mô hình
Để chạy được mô hình cần có đầy đủ các dữ liệu vào của mô hình đã nêu ở trên. Sau khi vào số liệu bản đồ địa hình dưới dạng DEM, giới hạn lưu vực cần tính toán và mạng lưới sông suối trên lưu vực đó, chương trình SWAT sẽ tính toán các thông số như số thứ tự, độ dốc, chiều rộng, diện tích… của các lưu vực con trong lưu vực tính toán đó. Tỷ lệ bản đồ ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán, có thể làm tăng hay giảm số lượng các sông suối, diện tích lưu vực cũng như các đặc trưng khác của lưu vực.
Sau khi tính toán các tham số của lưu vực con, tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất và bản đồ đất để tính toán % từng diện tích sử dụng đất và % từng loại đất trên các lưu vực con đó. Sau đó tiến hành vào các số liệu về khí tượng, số liệu thực đo tại trạm thuỷ văn. Sau khi thực hiện đầy đủ các bước nhập số liệu đó, chương trình SWAT có thể tiến hành chạy thử nghiệm được.
Hình 5: Các lưu vực nhỏ được chia trong SWAT
Bảng 1: Đặc trưng các lưu vực con
| Lưu vực | Diện tích (ha) | Chiều dài lưu vực (m) | Độ dốc lưu vực (o/oo) | Độ cao trung bình (m) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 19108 | 35743 | 51.58 | 231.9 |
| 2 | 44199 | 54932 | 42.52 | 160.0 |
| 3 | 36737 | 56519 | 45.61 | 217.6 |
| 4 | 66888 | 58045 | 42.37 | 550.0 |
| 5 | 146064 | 107812 | 51.26 | 425.0 |
| 6 | 75458 | 88744 | 51.32 | 885.0 |
| 7 | 100688 | 81025 | 38.14 | 380.0 |
| 8 | 120347 | 71188 | 36.20 | 29.1 |
| 9 | 56513 | 55281 | 26.86 | 60.0 |
| 10 | 162802 | 92626 | 45.49 | 310.0 |
| 11 | 43343 | 57639 | 15.61 | 10.3 |
| 12 | 45048 | 48584 | 18.71 | 4.2 |
| 13 | 1752 | 7497 | 0.04 | 3.0 |
| 14 | 49609 | 45610 | 14.39 | 90.0 |
2.2. Hiệu chỉnh mô hình
Trong lưu vực nghiên cứu để xác định bộ thông số của mô hình lấy trạm lưu lượng thực đo Nông Sơn và Thành Mỹ từ ngày 1/I/1993 đến 31/XII/1993 để tính toán so sánh với giá trị tính toán.
*Xác định các thông số của mô hình
Các thông số hiệu chỉnh mô hình được xác định theo phương pháp dò tìm thông số Rosenbrok. Các thông số được chia làm các nhóm thông số sau:
– Thông số tính quá trình hình thành dòng chảy mặt bao gồm: tính lượng mưa hiệu quả, tính lưu lượng đỉnh lũ, tính hệ số trễ dòng chảy mặt
– Thông số tính toán dòng chảy ngầm
– Thông số diễn toán trong kênh
Để so sánh giá trị tính toán với giá trị thực đo, đồ án dùng chỉ số NASH làm hàm mục tiêu. NASH càng tiến đến 1 thì kết quả tính toán càng chính xác. Công thức như sau:
Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình, ngoài việc hiệu chỉnh các thông số sao cho đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán phù hợp, ta cần phải chú ý tới đường quá trình tổng lượng tích luỹ bởi đây là bài toán cân bằng nước nên cần quan tâm đến vấn đề này nhiều hơn.
Với việc lấy trạm khống chế lưu vực tại Ái Nghĩa, lưu vực nghiên cứu được chia làm 21 lưu vực con với các đặc trưng của lưu vực như diện tích, độ dốc lưu vực, độ cao trung bình lưu vực, chiều dài kênh chính
Mô hình SWAT có rất nhiều thông số nên việc xác định những thông số nào ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình dòng chảy rất khó khăn. Trong đó, chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (CN2) và thời gian trễ dòng chảy mặt LATTIME có ảnh hưởng đến sự thay đổi dòng chảy nhiều nhất, những thông số khác ảnh hưởng rất ít hoặc không đáng kể.
