Tải bản đầy đủ (.pdf) (101 trang)

Phân tích ảnh hưởng của biến động sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông la vĩ, tỉnh bình định

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.9 MB, 101 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT
ĐẾN LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY TẠI LƯU VỰC SÔNG LA VĨ
TỈNH BÌNH ĐỊNH GIAI ĐOẠN 2005 - 2010

Họ và tên sinh viên: NGUYỄN THÀNH NGHĨA
Ngành: Hệ thống Thông tin Địa lý
Niên khóa: 2013 – 2017

Tháng 7/2017


PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN LƯU
LƯỢNG DÒNG CHẢY TẠI LƯU VỰC SÔNG LA VĨ TỈNH BÌNH ĐỊNH
GIAI ĐOẠN 2005 - 2010

Tác giả

NGUYỄN THÀNH NGHĨA

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kĩ sư ngành Hệ thống Thông tin Địa lý

Giáo viên hướng dẫn:

KS Nguyễn Duy Liêm

Tháng 6 năm 2017




LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành đề tài này và có kiến thức như ngày hôm nay, tôi xin gửi lời cảm ơn
đến Ban Giám Hiệu cùng toàn thể Thầy, Cô khoa Môi trường và Tài nguyên trường Đại
học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cũng như kinh
nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả thầy cô, các anh chị trong bộ môn Hệ
Thống Thông Tin Địa Lý đã hướng dẫn em hoàn thành báo cáo này. Đặc biệt, xin cảm ơn
ThS. Nguyễn Duy Liêm đã tận tình trao đổi các kiến thức, kinh nghiệm, động viên cũng
như chia sẻ tài liệu, dữ liệu quý báo cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng như hoàn
thành đề tài này.
Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến PGS. TS Nguyễn Kim Lợi, ThS. Võ Ngọc
Quỳnh Trâm cùng tất cả quý Thầy, Cô trong Bộ môn GIS đã hỗ trợ tôi rất nhiều để hoàn
thành bài báo cáo này.
Tuy đã hoàn thành tốt đề tài nhưng cũng không thể tránh khỏi những sai sót nhất định
trong quá trình nghiên cứu, rất mong được sự thông cảm và chia sẻ quý báu của quý Thầy
Cô và bạn bè.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời chúc thân ái nhất đến tất cả Thầy Cô Trường Đại học Nông
Lâm, các anh chị thuộc ngành Hệ Thống Thông Tin Địa Lý và bạn luôn dồi dào sức khỏe
và thành công.
Nguyễn Thành Nghĩa
Khoa Môi trường và Tài nguyên
Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
Số điện thoại: 01255223884
Email:

i



TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu “Phân tích biến đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy tại lưu
vực sông La Vĩ tỉnh Bình Định” đã được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2/2017
đến tháng 6/2017.
Phương pháp tiếp cận chủ yếu của đề tài là ứng dụng GIS, mô hình SWAT đã tiến
hành phân tích, mô phỏng diễn biến dòng chảy theo hai kịch bản sử dụng đất 2005 và 2010
trên lưu vực. Kết quả đưa ra được diện tích thay đổi của từng loại hình sử dụng đất tương
ứng điển hình như diện tích đất nông nghiệp được giữ lại khoảng 62,09%; diện tích đất ở
được giữ lại 78,57%; diện tích đất lâm nghiệp; đất chuyên dùng; mặt nước được giữ lại rất
lớn đều trên 91% tổng số diện tích. Diện tích các loại hình như đất chưa sử dụng; đất sản
xuất nông nghiệp; đất chuyên dùng biến động tương đối và đều lớn hơn 44% so với tổng
diện tích của từng loại hình. Từ những thay đổi của các loại hình sử dụng đất trên lưu vực
này đã làm thay đổi lưu lượng dòng chảy trong giai đoạn 2005-2010. Các thành phần dòng
chảy có giá trị cao ở năm 2005 và năm 2007, 2010, giá trị thấp ở năm 2006. Cụ thể khi
đánh giá theo năm, cho thấy giá trị trung bình nhiều năm của thành phần dòng chảy thay
đổi như sau: dòng chảy mặt (SUR_Q) giảm khoảng 18%; dòng chảy ngầm (GW_Q) tăng
khoảng 7%; dòng chảy trễ (LAT_Q) tăng khoảng 13%, dòng chảy trong kênh (WYLD_Q)
giảm khoảng 0,38%. Khi xét đến lưu lượng dòng chảy, ở kịch bản 2005 giá trị lớn hơn kịch
bản 2010 có giá trị cao trong năm 2005, 2007 và 2010. Ngoài ra nghiên cứu đã cho thấy sự
khác biệt của các thành phần dòng chảy và lưu lượng dòng chảy giữa 2 mùa mưa và mùa
khô.
Kết quả nghiên cứu đã chứng minh việc tích hợp GIS và mô hình SWAT trong đánh
giá tác động của thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông La Vĩ,
tỉnh Bình Định là phù hợp. Nhờ đó, hỗ trợ hữu hiệu cho công tác quản lý, quy hoạch sử
dụng đất trên phạm vi lưu vực sông, đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội; bảo vệ
nguồn tài nguyên thiên nhiên một cách bền vững.

