Tài liệu Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên phần mềm swat áp dụng cho lưu vực sông đuống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------- Phạm Minh Tân Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên phần mềm Swat áp dụng cho lưu vực sông đuống LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Công nghệ môi trường Hà Nội – 2006 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ----------------------- Phạm Minh Tân Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên phần mềm Swat áp dụng cho lưu vực sông đuống LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Công nghệ môi trường NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRỊNH THÀNH Hà Nội - 2006 MỞ ĐẦU Chương 1- Tổng quan về vấn đề quản lý lưu vực 1.1. Khái niệm lưu vực và quản lý lưu vực 1.1.1. Lưu vực 1.1.2. Quản lý lưu vực 1.2. Vấn đề quản lý lưu vực trên thế giới 1.3. Tình hình quản lý lưu vực tại Việt Nam 1.4. Công cụ mô hình hóa trong đánh giá quá trình quản lý lưu vực sông 1.5. Lịch sử phát triển của SWAT Chương 2-Cơ sở lý thuyết của mô hình 2.1. Khí hậu 2.1.1. Nhiệt độ và bức xạ mặt trời 2.1.2. Độ ẩm tương đối 2.1.3. Lượng mưa 2.1.4. Tốc độ gió 2.1.5. Nhiệt độ đất 2.1.6. Nhiệt độ nước 2.2. Thuỷ văn 2.2.1. Sự lưu lại trên tán 2.2.2. Sự thấm qua 2.2.3. Sự bay hơi 1 1 1 1 2 5 7 12 18 19 19 20 23 24 24 25 26 27 27 28 2.2.3.1. Sự bay hơi tiềm năng 28 2.2.3.2. Sự bay hơi thực tế 29 2.2.4. Sự tái phân phối 31 2.2.5. Lớp phủ thực vật 35 2.2.6. Quá trình xói mòn 36 2.2.7. Quá trình dinh dưỡng trong đất 37 a. Nitơ 37 b. Photpho 38 2.2.8. Sự di chuyển của thuốc bảo vệ thực vật 39 2.3. Hoạt động quản lý 40 2.4. Pha di chuyển của chu trình thuỷ văn 41 2.4.1. Sự di chuyển trong kênh chính 41 2.4.2. Sự di chuyển trong hồ chứa 45 Chương 3- Quá trình xử lý dữ liệu của chương trình 48 3.1. Chuẩn bị các dữ liệu bản đồ cho phần mềm 50 3.1.1. Những chuyên đề bản đồ ArcView 50 3.1.2. Những chủ đề bản đồ ArcView lựa chọn 51 3.2. Quá trình vận hành của phần mềm SWAT 3.2.1. Dữ liệu đầu vào 52 52 3.2.1.1. Hình dạng lưu vực 52 3.2.1.2. Quản lý sự mô phỏng 54 3.2.1.3. Thuộc tính chung của lưu vực sông 54 3.2.2. Những tập tin xuất quan trọng Chương 4- Một số kết quả ứng dụng SWAT cho lưu vực sông Đuống 61 64 4.1. Mô tả lưu vực nghiên cứu 66 4.2. Xử lý số liệu và phương pháp áp dụng để mô phỏng 68 4.3. Lựa chọn các phương pháp tính toán 69 4.4. Kết quả 71 4.4.1. Kiểm định kết quả của mô hình 71 4.4.2. Dự báo đối với lưu vực 73 4.4.3. Mở rộng khả năng ứng dụng của chương trình 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 MỞ ĐẦU Nước là một tài nguyên thiết yếu và quan trọng nhất của lưu vực sông. Việc sử dụng nước có mối liên quan mật thiết với sử dụng đất và ảnh hưởng đến hệ sinh thái lưu vực nên quản lý nước theo lưu vực sông sẽ giúp cho việc sử dụng và bảo vệ tốt hơn tài nguyên đất và môi trường lưu vực, quản lý và giảm nhẹ các tác động tiêu cực của các hoạt động phát triển kinh tế xã hội của con người tới tài nguyên và môi trường sống. Quản lý lưu vực sông là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong nửa cuối thế kỷ 20 và phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây nhằm đối phó với những thách thức về sự khan hiếm nước, sự gia tăng tình trạng ô nhiễm và suy thoái các nguồn tài nguyên và môi trường của lưu vực sông. Để thực hiện việc quản lý lưu