Kết quả so sánh giữa giá trị thực đo và tính toán tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ được thể hiện như trong hình 6 và 7. Lấy chỉ tiêu để so sánh là hệ số NASH. Hệ số NASH tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ lần lượt là R = 0,8 và R = 0.76. Với điều kiện mô phỏng diện tích lưu vực rất lớn và chuỗi số liệu là 1 năm tính toán theo thời đoạn ngày thì kết quả mô phỏng có thể chấp nhận được. Do đó có thể dùng bộ thông số này để kiểm định lại cho năm 2005.
2.3. Kiểm định mô hình
Sau khi đã hiệu chỉnh mô hình cho kết quả có thể chấp nhận đuợc, ta lấy bộ thông số đó tính toán kiểm định cho chuỗi số liệu từ 1/1/2005 đến 31/12/2005 ứng với số liệu rừng năm 2005. Kết quả tính toán kiểm định được thể hiện như trong hình 8 và 9. Kết quả so sánh giữa lưu lượng thực đo và tính toán tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ bằng chỉ số NASH lần lượt là R = 0.83 và R = 0.79. Với hệ số NASH trong hai trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại Nông Sơn và Thành Mỹ đều lớn hơn 0,7, đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tương đối phù hợp thì kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình có thể chấp nhận được. Vì vậy có thể sử dụng mô hình SWAT để tính toán thử nghiệm số liệu mưa năm 2009 ứng với sự thay đổi của rừng của năm 1993 và 2005.
Bảng 2: Bộ thông số của mô hình sau khi hiệu chỉnh mô hình
| Thông số |
Nhóm thông số | ||
|---|---|---|---|
| Quá trình hình thành dòng chảy mặt | Dòng chảy ngầm | Diễn toán trong kênh | |
| CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II | CN2=45 | ||
| SOL_AWC: Khả năng trữ nước của đất | SOL_AWC= 0,2 | ||
| SOL_K: Ksat độ dẫn thuỷ lực ở trường hợp bão hoà | SOL_K1= 160 SOL_K2 = 200 |
||
| OV_N: Hệ số nhám Manning cho dòng chảy mặt | OV_N = 10 | ||
| CH_K(1): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn | CH_K(1) = 0, 1 | ||
| CH_N(1): Hệ số nhám kênh dẫn (mm/h) | CH_N(1) = 0,014 | ||
| Lattime: Thời gian trễ dòng chảy mặt | LATTIME =30 | ||
| ESCO: Hệ số bốc hơi của đất | ESCO=0.5 | ||
| GWQMN: Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm | GWQMN = 100 | ||
| ALPHA_BF: Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm | ALPHA_BF = 0,05 | ||
| GW_DELAY: Thời gian trữ nước tầng ngầm (ngày) | GW_DELAY= 20 | ||
| CH_N(2): Hệ số nhám của kênh chính | CH_N(2) = 0,1 | ||
| CH_K(2): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/h) | CH_K(2) = 0,2 | ||
3. Đánh giá tác động của thảm phủ rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn
Nhằm đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, sử dụng số liệu khí tượng thủy văn đo đạc tại các trạm trên lưu vực mô phỏng dòng chảy trên lưu vực tại 2 trạm thủy văn Nông Sơn và trạm Thành Mỹ ứng với hai kịch bản rừng năm 1993 và 2005 trong điều kiện địa hình và các loại đất không thay đổi.
