Áp dụng mô hình SWAT để đánh giá chế độ bùn cát trên lưu vực sông Công, Thái Nguyên

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

ÁP DỤNG MƠ HÌNH SWAT ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẾ ĐỘ BÙN CÁT
TRÊN LƯU VỰC SÔNG CÔNG, THÁI NGUYÊN
Nguyễn Việt Anh
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Sông Công bắt nguồn từ vùng Đèo Khế,
tỉnh Thái Nguyên, chảy theo hướng Tây Bắc
- Đông Nam và nhập lưu vào sơng Cầu tại
cầu Đa Phúc. Sơng có diện tích lưu vực
khoảng 869km2 và chiều dài khoảng 100km.
Định Hóa

Điềm Mạc

Trạm khí tượng
Trạm thủy văn

hiện nhiệm vụ này, mơ hình SWAT là mơ
hình được sử dụng rộng rãi và thành cơng
trong cơng tác mô phỏng, đánh giá tài nguyên
đất, nước cho nhiều lưu vực trên thế giới cũng
như ở Việt Nam. Trong nghiên cứu này, mơ
hình SWAT với bộ thơng số thủy văn đã được
hiệu chỉnh và kiểm định thành công trong mơ
phỏng chế độ dịng chảy (Anh N. V., 2015) sẽ
được tiếp tục hiệu chỉnh và kiểm định khả
năng của mô hình trong mơ phỏng, đánh giá

chế độ bùn cát trên lưu vực sông Công.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Cao độ (m)
1576

2.1. Mơ hình SWAT

Sơng, suối
Ranh giới lưu vực
Ranh giới tiểu lưu vực

6

Đại Từ
Thái Ngun
Tân Cương
Kỳ Phú

km

Hình 1. Bản đồ vị trí vùng nghiên cứu
Trong những năm gần đây cùng với sự phát
triển của nền kinh tế và dân số tăng nhanh, các
hoạt động sản xuất bừa bãi, thiếu khoa học
cùng với các hoạt động phá rừng ngày càng
trở nên phổ biến đã gây ra những tác động tiêu
cực đến trữ lượng và chất lượng nguồn nước
mặt trên địa bàn. Trước thực trạng nói trên,
cơng tác đánh giá tài ngun đất, nước cần

được thực hiện để đề xuất các giải pháp bảo
vệ nguồn tài ngun đất, nước đóng vai trị vơ
cùng quan trọng đối với sự phát triển bền
vững của vùng. Trong nhiều mơ hình thủy
văn, chất lượng nước đã được sử dụng để thực

Mơ hình SWAT là mơ hình vật lý liên tục
mơ phỏng các q trình tự nhiên xảy ra trên bề
mặt lưu vực. Mơ hình sử dụng các số liệu phân
bố theo khơng gian như địa hình, thổ nhưỡng,
loại hình sử dụng đất, quản lý và bảo vệ đất,
điều kiện khí hậu để mơ phỏng dịng chảy, xói
mịn và vận chuyển bùn cát, hàm lượng dinh
dưỡng, hàm lượng thuốc trừ sâu trong phạm vi
lưu vực. Trong mơ hình, q trình xói mịn và
vận chuyển bùn cát được mơ phỏng cho từng
đơn vị thủy văn theo phương trình mất đất phổ
dụng sửa đổi MUSLE (Williams, 1975). Trong
khi phương trình mất đất phổ dụng USLE coi
mưa là năng lượng gây xói mịn thì MUSLE
sử dụng năng lượng của dịng chảy để mơ
phỏng xói mịn và tải lượng bùn cát. Với sự
thay đổi này độ chính xác của q trình mơ
phỏng được cải thiện và tải lượng bùn cát
tương ứng với từng trận mưa lớn sẽ được tính
tốn. Kết quả mơ phỏng tổng lượng dịng chảy
mặt và đỉnh lũ từ q trình mô phỏng thủy văn
trên lưu vực sẽ được sử dụng để tính tốn năng
lượng gây xói. Trong phương trình này yếu tố
canh tác sẽ được tính tốn liên tục theo thời

341


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8

đoạn ngày dựa vào khối lượng sinh học và
hàm lượng mùn trên bề mặt đất. Một số yếu tố
khác như yếu tố địa hình, bảo vệ đất, tính chất
vật lý của đất sẽ được phân tích, đánh giá theo
Wischmeier and Smith (1978).