ii



MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................. i
TÓM TẮT ...................................................................................................................................... ii
MỤC LỤC.....................................................................................................................................iii
DANH MỤC VIẾT TẮT ............................................................................................................ vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU................................................................................................................ 3
1.1. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................................................ 3
1.2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................................. 4
1.2.1. Mục tiêu chung............................................................................................................... 4
1.2.2. Mục tiêu cụ thể............................................................................................................... 4
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 4
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................... 4
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................................... 4
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................................... 5
2.1. Các khái niệm về dòng chảy................................................................................................. 5
2.1.1. Lưu lượng dòng chảy .................................................................................................... 5
2.1.2. Tổng lượng dòng chảy .................................................................................................. 5
2.1.3. Độ sâu dòng chảy........................................................................................................... 5
2.1.4. Module dòng chảy ......................................................................................................... 6
2.1.5. Hệ số dòng chảy ............................................................................................................. 6
2.2. Tổng quan về biến động sử dụng đất .................................................................................. 6
2.2.1. Sử dụng đất ..................................................................................................................... 6
2.2.2. Biến động sử dụng đất................................................................................................... 6
iii


2.3. Giới thiệu về mô hình SWAT .............................................................................................. 7
2.3.1. Tổng quan ....................................................................................................................... 7

2.3.2. Lịch sử phát triển ........................................................................................................... 7
2.3.3. Nguyên lý mô hình ........................................................................................................ 9
2.3.4. Thuật toán mô phỏng dòng chảy................................................................................ 12
2.3.5. Cấu trúc dữ liệu của mô hình SWAT ........................................................................ 17
2.4. Đặc điểm lưu vực sông La Vĩ ............................................................................................ 23
2.4.1. Đặc điểm tự nhiên........................................................................................................ 23
2.4.2. Đặc điểm kinh tế - xã hội............................................................................................ 29
2.5. Tình hình nghiên cứu liên quan đến vấn đề nghiên cứu ................................................. 31
2.5.1. Ngoài nước ................................................................................................................... 31
2.5.2. Trong nước ................................................................................................................... 32
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................................... 34
3.1. Phương pháp nghiên c ứu .................................................................................................... 34
3.2. Thu thập, xử lý dữ liệu đầu vào ......................................................................................... 35
3.2.1. Mô hình độ cao số (DEM) .......................................................................................... 35
3.2.2. Thổ nhưỡng .................................................................................................................. 36
3.2.3. Sử dụng đất ................................................................................................................... 37
3.2.4. Khí tượng ...................................................................................................................... 44
3.3. Phương pháp xác định biến động sử dụng đất ................................................................. 46
3.4. Phương pháp xác định sự thay đổi lưu lượng dòng chảy ............................................... 46
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN ................................................................................. 51
4.1. Tình hình biến động sử dụng đất giai đoạn 2005-2010. ................................................. 51
4.2. Ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến dòng chảy lưu vực sông La Vĩ........................... 60
4.2.1. Sự thay đổi thành phần dòng chảy trên từng tiểu lưu vực ...................................... 60
4.2.2. Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy ............................ 75
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ................................................................................. 80
iv


5.1. Kết luận ................................................................................................................................. 80
5.2. Kiến nghị............................................................................................................................... 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 82
PHỤ LỤC ..................................................................................................................................... 87

v


DANH MỤC VIẾT TẮT
DEM(s)
FAO

Digital Elevation Model (Mô hình độ cao số)
Tổ chức nông lương thế giới (Food and Agriculture Organization)

GIS

Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System)

HRU(s)

Đơn vị thủy văn (Hydrologic Reponse Units)

SWAT

Mô hình đánh giá đất và nước (Soil anh Water Asessment Tool)

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu vào của SWAT ................................... 17

Bảng 2.2 Ý nghĩa các thông số trong bảng CropRng ............................................................. 19
Bảng 2.3 Ý nghĩa các thông số trong bảng UrbanRng ........................................................... 20
Bảng 2.4 Thông số đầu vào của dữ liệu thổ nhưỡng trong SWAT ....................................... 21
Bảng 2.5 Các thông số đầu vào của dữ liệu thời tiết tổng quát ............................................. 22
Bảng 2.6 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu ra của SWAT ...................................... 22
Bảng 2.7 Thống kê diện tích cây trồng nông nghiệp năm 2014 (ha).................................... 30
Bảng 2.8 Hiện trạng sử dụng đất c ủa các xã, thị trấn nằm trên lưu vực (ha) ...................... 30
Bảng 3.1 Diện tích của các loại thổ nhưỡng lưu vực sông La Vĩ ......................................... 37
Bảng 3.2 Chuyển đổi mã loại hình sử dụng đất theo SWAT năm 2005 và năm 2010 ....... 38
Bảng 3.3 Diện tích đất phân chia theo SWAT tại lưu vực La Vĩ năm 2005 và 2010 ........ 41
Bảng 3.4 Thông tin trạm đo phục vụ khu vực nghiên cứu ..................................................... 45
Bảng 4.1 Ma trận diện tích chuyển đổi loại hình sử dụng đất giai đoạn 2005-2010 lưu vực
sông La Vĩ .................................................................................................................................... 52
Bảng 4.2 Mức độ thay đổi các loại hình sử dụng đất trên lưu vực La Vĩ trong giai đoạn
2005-2010..................................................................................................................................... 53
Bảng 4.3 Ma trận tỉ lệ phần trăm của sự biến động giữa các loại hình sử dụng đất ở lưu
vực La Vĩ ...................................................................................................................................... 54
Bảng 4.4 Giá trị trung bình từng thành phần dòng chảy theo năm của 2 kịch bản ............. 62
Bảng 4.5 Giá trị trung bình từng thành phần dòng chảy theo tháng của 2 kịch bản........... 68
Bảng 4.6 Giá trị trung bình năm lưu lượng dòng chảy tại cửa xả của 2 kịch bản............... 75
Bảng 4.7 Giá trị trung bình lưu lượng tại cửa xả của 2 kịch bản theo tháng (m 3/s)........... 78