Hình 10: Đường quá trình lưu lượng tại Nông Sơn và Hình 11: Đường quá trình lưu lượng tại Thành Mỹ
Bảng 3: Lưu lượng lớn nhất tại các vị trí ứng với các loại rừng
| Vị trí | Qmax thực đo (m3/s) |
Qmax ứng với rừng 1993 (m3/s) |
Qmax ứng với rừng 2005 (m3/s) |
Chênh lệch Qmax của rừng 2005 so với rừng 1993 (m3/s) | Qmax tăng lên của rừng 2005 so với rừng năm 1993 (%) |
| Nông Sơn | 7030 | 6454.3 | 6636.5 | 182.2 | 2.8 |
| Thành Mỹ | 4540 | 4121.6 | 4340 | 218.4 | 5.3 |
Qua các kết quả tính toán dựa trên mô hình Swat nhận thấy rằng cùng một số liệu về khí tượng thủy văn đo đạc năm 2009 trong điều kiện địa hình và các loại đất không thay đổi, số liệu rừng thay đổi từ 1993 đến 2005 thì chế độ thủy văn tính toán tại Nông Sơn và Thành Mỹ có sự thay đổi. Tổng diện tích các loại rừng giảm khoảng 24.075ha, tỷ lệ rừng giàu giảm mạnh. Lưu lượng lớn nhất năm 2009 khi tính toán với số liệu rừng năm 2005 tại Nông Sơn là 6636.5 m3/s và tại Thành Mỹ là 4340 m3/s; còn khi tính toán với số liệu rừng năm 1993 thì lưu lượng lớn nhất tại Nông Sơn là 6454.3 m3/s và tại Thành Mỹ là 4121.6 m3/s. Có thể thấy rằng chênh lệch lưu lượng lớn nhất khi tính toán với rừng năm 2005 và rừng năm 1993 tại trạm Nông Sơn khoảng 182 m3/s và Thành Mỹ khoảng 218.4 m3/s tương ứng với mức tăng khoảng 2.8% tại Nông Sơn và 5.3% tại Thành Mỹ. Như vậy chế độ dòng chảy có bị ảnh hưởng khi thảm phủ thay đổi, diện tích rừng tự nhiên, rừng phòng hộ bị chặt phá nhiều mặc dù rừng trồng hàng năm làm tăng độ che phủ nhưng chất lượng rừng có phần giảm đi. Có thể khẳng định sự giảm sút của chất lượng rừng là một trong những nguyên nhân gây ra lũ lụt trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.
Qua kết quả nghiên cứu nhận thấy mô hình SWAT là một công cụ có khả năng đánh giá định lượng khá tốt ảnh hưởng của rừng đến chế độ dòng chảy. Tuy nhiên do bộ số liệu đầu vào còn chưa đầy đủ nên các kết quả nghiên cứu trên đây chỉ là kết quả đánh giá thử nghiệm, để có thể ứng dụng được cần phải nghiên cứu và đánh giá thêm.
Khả năng ứng dụng của mô hình SWAT là rất lớn. Tuy nhiên yêu cầu số liệu đầu vào của mô hình khá nhiều và cần nhiều thời gian để xử lý đặc biệt là các số liệu bản đồ như bản đồ địa hình, bản đồ đất, bản đồ rừng và các số liệu thuộc tính của chúng. Để có thể sử dụng mô hình này đánh giá về định lượng sự ảnh hưởng của rừng tới lũ lụt nhất thiết phải có một bộ số liệu đầu vào đồng bộ. Do đó trong thời gian tới rất cần có những chương trình điều tra các số liệu cơ bản về các yếu tố như khí tượng, khí hậu, đất đai, thổ nhưỡng, thủy văn, rừng…v.v để có thể đưa bộ mô hình này vào sử dụng rộng rãi hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đào Văn Khương, “Điều tra, đánh giá về lũ lớn khu vực miền Trung và Tây Nguyên”, Phòng thí nghiệm trọng điểm QG về động lực học sông biển, 2011.
[2]. SWAT 2005 User’s manual and Theoretical documentation.