CH_COV1, CH_COV2 và SPEXP được điều
chỉnh giá trị đến cận trên của khoảng giá trị
để mơ phỏng chính xác q trình vận chuyển
bùn cát trong hệ thống sơng suối.
Bảng 1. Hiệu chỉnh thơng số mơ hình

2.2. Số liệu đầu vào

Thơng số

3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình
Mơ hình được hiệu chỉnh với 6 thơng số
liên quan đến q trình mơ phỏng xói mịn
trên bề mặt lưu vực và vận chuyển bùn cát
trên sông (Bảng 1). Ngoại trừ thơng số
SPCON, các thơng số cịn lại đều được hiệu
chỉnh giá trị nhằm tăng hiệu quả mô phỏng
bùn cát của mơ hình. Thơng số USLE_C và

USLE_P được điều chỉnh giá trị đến cận dưới
của khoảng giá trị để mô phỏng phù hợp q
trình xói mịn trên bề mặt lưu vực. Thông số

0.5
0.5
0.5
0.5
0.5
1
1
1
1
1
1
1

RICE: 0.01
FRSE: 0.001
FRST: 0.001
RNGB: 0.001
TEAC: 0.001
RICE, độ dốc 0-5%: 0.4
RICE, độ dốc >5%: 0.5
FRSE: 0.1
FRST: 0.2
RNGB: 0.3
TEAC, độ dốc 0-5%: 0.3
TEAC, độ dốc >5%: 0.4
0.0001

0.0001

0.0001

0.01

SPEXP

1

1

1.5

1.2

CH_COV1

0

-0.05

0.6

0.60

CH_COV2

0

-0.001

1

1.00

Với cả hai giai đoạn hiệu chỉnh và kiểm
định mơ hình, mơ hình chưa hiệu chỉnh đều mô
phỏng tổng lượng bùn cát lớn hơn so với số
liệu đo đạc, trong khi đó mơ hình kiểm định có
kết quả mơ phỏng tốt hơn. Đánh giá này được
thể hiện ở giá trị NSE = 0,88 và R2 = 0,92 cho
giai đoạn hiệu chỉnh; NSE = 0,87 và R2 = 0,9
cho giai đoạn kiểm định (hình 2). Tham chiếu
với kết quả nghiên cứu của Moriasi, 2007, mơ
hình SWAT đã mô phỏng rất tốt tổng lượng
bùn cát năm trên lưu vực sông Công.

(a)

(b)

Năm

R2 = 0.92
NSE = 0.88

Đo đạc (103 ×Tấn)

Năm

Mô phỏng (103 ×Tấn)

3. KẾT QUẢ

Hiệu chỉnh

0.01
0.001
0.001
0.001
0.001
0.4
0.5
0.1
0.2
0.3
0.3
0.4

SPCON

Tổng lượng bùn cát
(103 ×Tấn)

Các chỉ tiêu thống kê được sử dụng để
đánh giá khả năng mơ phỏng chế độ bùn cát
của mơ hình theo thời đoạn năm gồm có hệ
số hiệu quả mơ phỏng Nash-Sutcliffe (NSE)

và hệ số xác định (R2).Giá trị NSE nằm trong
khoảng từ –∞ đến 1 và giá trị của R2 nằm
trong khoảng từ 0 đến 1. Giá trị NSE và R2
càng lớn chứng tỏ rằng mức độ mơ phỏng
chính xác của mơ hình càng cao.

Phạm vi điều chỉnh
Cận dưới Cận trên

Mơ phỏng (103 ×Tấn)

2.3. Đánh giá mơ hình

Giá trị mặc định
(chưa hiệu chỉnh)

RICE: 0.03
FRSE: 0.001
USLE_C FRST: 0.001
RNGB: 0.001
TEAC: 0.001
RICE, độ dốc 0-5%: 1.00
RICE, độ dốc >5%: 1.00
FRSE: 1.00
USLE_P FRST: 1.00
RNGB: 1.00
TEAC, độ dốc 0-5%: 1.00
TEAC, độ dốc >5%: 1.00

Tổng lượng bùn cát

(103 ×Tấn)

Số liệu đầu vào để xây dựng mơ hình cho
vùng nghiên cứu gồm các bản đồ cao độ địa
hình, sử dụng đất và thổ nhưỡng trên lưu vực
sơng Cơng ở dạng dữ liệu GIS có độ phân
giải 90m. Để thực hiện q trình mơ phỏng,
lưu vực được chia thành 10 tiểu lưu vực và
242 HRUs. Chuỗi tài liệu khí tượng cho giai
đoạn hiệu chỉnh và kiểm định mơ hình bao
gồm: (1) tài liệu mưa ngày từ 5 trạm khí
tượng; (2) tài liệu nhiệt độ khơng khí, tốc độ
gió, độ ẩm khơng khí tương đối ngày tại và
tài liệu bức xạ mặt trời tháng từ 2 trạm Thái
Nguyên và Định Hóa. Số liệu tổng lượng bùn
cát hàng năm đo đạc cho giai đoạn từ năm
1961 đến 1975 tại trạm thủy văn Tân Cương
được sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định khả
năng mô phỏng chế độ bùn cát trên lưu vực
sơng Cơng của mơ hình.

R2 = 0.9
NSE = 0.87

Đo đạc (103 ×Tấn)

Hình 2. Kết quả (a) hiệu chỉnh
và (b) kiểm định mơ hình
3.2. Đánh giá xói mịn trên lưu vực
Theo Hình 3, tải lượng bùn cát tháng từ

lưu vực có giá trị lớn thường xuất hiện tương
ứng với với thời điểm xuất hiện lượng dòng
chảy mặt lớn trong những tháng mùa mưa.

