Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lưu vực hồ ba bể tỉnh bắc kạn bằng công nghệ GIS

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
----------o0o----------

HÀ THỊ NGUYỆT
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ THỐNG THỦY VĂN
THUỘC LƢU VỰC HỒ BA BỂ, TỈNH BẮC KẠN BẰNG CÔNG NGHỆ GIS

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Quản lý đất đai

Khoa

: Quản lý tài nguyên

Khóa học

: 2012 – 2016

Thái Nguyên – 2016


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
----------o0o----------

HÀ THỊ NGUYỆT
Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH HỆ THỐNG THỦY VĂN
THUỘC LƢU VỰC HỒ BA BỂ, TỈNH BẮC KẠN BẰNG CÔNG NGHỆ GIS

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Hệ đào tạo

: Chính quy

Chuyên ngành

: Quản lý Đất đai

Lớp

: K44 QLĐĐ-N02

Khoa

: Quản lý tài nguyên

Khóa học

: 2012 – 2016

Giảng viên hƣớng dẫn : ThS. Nguyễn Quang Thi

Thái Nguyên - 2016


i

LỜI CẢM ƠN
Thực tập tốt nghiệp là một khâu rất quan trọng trong quá trình học tập của
mỗi sinh viên nhằm hệ thống lại toàn bộ lƣợng kiến thức đã học, vận dụng lý
thuyết vào thực tiễn, bƣớc đầu làm quen với những kiến thức khoa học, giúp
sinh viên trau dồi kiến thức, củng cố bổ sung lí thuyết học trên lớp. Qua đó sinh
viên ra trƣờng sẽ hoàn thiện hơn về kiến thức lý luận, phƣơng pháp làm việc,
năng lực công tác nhằm đáp ứng nhu cầu thực tiễn của công việc say này.
Đƣợc sự giúp đỡ của Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Nông lâm và Ban
chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, em đã tiến hành nghiên cứu đề tài:
“Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lưu vực hồ Ba Bể tỉnh Bắc
Kạn bằng công nghệ GIS”.
Trong suốt quá trình thực tập em đã nhận đƣợc sự giúp đỡ của các thầy
cô giáo và anh chị nơi em thực tập tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Nông lâm,
Ban chủ nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên và đặc biệt là thầy giáo Th.S
Nguyễn Quang Thi, thầy Chu Văn Chung đã hƣớng dẫn em hoàn thành khóa
luận tốt nghiệp này.
Do trình độ và kinh nghiệm có hạn mặc dù đã rất cố gắng, xong bản
khóa luận tốt nghiệp của em không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất
mong nhận đƣợc những ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo, ý kiến đóng góp
của bạn bè để bài khóa luận tốt nghiệp của em đƣợc hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 05 năm 2016

Sinh viên

Hà Thị Nguyệt


ii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Các ứng dụng của GIS về nông nghiệp .......................................... 15
Bảng 4.1: Tổng diện tích tự nhiên của các xã thuộc khu vực nghiên cứu ...... 31
Bảng 4.2: Diện tích các loại đất năm 2015 của các xã thuộc lƣu vực sông
Chợ Lèng ................................................................................ 32
Bảng 4.3. Bảng chia khoảng độ cao của lƣu vực ............................................ 39
Bảng 4.4. Bảng diện tích các huyện trong khu vực ........................................ 41
Bảng 4.5. Bảng thống kê diện tích theo khu vực ............................................ 42
Bảng 4.6. Bảng thống kê độ dài lƣu vực theo từng khu vực của lƣu vực
sông Chợ Lèng ..................................................................... 44
Bảng 4.7. Bảng thống kê độ rộng theo từng khu vực của lƣu vực sông
Chợ Lèng................................................................................ 44
Bảng 4.8. Bảng thống kê độ cao trung bình của từng khu vực ....................... 45
Bảng 4.9. Bảng thống kê độ dốc trung bình của từng khu vực....................... 46
Bảng 4.10. Bảng thống kê độ dài sông chính ................................................. 47
Bảng 4.11. Bảng thống kê mật độ sông lƣu vực sông Chợ Lèng ................... 48


iii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Thành phần cơ bản của GIS ............................................................ 12
Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của GIS .............................................. 14

Hình 2.3. Ví dụ các phép toán đại số .............................................................. 16
Hình 2.4. Các phép toán logic trong GIS ........................................................ 16
Hình 2.5. Sơ đồ thành phần SWAT ................................................................ 19
Hình 2.6. Chu trình nƣớc trong pha đất .......................................................... 21
Hình 3.1. Sơ đồ tiến trình thực hiện ................................................................ 27
Hình 4.1. Chọn đơn vị cho ảnh DEM ............................................................. 34
Hình 4.2. Kết quả xác định DEM.................................................................... 34
Hình 4.3. Mô phỏng mạng lƣới sông suối và các cửa xả. ............................... 35
Hình 4.4. Xác định outlet của lƣu vực ............................................................ 36
Hình 4.5. Báo cáo độ cao lƣu vực ................................................................... 37
Hình 4.6. Phân vùng theo độ cao .................................................................... 39
Hình 4.7. Bản đồ phân vùng thƣợng lƣu, trung lƣu, hạ lƣu ............................ 40


iv

DANH MỤC CÁC TỪ, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT
Nguyên nghĩa

