MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG ................................ ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
DANH MỤC HÌNH ................................. ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................3
CHƢƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƢU VỰC SÔNG ĐÁY TRÊN
ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI ......... ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.1 VỊ TRÍ ĐỊA LÝ ..........................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.2 ĐỊA HÌNH. ĐỊA MẠO ...............................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.3 ĐỊA CHẤT THỔ NHƯỠNG .....................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.3.1 Địa chất .................................................... Error! Bookmark not defined.
1.3.2 Thổ nhưỡng ............................................... Error! Bookmark not defined.
1.4 THẢM THỰC VẬT ...................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.5 KHÍ HẬU ...................................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1.6 THỦY VĂN ...............................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
CHƢƠNG 2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT ........ ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED.
2.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA
BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY .....ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
2.1.1 Phương pháp SCS...................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.2 Mô hình MIKE – SHE............................... Error! Bookmark not defined.
2.1.3 Mô hình SAC – SMA ................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.4 Mô hình NAM ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.1.5 Mô hình HEC – HMS ................................ Error! Bookmark not defined.
2.1.6 Mô hình SSARR ........................................ Error! Bookmark not defined.
2.2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT ................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
2.2.1 Lịch sử phát triển ....................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.2 Giới thiệu mô hình SWAT ........................ Error! Bookmark not defined.
2.2.3 Các ứng dụng mô hình SWAT trên thế giới và trong nước .............. Error!
Bookmark not defined.
Thế giới ........................................................... Error! Bookmark not defined.
Trong nước ...................................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.4 Cấu trúc mô hình SWAT ........................... Error! Bookmark not defined.
Mô hình lưu vực .............................................. Error! Bookmark not defined.
Mô hình diễn toán ........................................... Error! Bookmark not defined.
2.2.5 Phương pháp sử dụng trong mô hình SWAT ...... Error! Bookmark not
defined.
2.3 THÔNG SỐ MÔ HÌNH ..............................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
1
2.3.1 Thông số tính toán dòng chảy trực tiếp ..... Error! Bookmark not defined.
2.3.2 Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ ........ Error! Bookmark not defined.
2.3.3 Thông số tính toán hệ số trễ giảm dòng chảy .......... Error! Bookmark not
defined.
2.3.4 Thông số tính toán tổn thất dọc đường ...... Error! Bookmark not defined.
2.3.5 Thông số tính toán tổn thất bốc hơi ........... Error! Bookmark not defined.
2.3.6 Thông số tính toán dòng chảy ngầm ......... Error! Bookmark not defined.
2.3.7 Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính .... Error! Bookmark not
defined.
CHƢƠNG 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA
BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN BIẾN ĐỘNG DÒNG CHẢY LƢU VỰC SÔNG
ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN THÀNH PHỐ HÀ NỘI ..... ERROR! BOOKMARK NOT
DEFINED.
3.1 CÁC KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ....ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
3.1.1 Biểu hiện của biến đổi khí hậu ở Việt Nam ............ Error! Bookmark not
defined.
3.1.2 Cơ sở xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu Error! Bookmark not defined.
3.1.3 Lựa chọn kịch bản phù hợp cho khu vực nghiên cứu .... Error! Bookmark
not defined.
3.2 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT KHẢO SÁT TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ
HẬU ĐẾN BIẾN ĐỘNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN
THÀNH PHỐ HÀ NỘI ....................................ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED.
3.2.1 Số liệu đầu vào .......................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.2 Các bước thực hiện chạy mô hình SWAT Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Hiệu chỉnh mô hình ................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.4 Kiểm định mô hình .................................... Error! Bookmark not defined.
3.2.5 Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu tới dòng chảy .. Error! Bookmark
not defined.
KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................56
2
MỞ ĐẦU
Việt Nam là một trong 5 quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của biến đổi
khí hậu. Biến đổi khí hậu là một trong những thách thức lớn nhất đối với đời sống
con người trong thế kỷ 21. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu tác động đến mọi lĩnh
vực trong đời sống con người. Chúng ta cần phải biết mức độ ảnh hưởng của biến
đổi khí hậu như thế nào để đưa ra các phương án thích ứng những ảnh hưởng của
biến đổi khí hậu. Những ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến dòng chảy làm ảnh
hưởng đến đời sống hằng ngày là rất nhiều.
Nội dung khóa luận gồm có:
Đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Đáy trên địa bản thành phố Hà
Nội
Giới thiệu mô hình SWAT
Áp dụng mô hình SWAT khảo sát tác động của biến đổi khí hậu đến
biến động dòng chảy lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà
Nội.