vii


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT ............................................................................ 9
Hình 2.2 Mô hình hóa chu trình thủy văn trong pha đất (Phỏng theo Susan L. Neitsch et
al., 2009) ....................................................................................................................................... 10
Hình 2.3 Các quá trình trong dòng chảy được mô phỏng bởi SWAT .................................. 11

Hình 2.4 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực ....................................................................................... 12
Hình 2.5 Mô phỏng dòng chảy mặt........................................................................................... 13
Hình 2.6 Mối liên hệ giữa dòng chảy với mưa trong phương pháp đường cong số SCS
(S.L. Neitsch et al., 2005)........................................................................................................... 14
Hình 2.7 Mô phỏng lớp đất sườn dốc ....................................................................................... 15
Hình 2.8 Vị trí địa lý lưu vực sông La Vĩ ................................................................................ 24
Hình 2.9 Bản đồ địa hình lưu vực La Vĩ .................................................................................. 25
Hình 2.10 Lượng mưa trung bình năm giai đoạn 2000 - 2015 .............................................. 26
Hình 2.11 Lượng mưa trung bình tháng giai đoạn 2000- 2015 ............................................. 27
Hình 2.12 Nhiệt độ không khí trung bình tháng giai đoạn 2000- 2015................................ 27
Hình 3.1 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu................................................................................. 34
Hình 3.2 Bản đồ địa hình lưu vực sông La Vĩ ......................................................................... 35
Hình 3.3 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông La Vĩ ................................................................... 36
Hình 3.4 Kết quả phân chia thổ nhưỡng trong SWAT ........................................................... 37
Hình 3.5 Bản đồ sử dụng đất năm 2005 tại lưu vực La Vĩ .................................................... 41
Hình 3.6 Kết quả phân chia các lo ại hình sử dụng đất năm 2005 trong SWAT ................. 42
Hình 3.7 Bản đồ sử dụng đất lưu vực La Vĩ năm 2010.......................................................... 43
Hình 3.8 Kết quả phân chia các lo ại hình sử dụng đất năm 2010 trong SWAT ................. 44
Hình 3.9 Bản đồ trạm khí tượng Quy Nhơn và trạm Phù Cát ............................................... 45
Hình 3.10 Bản đồ phân định lưu vực sông La Vĩ.................................................................... 47
Hình 3.11 Kết quả phân chia lớp độ dốc trong SWAT .......................................................... 48
Hình 3.12 Nhập dữ liệu thời tiết ................................................................................................ 49
1


Hình 3.13 Tạo tập tin đầu vào ................................................................................................... 49
Hình 3.14 Thiết lập thông số chạy mô hình SWAT ............................................................... 50
Hình 3.15 Đọc kết quả đầu ra .................................................................................................... 50
Hình 4.1 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất SXN .................................................. 55
Hình 4.2 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất LNP................................................... 56

Hình 4.3 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất OTC .................................................. 57
Hình 4.4 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất CDG.................................................. 58
Hình 4.5 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất SMN ................................................. 59
Hình 4.6 Bản đồ thể hiện sự biến động của nhóm đất CDS .................................................. 60
Hình 4.7 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần SUR_Q giữa hai kịch bản ............. 63
Hình 4.8 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần WYLD giữa hai kịch bản .............. 64
Hình 4.9 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần LAT_Q giữa hai kịch bản ............. 65
Hình 4.10 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch thành phần GW_Q giữa hai kịch bản ............ 66
Hình 4.11 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của SUR_Q đánh giá theo mùa mưa.............. 69
Hình 4.12 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của GW_Q đánh giá theo mùa mưa............... 71
Hình 4.13 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của GW_Q đánh giá theo mùa khô ................ 72
Hình 4.14 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của LAT_Q đánh giá theo mùa mưa.............. 73
Hình 4.15 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của LAT_Q đánh giá theo mùa khô ............... 73
Hình 4.16 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của WYLD đánh giá theo mùa mưa .............. 74
Hình 4.17 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của WYLD đánh giá theo mùa khô ............... 75
Hình 4.18 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch lưu lượng dòng chảy theo năm giữa hai kịch
bản ................................................................................................................................................. 76
Hình 4.19 Bản đồ thể hiện mức chênh lệch của lưu lượng dòng chảy đánh giá theo tháng
....................................................................................................................................................... 79