Chữ viết tắt
ARS

Agiricultural Research Service

DBMS

database management systems

DEM

Digital Elevation Model (Mô hình độ cao số)

GIS
NSE
SWAT
USDA

Geographic Information System (Hệ thống thông
tin địa lý)
Nash Sutcliffe Efficiencies
Soil and Water Assessment Tool (Mô hình đánh giá
đất và nƣớc)
United States Department of Agriculture


v

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i
DANH MỤC CÁC BẢNG ...................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ, CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT ........................................... iv
MỤC LỤC ................................................................................................................. v
PHẦN 1. MỞ ĐẦU ................................................................................................. 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu của nghiên cứu ......................................................................... 2
1.2.1. Mục tiêu tổng quát ............................................................................ 2
1.2.2. Mục tiêu cụ thể ................................................................................. 2
1.3. Ý nghĩa của đề tài.................................................................................... 3
1.3.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................. 3

1.3.2. Ý nghĩa trong thực tiễn ..................................................................... 3
PHẦN 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU ........................................ 4
2.1. Khái quát về tài nguyên nƣớc ................................................................. 4
2.1.1. Định nghĩa của nƣớc ......................................................................... 4
2.1.2. Tính chất của nƣớc............................................................................ 4
2.1.3.Vai trò của nƣớc trong cuộc sống ...................................................... 5
2.2. Khái quát về lƣu vực ............................................................................... 6
2.2.1. Những khái niệm cơ bản về lƣu vực ................................................. 6
2.2.2. Thông số hình thái của lƣu vực ........................................................ 7
2.2.3. Thông số mạng lƣới thủy văn của lƣu vực ....................................... 8
2.3. Giới thiệu về GIS và mô hình SWAT ................................................... 10
2.3.1. Giới thiệu về GIS ............................................................................ 10
2.3.2. Giới thiệu về mô hình SWAT ......................................................... 17


vi

2.4. Những kết quả nghiên cứu về việc xác định hệ thống thủy văn bằng
công nghệ GIS .............................................................................................. 22
2.4.1. Những kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống
thủy văn bằng công nghệ GIS trên Thế Giới ............................................ 22
2.4.2. Những kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống
thủy văn bằng công nghệ GIS ở Việt Nam ............................................... 23
2.4.3. Những kết quả nghiên cứu liên quan đến việc xác định hệ thống
thủy văn bằng công nghệ GIS ở Bắc Kạn................................................. 24
PHẦN 3. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..25
3.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 25
3.1.1. Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................... 25
3.1.2. Phạm vi nghiên cứu: ....................................................................... 25
3.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ........................................................ 25

3.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 25
3.3.1. Khái quát điều kiện tự nhiên, kinh tế- xã hội lƣu vực sông Chợ
Lèng .......................................................................................................... 25
3.3.2. Hiện trạng sử dụng đất của các xã thuộc lƣu vực sông Chợ Lèng . 25
3.3.3. Xác định hệ thống thủy văn lƣu vực sông Chợ Lèng bằng công nghệ
GIS ............................................................................................................ 25
3.3.4. Đề xuất sử dụng đất tại lƣu vực ...................................................... 25
3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ...................................................................... 26
3.4.1. Phƣơng pháp điều tra số liệu thứ cấp.............................................. 26
3.4.2. Phƣơng pháp khảo sát thực địa ....................................................... 26
3.4.3. Phƣơng pháp tính toán và phân tích số liệu .................................... 26
3.4.4. Phƣơng pháp xác định hệ thống thủy văn lƣu vực ......................... 27
PHẦN 4. KẾT QUẢ CỦA NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..................... 28
4.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của lƣu vực sông Chợ Lèng ......... 28


vii

4.1.1. Xác định lƣu vực ............................................................................. 28
4.1.2. Điều kiện tự nhiên........................................................................... 28
4.1.3. Điều kiện kinh tế - xã hội................................................................ 29
4.2. Hiện trạng sử dụng đất của các xã thuộc khu vực nghiên cứu ............. 31
4.3. Kết quả xác định hệ thống thủy văn lƣu vực sông Chợ Lèng thuộc hệ
thống lƣu vực hồ Ba Bể ............................................................................... 33
4.3.1. Tạo đồ án SWAT, thiết lập thƣ mục làm việc và Geodatabases .... 33
4.3.2. Phân chia lƣu vực............................................................................ 33
4.3.3. Phân vùng thƣợng lƣu – trung lƣu – hạ lƣu của lƣu vực ................ 37
4.3.4. Thông số hình thái lƣu vực sông Chợ Lèng ................................... 41
4.3.5. Thông số thủy văn lƣu vực sông Chợ Lèng.................................... 46
4.4. Đề xuất sử dụng đất tại lƣu vực ............................................................ 49

PHẦN 5. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................ 51
5.1. Kết luận ................................................................................................. 51
5.2. Đề nghị .................................................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO


1

PHẦN 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Nƣớc là thành phần quan trọng không thể thiếu trong cuộc sống, là cái
nôi cho sự sống, là môi trƣờng sống cho hàng triệu triệu sinh vật trên trái đất
và cũng là nguồn tài nguyên vô giá đối với sự sống, sự phát triển của con
ngƣời.Tài nguyên nƣớc là một trong những yếu tố quyết định sự phát triển
kinh tế - xã hội của một vùng lãnh thổ hay của một quốc gia. Cùng với sự
phát triển nhanh chóng của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, từng
bƣớc chuyển dịch và phát triển theo hƣớng tích cực, vấn đề Quản lý Tài
nguyên nƣớc đang ngày đƣợc quan tâm và chú trọng thực hiện. Việc tiến
hành nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS là điều vô
cùng cần thiết. Do nƣớc có quan hệ mạng lƣới, không giới hạn trong một
khu vực địa lý hay ranh giới địa chính mà nó chảy qua nhiều vùng khác nhau,
việc sử dụng nƣớc có mối liên quan mật thiết với sử dụng đất và ảnh hƣởng
đến hệ sinh thái chính vì vậy cách tiếp cận nghiên cứu theo từng lƣu vực sẽ
giúp cho sử dụng và bảo vệ tốt tài nguyên cho toàn lƣu vực.
Hồ ba bể là hồ tự nhiên trên núi duy nhất có ý nghĩa đặc biệt quan trọng
ở Việt Nam, là hồ kiến tạo tự nhiên lớn. Do cơ chế kiến tạo đại chất và thủy
văn đặc biệt nằm trong vùng đá vôi, nhƣng hồ Ba Bể không bị mất nƣớc và
đây chính là điều kì thú độc đáo của hồ Ba Bể. Trên mặt hồ trong xanh có các
đảo Karst, xunh quanh hồ là rừng nhiệt đới thƣờng xanh trên núi đá vôi và là

sinh cảnh quan trọng của các loài độn vật quý hiếm. Lƣu vực hồ Ba Bể nhận
nƣớc từ các sông Tà Han, Bó Lù và Chợ Lèng ở phía Nam của Vƣờn Quốc
gia với tổng diện tích lƣu vực là 420km2.Hồ Ba Bể có vai trò rất quan trọng
trong việc điều tiết nguồn nƣớc trong khu vực này.


2

Hệ thống thông tin địa lí (GIS – geographic information system) là một
công nghệ mới du nhập vào Việt Nam trong những thập niên 90 của thế kỉ
XIX. Và đang phát triển trong những năm trở lại đây. GIS ngày nay là một
công cụ trợ giúp quyết định trong nhiều hoạt động kinh tế - xã hội, quốc
phòng của nhiều quốc gia trên thế giới. GIS có khả năng trợ giúp các cơ quan
chính phủ, các nhà quản lí, các doanh nghiệp, các cá nhân…đánh giá đƣợc
hiện trạng của các quá trình, các thực thể tự nhiên, kinh tế xã hội thông qua
các chức năng thu thập, quản lý, truy vấn, phân tích và tích hợp các thông tin
đƣợc gắn với một nền hình học (bản đồ) nhất quán trên cơ sở dữ liệu đầu vào.
Ở một số nƣớc, đã có một số nghiên cứu liên quan đến xác định hệ
thống thủy văn bằng công nghệ GIS, nƣớc ta cũng có một số nghiên cứu liên
quan đến việc xác định hệ thống thủy văn bằng công nghệ GIS. Để từ đó
chúng ta có thể đƣa ra các phƣơng án sử dụng đất tối ƣu ít làm ảnh hƣởng tới
lƣu lƣợng dòng chảy, mang lại hiệu quả cao.
Xuất phát từ lí do trên và đƣợc sự đồng ý của Ban giám hiệu, ban chủ
nhiệm khoa Quản lý Tài nguyên, trƣờng Đại học Nông lâm Thái Nguyên
dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy giáo Th.S Nguyễn Quang Thi tôi thực
hiện đề tài:“Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lưu vực hồ Ba Bể,
tỉnh Bắc Kạn bằng công nghệ GIS”
1.2. Mục tiêu của nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu tổng quát
Nghiên cứu xác định hệ thống thủy văn thuộc lƣu vực hồ Ba Bể, làm căn

cứ để đƣa ra đề xuất cho việc sử dụng đất của các xã thuộc khu vực nghiên cứu.
1.2.2. Mục tiêu cụ thể
- Xác định đƣợc khu vực nghiên cứu, đƣa ra đƣợc một số điểm khái quát
về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội khu vực nghiên cứu
- Nêu lên đƣợc hiện trạng sử dụng đất của các xã thuộc khu vực nghiên cứu


3

- Xác định đƣợc hệ thống thủy văn khu vực nghiên cứu bằng công nghệ
GIS
- Đƣa ra một số đề xuất sử dụng đất tại khu vực nghiên cứu.
1.3. Ý nghĩa của đề tài
1.3.1. Ý nghĩa khoa học
- Cơ hội tốt để sinh viên củng cố kiến thức đã đƣợc học, nghiên cứu
trong nhà trƣờng và những kiến thức thực tế cho bản thân trong quá trình
thực tập tại cơ sở.
- Nâng cao khả năng tiếp cận, thu thập và xử lý thông tin trong quá trình
làm đề tài.
1.3.2. Ý nghĩa trong thực tiễn
Trên cơ sở xác định hệ thống thủy văn từ đó đề xuất sử dụng đất tại khu
vực nghiên cứu phù hợp với điều kiện của địa phƣơng.


