Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của rùng đến dòng chảy lưu vực sông srepok

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

HỌ VÀ TÊN NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGUYỄN BÁ HUY

TÊN ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA
RỪNG ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG SREPOK

ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T
Ngành: Thủy văn

Hà Nội - 2015


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN

HỌ VÀ TÊN NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGUYỄN BÁ HUY

TÊN ĐỀ TÀI

ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA
RỪNG ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG SREPOK

ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T

Ngành: Thủy văn

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TH.S LÊ VIỆT HÙNG
TH.S THI VĂN LÊ KHOA

Hà Nội - 2015



LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động
của rừng đến dòng chảy lưu vực sông Srepok” em đã nhận được sự động viên,
khích lệ và tạo điều kiện tốt từ gia đình, sự giúp đõ tận tình của thầy hướng dẫn,
sự giúp đỡ từ bạn bè và nỗ lực của bản thân.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Khí Tượng Thủy
Văn - Trường đại học Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội đã truyền thụ kiến thức
cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Thi Văn Lê Khoa và thầy
giáo Lê Việt Hùng. Đã hướng dẫn, chỉ dạy tận tình để em hoàn thành đề tài này
Tôi cũng xin cảm ơn các bạn trong lớp ĐH1T đã chia sẻ giúp đỡ, động viên
tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và đề tài này
Cuối cùng con xin được gửi lới cảm ơn đến bố mẹ và những người thân đã
động viên, quan tâm và tạo điều kiện tốt giúp con hoàn thành đồ án
Trong khuôn khổ của đề tài, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không
tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp
quý báu của các thầy cô và các bạn.

Em xin chân thành cảm ơn!

Nguyễn Bá Huy


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LƯU VỰC SÔNG SREPOK .....................................3
1.1 Vị trí địa lý.........................................................................................................3
1.2 Đặc điểm địa hình ..............................................................................................4
1.3 Đặc điềm địa chất thổ nhưỡng ...........................................................................4
1.4 Đặc điểm thảm phủ ............................................................................................5
1.5 Đặc điểm khí tượng thủy văn ............................................................................6
Kết Luận chương I ...................................................................................................9
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT ..................................................11
2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAT ......................................................................11
2.1.1 Lịch sử phát triển ......................................................................................11
2.1.2 Tổng quan mô hình SWAT.......................................................................13
2.1.3 Chu trình thủy văn trong pha đất ..............................................................16
2.1.4 Chu trình thủy văn trong pha nước ...........................................................19
2.2 Các ứng dụng của mô hình ..............................................................................21
2.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới .....................................................................21
2.2.2 Các nghiên cứu tại Việt Nam ....................................................................22
Kết luận chương II .................................................................................................22
CHƯƠNG III: SỬ DỤNG MÔ HÌNH SWAT MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY
LƯU VỰC SÔNG SREPOK ..................................................................................24
3.1 Yêu cầu đầu vào của mô hình .........................................................................24
3.1.1 Dữ liệu mô hình số hóa độ cao .................................................................24
3.1.2 Dữ liệu thảm phủ ......................................................................................25
3.1.3 Dữ liệu đất ................................................................................................28
3.1.4 Dữ liệu khí tượng ......................................................................................30
3.2 Tiến trình thực hiện mô hình SWAT ...............................................................32

3.2.1 Phân định lưu vực .....................................................................................32
3.2.2 Phân tích đơn vị thủy văn .........................................................................34
3.2.3 Ghi chép dữ liệu đầu vào ..........................................................................35
3.3 Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ...................................................................36
3.3.1 Giới thiệu phần mềm SWAT – CUP ........................................................37
3.3.2 Hiệu chỉnh .................................................................................................37
3.3.3 Kiểm định .................................................................................................38


3.3.4 Kết quả hiệu chỉnh kiểm định ...................................................................39
3.4 Đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy ....................................................41
3.5 Phân tích kết quả .............................................................................................45
Kết luận chương III ...............................................................................................46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................51