vực sông phục vụ mục đích phát triển bền vững, một loạt các công cụ quản lý đã được áp dụng như luật pháp, những giải pháp về khoa học kỹ thuật,... nhằm làm giảm thiểu những tác động của hoạt động sản xuất tới môi trường lưu vực. Trong các công cụ đó, thì công cụ đánh giá và dự báo chất lượng môi trường dài hạn với những kịch bản phát triển khác nhau là một khâu rất quan trọng. Và đây cũng là một công đoạn chưa được các cơ quan quản lý Việt Nam quan tâm nhiều. Trong các công cụ sử dụng để dự báo môi trường tại lưu vực sông, thì SWAT nổi lên là một chương trình đánh giá tổng hợp môi trường lưu vực sông(cả đất và nước) với một bộ dữ liệu đầu vào tối thiểu. Khi được sử dụng, thì SWAT cho một bức tranh khái quát về chất lượng môi trường lưu vực trong thời gian dài hạn với các kịch bản phát triển khác nhau. Vì vậy, nó đã ngày càng được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới và Cục Môi trường Hoa Kỳ(EPA) đã coi đó là một chương trình tiêu chẩn để đánh giá chất lượng môi trường lưu vực sông. Với mục đích nghiên cứu chương trình SWAT, cũng như thử áp dụng kiểm nghiệm tính tương hợp của chương trình đối với điều kiện Việt Nam nên luận văn được trình bày trong 4 chương chính: - Chương 1- Tổng quan về quản lý lưu vực - Chương 2- Cơ sở lý thuyết của mô hình - Chương 3- Quá trình xử lý dữ liệu của chương trình - Chương 4- Một số kết quả ứng dụng SWAT cho lưu vực sông Đuống. - Kết luận và kiến nghị 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUẢN LÝ LƯU VỰC 1.1. Khái niệm lưu vực và quản lý lưu vực Những khái niệm về “lưu vực” và “quản lý lưu vực” được xem xét và đưa ra ở đây nhằm thiết lập một cơ sở chung liên quan tới sự bố trí địa lý và những hoạt động có thể diễn ra được bao hàm trong quản lý lưu vực. 1.1.1. Lưu vực Lưu vực sông là một khu vực địa lý mà trong đó có một dòng sông hay mạng lưới sông và dòng chảy chảy qua, và điểm kết thúc của nó là sông lớn hơn, hồ, đại dương.[10] Khi nói tới lưu vực là xét tới toàn bộ lưu vực sông, cả đất và nước, việc cấp vào lòng sông cũng như những dòng chảy ra khỏi sông và những nhánh phụ của chúng. Một tiểu lưu vực trong một lưu vực sông được cấp bởi những phụ lưu riêng lẻ chảy tới sông chính. 1.1.2. Quản lý lưu vực Quản lý lưu vực sông là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới trong nửa cuối thế kỷ 20 và phát triển mạnh trong vài thập kỷ gần đây nhằm đối phó với những thách thức về sự khan hiếm nước, sự gia tăng tình trạng ô nhiễm và suy thoái các nguồn tài nguyên và môi trường của các lưu vực sông. Hiện nay, trên thế giới có hàng trăm tổ chức quản lý lưu vực sông được thành lập để quản lý tổng hợp và thống nhất tài nguyên nước, đất và các tài nguyên liên quan khác trên lưu vực sông, tối đa hoá lợi ích kinh tế và phúc lợi xã hội một cách công bằng nhưng không làm tổn hại đến tính bền vững của hệ thống môi trường trọng yếu của lưu vực, duy trì các điều kiện môi trường sống lâu bền cho con người. Ví dụ, như Uỷ hội lưu vực Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 2 sông Mêkông quản lý tổng hợp nguồn tài nguyên của lưu vực sông trải dài trên nhiều quốc gia. Quản lý lưu vực là một quá trình quản lý những hoạt động của con người trong một khu vực được xác định bởi ranh giới lưu vực để bảo vệ và phục hồi đất và nước, và mối liên hệ của những tài nguyên dưới nước và trên cạn với sự nhận biết những lợi