4

PHẦN 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
2.1. Khái quát về tài nguyên nƣớc
2.1.1. Định nghĩa của nước

Nƣớc đƣợc xem nhƣ một tài nguyên quí giá và cần thiết cho sự sống.
Nƣớc chi phối nhiều hoạt động của con ngƣời, thực và động vật và vận hành
của thiên nhiên. Theo định nghĩa thông thƣờng:"Nƣớc là một chất lỏng thông
dụng. Nƣớc tinh khiết có công thức cấu tạo gồm 2 nguyên tử hydro và một
nguyên tử oxy, nƣớc là một chất không màu, không mùi, không vị. Dƣới áp
suất khí trời 1 atmosphere, nƣớc sôi ở 100°C và đông đặc ở 0°C, nƣớc có
khối lƣợng riêng là 1000 kg/m3”.
2.1.2. Tính chất của nước
- Nƣớc là một dung môi vạn năng: Nƣớc có thể hòa tan đƣợc rất nhiều
chất, đặc biệt là các chất khoáng và chất khí cung cấp dinh dƣỡng và giúp cho
sự trao đổi chất trong cơ thể sinh vật.
- Nƣớc có nhiệt dung rất lớn: Nƣớc có khả năng hấp thu rất nhiều nhiệt
lƣợng khi nóng lên và đồng thời cũng tỏa ra nhiều nhiệt lƣợng khi lạnh đi.
Khả năng này giúp cho nhiệt độ ban ngày trên trái đất ít nóng hơn và ban
đêm đỡ lạnh đi, giúp cho sự sống khỏi sự tiêu diệt ở mức chênh lệnh nhiệt độ
quá lớn.
- Nƣớc rất khó bay hơi: Ở 20°C, muốn 1 lít nƣớc bốc hơi phải tốn
539.500 calori. Đặc tính này của nƣớc đã cứu thoát sự sống khỏi bị khô héo
nhanh chóng và giúp cho các nguồn nƣớc không bị khô hạn, làm tiêu diệt các
sinh vật sống trong nó.
- Nƣớc lại nở ra khi đông đặc: Khi hạ nhiệt độ xuống thấp dƣới 4°C thì
thể tích nƣớc lại tăng lên. Đến diểm đông đặc 0°C, thể tích nƣớc tăng lên


5

khoảng 9 % so với bình thƣờng, làm băng đá nổi lên mặt nƣớc. Nƣớc có nhiệt
độ cao hơn sẽ chìm xuống đáy giúp các thủy sinh vật tồn tại và lớp băng đá - có
tính dẫn nhiệt rất kém - trở thành chiếc áp giáp bảo vệ sự sống phía dƣới nó.
- Nƣớc có sức căng mặt ngoài lớn: Nhờ có sức căng mặt ngoài lớn nên

nƣớc có tính mao dẫn mạnh. Hiện tƣợng này có một ý nghĩa rất lớn trong
việc duy trì sự sống trên trái đất, nƣớc từ dƣới đất có thể thấm đến từng ngọn
cây. Trong cơ thể ngƣời và động vật, máu và dịch mô vận chuyển đƣợc đến
các cơ quan nội tạng cũng nhờ khả năng mao dẫn của nƣớc.
- Nƣớc có khả năng tự làm sạch: Nƣớc trong quá trình vận chuyển của
nó khắp nơi trong thiên nhiên còn có khả năng tự làm sạch, loại bỏ một phần
chất bẩn, tạo điều kiện cho môi trƣòng sinh thái đƣợc cải thiện.
2.1.3.Vai trò của nước trong cuộc sống
Nƣớc là yếu tố hàng đầu quyết định sự tồn tại và phát triển của sinh giới.
Không có nƣớc sự sống lập tức bị rối loạn, ngƣng lại và tiêu diệt.
- Nƣớc chiếm thành phần chủ yếu trong cấu tạo cơ thể thực và động vật.
Con ngƣời có khoảng 65 - 75 % trọng lƣợng nƣớc trong cơ thể, đặc biệt nƣớc
chiếm tới 95 % trong huyết tƣơng, cá có khoảng 80 % nƣớc trong cơ thể, cây
trên cạn có 50 - 70 % nƣớc, trong rong rêu và các loại thủy thực vật khác có
95 - 98 % là nƣớc.
- Muốn có thực phẩm cho ngƣời và gia súc cần có nƣớc: muốn có 1 tấn
lúa mì, cần 300 - 500 m3 nƣớc, 1 tấn gạo cần tiêu thụ 1.500 - 2.000 m3 nƣớc
và để có 1 tấn thịt trong chăn nuôi cần tốn 20.000 - 50.000 m3 nƣớc.
- Lƣợng nƣớc trên trái đất là một máy điều hòa nhiệt và làm cho cán cân
sinh thái đƣợc cân bằng. Sự sống thƣờng tập trung ở các nguồn nƣớc, phần lớn
các nền văn minh, các trung tâm kinh tế, công nghiệp, nông nghiệp, khoa học kỹ
thuật, văn hóa xã hội, dân cƣ, ... đều nằm dọc theo các vùng tập trung nƣớc.


