Đánh giá tài nguyên nước và xói mòn đất lưu vực sông Srêpôk

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ XÓI MÒN ĐẤT
LƯU VỰC SÔNG SRÊPÔK

NGÀNH: KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
CHUYÊN NGÀNH: TIN HỌC MÔI TRƯỜNG

SVTH: TRƯƠNG THỊ NGỌC HIỀN
GVHD: TS. ĐÀO NGUYÊN KHÔI
KHÓA HỌC: 2012-2016

TP.Hồ Chí Minh - 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA MÔI TRƯỜNG

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC VÀ XÓI MÒN ĐẤT
LƯU VỰC SÔNG SRÊPÔK

Ngành: Khoa học Môi trường
Chuyên ngành: Tin học Môi trường

Sinh viên thực hiện: Trương Thị Ngọc Hiền
Giáo viên hướng dẫn: TS.Đào Nguyên Khôi
Khóa học: 2012 - 2016

TP.Hồ Chí Minh - 2016


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện đề tài, nếu không có sự hỗ trợ giúp đỡ của Quý thầy
cô, anh chị và các bạn thì chỉ với nỗ lực đơn thuần của riêng bản thân, chắc chắn đề tài
của em sẽ không thể được hoàn thành như ngày hôm nay.
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến TS.Đào Nguyên Khôi, thầy
đã rất tận tâm và nhiệt tình hướng dẫn, hỗ trợ, chỉ dạy và động viên em trong suốt quá
trình thực hiện đề tài.
Em cũng xin cám ơn quý thầy cô trong Khoa Môi Trường – Trường Đại học
Khoa học Tự Nhiên đã truyền đạt cho em những kiến thức hữu ích trong suốt 4 năm
học vừa qua, giúp em có nền tảng kiến thức để tìm hiểu, nghiên cứu và hoàn thành đề
tài như hôm nay.
Bên cạnh đó, em cũng đã nhận được sự giúp đỡ, hỗ trợ nhiệt tình và tận tâm các
quý anh chị công tác tại trung tâm quản lý nước và biến đổi khí hậu-WACC, đặc biệt là
chị Vũ Thị Thơm, chị đã giúp đỡ, truyền đạt cho nhiều kinh nghiệm, kỹ năng để em
thực hiện đề tài được thuận lợi.
Mình cũng xin được cám ơn các bạn trong Khoa Môi Trường nói chung và
trong bộ môn Tin học Môi Trường nói riêng. Cảm ơn những tháng năm chúng ta bên
nhau.
Cám ơn gia đình đã luôn sát cánh, chăm sóc, động viên và tạo mọi điều kiện
thuận lợi cho con trong suốt thời gian qua.
Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn cũng như hạn chế về kiến thức, khóa luận
còn rất nhiều thiếu sót. Mong nhận được sự góp ý sửa chữa của Quý thầy cô và các bạn
để khóa luận được hoàn thiện hơn.

TP HCM, tháng 7 năm 2016
SV Trương Thị Ngọc Hiền
i


TÓM TẮT
Trong những năm gần đây, quản lý tài nguyên nước lưu vực Srêpôk đang gặp
phải các vấn đề cấp bách về suy thoái tài nguyên nước về chất lượng và số lượng, đặc
biệt hiện tượng xói mòn đất đang diễn ra ngày càng nghiêm trọng. Nghiên cứu này sử
dụng mô hình SWAT nhằm đánh giá tài nguyên nước và xói mòn đất ở lưu vực Srêpôk
thuộc 2 tỉnh Đăk Lăk và Đăk Nông. Kết quả cho thấy SWAT mô phỏng dòng chảy lưu
vực Srêpôk khá tốt (chỉ số R2 trong khoảng 0,41÷0,85, NSE nằm trong khoảng
0,37÷0,84, chỉ số PBIAS khoảng -22,79% ÷ 14,40%). Kết quả cũng cho thấy SWAT
có khả năng ước tính xói mòn trên lưu vực với độ tin cậy chấp nhận được (Cầu 14: R2
= 0,45÷0,57 , PBIAS = 13,98%÷22,73%, NSE = 0,37÷0,48; Bản Đôn: R2 = 0,40÷0,42,
PBIAS = 41,03%÷46,57%, NSE = 0,25÷0,37)
Từ khóa: xói mòn đất, tài nguyên nước, mô hình SWAT, Srêpôk.

ii


ABSTRACT
In recent year, water resources management of Srepok watershed is having
urgent issues of water resources degradation including quanlity and quantity, special
soil erision is occurring increasingly seriously. This study uses SWAT model to
evaluate water resources and soil erision in Srepok watershed of Dak Lak and Dak
Nong. From the calculated results of SWAT model, the river discharge is simulated
with quite accuracy (the R2, NSE and PBIAS coefficient is respectively between
0,41÷0,85, 0,37÷0,84 and -22,79%÷14,40%). Althought, the measurement of sediment
is limited; the simulations of sediment transport form SWAT model also give accepted

results (Cau 14: R2 = 0,45÷0,57 , PBIAS = 13,98%÷22,73%, NSE = 0,37÷0,48; Ban
Don: R2 = 0,40÷0,42 , PBIAS = 41,03%÷46,57%, NSE = 0,25÷0,37).
Key words: soil erision, water resources, SWAT model, Srepok.

iii


Mục lục
LỜI CẢM ƠN

i

TÓM TẮT

ii

ABSTRACT

iii

Mục lục

iv

Danh mục bảng

vii

Danh mục hình ảnh

viii

Mở đầu

1

1. Tính cấp thiết của đề tài

1

2. Mục tiêu nghiên cứu

2

3. Nội dung nghiên cứu

2

4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

2

5. Phương pháp nghiên cứu

3

5.1.