3
CHƢƠNG 1
ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN LƢU VỰC SÔNG ĐÁY TRÊN ĐỊA BÀN
THÀNH PHỐ HÀ NỘI
1.1 VỊ TRÍ ĐỊA LÝ
Lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội nằm trong phạm vi
20033’ đến 21019’ vĩ độ Bắc
105017’ đến 105050’ kinh độ Đông
Lưu vực được giới hạn: phía Bắc được bao bởi đê sông Hồng, phía đông giáp
lưu vực sông Nhuệ; phía Tây Bắc giáp sông Đà từ Ngòi Lát tới Trung Hà dài
khoảng 33km; phía Tây giáp tình Hòa Bình, phía Nam giáp tỉnh Hà Nam
Lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội có diện tích tự nhiên là
1900 km2 . Diện tích lưu vực thuộc các huyện Ba Vì, Phúc Thọ, TX Sơn Tây, Đan
Phượng, Thạch Thất, Quốc Oai, Hoài Đức, Chương Mỹ, Thanh Oai, Ứng Hòa, Mỹ
Đức, Quận Hà Đông, một phần của huyện Từ Liêm, Thanh Trì và Phú Xuyên.
1.2 ĐỊA HÌNH, ĐỊA MẠO
Lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nộ trải dày trên phương vĩ
tuyến lại chịu ảnh hưởng của nhiều cấu trúc địa chất khác nhau khiến cho địa hình
có sự phân hóa rõ rệt.
Vùng đồi núi nằm ở phía Tây có diện tích khoảng 70.400 ha chiếm 30% diện
tích tự nhiên toàn lưu vực. Địa hình có hướng thấp dần từ Đông Bắc xuống Tây
Nam và từ Tây sang Đông. Phần lớn là các dãy núi thấp có độ cao trung bình từ
400-600 m, cao nhất là khối núi Ba Vì cao 1296 m. Vùng đồi núi có độ cao trên
300.- 1296 m có diên tích khoảng 1700 ha. Vùng núi thuộc huyện Mỹ Đức là vùng
núi đá vôi có địa hình phức tạp với nhiều hang động như Động Hương Tích…Địa
hình đồi núi được tách ra với địa hình núi và đồng bằng độ chênh cao <100 m, độ
phân cắt sâu từ 15-100 m. Trong phạm vi lưu vực sông Đáy, địa hình đồi chỉ chiếm
khoảng 10% diện tích có độ cao phần lớn dưới 200 m, phân bố chuyển tiếp từ vùng
núi xuống đồng bằng
Vùng đồng bằng chiếm khoảng 60% diện tích tư nhiên của lưu vực. Địa hình
tương đối bằng phẳng. Bề mặt đồng bằng bị chia cắt bởi hệ thống kênh mương
chằng chịt.
4
Hình 1.1 Lưu vực sông Đáy trên địa bàn TP Hà Nội
1.3 ĐỊA CHẤT THỔ NHƯỠNG
1.3.1. Địa chất
Vùng đồi núi : các dãy núi có độ cao từ 400 – 600 m được cấu tạo bởi đá
trầm tích lục nguyên, cacbonat. Một vài khối núi cao trên 1000 m được cấu tạo bởi
đá trầm tích phun trào như khối núi Ba Vì, khối núi Viên Nam. Khu vực huyện Mỹ
Đức là vùng núi đá vôi có nhiều hang động và hiên tượng Karst mạnh.
Vùng đồng bằng chủ yếu là đất phù xa, địa chất của vùng đồng bằng chủ yếu
là nền mềm, các lớp đất thường gặp là đất thịt các loại, đất sét và cát pha, xen kẽ có
các lớp cát mịn, cát chảy hoặc bùn. Phổ biến là đất thịt và cát mịn.
5
1.3.2 Thổ nhƣỡng
Toàn bộ lưu vực có 5 loại đất: đất phù sa, đất xám có tầng loang, đất phù sa
glây, đất xám feralit và đất glây chua.
Đất phù sa chiếm diện tích lớn nhất của toàn bộ lưu vực, tập trung chủ yếu ở
phía Đông, phía Bắc và Đông Bắc. Đất phù sa thích hợp cho trồng cây nông nghiệp
như lúa nước, hoa màu. Phía Tây là nơi tập trung nhiều đất xám feralit thích hợp
cho trồng cây công nghiệp ngắn và dài ngày, cây ăn quả.
1.4 THẢM THỰC VẬT
Tính đến năm 2002 toàn lưu vực có khoảng 16770 ha rừng, trong đó diện
tích rừng tự nhiên 3922 ha, diện tích rừng trồng 12484 ha. Các khu bảo tồn thiên
nhiên như Vườn Quốc Gia Ba Vì, rừng tự nhiên Chùa Hương huyện Mỹ Đức.
Hiện nay rừng đầu nguồn đang bị khai thác, tàn phá nghiêm trọng làm giảm
diện tích rừng tự nhiên và đa dạng sinh học bị giảm sút.
1.5 KHÍ HẬU
Đặc điểm khí tượng: lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội nằm
trong khu vực mang đầy đủ những thuộc tính cơ bản của khí hậu miền Bắc Việt
Nam đó là nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mùa đông khá lạnh và ít mưa, mùa hè nắng
nóng nhiều mưa tạo nên bởi tác động qua lại của các yếu tố: bức xạ mặt trời, địa
hình, các khối không khí luân phiên khống chế.