6

- Sự thay đổi cán cân phân phối nƣớc hoặc sự phá hoại nguồn nƣớc có
thể làm tàn lụi các vùng trù phú, biến các vùng đất màu mỡ thành các vùng
khô cằn
2.2. Khái quát về lƣu vực

2.2.1. Những khái niệm cơ bản về lưu vực
- Hệ thống thủy văn: là các quá trình thủy văn (chu trình thủy văn) diễn
ra trên thực tế trong một vùng không gian nhất định.
- Chu trình thủy văn: là hệ thống gồm các thành phần là bốc hơi, lƣợng
mƣa, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình.
- Lưu vực: là một phạm vi không gian lãnh thổ đƣợc phân chia dựa trên
địa hình và đƣờng ranh giới phân chia lƣu vực gọi là đƣờng phân thủy. Trong
phạm vi không gian đó mọi lƣợng nƣớc mƣa khi rơi xuống có thể chảy thành
dòng trên bề mặt thông qua hệ thống sông suối, tập trung lại và thoát qua một
cửa ra duy nhất ở điểm cuối của lƣu vực. Tại đây có thể xây đập nhằm phục
vụ cho tƣới tiêu, thủy lợi trong nông nghiệp hoặc cung cấp nƣớc sinh hoạt
hay các thủy điện hoặc điểm cuối của lƣu vực này cũng lại là điểm đầu của
lƣu vực khác, nơi đây dòng chảy có thể đổ ra lƣu vực lớn hơn, hay ra hồ hoặc
đổ thẳng ra biển.Lƣu vực là một hệ thống khép kín, độc lập và rất phức tạp,
gồm có những thành phần hữu sinh, vô sinh, các yếu tố trong lƣu vực có mối
quan hệ mật thiết chặt chẽ với nhau và thƣờng đƣợc kết nối với các hệ sinh
thái khác nhau. Lƣu vực không nhất thiết là một vùng cao hay vùng địa hình
núi, nó có thể tồn tại ở vùng đồng bằng. Trong lƣu vực có thể tồn tại rừng,
khu dân cƣ, nông nghiệp, công nghiệp, thƣơng nghiệp….
- Tiểu lưu vực: một lƣu vực lớn sẽ đƣợc chia nhỏ thành nhiều tiểu lƣu
vực. Mỗi tiểu lƣu vực có vị trí địa lý trong lƣu vực và có mối quan hệ về mặt
không gian với các tiểu lƣu vực khác. Tiểu lƣu vực đƣợc xác lập dựa trên
đƣờng phân thủy, phụ thuộc vào địa hình bề mặt, kéo dài từ dòng chảy đến


7

điểm ra (outlet) của tiểu lƣu vực đó. Một tiểu lƣu vực chứa ít nhất một đơn vị
thủy văn, một sông nhánh và một sông chính. Mỗi đơn vị thủy văn có sự
tƣơng đồn nhau về thuộc tính đất, sử dụng đất, độ dốc.

- Phân chia lưu vực:là xác định đƣờng ranh giới cho các lƣu vực. Cơ sở
của việc phân chia lƣu vực là dựa trên độ cao của địa hình sao cho khi hạt
mƣa rơi vào bên trong đƣờng biên thì nó sẽ chảy vào lƣu vực đó mà thôi.
Phân chia lƣu vực có ý nghĩa quan trọng trong quản lý tài nguyên đất và nƣớc
và là cơ sở để phát triển quan điểm sinh thái cho nghiên cứu khoa học. Có hai
cách phân định lƣu vực: thủ công với việc vẽ trên nền bản đồ địa hình hoặc tự
động với sự hỗ trợ của kĩ thuật dựa trên nền cơ sở dữ liệu GIS.
2.2.2. Thông số hình thái của lưu vực
Hình thái sông ngòi bao gồm các đặc trƣng nhƣ vị trí nguồn sông, cửa
sông, độ cao nguồn sông, chiều dài sông, chiều dài lƣu vực, diện tích hƣớng
nƣớc, độ cao bình quân lƣu vực, độ dốc, độ rộng bình quân lƣu vực, mật độ
mạng lƣới sông, hệ số uốn khúc và hệ số hình dạng…Đây là những đặc trƣng
quan trọng khi tính toán thủy văn hoặc phân tích địa lí thủy văn. Các thông số
hình thái thủy văn cụ thể nhƣ sau:
- Diện tích lưu vực F (km2): là phần bề mặt trái đất kể cả chiều dày lớp
phủ thổ nhƣỡng mà từ đó nƣớc chảy vào hệ thống sông suối của lƣu vực.
Diện tích lƣu vực đƣợc xác định qua bản đồ địa hình với máy đo diện tích
hoặc phƣơng pháp kẻ ô. Có thể phân biệt diện tích lƣu vực mặt và diện tích
lƣu vực ngầm. Thông thƣờng hai diện tích này không trùng nhau song do
việc xác định chính xác diện tích lƣu vực ngầm thƣờng khó khăn nên khi tính
toán thƣờng chỉ dùng diện tích lƣu vực mặt.
- Chiều dài lưu vực L (km): là khoảng cách xác định theo đƣờng thẳng
từ cửa sông đến điểm xa nhất trên đƣờng phân thủy trong trƣờng hợp hình