Tác giả: ThS. Đào Văn Khương, ThS. Nguyễn Mạnh Linh
Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển
Hình 1 : Bản đồ DEM trong mô hình SWAT và Hình 2 : Bản đồ những loại đất trong mô hình SWATHình 3 : Bản đồ sử dụng đất năm 1993 trong mô hình SWAT và Hình 4 : Bản đồ sử dụng đất năm 2005 trong mô hình SWAT + Số liệu thuộc tính – Vị trí địa lý những trạm đo trên lưu vực – Số liệu khí tượng gồm có nhiệt độ không khí ( tối cao, tối thấp ), vận tốc gió, bức xạ, nhiệt độ tương đối, nhiệt độ tuyệt đối. – Số liệu thuỷ văn gồm có lượng mưa trung bình ngày, lưu lượng trung bình ngày và độ đục trung bình ngày. Các số liệu khoảng trống được giải quyết và xử lý bằng ứng dụng ARCGIS 9.3. Bản đồ địa hình được đưa vào dưới dạng DEM còn map sử dụng đất và loại đất được đưa vào mô hình dưới dạng grid file hoặc shape file. Các số liệu thuộc tính được đưa vào dưới dạng database … ( 1 ). Số liệu mưaSố liệu mưa trung bình ngày được dùng trong đo lường và thống kê, trong đó có những trạm mưa : Thành Mỹ, Nông Sơn, Tam Kỳ, Ái Nghĩa, Câu Lâu, Thành Phố Đà Nẵng, Cẩm Lệ, Hội Khách, Hội An, Khâm Đức, Tiên Phước, Trà My, Trao ( Hiên ). Các trạm mưa có số liệu tương đối đủ dài, đo mưa từ năm 1976 đến nay. Để bảo vệ tính như nhau chuỗi số liệu mưa cho 2 trường hợp giám sát thử nghiệm, kiểm định, đã sử dụng chuỗi số liệu quan trắc dài và không thiếu của 13 trạm mưa trên. ( 2 ). Số liệu khí tượngSố liệu khí tượng thiết yếu để chạy mô hình gồm có những yếu tố sau : – Số giờ nắng – Bức xạ mặt trời – Tốc độ gió – Nhiệt độ trung bình, tối cao, tối thấp – Độ ẩm tương đốiCác số liệu khí tượng trung bình ngày của trạm Nông Sơn, Tam Kỳ và Khâm Đức được dùng để đo lường và thống kê. Các trạm này đều quan trắc rất đầy đủ những yếu tố khí hậu trên. ( 3 ). Số liệu lưu lượngSố liệu lưu lượng trung bình ngày của trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn, trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia, số liệu lưu lượng có được từ năm 1976 đến năm 2009. Trong chuỗi số liệu đó lấy lưu lượng năm 1993 ứng với số liệu rừng năm 1993 làm số liệu hiệu chỉnh mô hình, và số liệu năm 2005 ứng với số liệu rừng năm 2005 làm số liệu kiểm định mô hình. ( 4 ). Số liệu về những loại đất : được phân loại theo tổ chức triển khai nông lương quốc tế ( FAO ). ( 5 ). Số liệu về thảm phủ thực vậtBản đồ thảm phủ thực vật được tích lũy với năm 1993 và 2005. Trong lưu vực điều tra và nghiên cứu có 1 số ít mô hình sử dụng đất như : – Đất có rừng gồm những loại : Rừng giàu, rừng trung bình, rừng thứ sinh nhiệt đới thường xanh cây lá rộng, rừng tre nứa hoặc hồn giao tre nứa, tràng cỏ, trảng cây bụi thường xanh lá rộng, … – Đất trống gồm những loại : đất trống, đất trống có cỏ, đất trống có cây bụi, đất trống có cây bụi rải rác …. – Đất nông nghiệp gồm những loại : đất trồng lúa, màu, đất trồng cây công nghiệp, đất vườn ươm … – Đất thổ cư, khu công nghiệp, – Đất sông suối, hồ tự nhiênHình 5 : Các lưu vực nhỏ được chia trong SWATBảng 1 : Đặc trưng những lưu vực conTrong lưu vực nghiên cứu và điều tra để xác lập bộ thông số kỹ thuật của mô hình lấy trạm lưu lượng thực đo Nông Sơn và Thành Mỹ từ ngày 1 / I / 1993 đến 31 / XII / 1993 để giám sát so sánh với giá trị đo lường và thống kê. * Xác định những thông số kỹ thuật của mô hìnhCác thông số kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình được xác lập theo chiêu thức dò tìm thông số kỹ thuật Rosenbrok. Các thông số kỹ thuật được chia làm những nhóm thông số kỹ thuật sau : – Thông số tính quy trình hình thành dòng chảy mặt gồm có : tính lượng mưa