Về chế độ nắng, lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội nằm trong
miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng bức xạ tổng cộng trung bình năm khoảng
105-120 kcal/cm2 và có số giờ nắng thuộc loại trung bình, đạt khoảng 1600-1750
giờ/năm.
Chế độ nhiệt trong khu vực này phân hoá khá rõ rệt theo đai cao trong khu
vực nghiên cứu. Nhiệt độ trung bình năm ở vùng thấp đạt từ 25 - 270C, vùng đồi
núi phía Tây và Tây Bắc nhiệt độ trung bình năm xấp xỉ 24 0C. Chế độ nhiệt của
nước phụ thuộc vào chế độ nhiệt của không khí đã ảnh hưởng đến các quá trình
hoá lý xảy ra trong nước, nó ảnh hưởng đến đời sống các vi sinh vật và vi khuẩn
sống trong nước
Về chế độ gió, mùa đông có hướng thịnh hành là Đông Bắc, tần suất đạt 60 –
70%. Một số nơi do ảnh hưởng của địa hình, hướng gió đổi thành Tây Bắc và Bắc,
tần suất đạt 25 – 40%. Mùa hè các tháng V, VI, VII hướng gió ổn định, thịnh hành
là Đông và Đông Nam, tần suất đạt khoảng 60 - 70%. Tháng VIII hướng gió phân
tán, hướng thịnh hành nhất cũng chỉ đạt tần suất 20 – 25%. Các tháng chuyển tiếp
hướng gió không ổn định, tần suất mỗi hướng thay đổi trung bình từ 10 – 15%.
6
1.6 THỦY VĂN
Lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội với chiều dài 114 km. Các
chi lưu của sông Đáy: sông Tích, sông Bùi, sông Thanh Hà. Nói chung 85% lượng
dòng chảy trên lưu vực sông Đáy trên dịa bàn thành phố Hà Nội có nguồn gốc từ
sông Hồng chuyển sang, chỉ 15% còn lại bắt nguồn từ lưu vực.
Tại điểm giao nhau giữa sông Đáy và sông Hồng thuộc địa phận thành phố
Hà Nội có 2 công trình kiểm soát lũ trên sông Đáy, điều tiết dòng chảy từ sông
Hồng vào. Khi đập Đáy đóng phần thượng lưu chỉ là một sông chết do không có
nước nuôi lòng sông.
Sông Tích có chiều dài 91 km, bắt nguồn từ vùng đồi núi Ba Vì, đổ vào sông
Đáy tại Ba Thá. Dòng chảy năm của sông Tích và sông Đáy đo tại trạm Ba Thá là
1,35 tỉ m3, chiếm 4,7% tổng lượng dòng chảy năm tại cửa ra lưu vực
Sông Thanh Hà bắt nguồn từ dãy núi đá vôi gần Kim Bôi – Hòa Bình, chảy
vào vùng đồng bằng từ ngã ba Đông Chiêm ra đến Đục Khê, được ngăn cách giữa
cánh đồng và núi bởi kênh Mỹ Hà, đưa nước chảy thẳng vào sông Đáy. Diện tích
lưu vực là 271 km2, sông dài 40 km, chiều rộng trung bình lưu vực 9 km.
Chế độ thủy văn lưu vực sông Đáy không những chịu ảnh hưởng của các yếu
tố mặt đệm trên bề mặt lưu vực, các yếu tố khí hậu mà còn phụ thuộc vào chế độ
dòng chảy của nước sông Hồng và các sông khác. Vì thế mà chế độ thủy văn ở đây
rất phức tạp và có sự khác nhau nhất định giữa các đoạn sông. Dòng chảy trên lưu
vực sông phân bố không đều theo không gian và thời gian. Theo không gian, dòng
chảy lớn nhất là ở núi Ba Vì, phần hữu ngạn lưu vực có dòng chảy lớn hơn phần tả
ngạn
Sự phân bố theo thời gian thể hiện rõ nét thông qua phân phối dòng chảy
trong năm. Phân phối dòng chảy năm phụ thuộc vào sự phân phối theo mùa của
lượng mưa năm nên dòng chảy trong năm cũng phân phối không đều và thể hiện hai
mùa rõ rệt là mùa mưa và mùa khô
Mùa mưa từ tháng V đến tháng X chiếm 80-85% lượng mưa cả năm
Mùa khô từ tháng XI đến tháng IV năm sau
Việc phân mùa như trên chỉ mang tính trung bình trong từng năm cụ thể. Do
sự nhiễu động của chế độ mưa, mùa mưa có thể bắt đầu sớm hơn hoặc kết thúc
muộn đến một tháng. Trong mùa mưa, mực nước và lưu lượng các sông suối lớn
thay đổi nhanh, tốc độ dòng chảy đạt từ 2- 3 m/s, biên độ mực nước trong từng con
lũ thường 4- 5 m. Mực nước và lưu lượng lớn nhất năm có có khả năng xuất hiện
7
trong tháng VII, VIII, hoặc IX, nhưng phổ biến vào tháng VIII. Phân phối dòng
chảy năm lưu vực sông Đáy được trình bày trong bảng sau:
Bảng 1.1 Phân phối dòng chảy năm các trạm thuộc lưu vực sông Đáy.