Phương pháp tổng hợp và phân tích tài liệu

3

5.2.

Phương pháp bản đồ

3

5.3.

Phương pháp mô hình hóa

3

5.4.

Phương pháp thống kê

4

6. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

4

6.1.

Ý nghĩa khoa học

4

6.2.

Ý nghĩa thực tiễn

4

Chương 1: Tổng quan nghiên cứu

5

1.1.

Tổng quan về các mô hình thủy văn

5

1.1.1.

Mô hình SWAT

5

1.1.2.

Mô hình HSPF

10

1.1.3.

Mô hình AGNPS

11

1.2.

Tổng quan về xói mòn

13

1.2.1.

Định nghĩa

13

1.2.2.

Tiến trình xói mòn

14

1.2.3.

Các yếu tố ảnh hưởng

15
iv

1.2.4.

Các phương pháp đánh giá xói mòn

19

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

22

1.3.1.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

22

1.3.2.

Tình hình nghiên cứu trong nước

23

1.3.

1.4.

Tổng quan về khu vực nghiên cứu

26

1.3.1

Đặc điểm tự nhiên

26

1.3.2

Đặc điểm kinh tế - xã hội

29

1.3.3

Đặc điểm khí tượng thủy văn

33

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu
2.1.

Nguyên lý mô phỏng SWAT

36
36

2.1.1.

Pha đất của chu trình thủy văn

36

2.1.2.

Pha nước của chu trình thủy văn

39

2.1.3.

Tính toán các thành phần cân bằng nước

40

2.2.

Thiết lập mô hình

44

2.2.1.

Các bước thiết lập

44

2.2.2.

Dữ liệu đầu vào

46

2.3.

Hiệu chỉnh, kiểm định SWAT CUP

50

2.4.

Đánh giá mô hình

51

2.4.1.

Phương pháp thống kê

51

2.4.2.

Phương pháp đồ thị

53

Chương 3: Kết quả nghiên cứu
3.1.

Đánh giá hiện trạng tài nguyên nước

54
54

3.1.1.

Phương pháp nghiên cứu

54

3.1.2.

Kết quả thiết lập mô hình SWAT

55

3.1.3.

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy

56

3.1.4.

Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định phù sa (TSS)

64

3.1.5.

Đánh giá hiện trạng tài nguyên nước

66

3.2.

Đánh giá xói mòn

76

3.3.

Đề xuất biện pháp bảo vệ lưu vực Srêpôk

80
v


Chương 4: Kết luận và kiến nghị

83

4.1

Kết luận

83

4.2

Hạn chế

84

4.3

Hướng phát triển

84

Tài liệu tham khảo

86

vi


Danh mục bảng
Bảng

Trang

Bảng 1. 1: Phân loại tài nguyên đất lưu vực Srêpôk

28

Bảng 1. 2: Trữ lượng khai thác tiềm năng nước dưới đất tỉnh Đăk Lăk

35

Bảng 2. 1: Dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT

46

Bảng 2. 2: Tên và vị trị các trạm mưa và nhiệt trong khu vực nghiên cứu

48

Bảng 2. 3: Tên và trị trí các trạm quan trắc lưu lượng

48

Bảng 2. 4: Mức độ mô phỏng của mô hình tương ứng với chỉ số R2, NSE, PBIAS

52

Bảng 3. 1: Các trạm thủy văn và giai đoạn cho hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy

56

Bảng 3. 2: 19 thông số thủy văn sử dụng để phân tích độ nhạy trong nghiên cứu

57

Bảng 3. 3: Bộ thông số mô phỏng dòng chảy của mô hình tại khu vực nghiên cứu

59

Bảng 3. 4: Kết quả hệ số NSE hiệu chỉnh, kiểm định dòng chảy

60

Bảng 3. 5: Bộ thông số hiệu chỉnh và kiểm định quá trình mô phỏng chế độ xói mòn
của mô hình tại lưu vực nghiên cứu
64
Bảng 3. 6: Kết quả hệ số NSE hiệu chỉnh, kiểm định TSS

64

Bảng 3. 7: Hiện trạng xói mòn lưu vực sông Srêpôk theo TCVN 5299:2009

77

Bảng 3. 8: Bảng thống kê chi tiết mức độ xói mòn ở các tiểu lưu vực

79

vii


Danh mục hình ảnh
Hình

Trang

Hình 1. 1: Sơ đồ phát triển của mô hình SWAT

6

Hình 1. 2: : Khung mô hình mô phỏng dòng chảy và chất ô nhiễm trong HSPF

11

Hình 1. 3: Tiến trình xói mòn

14

Hình 1. 4: Các nhân tố chính ảnh hưởng đến xói mòn đất

15

Hình 1. 5: Bản đồ vị trí lưu vực Srêpôk

26

Hình 1. 6: Biểu đồ nhiệt độ và lượng mưa trung bình tháng các trạm thuộc lưu vực
sông Srêpôk (1981-2009)