8

dạng lƣu vực cân đối. Trong trƣờng hợp lƣu vực dạng hình cong, chiều dài
lƣu vực đƣợc đo theo đƣờng trung tuyến dẫn qua trung tâm lƣu vực.
- Độ rộng trung bình lưu vực Btb (km):xác định bằng cách chia diện tích

F cho chiều dài lƣu vực L:

- Độ cao trung bình của lưu vực sông ngòi (Htb): đƣợc tính theo công thức:

Trong đó:
Htb: Độ cao trung bình của lƣu vực.
f1, f2, …,fn: Diện tích thành phần của lƣu vực nằm giữa các đƣờng
đồng mức km2
H1, H2, …, Hn: Độ cao trung bình giữa các đƣờng đẳng thời,
F: Diện tích lƣu vực.
- Độ dốc trung bình của lƣu vực Itb đƣợc tính theo công thức:

Trong đó:
h: Độ cao địa hình (hiệu của hai đƣờng đồng mức kề nhau).
l0, l1, l2, … ln-1: Độ dài đƣờng đồng mức trong giới hạn lƣu vực
F: Diện tích lƣu vực, km2
2.2.3. Thông số mạng lưới thủy văn của lưu vực
Thông số thủy văn là những đặc trƣng của dòng chảy lƣu vực thể hiện
đƣợc những điểm khác biệt của lƣu vực này với lƣu vực khác. Thông số
mạng lƣới thủy văn của một lƣu vực chịu tác động bởi các yếu tố địa hình,
khí tƣợng, nhiệt độ... trong khu vực tự nhiên của lƣu vực đó.


9

- Chiều dài sông L: là khoảng cách từ nguồn tới cửa sông đƣợc đo bằng
đơn vị km. Thƣờng độ dài sông đƣợc đo trực tiếp trên bản đồ địa hình bằng
dụng cụ đo đƣờng cong. Thông thƣờng phải đo hai lần, nếu chênh lệch số đo
không quá 2% thì nhận giá trị trung bình của hai lần đo làm chiều dài của
sông theo công thức:

L =Mka
Trong đó: M là giá trị trung bình đo đƣợc
K là hệ số hiệu chỉnh uốn khúc
a là hệ số chuyển đổi tỉ lệ bản đồ
L là chiều dài thực tế của con sông
- Mật độ mạng lưới sông:là chỉ số đặc trƣng cho mức độ phát triển dòng
chảy mặt trên lãnh thổ đang xem xét, đƣợc tính theo tỉ lệ độ dài sông trên 1
km2 diện tích lãnh thổ. Hệ số mạng lƣới sông đƣợc xác định theo công thức:

Trong đó:
: Mật độ mạng lƣới sông km/km2
: Tổng độ dài nhánh sông trong khu vực km
F: Diện tích lƣu vực km2
Sông suối càng dày mật độ lƣới sông càng lớn. Có thể phân cấp mật độ
lƣới sông nhƣ sau:
 Cấp 1:

= 1,5 – 2,0 Mật độ sông, suối rất dày

 Cấp 2:

= 1,0 – 1,5 Mật độ sông, suối dày

 Cấp 3:

= 0,5 – 1,0 Mật độ sông, suối tƣơng đối dày

 Cấp 4:

< 0,5 Mật độ sông, suối thƣa.