2


CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng làm biến đổi dòng chảy, ảnh
hưởng đến lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông là do tác động của con người thông qua
hoạt động sử dụng đất (Nguyễn Thị Hồng, 2014). Trong giai đoạn hiện nay, vấn đề cấp
bách cần đặt ra là cần thiết phải tiến hành những nghiên cứu đánh giá một cách định lượng,
mang tính chính xác cao, song phải cụ thể và chi tiết mức độ ảnh hưởng của hoạt động khai

thác, sử dụng tài nguyên đất đai đến tài nguyên nước trên lưu vực La Vĩ ở thời điểm hiện
tại cũng như định hướng quy hoạch trong tương lai. Nhờ đó, tạo cơ sở khoa học quan trọng
hỗ trợ cho công tác, quản lý, quy hoạch sử dụng đất trên lưu vực một cách có hiệu quả nhất.
Lưu vực sông La Vĩ là thuộc trên địa phận các xã Cát Tân, Cát Trinh, Cát Hiệp và thị
xã Ngô Mây thuộc huyện Phù Cát và xã Bình Thuận thuộc huyện Tây Sơn của tỉnh Bình
Định với diện tích là 10.369,48 ha. Trong giai đoạn 2005 – 2010, tình hình thay đổi sử dụng
đất trên lưu vực sông La Vĩ sự chuyển biến khá mạnh mẽ. Điển hình phải kể đến đất sản
xuất nông nghiệp, đất lâm nghiệp, đất chuyên dùng với diện tích đất chuyên dùng tăng từ
652,82 ha lên 1.005,02 ha; đất lâm nghiệp tăng 834,91 ha lên 2.530,6 ha. Bên cạnh đó đất
nông nghiệp giảm từ 5.530,19 ha xuống 4.145,76 ha; đất chưa sử dụng giảm từ 500,09 ha
xuống 228 ha.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá các yếu tố tác động đến các nguồn tài nguyên
thiên nhiên trên lưu vực sông là hết sức cần thiết và cấp bách. Trên thế giới đã có nhiều
cách tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu đánh giá biến động sử dụng đất tại các lưu vực
sông, trong đó nổi bật như nghiên cứu của tác giả Ghaffari G và cộng sự (2010) đã thực
hiện đánh giá ảnh hưởng dòng chảy dưới tác động của thay đổi sử dụng đất ở lưu vực
Zanjanrood, Iran hay nghiên cứu của tác giả Nguyễn Ý Như và Nguyễn Thanh Sơn (2009)
tại lưu vực sông Bến Hải, nghiên cứu của Nguyễn Quang Bảo (2013), tại lưu vực sông
Thạch Hãn nghiên cứu tại lưu vực sông Đắk Bla của Nguyễn Thị Ấu và cộng sự (2013).
Trong đó, mô hình đánh giá đất và nước SWAT (Soil and Water Assessment Tool), mô
hình mô phỏng tài nguyên nước lưu vực sông là một trong số những mô hình đang được
3


ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. SWAT là mô hình ở cấp độ lưu vực sông có khả
năng tích hợp với GIS, nhờ đó nâng cao độ chính xác của kết quả từ việc mô phỏng dòng
chảy, quá trình vật lý trên lưu vực. Đồng thời, mô hình SWAT còn được xây dựng để đánh
giá tác động của việc sử dụng đất, đến dòng chảy trên một hệ thống lưu vực sông. Từ những
ưu điểm đó, sau khi cân nhắc nghiên cứu, đã lựa chọn sử dụng mô hình SWAT để thực hiện
mục tiêu của đề tài.

Xuất phát từ các lý do trên, đề tài “Phân tích biến đổi sử dụng đất đến lưu lượng
dòng chảy tại lưu vực sông La Vĩ tỉnh Bình Định” đã được thực hiện.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
1.2.1. Mục tiêu chung
Mục tiêu chung của nghiên cứu là phân tích thay đổi dòng chảy dưới tác động của
biến động sử dụng đất trên lưu vực sông La Vĩ
1.2.2. Mục tiêu cụ thể


Phân tích biến động sử dụng đất giai đoạn 2005 - 2010 trên lưu vực sông La Vĩ;



Mô phỏng diễn biến dòng chảy theo hai kịch bản sử dụng đất 2005 và 2010 trên

lưu vực bằng mô hình SWAT;


So sánh dòng chảy giữa hai kịch bản sử dụng đất 2005 và 2010 trên lưu vực.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là biến động của các loại hình sử dụng đất, lưu lượng
dòng chảy.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong lưu vực sông La Vĩ nằm trên địa phận các
xã Cát Tân, Cát Trinh, Cát Hiệp và thị xã Ngô Mây thuộc huyện Phù Cát và xã Bình Thuận
thuộc huyện Tây Sơn tỉnh Bình Định.