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Lưới trạm khí tượng và đo mưa trong lưu vực ..........................................8
Bảng 3.1: Bảng mã thảm phủ thực vật trong SWAT và Việt Nam ..........................27
Bảng 3.2: Bảng mã dữ liệu đất trong SWAT và Việt Nam ......................................30
Bảng 3.3: Thông tin về file dữ liệu thời tiết .............................................................31
Bảng 3.4: Mức độ mô phỏng của mô hình tương ứng chỉ số R2 và NSI ..................40
Bảng 3.5: Các chỉ số R2 và NSI sau khi hiệu chỉnh kiểm định ................................40
Bảng 3.6: Mô tả các thông số mô hình .....................................................................41
Bảng 3.7: Thông số r_CN2 sau khi mô hình SWAT-CUP đã hiệu chỉnh ................41


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Vị trí địa lý tự nhiên của lưu vực sông Srepok ..........................................3

Hình 2.1: Sơ đồ lịch sử phát triển của mô hình SWAT ...........................................11
Hình 2.2: Sơ đồ phương pháp luận mô hình SWAT ................................................15
Hình 2.3: Chu trình thủy văn trong pha đất ..............................................................16
Hình 2.4: Vòng tính toán HRU/ Lưu vực con ..........................................................19
Hình 2.5: Các quá trình biến đổi và vận chuyển chất trong lòng sông ngòi được
mô phỏng trong SWAT .............................................................................................20
Hình 3.1: Down load bản đồ DEM ...........................................................................24
Hình 3.2: Dữ liệu DEM trong mô hình SWAT ........................................................25
Hình 3.3: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Srepok ....................................................26
Hình 3.4: Down load dữ liệu đất ..............................................................................28
Hình 3.5: Bản đồ dữ liệu đất lưu vực sông Srepok ..................................................29
Hình 3.6: Trang web dữ liệu khí tượng toàn cầu của SWAT ...................................31
Hình 3.7: Dữ liệu khí tượng trong SWAT................................................................32
Hình 3.8: Bản đồ phân định lưu vực sông Srepok ...................................................33
Hình 3.9: Chồng ghép bản đồ lưu vực sông Srepok.................................................34
Hình 3.10: Chạy mô hình SWAT từ 1/1/1991 – 31/12/1995 ...................................36
Hình 3.11: Đường lưu lượng thực đo và mô phỏng tại trạm Bản Đôn trên lưu vực
sông Srepok ...............................................................................................................38
Hình 3.12: Chỉ số R2 và NSI sau khi hiệu chỉnh ......................................................38
Hình 3.13: Đường lưu lượng thực đo và mô phỏng tại trạm Bản Đôn trên lưu vực
sông Srepok sau khi kiểm định .................................................................................39
Hình 3.15: Bản đồ các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Srepok ................................42
Hình 3.16: Giảm diện tích rừng trong mô hình SWAT ............................................43
Hình 3.17: So sánh lưu lượng dòng chảy trước và sau khi thay đổi diện tích rừng
tại tiểu lưu vực số 2 ...................................................................................................44
Hình 3.18: So sánh lưu lượng dòng chảy trước và sau khi thay đổi diện tích rừng
tại tiểu lưu vực số 3 ...................................................................................................44
Hình 3.19: So sánh lưu lượng dòng chảy trước và sau khi thay đổi diện tích rừng
tại tiểu lưu vực số 5 ...................................................................................................45

DANH MỤC VIẾT T T
DEM: Digital Elevation Model
FAO: Food and Agriculture Organization
GIS: Geographic Information System
HRU: Hydrologic Response Unit
SWAT: Soil and Water Assessment Tool
USGS: United States Geological Survey
SWAT-CUP: SWAT Calibration and Uncertainty Programs
GLUE: Generalized Likelihood Uncertainty Estimation
SWRRB: Simulator for Water Resources in Rural Basins
CREAMS: Chemicals, Runoff and Erosion from Agricultural Management
Systems - Knisel
GLEAMS: Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems Leonard et al
EPIC: Erosion Productivity Impact Calculator – Williams et al
USLE: Universal Soil Loss Equation
USDA: United States Department of Agriculture