10

2.3. Giới thiệu về GIS và mô hình SWAT
2.3.1. Giới thiệu về GIS
2.3.1.1. Các khái niệm chung
Khái niệm thông tin địa lý đƣợc hình thành từ ba khái niệm: hệ thống;
thông tin; địa lý; và đƣợc viết tắt là GIS (Geographyic Information Systems).
Khái niệm hệ thống (System) đề cập đến cách tiếp cận hệ thống của
GIS. Môi trƣờng hệ thống GIS đƣợc chia nhỏ thành các modul để dễ hiểu, dễ
quản lý nhƣng chúng đƣợc tích hợp thành những hệ thống thống nhất, toàn
vện. Công nghệ thông tin trở thành quan trọng và hầu hết các hệ thống đều
đƣợc tiến hành trên cơ sở máy tính.
Khái niệm thông tin (information) đề cập đến dữ kiệu khổng lồ do GIS
quản lý. Các đối tƣợng thế giới thực đều có tập riêng các dữ liệu chữ số hay
dữ liệu thuộc tính và các thông tin vị trí cần cho lƣu trữ, quản lý các đặc
trƣng không gian.
Khái niệm địa lý (geographic) đƣợc sử dụng ở đây vì GIS trƣớc hết liên
quan đến các đặc trƣng địa lý hay không gian. Các đặc trƣng này thể hiện
trên đối tƣợng không gian. Chúng có thể là đối tƣợng vật lý,văn hóa hay kinh
tế trong tự nhiên. Các đặc trƣng trên bản đồ là biểu diễn ảnh không gian trong
thế giới thực thông qua hệ thống biểu tƣợng ký hiệu, màu, kiểu đƣờng….
Định nghĩa về GIS: GIS đƣợc định nghĩa nhƣ một hệ thống thông tin mà
nó sử dụng dữ liệu đầu vào, các thao tác phân tích, cơ sở dữ liệu đầu ra liên
quan về mặt địa lý không gian nhằm trợ giúp việc thu nhận, lƣu trữ, quản lý,
xử lý, phân tích và hiển thị các thông tin từ thế giới thực để giải quyết các
vấn đề tổng hợp thông tin cho các mục đích con ngƣời đặt ra, chẳng hạn nhƣ
hỗ trợ việc ra quyết định cho việc quy hoạch và quản lý, sử dụng đất, tài
nguyên thiên nhiên, môi trƣờng, giao thông, dễ dàng trong việc quy hoạch

phát triển đô thị và những việc lƣu trữ hành chính.


11

Có nhiều định nghĩa về GIS, nhƣng nói chung đã thống nhất quan niệm
GIS là một hệ thống kết hợp giữa con người và hệ thống máy tính cùng các
thiết bị ngoại vi để lưu trữ, xử lý, phân tích, hiển thị các thông tin địa lý để
phục vụ một mục đích nghiên cứu, quản lý nhất định.
- Xét dƣới góc độ là công cụ: GIS dung để thu thập, lƣu trữ, biến đổi,
hiển thị các thông tin không gian nhằm thực hiện các mục đích cụ thể.
- Xét dƣớc góc độ là phần mềm: GIS làm việc với các thông tin không
gian, phi không gian, thiết lập quan hệ không gian giữa các đối tƣợng.
- Xét dƣới góc độ ứng dụng trong quản lý nhà nƣớc: GIS có thể đƣợc
hiểu nhƣ là một công nghệ xử lý các dữ liệu có tọa độ để biến chúng thành
các thông tin trợ giúp quyết định phục vụ các nhà quản lý.
- Xét dƣới góc độ hệ thống, GIS là các hệ thống gồm các hợp phần:
phần cứng, phần mềm,cơ sở dữ liệu và cơ sở tri thức chuyên gia.
- Xét theo chức năng: GIS là một hệ thống bao gồm 3 hệ con: dữ liệu
vào, quản trị dữ liệu (quản lý và phân tích dữ liệu) và dữ liệu ra.
2.3.1.2. Thành phần của GIS
Phần cứng: bao gồm hệ thống máy tính mà các phần mềm GIS chạy trên
đó. Việc lựa chọn hệ thống máy tính có thể là máy tính cá nhân hay siêu máy
tính. Các máy tính cần thiết phải có bộ vi xử lý đủ mạnh để chạy phần mềm
và dung lƣợng bộ nhớ đủ để lƣu trữ thông tin (dữ liệu).
Phần mềm: phần mềm GIS cung cấp các chức năng và công cụ cần thiết
để lƣu trữ, phân tích và hiển thị dữ liệu không gian. Nhìn chung, tất cả các
phần mềm GIS có thể đáp ứng đƣợc những yêu cầu này, nhƣng giao diện của
chúng có thể khác nhau.
Dữ liệu: có thể coi là thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ

liệu. Bao gồm các dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính. Hệ GIS sẽ kết


12

hợp dữ liệu không gian với các dữ liệu khác, thậm chí có thể sử dụng DBMS
để tổ chức lƣu trữ và quản lí dữ liệu.
Phƣơng pháp: một hệ thống GIS vận hành theo một kế hoạch, đó là
những mô hình và cách thức hoạt động đối với mỗi nhiệm vụ. Về cơ bản, nó
bao gồm các phƣơng pháp phân tích không gian cho một ứng dụng cụ thể.
Ví dụ, trong thành lập bản đồ, có nhiều kĩ thuật khác nhau nhƣ tự động
chuyển đổi từ raster sang vector hoặc vector hóa thủ công trên nền ảnh quét.
Con ngƣời: ngƣời sử dụng GIS có thể là các chuyên gia kĩ thuật, đó là
ngƣời thiết kế và thực hiện hệ thống GIS, hay có thể là ngƣời sử dụng GIS để
hỗ trợ cho các công việc thƣờng ngày. GIS giải quyết các vấn đề không gian
theo thời gian thực. Con ngƣời lên kế hoạch, thực hiện và vận hành GIS để
đƣa ra những kết luận, hỗ trợ cho việc ra quyết định. [6]