33

Hình 2. 1: Sơ đồ chu trình thủy văn trong đất

36

Hình 2. 2: Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực

38

Hình 2. 3: Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha nước

39

Hình 2. 4: Các bước tiến hành trong SWAT và SWAT CUP

45

Hình 2. 5: Bản đồ DEM lưu vực Srêpôk

49

Hình 2. 6: : Bản đồ sử dụng đất lưu vực Srêpôk (2003)

49

Hình 2. 7: Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực Srêpôk

49

Hình 2. 8: Bản đồ các trạm khí tượng thủy văn lưu vực Srêpôk

49

Hình 3. 1: Quy trình đánh giá hiện trạng tài nguyên nước

.54

Hình 3. 2: Bản đồ phân chia tiểu lưu vực sông Srêpôk

55

Hình 3. 3: Kết quả phân tích độ nhạy của 19 thông số thủy văn

58

Hình 3. 4: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1990)
và kiểm định của trạm Krong Buk (1991-2006)

61

Hình 3. 5: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)
và kiểm định của trạm Giang Sơn (1991-2006)

62
viii


Hình 3. 6: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)
và kiểm định của trạm Đức Xuyên (1991-2006)

62

Hình 3. 7: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)
và kiểm định của trạm Bản Đôn (1991-2009)

63

Hình 3. 8: Dòng chảy mô phỏng và quan trắc trong giai đoạn hiệu chỉnh (1982-1991)
và kiểm định của trạm Cầu 14 (1991-2009)

63

Hình 3. 9: TSS mô phỏng và quan trắc tại trạm Cầu 14 trong giai đoạn hiệu chỉnh
(1982-1995) và kiểm định (1996-2007)

65

Hình 3. 10: Kết quả mô phỏng độ đục ở trạm Bản Đôn trong giai đoạn hiệu chỉnh
(1982-1995) và kiểm định (1996-2004)

66

Hình 3. 11: Bản đồ phân bố lượng dòng chảy tại lưu vực Srêpôk (1982-2009)

67

Hình 3. 12: Bản đồ phân bố lượng thoát hơi nước tiềm năng ở lưu vực Srêpôk

69

Hình 3. 13: Bản đồ phân bố lượng thoát hơi nước thực tế ở lưu vực Srêpôk

70

Hình 3. 14: Bản đồ phân bố lượng nước trữ trong đất ở lưu vực Srêpôk

71

Hình 3. 15: Bản đồ phân bố lượng nước thấm ở lưu vực Srêpôk

72

Hình 3. 16: Bản đồ phân bố lượng nước mặt ở lưu vực Srêpôk

73

Hình 3. 17: Bản đồ phân bố lượng nước ngầm ở lưu vực Srêpôk

75

Hình 3. 18: Bản đồ phân bố photpho ở lưu vực Srêpôk (1982-2009)

75

Hình 3. 19: Bản đồ phân bố nito ở lưu vực Srêpôk (1982-2009)

76

Hình 3. 20: Bản đồ phân bố xói mòn ở lưu vực Srêpôk (1982-2009)

78

ix


MỞ ĐẦU
1.

Tính cấp thiết của đề tài
Tài nguyên nước có ý nghĩa sống còn đối với cuộc sống con người. Bảo đảm an

ninh nguồn nước là vấn đề cực kỳ quan trọng của mọi quốc gia. Tuy nhiên hiện nay, tài
nguyên nước đang chịu nhiều áp lực và thách thức lớn do xu hướng phát triển kinh tế
và đáp ứng năng lượng cho các quốc gia trên thế giới.
Nước là một tài nguyên thiết yếu và quan trọng nhất của lưu vực sông. Tài
nguyên nước, đất và hệ sinh thái có mối liên quan mật thiết với nhau nên quản lý tổng
hợp lưu vực sông là một vấn đề đã được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới trong nửa
cuối của thế kỷ 20 và vài thập kỷ gần đây.
Quản lý tổng hợp lưu vực sông 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 nước của
các lưu vực sông. Hiện nay trên thế giới đã có hàng trăm các 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, giúp tối đa hoá lợi ích kinh tế, phúc lợi xã
hội, nâng cao hiệu quả sử dụng nước và giải quyết tốt các mâu thuẫn trong khai thác và
sử dụng tài nguyên nước giữa các vùng của lưu vực sông nhưng không làm tổn hại đến
tính bền vững của hệ thống môi trường trọng yếu của lưu vực.
Ngày nay, một trong những vấn đề cấp bách trong quản lý tài nguyên lưu vực
sông là sự thoái hóa đất và đặc biệt là nguy cơ xói mòn đất xảy ra do yếu tố khí hậu
phức tạp, phương thức canh tác của con người và tác động của những hoạt động phát
triển kinh tế - xã hội đang diễn ra ở lưu vực. Xói mòn đất là một vấn đề môi trường
toàn cầu. Hiện nay, rất nhiều nghiên cứu về xói mòn, các giải pháp chống xói mòn và
bảo vệ đất đã được đầu tư và triển khai ở các quốc gia phát triển.
Srêpôk là dòng sông lớn nhất trong hệ thống sông ngòi Tây Nguyên. Đây là một
phụ lưu quan trọng của sông Mê Kông, không những có vai trò quan trọng trong phát
triển kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường của khu vực Tây Nguyên nói riêng mà còn
1