ích của sự tăng trưởng và phát triển có kế hoạch. Mục đích của quản lý lưu vực là quản lý hoạt động phát triển có xem xét tới tình trạng môi trường, xã hội và kinh tế của một khu vực trên một cơ sở bền vững. Quản lý lưu vực là một công cụ trợ giúp để đưa ra những quyết định về sử dụng đất và nước. Có 4 giai đoạn: - Nhận diện vấn đề và thu thập dữ liệu. - Phân tích và lập kế hoạch - Thực thi. - Quan trắc. 1.2. Vấn đề quản lý lưu vực trên thế giới [2] Hiện nay việc đổi mới thể chế trong quản lý lưu vực sông (QLLVS) ở các nước phát triển và đang phát triển thường tập trung vào 2 việc: thành lập các tổ chức quản lý ở cấp lưu vực, và đổi mới các hoạt động liên quan đến quản lý nước ở lưu vực sông như là xây dựng cơ chế phối hợp, đổi mới pháp chế, thiết kế lại các công cụ kinh tế trong chính sách nước (như giá nước, thuế, trợ cấp), thiết kế lại các tổ chức kinh tế. Trên thế giới đã có hàng các tổ chức lưu vực sông (TCLVS) được thành lập. Các tổ chức này có cơ cấu tổ chức và chức năng không hoàn toàn giống nhau tuỳ thuộc vào mỗi nước và điều kiện các lưu vực sông. Sự khác nhau thường tập trung vào các điểm chính: Hình thức tổ chức, chức năng, mức độ tham gia trong quản lý nước của TCLVS, phương thức hoạt động, Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 3 cơ chế tài chính. Tuy có sự đa dạng trong các mô hình tở chức quản lý lưu vực sông, nhưng có thể quy về 3 hình thức phổ biến sau: a. Cơ quan thuỷ vụ lưu vực sông Đây là hình thức TCLVS có đầy đủ quyền hạn và phạm vi quản lý lớn nhất. Ví dụ, Cơ quan thuỷ vụ thung lũng Tennessce ở Mỹ và cơ quan thuỷ vụ Núi tuyết ở Australia,.... Đây là những tổ chức liên ngành lớn, tiếp nhận hầu hết các chức năng của các cơ quan hiện hữu, trong đó bao gồm tất cả chức năng điều hành và quản lý nước. Hình thức này có thể áp dụng đối với những lưu vực có nhiệm vụ phát triển lớn. b. Ủy hội lưu vực sông Là mô hình thấp hơn cơ quan thuỷ vụ lưu vực sông về quyền hạn cũng như sức mạnh của tổ chức và ảnh hưởng của nó trong quản lý lưu vực sông. Một Ủy hội lưu vực sông thường bao gồm: - Một “Hội đồng quản lý” đại diện cho tất cả các bên quan tâm. - Một “Văn phòng kỹ thuật” chuyên sâu hỗ trợ Ủy hội lưu vực sông liên quan chủ yếu đến xây dựng chính sách, lập quy hoạch phát triển lưu vực, xây dựng thủ tục và kiểm soát sử dụng nước. Nó có thể điều chỉnh các vấn đề sử dụng nước liên quan đến nhiều tỉnh, thông qua các chính sách liên quan đến nước của lưu vực sông, xây dựng các cơ sở dữ liệu, thông tin và mô hình phù hợp về các vấn đề quản lý trên quy mô toàn lưu vực. Một số Ủy hội lưu vực sông nắm cả chức năng vận hành (có thể cả đầu tư) đối với những công trình lớn, còn hầu hết vận hành và quản lý hàng ngày các công trình và hệ thống cung cấp dịch vụ nước là công việc của các tỉnh nằm trong lưu vực. Một Ủy hội như vậy có thể giám sát việc thực hiện các chiến lược, vận hành quản lý các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện chủ chốt. Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 4 Tuy nhiên, trong thực tế Ủy hội thường uỷ quyền làm việc cho các tổ chức khác thông qua các thoả thuận hay hợp đồng vận hành. Ví dụ về loại tổ chức này như là Ủy hội sông Mary-Darling của Australia, Ủy hội sông Mêkông,... c. Hội đồng lưu vực sông Đây là mô hình yếu hoặc có ít quyền lực nhất hiện nay. Hội đồng lưu vực sông hoạt động chỉ như là một diễn đàn mà tại đó chính quyền liên bang, các tiểu bang, cũng như đại diện các hộ dùng nước chia sẻ trách nhiệm phân phối nước, thúc đẩy toàn diện quản lý nước tại cấp lưu vực. Các hội đồng lưu vực sông thường hoạt động theo nguyên tắc đồng thuận. Nói chung, hình thức này có vai trò giới hạn trong quy hoạch dài hạn, điều phối các vấn đề chính sách và chiến lược cấp cao, không có vai trò vận hành hoặc quản lý hàng ngày. Ví dụ, Hội đồng lưu vực sông Lerma-Chapala được thành lập năm 1993 của Mexico,... Tổ chức lưu vực sông có phạm vi xem xét và giải quyết của quản lý nước là trên toàn bộ lưu vực sông, trong đó chức năng của quản lý nước có thể bao gồm hai loại, đó là: - Đề ra các tiêu chuẩn, kiểu tra, điều hành các tổ chức chịu trách nhiệm quản lý vận hành các công trình khai thác sử dụng nước, quản lý. - Điều hành về tài nguyên nước trên toàn bộ lưu vực sông. Các TCLVS tập trung vào việc xây dựng và phát triển các chiến lược, chính sách, phân chia và điều phối sử dụng nước trong phạm vi lưu vực sông. Việc trực tiếp quản lý vận hành các công trình cụ thể được hệ thống quản lý nước theo địa giới hành chính đảm nhiệm. 1.3. Tình hình quản lý lưu vực tại Việt Nam 1.3.1. Phân cấp quản lý lưu vực Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 5 Cũng như các nước đang phát triển khác, hiện tại Việt nam đang quản lý nước theo phương thức truyền thống tức là quản lý theo địa giới hành chính. Điều 58 của Luật Tài nguyên nước đã giao nhiệm vụ quản lý nước thuộc trách nhiệm của bộ máy hành chính các cấp từ trung ương đến địa phương mà chịu trách nhiệm chính là Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn (NN & PTNT). Tuy nhiên, vấn đề môi trường của một lưu vực sông lại không phụ thuộc vào địa giới hành chính và để có thể đánh giá chất lượng môi trường lưu vực trong khoảng thời gian dài hạn cung cấp bức tranh về chất lượng môi trường lưu vực cho các cơ quan quản lý thì việc quản lý môi trường theo lưu vực là một xu hướng tất yếu. Tuy nhiên, với xu hướng hội nhập về kinh tế cũng như khoa học kỹ thuật hiện nay thì việc áp dụng những phương thức quản lý lưu vực cho sự phát triển bền vững mà thế giới đang áp dụng là cần thiết. Để có được những quyết định hợp lý về quản lý cho một lưu vực sông thì việc áp dụng những công cụ đánh giá, dự báo các kịch bản về môi trường đối với mỗi hành vi quản lý là cần thiết. 1.3.2. Công cụ đánh giá các hoạt động quản lý lên chất lượng lưu vực sông Để có thể mô phỏng nhằm đánh giá những tác động dài hạn của các hoạt động sản xuất và quản lý diễn ra trên lưu vực sông yêu cầu một số lượng lớn cơ sở dữ liệu về quan trắc trong một thời gian dài và bao gồm nhiều lĩnh vực liên quan. Nhưng hiện nay, do hạn chế về những cơ sở dữ liệu quan trắc nên quá trình đánh giá những ảnh hưởng của những hoạt động quản lý đối với lưu vực hiện nay: Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 6 - Hiện chỉ sử dụng những mô hình đơn lẻ về đánh giá chất lượng nước các lưu vực là chính. Trong đó chỉ quan tâm đến một số thông số đơn lẻ của chất lượng nước. - Chưa có mạng lưới quan trắc liên tục và dài hạn trên các lưu vực sông. Do đó, việc thành lập một cơ sở dữ liệu đủ lớn cho các quá trình dự báo, mô phỏng để đưa ra được những quyết định về quản lý cũng như quy hoạch là chưa được áp dụng. - Chưa sử dụng rộng rãi những mô hình đánh giá, dự báo tác động tổng hợp của những hoạt