Hình 2.1. Thành phần cơ bản của GIS


13

2.3.1.3. Chức năng của GIS
Nhập dữ liệu: nhập dữ liệu là một chức năng của GIS qua đó dữ liệu
dƣới dạng tƣơng tự hay dạng số đƣợc biến đổi sang dạng số có thể sử dụng
đƣợc bằng GIS. Việc nhập dữ liệu đƣợc thực hiện nhờ vào các thiết bị nhƣ
bàn số hóa, máy quét, bàn phím và các chƣơng trình hay môđun nhập và
chuyển đổi dữ liệu của GIS.
Quản lí dữ liệu: việc xây dựng một cơ sở dữ liệu GIS lớn bằng các

phƣơng pháp nhập dữ liệu khác nhau thƣờng rất tốn kém về thời gian, công
sức và tiền bạc. Số chi phí bằng tiền cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu có thể
lớn hơn hẳn chi phí phần cứng và phần mềm GIS. Điều đó phần nào nói lên ý
nghĩa của việc quản lý dữ liệu, một chức năng quan trọng của tất cả các hệ
thống thông tin địa lý. Chức năng này bao gồm việc tổ chức lƣu trữ và truy
cập dữ liệu sao cho hiệu quả nhất.
Phân tích dữ liệu: phân tích dữ liệu là chức năng quan trọng nhất của
GIS. GIS cung cấp các công cụ cần thiết để phân tích dữ liệu không gian, dữ
liệu thuộc tính và phân tích tổng hợp cả hai loại dữ liệu đó ở trong cơ sở dữ
liệu để tạo ra thông tin mới trợ giúp các quyết định mang tính không gian.
Xuất dữ liệu: chức năng xuất dữ liệu hay còn gọi là chức năng báo cáo
của GIS cho phép hiển thị, trình bày các kết quả phân tích và mô hình hóa
không gian bằng GIS dƣới dạng bản đồ, bảng thuộc tính hay văn bản trên
màn hình hay trên các vật liệu truyền thống khác ở các tỷ lệ và chất lƣợng
khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của ngƣời dùng và khả năng của các thiết bị
xuất dữ liệu nhƣ màn hình, máy in, máy vẽ.


14

2.3.1.4. Nguyên tắc hoạt động của GIS

Hình 2.2. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của GIS
2.3.1.5. Các ứng dụng của GIS
Đánh giá môi trường: Mô hình hóa các tiến trình xói mòn, sự lan truyền
ô nhiễm trong môi trƣờng khí hay nƣớc hoặc phản ứng của một lƣu vực song
dƣới sự ảnh hƣởng của một trận mƣa lớn…
Khí tượng thủy văn: Phục vụ chống thiên tai ở lƣu vực hạ lƣu, xác định
tâm bão, dự đoán các luồng cháy, xác định độ ngập lụt, đƣa ra các biện pháp
phòng chống kịp thời…

Nông nghiêp:


15

Bảng 2.1: Các ứng dụng của GIS về nông nghiệp
Nông nghiệp
Thổ nhƣỡng

Nội dung
-

Trồng trọt
-

Quy hoạch thủy văn
và tƣới tiêu

Kinh tế nông nghiệp

Phân tích khí hậu
Mô hình hóa nông
nghiệp
Chăn nuôi gia súc
gia cầm

-

Xây dựng các bản đồ đất và đơn tích đất
Đặc trƣng hóa các lớp phủ thổ nhƣỡng

Khả năng thích nghi các loại cây trồng
Sự thay đổi của việc sử dụng đất
Xây dựng các đề đề xuất về sử dụng đất
Khả năng bền vững của sản xuất nông nghiệp
Nông - Lâm kết hợp
Theo dõi mạng lƣới khuyến nông
Khảo sát nghiên cứu dịch - bệnh cây trồng (côn
trùng và cỏ dại)
Suy đoán hay nội suy các ứng dụng kỹ thuật
Xác định hệ thống tƣới tiêu
Lập thời biểu tƣới nƣớc
Tính toán sự xói mòn/ bồi lắng trong hồ chứa nƣớc
Nghiên cứu đánh giá ngập lũ
Điều tra dân số / nông hộ
Thống kê
Khảo sát kỹ thuật canh tác
Xu thế thị trƣờng của cây trồng
Nguồn nông sản hàng hoá
Hạn hán
Các yếu tố thời tiết
Thống kê
Ƣớc lƣợng / tiên đoán năng suất cây trồng

- Thống kê
- Phân bố
- Khảo sát và theo dõi diễn biến, dự báo dịch bệnh


16

2.3.1.6. Các phép toán phân tích dữ liệu trong GIS
Các phép toán trong GIS bao gồm phép toán số học và phép toán logic.
Chồng ghép bằng phƣơng pháp số học dùng các phép toán học trong khi
chồng ghép nhƣ: +, -, *, /, mod, div, sqrt....

Hình 2.3. Ví dụ các phép toán đại số
Ngoài ra còn sử dụng các phép toán Logic nhƣ: OR, AND, XOR, …

Hình 2.4. Các phép toán logic trong GIS