Tháng
I
II
III
IV
V
VI
VII
VIII
IX
X
XI
XII
Mùa lũ
Mùa cạn
Năm
Sông Bùi
Q (m3/s)
0.313
0.255
0.205
0.27
0.544
1.04
1.62
2.52
3.31
1.79
0.911
0.388
2.06
0.41
1.1
Tỷ lệ %
2.38
1.94
1.56
2.05
4.13
7.9
12.3
19.1
25.1
13.6
6.92
2.95
78.1
21.9
100
Sông Tích
Q (m3/s)
8.27
8.49
7.22
13.4
24.5
33.6
34.4
56.5
77.1
46.8
22.8
18.3
49.7
14.7
28.5
Tỷ lệ %
2.35
2.42
2.05
3.81
6.97
9.36
9.79
16.1
21.9
13.3
6.49
5.21
70.7
29.3
100
Sông Đáy
Q (m3/s)
12.1
2.8
11.5
18.2
34.2
55.4
81.8
135
145
74.4
32.8
12.5
98.3
19.2
52.9
Tỷ lệ %
1.93
2.04
1.84
2.91
5.47
8.85
13.1
21.6
23.2
11.9
5.24
2
78.6
21.4
100
Nguồn: Cục Bảo Vệ Môi Trường 2006
Lượng nước mùa lũ ở hầu hết các sông chiếm từ 70- 80% lượng nước năm.
Trong mùa cạn, mực nước và lưu lượng nước nhỏ. Lượng dòng chảy trong 7 tháng
mùa cạn chỉ chiếm khoảng 20- 25% lượng dòng chảy cả năm. Ngoài các nhánh
sông lớn chi phối chế độ thủy văn trên hệ thống, sông Đáy còn nhận nước từ các
sông tiêu, sông tưới qua các cống La Khê, Ngoại Độ…Các sông này thường phải
đóng lại khi có phân lũ trong thời gian dài, ngắn tùy thuộc vào thời gian lũ. Sông
Đáy có vị trí rất quan trọng, nó vừa là đường thoát nước chính của sông Hồng, vừa
là đường tiêu lũ của bản thân lưu vực sông Đáy.
8
CHƢƠNG 2
GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT
2.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ MÔ HÌNH TOÁN KHẢO SÁT TÁC DỒNG CỦA
BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY
2.1.1 Phƣơng pháp SCS [8]
Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phương pháp
để tính tổn thất dòng chảy từ mưa (gọi là phương pháp SCS). Theo đó, trong một
trận mưa rào, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không bao
giờ vượt quá độ sâu mưa P. Tương tự, sau khi quá trình dòng chảy bắt đầu, độ sâu
nước bị cầm giữ có thực trong lưu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một độ
sâu trữ nước tiềm năng tối đa nào đó S. Đồng thời có một lượng Ia bị tổn thất ban
đầu không sinh dòng chảy trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực. Do
đó, có lượng dòng chảy tiềm năng là P - Ia. Trong phương pháp SCS, giả thiết rằng
tỉ số giữa hai đại lượng có thực Pe và Fa bằng với tỉ số giữa hai đại lượng tiềm năng
P - Ia và S, có nghĩa là:
Fa
Pe
S P Ia
Từ nguyên lí liên tục, có:
P Pe I a Fa
Kết hợp hai phương trình trên để giải Pe
Pe
P I a 2
P Ia S
Đó là phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu
dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa rào. Qua nghiên cứu các kết quả thực
nghiệm trên nhiều lưu vực nhỏ đã xây dựng được quan hệ:
I a 0,2S
Trên cơ sở này, ta có:
Pe
P 0.2S 2
P 0.8S
9
Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, đã tìm ra
được họ các đường cong tiêu chuẩn hoá, sử dụng số hiệu CN làm thông số. Đó là
một số không thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng 0 CN 100 . Đối với các mặt
không thấm hoặc mặt nước, CN = 100 ; đối với các mặt tự nhiên, CN < 100. Số
hiệu của đường cong CN và S liên hệ với nhau qua phương trình:
S
1000
1000
S 25.4
10
10
CN
(mm)
CN
(inch) hay
Các số hiệu của đường cong CN đã được cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ
lập thành bảng tính sẵn dựa trên các bảng phân loại đất theo 4 nhóm và các loại
hình sử dụng đất.
Để mô hình hóa các quá trình mưa – dòng chảy, có thể sử dụng nhiều
phương pháp. Các phương pháp này có thể sử dụng để giải đáp các mục tiêu thủy
văn khác nhau, như thủy văn vận hành, lũ lụt, hạn hán hoặc mô hình hóa truyền ô
nhiễm. Một trong những bước đầu tiền để giải quyết vấn đề là lựa chọn mô hình
phù hợp với mục tiêu thủy văn cụ thể.