động quản lý, sản xuất diễn ra trên lưu vực tới chất lượng môi trường lưu vực sông mang tính tổng hợp và dài hạn. Với thực trạng trên cộng với đặc điểm của phần mềm SWAT là có thể mô phỏng các quá trình vật lý cũng như hoá học cho nhiều loại lưu vực sông khác nhau, với nhiều cấp độ khác nhau và đặc biệt là phần mềm cho phép mô phỏng với một bộ số liệu quan trắc tối thiểu. Do đó, việc áp dụng chương trình SWAT để mô phỏng nhằm đưa ra những dự báo dài hạn về chất lượng môi trường của lưu vực sông phục vụ cho quá trình quản lý là có thể được. 1.4. Công cụ mô hình hóa trong đánh giá quá trình quản lý lưu vực sông[10,22,23] Trong quá trình quản lý lưu vực thì việc tiến hành quan trắc và đánh giá chất lượng môi trường là một công tác được tiến hành thường xuyên định kỳ. Trong công tác đánh giá thì việc sử dụng công cụ mô hình để mô phỏng các quá trình vật lý, hoá học cũng như sinh học trong lưu vực nhằm Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 7 đưa ra những dự báo trong thời gian ngắn hạn cũng như dài hạn là một trong những công cụ hữu ích. Mặt khác, ngày nay, mô hình hóa đã trở nên hoạt động phổ biến trong hầu hết mọi lĩnh vực nói chung, và phân tích chất lượng nước và lập kế hoạch cho công tác quản lý lưu vực nói riêng. Giá trị cơ bản của bất cứ loại mô hình nào bao gồm hai phần: thứ nhất là hiểu và mô phỏng lại cách thức làm việc của hệ thống được mô hình, và tiếp theo là dự báo hệ thống sẽ phản ứng như thế nào với những điều kiện hoặc và hoạt động khác trong tương lai. Trong một lưu vực sông, chất lượng nước tại bất kỳ vị trí nào được quyết định theo sự phân bố thực từ tất cả những nguồn điểm và nguồn diện. Một hoặc nhiều hoạt động trên lưu vực sông có thể đòi hỏi đánh giá ảnh hưởng thực. Do vậy, sự tin cậy trực quan, kinh nghiệm nghề nghiệp hay những kỹ thuật phân tích được đơn giản hoá là một biện pháp không thích hợp cho việc đưa ra những quyết định quản lý để có thể có những kết quả tốt về kinh tế và môi trường. Sự cần thiết để xem xét đầy đủ những quá trình quyết định sự tồn tại và di chuyển của những chất trong nước đã được phát triển thành thuật ngữ phổ biến “Phân tích chất lượng nước toàn diện”. Sự phân tích toàn diện đó sẽ không thể đạt được kết quả nếu không sử dụng những mô hình toán học tổng quát và các chương trình tính toán mô phỏng. [9] Do khả năng dự báo trước những điều kiện của tương lai nên công cụ mô hình là rất hữu ích cho phác thảo những chiến lược và những thước đo quản lý khác nhau. Vì vậy, mô hình hóa là một công cụ trợ giúp trọng việc lựa chọn những hoạt động quản lý mong muốn. Bên cạnh đó, để thuận tiện cho việc áp dụng các mô hình trong quá trình tính toán, mô phỏng người ta thường đóng gói các mô hình trong các phần mềm chuyên dụng. Tên của các phần mềm thường trùng với tên của các mô hình chứa đựng trong nó. Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 8 Sự đa dạng của những phần mềm hiện hữu giúp đánh giá những quan hệ lợi ích của những hoạt động kết hợp tại phạm vi và mức độ lưu vực sông. Dù sao, nắm rõ những hạn chế của mô hình và những sự giả định là cần thiết cho sự giải thích phù hợp cho những kết quả của mô hình. Điều quan trọng là những phần mềm có được giá trị thoả đáng và độc lập với việc phân loại tình huống. Sau đây là một số phần mềm đã được đánh giá cho một phạm vi thay đổi rộng của những điều kiện sản xuất nông