4



CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Các khái niệm về dòng chảy
2.1.1. Lưu lượng dòng chảy
Lưu lượng dòng chảy là lưu lượng dòng chảy chảy qua mặt cắt ngang sông trong một
đơn vị thời gian (m3/s). Lưu lượng trên sông thay đổi theo thời gian. Quá trình thay đổi lưu
lượng hoặc mực nước theo thời gian tại một vị trí được gọi là quá trình lưu lượng hoặc quá
trình mực nước. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi đó gọi là đường quá trình lưu lượng Q(t). Lưu
lượng bình quân trong khoảng thời gian T là giá trị trung bình của lưu lưu lượng dòng chảy
trong khoảng thời gian đó, được xác định theo công thức sau:
𝟏

𝐓

̅ = ∫ 𝐐(𝐭)
𝐐
𝟎
𝐓

hoặc

̅=
𝐐

∑𝐧
𝐢=𝟏 𝐐 𝐢
𝐧

(2.1)


Trong đó : ̅
Q giá trị bình quân của lưu lượng, n là số thời đoạn tính toán, là lưu lượng
bình quân tại mỗi thời đoạn thứ i bất kỳ.
2.1.2. Tổng lượng dòng chảy
Tổng lượng dòng chảy là lưu lượng dòng chảy chảy qua mặt cắt cửa xả trong một
khoảng thời gian t (tháng, mùa, năm) nào đó từ thời điểm t1 đến t2 (T = t2 - t1). Đơn vị là m3
hay km3.
𝐭

̅ = ∫ 𝟐 𝐐 (𝐭) 𝐝𝐭 hoặc 𝐖
̅ =𝐐
̅ (𝐭 𝟐 − 𝐭 𝟏 ) (2.2)
𝐐
𝐭
𝟏

2.1.3. Độ sâu dòng chảy
Độ sâu dòng chảy thể hiện tổng lưu lượng dòng chảy chảy qua mặt cắt cửa xả của lưu
vực trong một khoảng thời gian trải đều trên toàn bộ diện tích lưu vực, ta được một lớp
nước có chiều dày Y gọi là độ sâu dòng chảy (hoặc còn gọi là lớp dòng chảy), là tỉ số giữa
tổng lượng dòng chảy với diện tích lưu vực dược thể hiện qua công thức sau:
𝐘=

𝟏𝟎𝟐
𝟏𝟎𝟔 . 𝐅

=

𝐖

𝟏𝟎𝟐 . 𝐅

(2. 3)

Trong đó, Y là độ sâu dòng chảy (mm), W là tổng lượng dòng chảy (m3), F là diện
tích lưu vực (km2 ).

5


2.1.4. Module dòng chảy
Mô đun dòng chảy là trị số lưu lượng dòng chảy trên một đơn vị diện tích của lưu
vực. Mô-đun lưu lượng dòng chảy càng lớn thì có nguồn nước càng dồi dào và ngược lại.
𝐌=

̅
𝟏𝟎𝟐 . 𝐐
𝐅

(2. 4)

Trong đó, M là mô đun dòng chảy (l/s.km2), Q là giá trị bình quân của lưu lượng
(m3/s), F là diện tích lưu vực (km2). Mô-đun lưu lượng dòng chảy càng lớn thì có nguồn
nước càng dồi dào và ngược lại.
2.1.5. Hệ số dòng chảy
Hệ số dòng chảy α là tỉ số giữa độ sâu dòng chảy và lượng mưa tương ứng sinh ra
trong thời gian T.
∝=

𝐘

𝐗

(2. 5)

Trong đó, α là hệ số không thứ nguyên, vì 0 ≤ Y ≤ X nên 0 ≤ α ≤ 1. Hệ số α càng lớn,
tổn thất dòng chảy càng bé và ngược lại. Bởi vậy, α phản ánh tình hình sản sinh dòng chảy
trên lưu vực. Trong khi đó, mô đun dòng chảy và độ sâu dòng chảy phản ánh khả năng
phong phú nguồn nước của một lưu vực.
2.2. Tổng quan về biến động sử dụng đất
2.2.1. Sử dụng đất
Sử dụng đất là hoạt động của con người tác động vào đất đai theo một mục đích nào
đó nhằm đạt kết quả mong muốn trong quá trình sử dụng. Sử dụng đất được thực hiện bởi
con người bao gồm các hoạt động cải tiến môi trường tự nhiên hoặc những vùng hoang vu
vào sản xuất như đồng ruộng, đồng cỏ hoặc xây dựng các khu dân cư. Thực chất sử dụng
đất là một hệ thống các biện pháp nhằm điều hòa mối quan hệ giữa con người với đất đai
(FAO/UNEP, 1999).
2.2.2. Biến động sử dụng đất
Biến động sử dụng đất là sự thay đổi trạng thái tự nhiên của lớp phủ bề mặt đất gây
ra bởi hành động của con người, là một hiện tượng phổ biến liên quan đến tăng trưởng dân
số, phát triển thị trường, đổi mới công nghệ, kỹ thuật và sự thay đổi thể chế, chính sách.
6