có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an ninh quốc phòng của Việt Nam nói
chung. Trong những năm trở lại đây, nguồn nước ở lưu vực sông Srêpôk đang chịu
nhiều áp lực ngày càng lớn từ nhiều hoạt động liên quan đến phát triển và sử dụng tài

nguyên nước cho các hoạt động từ thủy lợi tưới tiêu và cấp nước, đến thủy điện, giao
thông thủy, du lịch trên lưu vực … Điều này dẫn đến những biểu hiện suy thoái tài
nguyên nước cả về số lượng lẫn chất lượng, tình trạng ô nhiễm nguồn nước, khan hiếm
nước đã xuất hiện ở nhiều nơi và đang có xu hướng gia tăng, đặc biệt là hiện tượng xói
mòn đang có xu hướng tăng rõ rệt.
Do vậy, “Đánh giá tài nguyên nước và xói mòn đất lưu vực sông Srêpôk ” là
một đề tài có tính khoa học và thực tiễn cao, cung cấp các thông tin tham khảo giúp
cho các nhà quản lý, hoạch định chính sách có thể quản lý tài nguyên nước và đưa ra
được những quyết định chiến lược phát triển kinh tế xã hội trong tương lai một cách có
hiệu quả nhất..

2.

Mục tiêu nghiên cứu
Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá hiện trạng tài nguyên nước và xói mòn

đất tại lưu vực sông Srêpôk. Từ đó đề xuất giải pháp bảo vệ và phát triển bền vững
dòng sông Srêpôk.

3.

Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên thì cần nghiên cứu một số nội dung sau:
-

Hiệu chỉnh, kiểm định dòng chảy và độ đục

-

Đánh giá hiện trạng tài nguyên nước (số lượng và chất lượng).

-

Đánh giá xói mòn đất.

-

Đề xuất các giải pháp bảo vệ dòng sông Srêpôk.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.
-

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: tài nguyên nước và xói mòn đất.

2


-

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là: lưu vực sông Srêpôk chảy qua 2 tỉnh Đăk Lăk
và Đăk Nông.

5.

Phương pháp nghiên cứu
Để giải quyết được các mục tiêu và nhiệm vụ đã đề ra, đề tài sử dụng một số

phương pháp nghiên cứu chính sau:

5.1.

Phương pháp thu thập và kế thừa tài liệu

Đây là bước đầu tiên của nghiên cứu khoa học sẽ khái quát chung về vấn đề
nghiên cứu, nguồn tài liệu thu thập. Phương pháp này chính là cơ sở giúp cho người
thực hiện xác định những định hướng nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu và các phương
pháp nghiên cứu phù hợp.
Tham khảo các luận án, báo cáo khoa học về đề tài, tài liệu chuyên ngành, sách
chuyên ngành liên quan đến môi trường đặc biệt là tài nguyên nước, xói mòn.

5.2.
-

Phương pháp bản đồ
Xây dựng, chỉnh sửa các dữ liệu bản đồ (Địa hình, sử dụng đất, thổ
nhưỡng) tạo dữ liệu đầu vào cho mô hình.

-

Biểu diễn kết quả chạy mô hình và kết quả nghiên cứu. Xây dựng bản đồ
các thành phần cân bằng nước trung bình nhiều năm của vùng nghiên
cứu.

5.3.
-

Phương pháp mô hình hóa
Sử dụng mô hình SWAT: mô phỏng dòng chảy và phù sa để đánh giá

chất lượng nước lưu vực Srêpôk.

-

Công cụ Output Visualization: đây là một công cụ được tích hợp trong
QSWAT cho phép trích xuất kết quả đầu ra từ SWAT theo các đối tượng
như sông suối (reach), tiểu lưu vực (subbasin), HRUs (đơn vị thủy văn).
Kết quả trích xuất dữ liệu cho ra định dạng tập tin (*.csv).

-

Công cụ SWAT-CUP: thực hiện hiệu chỉnh, kiểm định kết quả mô phỏng
của mô hình SWAT với kết quả thực đo.
3


5.4.

Phương pháp thống kê, xử lí số liệu

Nhằm đánh giá độ tin cậy giữa dữ liệu thực tế và quá trình mô phỏng, ta thường
dùng phương pháp thống kê để đánh giá. Ở nghiên cứu này, các phương pháp đánh giá
được sử dụng là hệ số tương quan (R2) và hệ số hiệu quả Nash- Sutcliffe (NSE), phần
trăm sai số (PBIAS). Đồng thời, thống kê thành lập các bảng biểu, đồ thị để so sánh kết
quả.

6.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
6.1.

Ý nghĩa khoa học

Đề tài đã ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá chế độ thủy văn, tài nguyên
nước và xói mòn đất lưu vực Srêpôk. Đồng thời sử dụng các kiến thức khoa học về xói
mòn đất, sự ảnh hưởng của dòng chảy và các yếu tố khí tượng đến xói mòn.