nghiệp và đã được xem là thích hợp cho việc mô phỏng tác động của các hoạt động quản lý sản xuất ở quy mô trang trại hay cánh đồng. a. GLEAMS- Groundwater Loading Effects of Agricultural Management Systems- (Knisel và cộng sự, 1991) mô phỏng những tác động của những hoạt động quản lý và những lựa chọn tưới tiêu bên lề của dòng chảy mặt của cánh đồng, trầm tích và sự hoà tan cũng như gắn vào trầm tích của nitơ, photpho và thuốc trừ sâu. Mô hình được sử dụng để dự báo sự di chuyển của thuốc trừ sâu (Zacharias và cộng sự, 1992) và dinh dưỡng và trầm tích từ những sự kết hợp khác nhau của sử dụng đất và quản lý (Knisel và Leonard, 1989; Smith và cộng sự, 1991). b. EPIC- Erosion-Productivity Impact Calculator- (Sharpley và Williams, 1990) mô phỏng ảnh hưởng của những chiến lược quản lý lên chất lượng nước đồng ruộng và nitrat và thuốc trừ sâu thấm tới đáy của phẫu diện đất. Mô hình EPIC đã được sử dụng để đánh giá những hoạt động quản lý đất trồng trọt khác nhau (Sugiharto và cộng sự, 1994; Edward và cộng sự, 1994). c. NLEAP (Follet và cộng sự, 1991) đánh giá tiềm năng của nitrat thấm qua do việc sử dụng đất và những hoạt động quản lý. Mô hình NLEAP đã được sử dụng để dự báo tiềm năng thấm qua của nitơ dưới những kịch bản quản lý khác nhau (Wylie và cộngs sự, 1994; Wylie và cộng sự, 1995). Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 9 d. PRZM- Pesticide Root Zone Model- (Mullens và cộng sự, 1993) mô phỏng sự di chuyển của thuốc trừ sâu trong những đất trồng không bão hoà trong và ngay bên dưới khu vực rễ cây. PRZM đã được sử dụng dưới những điều kiện khác nhau để đánh giá thuốc trừ sâu thấm quan dưới những đồng ruộng(Zacharias và cộng sự, 1992; Smith và cộng sự, 1991). e. DRAINMOD (Skaggs, 1980) đã được sử dụng để dự báo những sự suy giảm ô nhiễm liên quan tới những kịch bản quản lý thoat nước khác nhau (Deal và cộng sự, 1986). f. REMM (Mô hình quản lý hệ sinh thái ven sông) là một mô hình mô phỏng máy tính sử dụng để mô phỏng thuỷ văn, động lực chất dinh dưỡng và sự phát triển của cây tròng cho những khu vực đất giữa gờ cạnh của đồng ruộng và thân nước. Kết quả của REMM cho phép những người thiết kế phát triển những hệ đệm giúp cho việc kiểm soát nguồn ô nhiễm diện. g. NTRM (Shaffer và Larson, 1985) mô phỏng tác động của xói mòn đất lên năng suất dài hạn và ngắn hạn của đất trồng, và trợ giúp đánh giá những hoạt động quản lý đất hiện tại và dự định trong những khu vực nghiên cứu xói mòn, sự màu mỡ của đất, tưới tiêu, phần cặn bã của mùa vụ, và sự làm đất. Những mô hình có thể được sử dụng hoặc phân tích khu vực nông nghiệp hoặc quy mô lưu vực sông nhỏ. a. WEPP (Flanagan và Nearing, 1995) mô phỏng dòng chảy của nước, xói mòn, và trầm tích sinh ra từ những cánh đồng hoặc lưu vực nhỏ. Mô hình WEPP được áp dụng với những điều kiện quản lý và sử dụng đất khác nhau (Tiscareno-Lopez và cộng sự, 1993; Liu và cộng sự, 1997). b. SWAT – Soil and Water Asessment Tool(được kết hợp với SWRRBWQ) (Arnold và cộng sự, 1990) mô phỏng ảnh hưởng của những hoạt động của quản lý nông nghiệp như luân canh, sự bảo tồn đất canh tác, Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 10 chất cặn bã, dinh dưỡng, quản lý thuốc trừ sâu; và tăng cường những phương pháp áp dụng chất thải động vật đối với chất lượng nước. Phần mềm SWRRB đã được sử dụng đối với một vài lưu vực sông để đánh giá những