hiệu suất cao, tính lưu lượng đỉnh lũ, tính thông số trễ dòng chảy mặt – Thông số thống kê giám sát dòng chảy ngầm – Thông số diễn toán trong kênhĐể so sánh giá trị thống kê giám sát với giá trị thực đo, đồ án dùng chỉ số NASH làm hàm mục tiêu. NASH càng tiến đến 1 thì tác dụng thống kê giám sát càng đúng mực. Công thức như sau : Trong quy trình hiệu chỉnh mô hình, ngoài việc hiệu chỉnh những thông số kỹ thuật sao cho đường quy trình lưu lượng thực đo và thống kê giám sát tương thích, ta cần phải quan tâm tới đường quy trình tổng lượng tích luỹ bởi đây là bài toán cân đối nước nên cần chăm sóc đến yếu tố này nhiều hơn. Với việc lấy trạm khống chế lưu vực tại Ái Nghĩa, lưu vực nghiên cứu và điều tra được chia làm 21 lưu vực con với những đặc trưng của lưu vực như diện tích quy hoạnh, độ dốc lưu vực, độ cao trung bình lưu vực, chiều dài kênh chínhMô hình SWAT có rất nhiều thông số kỹ thuật nên việc xác lập những thông số kỹ thuật nào tác động ảnh hưởng đa phần đến quy trình dòng chảy rất khó khăn vất vả. Trong đó, chỉ số CN ứng với điều kiện kèm theo ẩm II ( CN2 ) và thời hạn trễ dòng chảy mặt LATTIME có tác động ảnh hưởng đến sự đổi khác dòng chảy nhiều nhất, những thông số kỹ thuật khác tác động ảnh hưởng rất ít hoặc không đáng kể. Kết quả so sánh giữa giá trị thực đo và đo lường và thống kê tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ được biểu lộ như trong hình 6 và 7. Lấy chỉ tiêu để so sánh là thông số NASH. Hệ số NASH tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ lần lượt là R = 0,8 và R = 0.76. Với điều kiện kèm theo mô phỏng diện tích quy hoạnh lưu vực rất lớn và chuỗi số liệu là 1 năm thống kê giám sát theo thời đoạn ngày thì tác dụng mô phỏng hoàn toàn có thể gật đầu được. Do đó hoàn toàn có thể dùng bộ thông số kỹ thuật này để kiểm định lại cho năm 2005. Sau khi đã hiệu chỉnh mô hình cho hiệu quả hoàn toàn có thể gật đầu đuợc, ta lấy bộ thông số kỹ thuật đó giám sát kiểm định cho chuỗi số liệu từ 1/1/2005 đến 31/12/2005 ứng với số liệu rừng năm 2005. Kết quả đo lường và thống kê kiểm định được biểu lộ như trong hình 8 và 9. Kết quả so sánh giữa lưu lượng thực đo và đo lường và thống kê tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ bằng chỉ số NASH lần lượt là R = 0.83 và R = 0.79. Với thông số NASH trong hai trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại Nông Sơn và Thành Mỹ đều lớn hơn 0,7, đường quy trình lưu lượng thống kê giám sát và thực đo tương đối tương thích thì hiệu quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình hoàn toàn có thể đồng ý được. Vì vậy hoàn toàn có thể sử dụng mô hình SWAT để thống kê giám sát thử nghiệm số liệu mưa năm 2009 ứng với sự biến hóa của rừng của năm 1993 và 2005. Bảng 2 : Bộ thông số kỹ thuật của mô hình sau khi hiệu chỉnh mô hìnhNhằm nhìn nhận tác động ảnh hưởng sự đổi khác của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, sử dụng số liệu khí tượng thủy văn đo đạc tại những trạm trên lưu vực mô phỏng dòng chảy trên lưu vực tại 2 trạm thủy văn Nông Sơn và trạm Thành Mỹ ứng với hai ngữ cảnh rừng năm 1993 và 2005 trong điều kiện kèm theo địa hình và những loại đất không đổi khác. Hình 10 : Đường quy trình lưu lượng tại Nông Sơn và Hình 11 : Đường quy trình lưu lượng tại Thành MỹBảng 3 : Lưu lượng lớn nhất tại những vị trí ứng với những loại rừng [ 1 ]. Đào Văn Khương, “ Điều tra, nhìn nhận về lũ lớn khu vực miền Trung và Tây Nguyên ”, Phòng thí nghiệm trọng điểm QG về động lực học sông biển, 2011. [ 2 ]. SWAT 2005 User’s manual and Theoretical documentation .