Biến động sử dụng đất có thể gây hậu quả khác nhau đối với tài nguyên thiên nhiên như sự
thay đổi thảm thực vật, biến đổi trong đặc tính vật lý của đất, trong quần thể động, thực vật
và tác động đến các yếu tố hình thành khí hậu. Biến động sử dụng đất được chia thành 2
nhóm. Nhóm thứ nhất là sự thay đổi từ loại hình sử dụng đất hiện tại sang loại hình sử dụng
đất khác. Nhóm thứ hai là sự thay đổi về cường độ sử dụng đất trong cùng một loại hình.
(Meyer, W.B. and Turner, B.L, 1994, Muller, 2003).
2.3. Giới thiệu về mô hình SWAT

2.3.1. Tổng quan
SWAT là công cụ đánh giá nước và đất 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 của đến quá trình thủy văn, 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.
2.3.2. Lịch sử phát triển
SWAT được tích hợp nhiều mô hình của USDA - ARS, bao gồm: mô hình Hệ thống
Quản lý Nông nghiệp về hóa chất, dòng chảy và xói mòn (CREAMS) (Knisel, W. G., 1980),
mô hình Hệ thống Quản lý Nông nghiệp về ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm
(GLEAMS) (Leonard, R.A., 1987) và mô hình. Mô hình SWAT là thế hệ tiếp nối của mô
hình,mô phỏng Tài nguyên nước lưu vực Nông thôn (SWRRB) (Arnold, J. G and J.R.
Williams, 1987), được thiết kế để mô phỏng tác động của hoạt động quản lý lên nước và
vận chuyển phù sa cho những lưu vực nông thôn không có hệ thống quan trắc tại Hoa Kì.
Mô hình SWRRB ra đời đầu thập niên 80 của thế kỉ XX với sự chỉnh sửa mô hình thủy văn
lượng mưa hàng ngày của CREAMS, có sự bổ sung nhiều thành phần mới trong đó có mô
hình con về phát triển cây trồng của EPIC. Cuối thập niên này, mô hình SWRRB tiếp tục

7


được chỉnh sửa như thêm vào thành phần thuốc trừ sâu của GLEAMS (Williams và cộng
sự, 1984).
Vào đầu những năm 90 của thế kỉ XX, Arnold, J. G và cộng sự, (1995) phát triển mô
hình dẫn dòng đầu ra đến Cửa xả lưu vực (ROTO) để hỗ trợ đánh giá tác động của hạ lưu
lên quản lý nguồn nước ở vùng đất bảo tồn tại bang Arizona và New Mexico. Mô hình này

liên kết đầu ra từ nhiều mô hình SWRRB và sau đó vạch ra dòng chảy thông qua hệ thống
chỉ cho phép 10 tiểu lưu vực, tuy nhiên dữ liệu đầu vào và đầu ra còn nặng nề, đòi hỏi nhiều
bộ nhớ máy tính.
Để khắc phục sự bất tiện này, SWRRB và ROTO được kết hợp thành một mô hình
duy nhất là SWAT. Mô hình SWAT giữ lại tất cả những thành phần của SWRRB, trong
khi vẫn cho phép mô phỏng khu vực rộng lớn.
Từ khi ra đời vào đầu thập niên 90 thế kỉ XX, SWAT luôn được nghiên cứu và mở
rộng khả năng. Từ khi ra đời SWAT đã được cải tiến qua các thế hệ phiên bản như:
SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2, SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009
và mới nhất là SWAT2012.

8


Hình 2.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT
( Phỏng theo phỏng theo Philip W. Gassman etn al., 2009)
2.3.3. Nguyên lý mô hình
SWAT là mô hình được thiết kế để dự báo những ảnh hưởng lên nước, phù sa và
lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực không có mạng lưới
quan trắc. Mô hình dựa trên các quá trình vật lý, với sự hỗ trợ của máy tính và khả năng
mô phỏng liên tục trong khoảng thời gian dài. Các thành phần chính của mô hình bao gồm
thời tiết, thủy văn, tính chất và nhiệt độ của đất, sự phát triển cây trồng, dưỡng chất, thuốc
trừ sâu, vi khuẩn và mầm bệnh và quản lý đất đai (Philip W. Gassman, 2009).
Để sự mô phỏng trong SWAT rõ ràng nhất thì lưu vực được phân chia thành nhiều
tiểu lưu vực và tiếp tục được chia thành các đơn vị thủy văn (HRUs). Thông tin đầu vào
của mỗi tiểu lưu vực được tập hợp và phân loại thành những nhóm chính sau: khí hậu,
HRUs, hồ, nước ngầm, sông chính và nhánh, đường phân thủy. HRUs là các đơn vị đất đai
trong tiểu lưu vực có sự đồng nhất về sử dụng đất, tính chất đất và thực hành quản lý (S.L.
Neitsch, J.G. Arnold).