6.2.

Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp một số dữ liệu về dòng chảy, tài nguyên nước
và xói mòn đất trong giai đoạn 1982-2009 tại lưu vực sông Srêpôk làm tài liệu tham
khảo có cơ sở khoa học về vấn đề chất lượng nước của lưu vực sông Srêpôk.
Đề tài đề xuất các biện pháp bảo vệ dòng sông Srêpôk, góp phần hỗ trợ công tác
quản lý bền vững lưu vực sông Srêpôk.

4


Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
1.1. Tổng quan về các mô hình thủy văn
1.1.1. Mô hình SWAT
SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất. Đây
là một mô hình thủy văn ở cấp độ lưu vực được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở
Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS- Agricultural Research Service)
thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA- United States Department of Agriculture) và
giáo sư Srinivasan thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ.
SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực. Mô
hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng nguồn tài

nguyên đất đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ mất rừng và hoạt
động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài.
Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự
nhiên với việc sử dụng các phương trình tương quan, hồi qui để mô tả mối quan hệ
giữa thông số đầu vào (Sử dụng đất/thảm thực vật, đất, địa hình và khí hậu) và thông số
đầu ra (lưu lượng dòng chảy, bồi lắng,… ), SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết,
sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực
(Nguyễn Kim Lợi và cộng sự, 2013).
 Lịch sử phát triển của SWAT
Những mô hình góp phần vào sự phát triển của SWAT bao gồm:
-

Hệ thống quản lí nông nghiệp về hóa chất, rửa trôi và xói mòn
(Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management
Systems - CREAMS) (Knisel, 1980);

-

Mô hình những ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm (GLEAMS Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems)
(Leonard cộng sự., 1987) - đây là phần mở rộng của CREAMS bao gồm

5


bốn thành phần: thủy văn, xói mòn/bồi lắng, sự di chuyển của thuốc bảo
vệ thực vật và dinh dưỡng;
-

Mô hình tính toán ảnh hưởng của các hoạt động sản xuất đến sự xói mòn

-

(EPIC – Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams cộng sự.,
1984).

Multiple subbasins;
reservoirs; return flow;
other flow aspects
GLEAMS

QUAL2E

Pesticide
component

In-stream
kinetics

ESWAT
SWAT-G

CREAMS

EPIC

Daily
rainfall
hydrology
componen
Crop

growth

SWRR
B

SWA
T
Routing
structure

compone
Sediment transport;
weather generator;
other components

SWIM
SWATMOD

ROTO

Hình 1. 1: Sơ đồ phát triển của mô hình SWAT (Nguồn: Philip W.G và cộng sự., 2009)
SWAT tích hợp nhiều mô hình của ARS, nó được phát triển từ mô hình mô
phỏng tài nguyên nước lưu vực nông thôn (Simulator for Water Resources in Rural
Basins - SWRRB) (Williams cộng sự., 1985; Arnold cộng sự., 1990).
Quá trình phát triển của SWRRB bắt đầu với việc sửa đổi mô hình thủy văn về
lượng mưa ngày của mô hình CREAMS. Các thay đổi chính so với mô hình thuỷ văn
CREAMS bao gồm:

6

-

Mô hình đã được mở rộng để cho phép đồng thời tính toán trên nhiều lưu
vực con để dự đoán dòng chảy từ nước mưa;

-

Bổ sung thêm mô hình về nước ngầm, hay mô hình về dòng chảy hồi lưu;

-

Bổ sung mô-đun hồ chứa nhằm tính toán tác động của ao hồ nông trại và
hồ chứa nước đến chế độ dòng chảy và lưu lượng bùn lắng;

-

Thêm mô hình mô phỏng thời tiết chứa đựng các dữ liệu cho lượng mưa,
bức xạ mặt trời, và nhiệt độ nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các mô
phỏng lâu dài và cung cấp biến động thời tiết theo thời gian và không
gian;

-

Phương pháp dự báo giá trị cực đại của tốc độ dòng chảy mặt đất đã
được cải thiện;

-

Mô hình phát triển cây trồng EPIC đã được bổ sung nhằm mô phỏng tác

động của phát triển cây trồng hàng năm;

-

Bổ sung mô-đun tính truyền lũ;

-

Bổ sung mô-đun vận chuyển bùn cát nhằm mô phỏng chuyển vận của
phù sa bùn cát qua các ao, hồ chứa, dòng sông suối và thung lũng;

-

Các tính toán về tổn thất truyền dẫn.

Mô hình được chú trọng sử dụng trong cuối những năm 1980 chủ yếu nhằm
đánh giá chất lượng nước và sự phát triển của SWRRB đã chứng tỏ điều này. Những
cải tiến đáng kể của mô hình SWRRB vào thời gian đó bao gồm sự kết hợp với:
-

Thành phần mô phỏng thuốc trừ sâu trong mô hình GLEAMS;

-

Phương pháp SCS để tính toán giá trị cực đại của tốc độ dòng chảy mặt
đất

-

Phương trình mới được phát triển về bồi lắng.