2.1.2 Mô hình MIKE – SHE
Mô hình mưa – dòng chảy MIKE – SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch thuộc
nhóm mô hình phân bố. Nó bao gồm vài thành phần tính dòng chảy và phân bố theo
các pha riêng của quá trình dòng chảy:
Dòng chảy mặt – tính bằng phương pháp sai phân hữu hạn 2 chiều
Giáng thủy – Số liệu đầu vào.
Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– Số liệu đầu vào.
Dòng chảy trong lòng dẫn – sử dụng diễn toán 1 chiều của Mike 11. Mô hình
này cung cấp vài phương pháp như Muskingum, phương trình khuếch tán
hoặc phương pháp giải phương trình St.Venant.
Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – mô hình 2 lớp , mô hình trọng
số hoặc mô hình dựa vào phương trình Richard.
Dòng chảy cơ sở MIKE - SHE tích hợp mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều và
3 chiều dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn.
Đối với modun thổ nhưỡng, bộ dữ liệu bao gồm đặc tính thủy văn của đất (độ lỗ
hổng, độ dẫn thấm thủy lực...) được tạo ra. Kết hợp với 2 phần mềm ESRI Arcview
3.x hoặc ArcGIS 9.1. Phần kết hợp này được sử dụng để xử lý số liệu đầu vào:
Geomodel được sử dụng để lấy các thông tin địa chất; DaisyGIS mô tả tất cả các
quá trình quan trọng gắn với hệ sinh thái nông nghiệp.
10
Mô hình có chế độ hiệu chỉnh tự động thông qua AUTOCAL, đưa ra phương án
tốt nhất theo điều kiện biên và ban đầu.
2.1.3 Mô hình SAC – SMA
Tính toán độ ẩm đất – Sacramento, một phần của thư viện công nghệ mô
hình của hệ thống NWSRFS, phát triển từ thập kỷ 70 bởi viện khí hậu quốc gia Mỹ.
Mỗi lưu vực được phân chia thành các đới, và được gắn vào hệ thống bể chứa. Cơ
bản gồm có 2 đới. Đới cao hơn gồm nước có áp và nước tự do, đới thấp hơn gồm
dòng chảy cơ sở và nước có áp và nước tự do bổ sung. Dòng chảy tràn sẽ hình thành
một vài dạng dòng chảy:
Dòng chảy trực tiếp
Dòng chảy mặt
Dòng chảy sát mặt
Dòng chảy cơ sở ban đầu
Dòng chảy cơ sở bổ sung
Sacramento là mô hình độ ẩm đất, dữ liệu quan trọng nhất là dữ liệu thổ
nhưỡng – độ dẫn thấm thủy lực, độ lỗ hổng...
2.1.4 Mô hình NAM
Sacramento hỗ trợ cả hiệu chỉnh tự động và hiệu chỉnh thông thường. Cùng
với 24 thông số có thể được hiệu chỉnh, và được phân loại theo đới riêng.
NAM là mô hình mưa - dòng chảy thuộc nhóm phần mềm của Viện Thủy lực
Đan Mạch (DHI), là một phần của mô hình MIKE 11. Nó được xem như là mô hình
dòng chảy tất định, tập trung và liên tục cho ước lượng mưa - dòng chảy dựa theo
cấu trúc bán kinh nghiệm. Mô hình NAM có thể sử dụng để mô phỏng mưa trong
nhiều năm, hoặc cũng có thể thay đổi bước thời gian để mô phỏng trận mưa và các
cơn bão nhất định.
Để đánh giá sự thay đổi của các thuộc tính thủy văn của lưu vực, lưu vực
chia ra thành nhiều lưu vực con khép kín. Quá trình diễn toán thực hiện bởi mô dun
diễn toán thủy động lực trong kênh của MIKE 11. Phương pháp này cho phép các
tham số khác nhau của NAM ứng dụng trong mỗi một lưu vực con, do đó nó được
xem là mô hình phân bố.
Giáng thủy – Số liệu đầu vào. Trong đó mô đun tuyết được tính toán thông
qua chỉ số nhiệt độ.
Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– Số liệu đầu vào.
11
Dòng chảy mặt – biến đổi tuyến tính theo lượng ẩm tương đối của đất, và
tính theo hệ số dòng chảy mặt.
Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – được tính toán theo lượng trữ
ẩm và lượng ẩm tương đối, hệ số dòng chảy sát mặt và ngưỡng sinh dòng
chảy sát mặt.
Có thể sử dụng chức năng tự hiệu chỉnh thông qua AUTOCAL bằng cách cung cấp
số liệu lưu lượng theo bước thời gian tính toán vào mô hình
2.1.5 Mô hình HEC – HMS
Mô hình HEC-HMS là phiên bản tiếp của HEC-1, phát triển từ thập kỷ 60
của quân đội Mỹ. Thành phần cơ bản của mô hình bao gồm:
Lượng mưa hiệu quả – tính bằng các phương pháp như SCS, Green-Ampt
hoặc SMA.
Lưu lượng dòng chảy trực tiếp – sử dụng phương pháp đường đơn vị, các
dạng biến đổi khác (Clark, Snyder, SCS), hoặc sử dụng phương pháp sóng
động học.