hoạt động quản lý và để kiểm tra tính hợp lý của nó (Arnold và Williams, 1987; Binger và cộng sự, 1987). c. AnnAGNPS- Annual Agricultural Non-Point Source- (Cronshey và Theurer, 1998) là mô hình phân phối không gian để ước tính dòng ô nhiễm từ những lưu vực nông nghiệp. Phần mềm AnnAGNPS đã được áp dụng với nhiều lĩnh vực và loại lưu vực sông để ước tính dòng ô nhiễm từ những hoạt động quản lý và sử dụng đất khác nhau (Bosch và cộng sự, 1998; Line và cộng sự, 1997; Young và những người khác, 1994; Sugiharto và cộng sự, 1994; Bingner và cộng sự, 1987). d. ANSWERS- Areal Nonpoint Source Watershed Environment Response Simulation (Beasley và cộng sự, 1980) là phần mềm phân phối lưu vực theo không gian. Về cơ bản mô hình là dòng chảy và mô hình trầm tích khi những quá trình dinh dưỡng đất không được mô phỏng. Phần mềm ANSWERS đã được ứng dụng cho những khu vực đồng ruộng có kích thước nhỏ với những hoạt động quản lý khác nhau (Griffin và cộng sự, 1988; Bingner và cộng sự, 1987). e. BASINS- Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint Sources- EPA, 2001- là một chương trình trên nền GIS thân thiện với người sử dụng bao gồm vài mô hình có khả năng mô phỏng lưu vực sông nạp và nhận những tác động của nước ở những mức độ phức tạp khác nhau. Phiên bản mới của BASINS cho phép chia những lưu vực sông lớn thành những đoạn lưu vực sông nhỏ hơn sử dụng công cụ phác hoạ tự động hay công cụ phác hoạ thủ công. BASINS 3.0 bao gồm 3 chương trình mô phỏng lưu vực sông. Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 11 - HSPF (Hydrological Simulation Program- Fortran) được cung cấp bởi một giao diện cửa sổ mới làm cho nó dễ dàng hơn trong việc vận hành mô phỏng lưu vực ở những khu vực thành thị và nông thôn. - SWAT(Soil and Water Assessment Tool)- Mô hình lưu vực nông thôn, còn được gọi là Công cụ đánh giá nước và đất, được phòng dịch vụ nghiên cứu nông nghiệp Hoa Kỳ phát triển. Nó được dự đoán trước là mô hình này sẽ được sử dụng rộng rãi tại những lưu vực sông có phát triển nông nghiệp. - PLOAD, là mô hình rất đơn giản, thích hợp nhất cho những phân tích thử nghiệm. Ngoài ra, còn có một mô hình mới là GenScn cho phép người sử dụng quản lý, trực quan, phân tích, và so sánh các kết quả của vài sự mô phỏng của HSPF và SWAT (www.epa.gov/ost/basins ). Những mô hình này có thể là những công cụ hữu ích cho dự kiến việc thực thi thước đo quản lý để đạt được những mục tiêu chất lượng nước, nhưng những giới hạn của mô hình và sự giải thích thoả đáng kết quả mô hình nên được hiểu đầy đủ trước khi đưa ra những quyết định thực thi. Mỗi một loại chương trình ở trên đều có những ưu và nhược điểm riêng của mình. Việc lựa chọn áp dụng chương trình được dựa chủ yếu vào mục đích cũng như đối tượng sử dụng. Đối với mục đích để đánh giá tác động của những hoạt động quản lý và sản xuất tới chất lượng nước và đất của một lưu vực sông trong một khoảng thời gian dài thì SWAT là một công cụ hữu hiệu. Do được kết hợp bởi nhiều chương trình tính toán về các quá trình khí tượng, các quá trình vận chuyển vật lý cũng như các quá trình hoá học diễn ra trên lưu vực sông. Ngoài ra, việc áp dụng phần mềm SWAT cũng khá linh hoạt và phù hợp với Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 12 nhiều điều kiện hoàn cảnh khác nhau nên việc sử dụng phần mềm này đang trở nên phổ biến ở nhiều nước trên thế giới. 