Những sửa đổi, bổ sung này đã tăng cường khả năng sử dụng của mô hình trong
việc giải quyết nhiều vấn đề về quản lý lưu vực. Vào cuối những năm 1980, Cục các
vấn đề về người da đỏ (the Bureau of Indian Affairs) cần một mô hình để ước lượng
tác động vào dòng chảy hạ lưu của công tác quản lý nguồn nước trong phạm vi lưu vực
7


khu đất giành cho người da đỏ ở Arizona và New Mê-hi-cô. Trong khi SWRRB đã
được sử dụng một cách dễ dàng cho các sông có diện tích lên đến vài trăm km2. Cục
các vấn đề về người da đỏ muốn mô phỏng dòng chảy cho lưu vực rộng hàng nghìn
km2. Đối với khu vực rộng lớn như vậy, lưu vực được nghiên cứu cần thiết phải phân
chia thành vài trăm lưu vực con. SWRRB chỉ cho phép chia lưu vực thành 10 lưu vực
con và mô hình tính truyền vận chuyển dòng nước và bùn lắng ra khỏi lưu vực con trực
tiếp đến điểm ra của lưu vực dòng sông.
Những hạn chế này đã dẫn đến sự phát triển của một mô hình có tên gọi là
ROTO (Routing Output To Outlet) (Arnold cộng sự., 1995), trong đó kết quả từ nhiều
lần chạy mô hình SWRRB cho các lưu vực con được chuyển theo dòng chảy trong các
kênh và hồ chứa. ROTO cung cấp một phương pháp tiếp cận tính toán theo từng đoạn
sông và khắc phục được nhược điểm của SWRRB về giới hạn số lưu vực con bằng
cách "liên kết" nhiều lần chạy mô hình SWRRB lại với nhau. Mặc dù phương pháp tiếp
cận này rất hiệu quả, những dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra của nhiều lần chạy
SWRRB trở nên cồng kềnh và cần khả năng lưu trữ lớn trong máy tính. Ngoài ra, tất cả
các lần chạy mô hình SWRRB phải được thực hiện độc lập và sau đó nhập kết quả vào
mô hình ROTO để thực hiện bước tính truyền theo các kênh và hồ chứa.
Để khắc phục được những rắc rối này, mô hình SWRRB và ROTO đã được kết
hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là SWAT. Trong khi SWAT cho phép mô
phỏng khu vực rất rộng lớn, nó giữ lại tất cả các tính năng đã làm cho mô hình
SWRRB có giá trị như một mô hình mô phỏng.
Từ khi SWAT được tạo ra vào đầu những năm 1990, nó đã liên tục trải qua

nhiều lần xem xét, đánh giá và cải tiến nhằm mở rộng khả năng mô phỏng. Những cải
tiến đáng kể nhất của các mô hình theo các phiên bản khác nhau bao gồm:
-

SWAT94.2: Bổ sung khái niệm đơn vị thuỷ văn (HRUs)

-

SWAT96.2: Phương án tự động bón phân và tưới nước được thêm vào như là
những quản lý tùy chọn; tính toán lượng nước do tán lá cây lưu trữ; thành
8


phần mô phỏng CO2 trong mô hình tăng trưởng cây trồng phục vụ các
nghiên cứu về biến đổi khí hậu; bổ sung phương trình Penman-Monteith về
bốc thoát nước tiềm năng; dòng chảy theo chiều ngang trong đất dựa trên mô
hình lưu trữ động thái; bổ sung phương trình chất lượng nước về thành phần
dinh dưỡng của dòng chảy từ mô hình QUAL2E; tính truyền vận chuyển
thuốc trừ sâu trong dòng chảy sông suối.
-

SWAT98.1: Cải tiến chương trình con về mô phỏng lượng tuyết tan; cải
thiện tính toán chất lượng nước trong dòng sông suối; mở rộng tính truyền
vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng; tác động chăn thả đồng cỏ, tác động cách
thức áp dụng phân bón, và thêm phương án tiêu nước sử dụng cày sâu như là
một phương thức quản lý, sửa đổi mô hình để có thể áp dụng ở khu vực Nam
bán cầu.

-

SWAT99.2: Cải tiến tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, cải tiến
tính toán ruộng lúa/đầm lầy, bổ sung phần ước tính lượng tổn thất chất dinh
dưỡng do quá trình bồi lắng trong hồ chứa/ao/đầm lầy; bổ sung lượng nước
chứa được do bờ sông, bổ sung tính truyền kim loại theo thứ tự các đoạn
sông suối; tất cả các năm tài liệu tham khảo trong mô hình đã thay đổi biểu
thị từ 2 chữ số thành 4 chữ số, bổ sung phương trình ảnh hưởng các khu đô
thị lên dòng chảy từ mô hình SWMM theo phương trình quan hệ của Cơ
quan Thăm dò Địa chất (USGS).