Dòng chảy cơ sở - người sử dụng có thể lựa chọn các phương pháp khác
nhau, ví dụ phương pháp bể chứa tuyến tính, phương pháp dạng hàm mũ,
hoặc phương pháp dòng chảy cơ sở là hằng số theo từng tháng.
Mô đun diễn toán – phương pháp Muskingum, phương pháp trễ, mô hình
sóng động học hoặc các biến đổi của chúng.
Ngoài ra mô hình còn mô hình hóa một số công trình trên sông như hồ chứa,
công trình phân nước.
Mô hình HEC-HMS mở rộng giao diện Arcview gọi là HEC-GeoHMS. Dựa vào
sự kết hợp này hỗ trợ cho việc đọc vài đặc tính thủy văn cơ bản của lưu vực cơ sở
như hướng dòng chảy, độ dốc...
2.1.6 Mô hình SSARR [3]
Mô hình SSARR do Rockwood đề xuất năm 1956. Lượng nước đến của lưu
vực kín gồm có mưa và tuyết rơi. Một phần của lượng nước này được giữ lại trên bề
mặt của lưu vực làm ẩm đất, một phần bay hơi vào khí quyển, phần còn lại sẽ tạo
thành 3 kiểu sau:
Chảy tràn trên mặt đất
Chảy ngầm trong đất và lớp đất ở phía trên.
12
Chảy ngầm trong lớp đất ở tầng sâu.
Hình 2.1 Sơ đồ khối mô hình lưu vực SSARR
2.2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT
2.2.1 Lịch sử phát triển
Mô hình SWAT được phát triển liên tục trong gần 30 năm qua bởi viện
nghiên cứu nông nghiệp USDA. Phiên bản đầu tiên của SWAT là mô hình USDAARS bao gồm chất hóa học, dòng chảy và xói mòn từ mô hình hệ thống quản lý
nông nghiệp (CREAMS), mô hình đánh giá tác động của lượng nước ngầm đến hệ
thống quản lý nông nghiệp (GLEAMS), và mô hình đánh giá tác động của chính
13
sách khí hậu đến môi trường (EPIC). Mô hình SWAT là phiên bản trực tiếp của mô
hình tính toán tài nguyên nước trong lưu vực – SWRRB, được xây dựng để tính
toán tác động của quản lý lưu vực đối với chuyển động của nước, bùn cát.
SWRRB bắt đầu phát triển từ những năm đầu thập niên 80, biến đổi từ mô
hình thủy văn mưa ngày CREAMS. Trải qua quá trình nâng cấp mô hình tăng diện
tích tính toán, cải thiện các phương pháp tính dòng chảy lũ, tổn thất truyền, thêm
vào một vài thành phần mới như dòng chảy bộ phận, bể chứa, mô đun phát triển vụ
mùa EPIC, tính các thông số khí hậu, vận chuyển bùn cát, kết hợp thành phần thuốc
trừ sâu, phương pháp USDA – SCS để ước tính dòng chảy lũ, các phương trình bùn
cát được phát triển thêm. Các biến đổi này mở rộng khả năng giải quyết các vấn đề
quản lý chất, lượng nước lưu vực của mô hình.
Hình 2.2 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT
Arnold và cộng sự (1995) đã phát triển thêm mô đun diễn toán ROTO đầu
thập niên 90 để hỗ trợ đánh giá tác động của quản lý tài nguyên nước, bằng liên kết
kết quả đầu ra của SWRRB, diễn toán dòng chảy qua lòng dẫn và bể chứa trong
ROTO thông qua phương pháp diễn toán theo đoạn sông. Hệ phương pháp này đã
khắc phục được giới hạn của SWRRB. Sau đó SWRRB và ROTO được kết hợp
thành mô hình SWAT để hạn chế nhược điểm cồng kềnh của nó. SWAT dữ lại tất
cả các đặc trưng mà tạo ra trong SWRRB và cho phép tính toán với khu vực rất lớn.
SWAT đã trải qua quá trình đánh giá, mở rộng khả năng kể từ khi nó được tạo ra
vào đầu thập niên 90. Những nâng cấp quan trọng cho các phiên bản trước của mô
hình (SWAT 96.2, 98.1, 99.2, và 2000) bao gồm sự kết hợp diễn toán động học
trong sông từ mô hình QUAL2E.
14
SWAT96.2 Phiên bản này cập nhật thêm phần quản lý về hàm lượng chất hữu
cơ trong đất, trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu tới sự
phát triển của cây trồng. Phương trình chất lượng nước từ mô hình QUAL2E
được sử dụng đến.
SWAT98.1: Phiên bản này thêm phần diễn toán dòng chảy do tuyết tan, chất
lượng nước trong sông
SWAT99.2: Phiên bản này cập nhật thêm diễn toán chất lượng nước cho hồ
chứa, phần thuỷ văn đô thị được cập nhật từ mô hình SWMM.