1

MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề

Với đặc điểm địa hình đồi núi cao, độ dốc sườn khá lớn, lòng sông đoạn cửa ra
hẹp, khả năng tập trung lũ cao… nên vào mùa mưa bão trên lưu vực sông Srepok
thường xảy ra các trận lũ lớn
Có rất nhiều nguyên nhân trong đó nguyên nhân khách quan do sự biến đổi khí
hậu đã gây ra mưa lớn bất thường hơn trên diện rộng còn có những nguyên nhân
chủ quan do sự tác động của các hoạt động của chính con người. Trong quá trình

phát triển kinh tế - xã hội như phát triển cơ sở hạ tầng ven sông đã dẫn đến những
ảnh hưởng tiêu cực như làm thu hẹp lòng dẫn, sự tàn phá rừng nguyên sinh đầu
nguồn…
Rừng là lá phổi xanh của thế giới, là nơi cứ trú của rất nhiều loài động thực
vật. Từ trước đến nay trong tiềm thức của chúng ta rừng có ý nghĩa rất to 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 nhiều 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 Srepok thì nghiên cứu đã 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 nghiên cứu này giới thiệu khả
năng của mô hình đi theo một hướng ứng dụng khác là: “Ứng dụng mô hình
SWAT đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy trên lưu vực sông Srepok”
2 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu bao gồm mục tiêu tổng quát và mục tiêu cụ thể.
Mục tiêu tổng quát:
 Mô phỏng và đánh giá được ảnh hưởng của biến đổi diện tích rừng tới dòng
chảy sông
Mục tiêu cụ thể:


2

 Khai thác và xử lý ảnh viễn thám, đáp ứng yêu cầu đầu vào của mô hình
SWAT
 Thiết lập mô hình SWAT và mô phỏng được dòng chảy trên lưu vực sông
Srepok
 Hiệu chỉnh kiểm định thành công, tìm kiếm được thông số tốt nhất cho mô
hình
 Đánh giá mức độ ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy trên lưu vực sông
Srepok
3 Phạm vi nghiên cứu
Đối với khu vực nghiên cứu: Nghiên cứu này giới hạn phần lưu vực của đoạn
sông Srepok chảy qua địa phận Việt Nam, không xét đến phần lưu vực thuộc
Vương quốc Campuchia
Đối với mô hình SWAT: Trong số rất nhiều chức năng của mô hình SWAT,
nghiên cứu chỉ giới hạn khai thác chức năng mô phỏng quá trình mưa dòng chảy,
các thông số hiệu chỉnh kiểm định không tập trung cho yếu tố chất lượng nước và
vận chuyển bùn cát
Đối với kịch bản mô phỏng: Nghiên cứu chỉ xét đến sự thay đổi diện tích
rừng, không xét đến ảnh hưởng của biến đối khí hậu và những yếu tố khác có thể
gây ảnh hưởng đến dòng chảy
4 Nội dung nghiên cứu
 Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Srepok
 Giới thiệu mô hình SWAT
 Sử dụng mô hình SWAT mô phỏng dòng chảy sông Srepok, từ đó đánh giá
tác động của rừng đến dòng chảy trên lưu vực sông Srepok
5 Câu hỏi nghiên cứu
Để đạt được các mục tiêu năm trong phạm vi nghiên cứu như trên, đề tài dự
kiến sẽ trả lời các câu hỏi nghiên cứu chủ đạo sau:
 Tại sao lại chọn lưu vực sông Srepok là khu vực nghiên cứu?
 Tại sao lại chọn mô hình SWAT để mô phỏng dòng chảy và đánh giá tác
động của rừng đến dòng chảy?

 Thiết lập mô hình SWAT như thế nào? Các thông số nào có độ nhạy cao
trong quá trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình?
 Rừng có tác động như thế nào đến với dòng chảy và tác động của nó mang
tính tích cực hay tiêu cực?