9


Mô hình thủy văn trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính (S.L. Neitsch,
J.G. Arnold):


Pha đất của chu trình thủy văn: kiểm soát lưu lượng dòng chảy, phù sa, dinh

dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính (hình 2.2).

Hình 2.2 Mô hình hóa chu trình thủy văn trong pha đất
(Phỏng theo Susan L. Neitsch et al., 2009)


Pha đất của chu trình thủy văn:
𝐒𝐖𝐭 = 𝐒𝐖𝟎 + ∑

𝐭

( 𝐑 𝐝𝐚𝐲 − 𝐐𝐒𝐮𝐫𝐟 − 𝐄𝐚 − 𝐖𝐬𝐞𝐞𝐩 − 𝐐𝐠𝐰 )(2. 6)

𝐢=𝟏

Trong đó:
SWt : lưu lượng dòng chảy trong đất tại thời điểm t (mm)
SW0 : lưu lượng dòng chảy trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm)
t : thời gian (ngày)
Rday : lưu lượng dòng chảy mưa trong ngày thứ i (mm)
Qsurf : lượng dòng chảy mặt trong ngày thứ i (mm)

10


Ea : lưu lượng dòng chảy bốc hơi trong ngày thứ i (mm)
Wseep : lưu lượng dòng chảy thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm)
Qgw : lưu lượng dòng chảy ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm)


Pha nước của chu trình thủy văn: (Hình 2.3) kiểm soát quá trình di chuyển

của dòng nước, quá trình bồi lắng, v.v…diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu
vực đến cửa xả.

Hình 2.3 Các quá trình trong dòng chảy được mô phỏng bởi SWAT
(Phỏng theo Susan L. Neitsch et al., 2009)
SWAT xác định quá trình di chuyển nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu vào
mạng lưới sông ngòi của lưu vực bằng cách sử dụng cấu trúc lệnh (Williams and Hann,
1972 trích dẫn trong S.L. Neitsch, J.G. Arnold., 2009, p.20). Thêm vào đó, để thể hiện dòng
di chuyển của hóa chất, SWAT mô phỏng sự biến đổi của hóa chất trong kênh, rạch và sông
chính và được thể hiện qua sơ đồ tại hình 2.4:

11


Hình 2.4 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực
(Phỏng theo Susan L. Neitsch et al., 2009)
2.3.4. Thuật toán mô phỏng dòng chảy
a) Dòng chảy mặt
Dòng chảy mặt, hay dòng chảy tràn, dòng chảy trong kênh là dòng chảy xuất hiện trên
bề mặt lưu vực khi lưu lượng dòng chảy trên bề mặt đất vượt quá tỉ lệ thấm. Khi nước chảy

trên đất khô, tỉ lệ thấm thường cao. Tuy nhiên, tỉ lệ này sẽ giảm khi đất trở nên ướt hơn.
Đến khi lưu lượng dòng chảy chảy tràn cao hơn tỉ lệ thấm, bề mặt đất dần trở nên bão hòa,
dòng chảy mặt bắt đầu xuất hiện (xem hình 2.5).

12


Hình 2.5 Mô phỏng dòng chảy mặt
SWAT cung cấp hai phương pháp ước lượng dòng chảy mặt là đường cong số SCS
(Soil Conservation Service, 1972) và Green – Ampt (Green, W.H. and G.A. Ampt, 1911).
Phương pháp đường cong số chỉ cần lượng mưa theo ngày, trong khi đó phương pháp Green
– Ampt yêu cầu lượng mưa theo giờ.
Phương trình dòng chảy SCS là một mô hình thực nghiệm được sử dụng phổ biến
trong những năm 50 của thế kỉ XX. Nó là sản phẩm của hơn 20 năm nghiên cứu mối liên
hệ mưa – dòng chảy tại các lưu vực nông thôn trên toàn nước Mỹ (Green, W.H. and G.A.
Ampt, 1911).
𝐐𝐬𝐮𝐫𝐟 =

𝐑 𝐝𝐚𝐲− 𝐈𝐚
𝐑 𝐝𝐚𝐲− 𝐈𝐚 + 𝐒

(2. 7)

Trong đó, Qsurf là dòng chảy mặt (mm); Rday là lượng mưa trong ngày (mm); Ia là lưu
lượng dòng chảy mất đi ban đầu bao gồm lưu trữ bề mặt, thấm trước khi hình thành dòng
chảy (mm); S là tham số duy trì (mm).
Tham số duy trì thay đổi theo không gian tùy thuộc vào sự biến đổi của đất, sử dụng
đất, quản lý và độ dốc và theo thời gian do sự thay đổi nước trong đất. Tham số này được
định nghĩa như sau (S.L. Neitsch, J.G. Arnold, 2009):
𝐒 = 𝟐𝟓, 𝟒


𝟏𝟎𝟎𝟎
𝐂𝐍

− 𝟏𝟎 (2. 8)

Trong đó, CN là đường cong số trong ngày. Lưu lượng dòng chảy mất đi ban đầu Ia
thường
thường xấp xỉ bằng 0,2S. Khi đó, phương trình trở thành:
13


𝐐𝐬𝐮𝐫𝐟 =

(𝐑 𝐝𝐚𝐲− 𝟎, 𝟐𝐒)𝟐
(𝐑 𝐝𝐚𝐲 + 𝟎, 𝟖 𝐒)

− 𝟏𝟎 (2. 9)

Dòng chảy chỉ xuất hiện khi Rday > Ia. Lời giải hình học cho phương trình ứng với các
đường cong số khác nhau được thể hiện như hình 2.6.