SWAT2000. Cập nhật thêm phương trình thấm của Green & Ampt, cập nhật
thêm các yếu tố khí tượng thời tiết như bức xạ mặt trời, tố độ gió..., cho phép
giá trị bốc thoát hơi tiềm năng của lưu vực có thể được đưa vào như là số liệu
đầu hoặc được tính toán theo phương trình ... Đặc biệt trong phiên bản này có
sử dụng ARCVIEW làm môi trường giao diện.
2.2.2 Giới thiệu mô hình 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,…. Thông tin đầu vào cho mỗi lưu vực con được tổ
chức như sau: các yếu tố khí hậu; thông số của các đơn vị thuỷ văn (HRUs); hồ hay
các vùng chứa nước; nước ngầm; kênh chính hoặc sông nhánh, hệ thống tiêu nước.
Những đơn vị thuỷ văn sẽ được tổng hợp thành các lưu vực con, các lưu vực con
này được xem là đồng nhất về thảm phủ, thổ nhưỡng, và chế độ sử dụng đất.
Mô hình SWAT mô phỏng hiện tượng khí tượng thủy văn xảy ra trên lưu
vực, việc tính toán mưa rào-dòng chảy là kết quả của một hiện tượng này. Để tính
toán chính xác chuyển động của hoá chất, bùn cát hay các chất dinh dưỡng, chu
trình thuỷ văn phải được mô phỏng phù hợp với những gì xảy ra trên lưu vực. Chu
trình thủy văn trên lưu vực có thể chia thành hai pha:
-
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.
-
Pha thứ hai: được gọi là pha nước hay pha diễn toán của chu trình thuỷ
15
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 2.3 Sơ đồ mô tả chu trình thủy văn của pha đất
Hình 2.4 Sơ đồ mô tả chu trình thủy văn của pha nước
16
Các số liệu đầu vào và kết quả đầu ra của mô hình
Các số liệu đầu vào của mô hình
Yêu cầu số liệu vào của mô hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu
không gian và số liệu thuộc tính.
Số liệu không gian dưới dạng bản đồ bao gồm:
Bản đồ độ cao số hóa DEM
Bản đồ thảm phủ
Bản đồ loại đất
Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực
Số liệu thuộc tính bao gồm:
Số liệu về khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa
Số liệu về thuỷ văn bao gồm dòng chảy, bùn cát, hồ chứa...
Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các
phẫu diện đất...
Số liệu về loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng...
Số liệu về loại phân bón trên lưu vực canh tác...
Các kết quả đầu ra của mô hình
Đánh giá cả về lượng và về chất của nguồn nước;
Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực;
Đánh giá quá trình canh tác đất thông qua mođun chu trình chất dinh dưỡng;
Đánh giá công tác quản lý lưu vực
2.2.3 Ứng dụng mô hình SWAT trên thế giới và trong nƣớc
Thế giới: Van Liew và Garbrecht (2003) đánh giá khả năng dự đoán dòng chảy dưới
các điều kiện khí hậu khác nhau cho 3 lưu vực cơ sở trong lưu vực sông Washita
với diện tích 610 km2 nằm phía Đông Nam Oklahoma. Nghiên cứu này đã tìm ra
rằng SWAT có thể tính toán dòng chảy cho các điều kiện khí hậu ẩm, khô, trung
bình trong mỗi lưu vực cơ sở.
Sử dụng SWAT nghiên cứu hiệu quả của hoạt động bảo tồn thiên nhiên trong
chương trình đánh giá hiệu quả bảo tồn thiên nhiên USDA (CEAP, 2007), thực hiện
đánh giá cho các khu vực lớn như lưu vực thượng nguồn sông Mississippi và toàn
bộ Mỹ của Arnold và cộng sự (1999); Jha và cộng sự (2006). Xu hướng ứng dụng
SWAT cũng tương tự ở Châu Âu và các khu vực khác.
17
Trong nước: Nguyễn Kiên Dũng (Viện khoa học khí tượng thủy văn và Môi
Trường) áp dụng SWAT “Nghiên cứu quy luật xói mòn đất và bùn cát lưu vực sông
Sê San bằng mô hình toán”. Đề tài đã kiểm nghiệm mô hình đối với dòng chảy tại
trạm Kon Tum và Trung Nghĩa năm 1997. Theo tiêu chuẩn Nash – Sutcliffe, mức
hiệu quả của mô hình đối với dòng chảy là 0,73 (Kon Tum: 0,69; Trung Nghĩa:
0,76) và đối với dòng chảy bùn cát là 0,633 (Kon Tum: 0.663, Trung Nghĩa: 0,60).
Như vậy, kết quả hiệu chỉnh mô hình đạt ở mức khá. Lê Bảo Trung (Trường đại
học Khoa học Thủy lợi) ứng dụng mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước sông
Công. Nguyễn Thị Hiền ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động của quá
trình sử dụng đất rừng đến sói mòi đất trên lưu vực sông Cả. Theo tiêu chuẩn Nash
– Sutcliffe mức hiệu chỉnh với bùn cát được 0.54 và kiểm định được 0.64. Huỳnh
Thị Lan Hương (Viện khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường) ứng dụng mô
hình SWAT trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông Chảy. Trong đề
án đã trình bày quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình cho lưu
vực sông Chảy với vị trí kiểm định được lấy từ lưu lượng thực đo tại trạm Bảo Yên.