1.5. Lịch sử phát triển của SWAT SWAT kết hợp những đặc điểm của vài chương trình ARS (Agricultural Research Service) và là sự phát triển trực tiếp của chương trình SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins). Những chương trình riêng được phát triển đặc biệt của SWAT là CREAMS(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)(Knisel, 1980), GLEAMS(Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)(Leona và cộng sự, 1987), và EPIC(ErosionProductivity Impact Calculator)(Williams và cộng sự, 1984). Sự phát triển của SWRRB bắt đầu với việc biến đổi của mô hình thuỷ văn của lượng mưa hàng ngày của CREAMS. Những sự thay đổi chính của mô hình CREAMS là: - Mô hình được mở rộng cho phép tính toán mô phỏng trên nhiều tiểu lưu vực nhằm dự báo lượng nước sinh ra. - Thêm vào dòng nước mặt và dòng trở lại (return flow). - Thêm vào thành phần hồ chứa nhằm tính toán ảnh hưởng của ao, hồ chứa nước cho nông nghiệp đối với việc phát sinh nước và trầm tích. - Kết hợp các dữ liệu của lượng mưa, bức xạ mặt trời, và nhiệt độ voà mô hình mô phỏng khí hậu nhằm thuận tiện cho việc mô phỏng dài hạn và cung cấp những mô phỏng khí tượng về không gian và thời gian. - Nâng cao phương pháp dự báo tốc độ dòng chảy đỉnh - Mô hình của sự phát triển mùa vụ EPIC được bổ sung nhằm tính toán sự thay đổi hàng năm trong tăng trưởng. - Bổ sung thành phần đường đi đơn giản của lũ. Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005 13 - Bổ sung những thành phần vận chuyển trầm tích để mô phỏng sự vận chuyển của trầm tích qua ao, hồ, dòng chảy và thung lũng. - Kết hợp với sự tính toán tổn thất trong quá trình vận chuyển. Mô hình được sử dụng chủ yếu vào những năm 1980 để đánh giá chất lượng nước và sự phát triển của SWRRB đã phản ánh tầm quan trọng này. Những sự thay đổi đáng kể của SWRRB trong thời gian này bao gồm: - Sự kết hợp thành phần phân huỷ thuốc trừ sâu trong GLEAMS. - Lựa chọn công nghệ SCS ước tính tốc độ dòng chảy đỉnh. - Phát triển các phương trình mới cho việc phát sinh trầm tích. Những sự thay đổi này mở rộng khả năng của mô hình nhằm giải quyết một sự thay đổi rộng trong những vấn đề quản lý lưu vực. Cuối những năm 1980, Vụ những vấn đề người da đỏ(Bureau of Indian Affairs) yêu cầu một mô hình ước tính tác động xuôi dòng của việc quản lý nước trong những khu vực đất của người da đỏ ở Arizona và New Mexico. Trong khi SWRRB chỉ thích hợp cho những lưu vực có kích thước vài trăm kilomet vuông, Vụ này muốn mô phỏng dòng chảy cho lưu vực mở rộng tới vài nghìn kilomet vuông. Với một khu vực được mở rộng, lưu vực nghiên cứu cần được chia nhỏ ra thành vài trăm tiểu lưu vực. Sự phân chia lưu vực trong SWRRB bị giới hạn trong 10 tiểu lưu vực và mô hình được đi của nước và vận chuyển trầm tích ra khỏi các tiểu lưu vực một cách trực tiếp tới cửa thoát nước của lưu vực sông. Những hạn chế này dẫn tới việc phát triển của một mô hình ROTO(Routing Outputs to Outlet)(Arnold và cộng sự,1985), mô hình đã đem nguồn ra từ những sự vận hành của SWRRB và vận chuyển những dòng chảy thông qua các kênh và hồ chứa. ROTO cung cấp một phương pháp tiếp cận đường đi của dòng chảy và khắc phục sự giới hạn các tiểu lưu vực của SWRRB bằng cách liên kết những sự hoạt động đồng thời của nhiều SWRRB. Mặc dù sự tiếp cận này có hiệu quả, những Ph¹m Minh T©n Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005