342


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
Lượng bùn cát

Lượng dòng chảy mặt

Lượng bùn cát tháng (Tấn)

Lượng dịng chảy mặt tháng (mm)

Tháng

Hình 3. Kết quả mơ phỏng lượng
dòng chảy mặt và bùn cát thời đoạn tháng,
giai đoạn 1966 - 1975
Tuy nhiên cũng có một số thời điểm mối
quan hệ này khơng thể hiện rõ bởi vì giá trị
lượng bùn cát trên lưu vực phụ thuộc vào sự
biến đổi của dịng chảy mặt theo thời gian và
khơng gian. Ngồi ra, ở phương trình
MUSLE, lượng dịng chảy mặt chỉ đóng vai
trị là một trong số các yếu tố ảnh hưởng.
Lượng bùn cát hay lượng đất xói mịn của lưu
vực còn phụ thuộc vào các đặc điểm khác của

lưu vực như điều kiện thảm phủ, thổ nhưỡng,
độ đốc địa hình. Mối quan hệ giữa giá trị tổng
lượng đất xói mịn trung bình năm được mơ
phỏng cho giai đoạn từ 1966 đến 1975 và tốc
độ xói mịn trung bình năm với các yếu tố ảnh
hưởng nói trên thể hiện ở các Bảng 3.

độ xói mịn đất ở mức thấp. Loại hình sử
dụng đất RNGB có tốc độ xói mịn trung bình
ở tất cả các loại thổ nhưỡng và độ dốc địa
hình lớn. Loại hình sử dụng đất RICE có tốc
độ xói mịn nhẹ đối với hầu hết các loại thổ
nhưỡng và độ dốc thấp. Tuy vậy, loại hình sử
dụng đất này ở độ dốc địa hình lớn hơn 5%
sẽ có tốc độ xói mịn từ trung bình đến mạnh.
Phân bố xói mịn từ 10 tiểu lưu vực của
lưu vực sơng Cơng (Hình 4) cho thấy những
tiểu lưu vực thượng lưu có lượng đất xói mịn
hay tải lượng bùn cát lớn hơn so với các tiểu
lưu vực phía hạ lưu bởi vì các tiểu lưu vực
vùng thượng lưu có nhiều diện tích đất nơng
nghiệp canh tác trên địa hình dốc kêt hợp các
loại thổ nhưỡng có tính xói cao.

1

2
3

4

Độ dốc

RICE

TEAC

RNGB

Khác

0-5

0.003

0.12

1.01

0.03

1.36

0.15

5-15

0.04

0.14

7.28

0.17

6.17

0.12

15-25

0.06

0.19

11.68

0.27

6.86

>25

0.12

0.40

0.50

9.33

0.04
0.09
0.15
0.10

0.09
0.29
0.29
0.42

0.13
0.14

7.86

0.14

7.63

FAOACa
FAOACf
FAOACh
FAOACu
FAOFLc
Loại đất FAOFLd
FAOFRr
FAOGLu
FAOACfh
FAOFLdm

FAOACal

0.02
0.14

1.71
2.17
3.90
0.99
0.66
5.92
1.51

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

134
66
207
70
58
109

107
41
54
23

Tổng lượng Tốc độ
xói mịn
xói mịn
(Tấn)
(Tấn/ha)
20,189
1.51
4,896
0.75
21,924
1.06
3,403
0.49
2,015
0.35
6,178
0.57
7,097
0.66
2,295
0.55
3,418
0.64
734
0.32

5

0.00 - 0.50
0.51 - 1.00
1.01 - 1.50

7

1.51 - 2.00

8
9

10

2.01 - 2.50
2.51 - 3.00

Hình 4. Phân bố xói mịn trên lưu vực
4. KẾT LUẬN

Các loại hình sử dụng đất
FRST

D.tích
(km2)

6

Bảng 3. Tốc độ xói mịn trên lưu vực
FRSE

TT

0.14
0.20

0.13

Dựa vào kết quả mô phỏng và các chỉ tiêu
đánh giá NSE và R2, nghiên cứu này cho thấy
mơ hình SWAT sau khi được hiệu chỉnh các
thông số thủy văn và bùn cát đã mô phỏng tốt
chế độ bùn cát thời đoạn năm trên lưu vực
sông Công. Sự phân bố xói mịn trên lưu vực là
thơng tin hữu ích cho công tác đề xuất các giải
pháp bảo vệ và quản lý bền vững trên lưu vực.

0.14

5. TÀI LIỆU THAM KHẢO

Từ kết quả trên và tham chiếu với Tiêu
chuẩn Việt Nam số 5299 : 2009, chất lượng
đất và phương pháp xác định mức độ xói
mịn đất do mưa, các loại hình sử dụng đất là
FRSE, FRST, TEAC và các loại khác có tốc

[1] Anh, N.V., Fukuda, S., Hiramatsu, K.,

Harada, M. 2015. Sensitivity-based
calibration of SWAT for hydrologic cycle
simulation in the Cong Watershed,
Vietnam. Journal of Water Environment
Research, 87(8):735-750.

343