-

SWAT2000: Bổ sung tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy; bổ
sung phương trình thấm Green & Ampt, cải thiện mô hình mô phỏng thời
tiết, cho phép đọc vào hoặc mô phỏng dữ liệu bức xạ mặt trời hàng ngày, độ
ẩm tương đối, và tốc độ gió; cho phép đọc vào hoặc ước tính các giá trị bốc
thoát nước tiềm năng ET cho lưu vực; xem xét lại tất cả các phương pháp
ước tính ET tiềm năng; cải thiện quá trình liên quan đến độ cao của bờ sông;
cho phép mô phỏng không giới hạn số lượng hồ chứa; bổ sung phương
pháp tính truyền Muskingum; sửa đổi tính toán mô phỏng trạng thái ngưng
hoạt động sống (ngủ đông) cho phù hợp với các khu vực nhiệt đới.
9


-

SWAT2005: Cải thiện tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy;
thêm kịch bản dự báo thời tiết; bổ sung phần mô phỏng lượng mưa rơi;
thông số lưu trữ nước trong tính toán giá trị CN hàng ngày có thể là hàm số
của lượng nước trong đất (độ ẩm đất) hay của lượng bốc thoát hơi nước từ
cây cối.

Phiên bản hiện tại đang được sử dụng là SWAT2012.

1.1.2. Mô hình HSPF
HSPF : Hydrological Simulation Program Fortran (USEPA) (1984).
Mô hình HSPF mô phỏng trong không gian hai chiều ở trạng thái động lực với
các thông số chất lượng nước: Các chất hoà tan, TSS, DO, các chất dinh dưỡng và các
loại vi khuẩn chỉ thị. Mô hình dự báo xu thế thay đổi chất lượng nước trong dòng chảy
sau các trận mưa và các thông tin về việc thu nước ở các kênh. Có 4 mô đun quan trọng
bao gồm:
-

Hợp phần đầu vào: Khí tượng (mưa, nhiệt độ, bức xạ, hướng gió, …) và dữ liệu
liên quan chất ô nhiễm (nguồn thải điểm, nguồn thải phân tán).

-

Hợp phần dòng chảy thể hiện các quá trình liên quan đến chu trình thủy văn ở
lưu vực.

-

Hợp phần các chất ô nhiễm thể hiện các quá trình vận chuyển, chuyển hóa các
chất ô nhiễm hòa tan và không hòa tan trong nước, trong đất.

-

Hợp phần kết quả
Để xây dựng mô hình tính toán quá trình vận chuyển các chất ô nhiễm cần thu

thập nhiều dữ liệu, cụ thể bao gồm:
-

Thông tin về lớp phủ

-

Hiện trạng sử dụng đất

-

Bản đồ địa hình (tỉ lệ 1 : 25.000) để xây dựng mô hình số độ cao cho toàn lưu
vực, từ đó chiết tách thông tin về thủy văn, địa hình

-

Các nguồn ô nhiễm phân tán, các nguồn thải tập trung

-

Số liệu khí tượng, thủy văn, loại đất, chất lượng đất, chất lượng nước …
10


Hình 1. 2: : Khung mô hình mô phỏng dòng chảy và chất ô nhiễm trong HSPF
(Nguồn: Nguyễn Hồng Quân và cộng sự, 2014)

1.1.3. Mô hình AGNPS
Mô hình AGNPS - mô hình ô nhiễm phân tán từ nông nghiệp. Mô hình này do
các nhà khoa học nông nghiệp Mỹ xây dựng nhằm dự đoán xói mòn và sự di chuyển

của các chất dinh dưỡng, hóa chất từ những lưu vực nông nghiệp.
Lưu vực nghiên cứu được chia ra thành các tiểu lưu vực và lưới ô vuông có kích thước
bằng nhau. Mô hình gồm 3 mô hình con đó là:
-

Mô hình xói mòn dựa trên phương trình mất đất phổ dụng USLE.

-

Mô hình nước dựa trên kỹ thuật thiết kế các đường thủy toán (SCS) mà mỗi
giá trị đại diện cho một chế độ đất, cây trồng, hệ số dẫn nước, hệ số dòng
chảy khác nhau.

11


-

Quá trình vận chuyển các chất dinh dưỡng và hóa chất được mô hình hóa
dựa trên các đặc tính của đất, lượng các chất bón vào đất và khả năng vận
chuyển của dòng chảy.

Mô hình làm việc trên cơ sở hệ thống lưới ô vuông. Các ô vuông là những ô có
diện tích bằng nhau để chia nhỏ lưu vực. Sự phân chia này cho phép ta phân tích mọi
diện tích trong lưu vực.
Số liệu đầu vào cho mô hình gồm 22 chỉ tiêu về đặc tính: độ dốc, hướng dốc,
đặc tính hóa lý đất, cây trồng và lượng các chất hóa học bón vào đất của lưu vực, của
từng ô đơn vị, lượng mưa, kiểu mưa.
Số liệu đầu ra của mô hình gồm 13 chỉ tiêu về nước như tốc độ dòng chảy, đỉnh
lũ, tổng lượng dòng chảy, hàm lượng cặn, khối lượng đất bị xói mòn. Tiếp theo là 11

chỉ tiêu về dinh dưỡng và hóa chất như lượng đạm, lân, thuốc sâu mất đi trong cặn đất
và trong nước chảy tràn bề mặt.
Tiểu kết: Đề tài đã sử dụng mô hình SWAT để thực hiện mô phỏng tài nguyên
nước sông Srêpôk do một số ưu điểm sau của SWAT:
-

Mô hình SWAT đã được cộng đồng quốc tế công nhận là một mô hình quản lý
tổng hợp lưu vực mạnh mẽ. Nó được ứng dụng rộng rãi trong đánh giá tài
nguyên nước, xói mòn đất, chất ô nhiễm, định lượng tác động của biến đổi khí
hậu, thay đổi sử dụng đất… ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới. Ví dụ như
Nghiên cứu "Mô phỏng Thủy văn và Atrazine cho lưu vực Cedar Creek bằng
cách Sử dụng mô hình SWAT" của Larose và cộng sự; Nghiên cứu “Mô phỏng
dòng chảy và xói mòn đất bằng cách sử dụng mô hình SWAT cho khúc giữa và
hạ lưu sông Lancang” của S.L. Liu và cộng sự...