Kết quả đánh giá sai số lưu lượng tính toán và thực đo theo chỉ số Nash đạt 0,813.
Phạm Văn Tỉnh (Trường đại học Lâm nghiệp Hà Nội) “Nghiên cứu ứng dụng mô
hình SWAT phục vụ quản lý tài nguyên đất và nước trên lưu vực sông Lô – Gâm”
Kết quả tính toán kiểm nghiệm tại trạm Ghềnh Gà cho chỉ số NASH là 0,76 với
dòng chảy và 0,61 với dòng chảy bùn cát.
2.2.4 Cấu trúc mô hình SWAT
Mô hình lưu vực
Chu trình thủy văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình
cân bằng nước:
SWt SWo Rday Qsurf Ea wseep Qgw
t
i 1
Trong đó: SWt là tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm); SWo là
tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm); t là thời gian (ngày); Rday là số tổng
lượng mưa tại ngày thứ i (mm); Qsurf là tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm);
Ea là lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm); wseep là lượng nước đi vào tầng
ngầm ngày thứ i (mm); Qgw là số lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)
Mô hình diễn toán
Mô hình SWAT có thể xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng, những
chất dinh dưỡng và những thuốc bảo vệ thực vật tới kênh chính, rồi diễn toán theo
mạng lưới sông suối trên lưu vực. Ngoài việc tính toán lưu lượng nước, mô hình
18
còn mô tả sự biến đổi của các hóa chất trong kênh. Mô hình diễn toán trong sông
bao gồm 2 thành phần:
Diễn toán trong sông. Việc diễn toán trong sông có thể được chia thành bốn
thành phần: Nước, chất bồi lắng, những chất dinh dưỡng và hóa chất hữu cơ.
Diễn toán qua hồ chứa. Sự cân bằng nước cho hồ chứa bao gồm dòng chảy
đến, dòng chảy đi, mưa trên bề mặt, bốc thoát hơi, thấm qua đáy hồ và các
công trình phân nước.
Do giới hạn bước đầu nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT để tính toán lượng
dòng chảy. Vì vậy, dưới đây sẽ trình bày chi tiết hơn về cơ sở lý thuyết của các
phương trình tính toán các thành phần đóng góp, ảnh hưởng đến lưu lượng nước tại
mặt cắt cửa ra của một lưu vực.
2.2.5 Phƣơng pháp tính sử dụng trong mô hình SWAT
Dòng chảy mặt
Mô hình SWAT sử dụng phương pháp chỉ số đường cong SCS (Soil
Conservation System) (SCS, 1972) và phương pháp tính thấm Green - Ampt (1911)
để xác định dòng chảy mặt.
Phương pháp chỉ số đường cong SCS: Phương pháp SCS là một phương pháp thực
nghiệm đã được sử dụng rộng rãi vào những năm 1950. Phương pháp này được phát
triển để đánh giá dòng chảy ứng với các kiểu sử dụng đất và tính chất đất khác nhau
(Rallison và Miller, 1981).
Phương trình cơ bản:
Q surf
R day I a 2
R day I a S
Trong đó: Qsurf là lượng dòng chảy mặt hay mưa hiệu quả (mm); Rday là lượng
mưa ngày (mm); Ia là khả năng trữ nước ban đầu hay tổn thất ban đầu(mm); S là
thông số lượng trữ (mm).
Thông số lượng trữ thay đổi theo không gian tùy theo những thay đổi về tính
chất đất, về việc sử dụng và quản lý đất, độ dốc và thời gian. Thông số này được
xác định như sau:
1000
S 25.4
10
CN
19
Trong đó: CN là chỉ số đường cong.
Thông thường Ia = 0,2S và phương trình Error! Reference source not found. được
viết như sau:
Qsurf
R
R
0.2 S
2
day
day
0.8S
Phương pháp tính thấm Green & Ampt: Phương trình tính thấm theo Green Ampt được xây dựng để tính toán lượng thấm tại bất kỳ thời điểm nào (Green và
Ampt, 1911). Phương trình giả thiết rằng mặt cắt đất là đồng nhất và độ ẩm kỳ trước
phân bố đều trong đất. Khi nước thấm vào trong đất, mô hình giả thiết rằng đất ở
tầng trên sau khi đã bão hoà sẽ tạo thành một bề mặt phân cách
Hình 2.5 Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo
phương trình Green - Ampt và trong thực tế
Mein và Larson (1973) đã xây dựng một phương pháp luận để xác định thời
gian giữ nước dựa trên phương trình Green - Ampt. Phương pháp xác định mưa
hiệu quả của Mein - Larson Green - Ampt được hợp nhất trong mô hình SWAT để
cung cấp một lựa chọn trong việc xác định dòng chảy mặt. Tốc độ thấm được xác
định theo công thức:
wf v
f inf ,t K e 1
Finf ,t
20
- Xem thêm -
.PDF 
46 
407 
80 