-

Sử dụng miễn phí

-

Có thể mô phỏng cho những lưu vực mà ở đó chưa có hoặc thiếu dữ liệu quan
trắc.

-

Đánh giá được tác động của những thay đổi dữ liệu đầu vào (thay đổi sử dụng
đất, biến đổi khí hậu) đến tài nguyên đất nước.

-

Mô hình có tích hợp với ArcGIS
12


-

Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mô hình trước đó là khi mô phỏng
SWAT sẽ phân chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn
dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ chi tiết mô
phỏng về mặt không gian.

-

Hiện nay trong nước đã xuất hiện nhiều mô hình thủy văn phân chia, đánh giá
tài nguyên nước, tính toán lũ cho các lưu vực như MIKEBASIN, HEC-HMS,
ANSWERS, AGNPS... nhưng hầu các mô hình thường không đi kèm các công
cụ hiệu chỉnh, kiểm định một cách tự động để tăng độ tin cậy. Trong khi đó
SWAT cung cấp công cụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định một cách tự động
SWAT-CUP, nhằm rút gọn thời gian nhưng vẫn mang lại tính chính xác và hiệu
quả cho người sử dụng.

1.2. Tổng quan về xói mòn
1.2.1. Định nghĩa
Đến nay, có rất nhiều các định nghĩa, khái niệm khác nhau về xói mòn đất. Theo
từ điển bách khoa toàn thư về khoa học đất, xói mòn xuất phát từ tiếng Latin là
“erodere” chỉ sự ăn mòn dần, thuật ngữ xói mòn dùng để chỉ các quá trình liên quan
đến các lớp đất, đá tơi ra và bị mang đi bởi các tác nhân như gió, nước, băng, tuyết tan
hoặc hoạt động của sinh vật.
Theo Ellison (1944): "Xói mòn là hiện tượng di chuyển đất bởi nước mưa, bởi

gió dưới tác động của trọng lực lên bề mặt của đất. Xói mòn đất được xem như là một
hàm số với biến số là loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật,
lượng mưa và cường độ mưa".
Ngoài ra, theo Hudson (1968) xói mòn đất còn được xem là sự chuyển dời vật lý
của lớp đất do nhiều tác nhân khác nhau như lực đập của giọt nước, gió, tuyết và bao
gồm cả quá trình sạt lở do trọng lực.
Theo Nguyễn Quang Mỹ, Nguyễn Tứ Dần (1986), một trong những cách tiếp
cận khác khi nghiên cứu về lớp phủ thực vật thì xói mòn là một quá trình động lực phá
hủy độ màu mỡ của đất, làm mất trạng thái cân bằng của cả vùng bị xói mòn lẫn vùng
bị bồi tụ.
13


FAO (1994): "Xói mòn là hiện tượng các phần tử mảnh, cục và có khi cả lớp bề
mặt đất bị bào mòn, cuốn trôi do sức gió và sức nước."
Tóm lại, xói mòn đất là quá trình phá hủy lớp thổ nhưỡng bề mặt dưới tác động
của các yếu tố tự nhiên và kinh tế xã hội, làm mất đất, giảm chất lượng đất và ảnh
hưởng đến môi trường, kinh tế và xã hội. Các khái niệm xói mòn đất phụ thuộc vào
hướng tiếp cận đối tượng và mục tiêu nghiên cứu.

1.2.2. Tiến trình xói mòn
Về nguyên lý, Ellision (1944) xem xói mòn đất như là một hàm số với biến số là
loại đất, độ dốc địa hình, mật độ che phủ của thảm thực vật, lượng mưa và cường độ
mưa. Xói mòn là một quá trình tự nhiên, tuy nhiên ở một vài nơi quá trình này diễn ra
nhanh hơn do các hoạt động của con người.

Hình 1. 3: Tiến trình xói mòn (Nguyễn Kim Lợi, 2005)
Ellision đã xác định tác nhân gây xói mòn mạnh mẽ nhất là xung lực hạt mưa
tác động vào mặt đất và chia quá trình này thành 3 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: Hạt mưa rơi xuống làm vỡ cấu trúc đất, tách rời từng hạt đất ra

khỏi bề mặt đất, xảy ra khi lực của các giọt mưa tác động với động năng lớn, vượt quá
sự kết dính của đất. Các hạt đất sẽ được được tách ra và vận chuyển.
- Giai đoạn 2: Những hạt đất bị bong ra bị dòng nước cuốn trôi theo sườn dốc,
di chuyển đi nơi khác, làm mất đất ở khu vực này. Việc vận chuyển này là do động
năng của nước và đặc điểm trầm tích như kích thước hạt, mật độ và hình dạng.
14