Hình 2.6 Mối liên hệ giữa dòng chảy với mưa trong phương pháp đường cong
số SCS (S.L. Neitsch et al., 2005)
b) Dòng chảy trễ
Dòng chảy trễ có ý nghĩa quan trọng đối với những khu vực có đất với độ dẫn thủy
lực cao trong lớp đất bề mặt, lớp đất không thấm nước hoặc bán thấm ở độ sâu nông. Trong
một hệ thống như vậy, lượng mưa sẽ thấm theo chiều thẳng đứng cho đến khi nó gặp lớp
không thấm, tạo thành một khu vực bão hòa nước, tức là mực nước ngầm. Vùng bão hòa
này là nguồn nước cho dòng nước ngầm bên dưới.

Mô hình SWAT kết hợp mô hình lượng trữ động học được phát triển bởi Sloan và
Moore (1984), mô phỏng dòng chảy trễ theo hai chiều dọc theo sườn dốc, dựa trên phương
trình khối lượng liên tục, hoặc cân bằng khối lượng, với toàn bộ sườn dốc được sử dụng
14


như một thể tích kiểm tra. Đoạn sườn dốc có một lớp đất thấm với độ sâu Dperm và chiều dài
Lhill và một lớp không thấm hay biên dưới với độ dốc ahill (xem hình 2.7).

Hình 2.7 Mô phỏng lớp đất sườn dốc
(Phỏng S.L. Neitsch, J.G. Arnold, 2009)
Lưu lượng dòng chảy được lưu trữ trong vùng bão hòa hay gọi là dòng chảy trễ được
tính bởi công thức:
𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬 =

𝟏𝟎𝟎𝟎. 𝐇𝟎 . ∅𝐝. . 𝐋𝐡𝐢𝐥𝐥
𝟐

(2. 10)

Trong đó, SWly,excess là thể tích thoát nước vượt quá được lưu giữ trong vùng bão hòa
(mm), Ho là độ dày bão hòa (mm / mm ), ∅d là độ xốp thoát nước của đất (mm / mm), Lhill
là chiều dài của dốc (m).
Phương trình Ho được tính như sau :
𝐇𝟎 =

𝟐 .𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬
𝟏𝟎𝟎𝟎.𝐇𝟎 .∅ 𝐝..𝐋𝐡𝐢𝐥𝐥

(2.11)


Độ xốp thoát nước của đất (∅d ) được tính toán:
∅𝐝 = ∅𝐬𝐨𝐢𝐥 − ∅𝐟𝐜 (2. 12)
Trong đó: ∅𝑑 là độ xốp thoát nước của đất; ∅𝑠𝑜𝑖𝑙 là tổng độ xốp của lớp đất (mm/mm),
∅𝑓𝑐 là độ rỗng của lớp đất đầy nước khi lớp là Ở thể tích nước (mm/mm).

15


Quá trình thấm được tính cho từng lớp đất. Nước sẽ thấm xuống lớp đất tiếp theo khi
lưu lượng dòng chảy vượt quá khả năng trữ của lớp đất đó. Lưu lượng dòng chảy thấm xác
định theo phương trình:
𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬 = 𝐒𝐖𝐥𝐲 − 𝐅𝐂𝐥𝐲

𝐧ế𝐮 𝐒𝐖𝐥𝐲 > 𝐅𝐂𝐥𝐲 (2. 13)

𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬 = 𝟎

𝐧ế𝐮 𝐒𝐖𝐥𝐲 ≤ 𝐅𝐂𝐥𝐲

Trong đó: SWly,excess là lưu lượng dòng chảy thấm trong một ngày (mm), SWly là lưu
lượng dòng chảy trữ trong lớp đất trong một ngày (mm), FCly là khả năng trữ nước lớn nhất
của lớp đất (mm).
Lưu lượng dòng chảy chảy ra từ cửa xả, Qlat , được xác định bởi công thức sau:
𝐐𝐥𝐚𝐭 = 𝟐𝟒. 𝐇 𝟎 . 𝐯𝐥𝐚𝐭 (2. 14)
Trong đó Qlat là nước chảy ra từ cửa xả (mm / ngày), Ho là độ dày bão hòa bình thường
đến đỉnh đồi ở cửa xả bằng một phần của tổng chiều dày (mm/mm); vlat là vận tốc dòng
chảy tại cửa xả (mm. h-1); 24 là yếu tố để chuyển đổi hàng giờ.
Vận tốc dòng chảy tại cửa xả được xác định như sau:
𝐯𝐥𝐚𝐭 = 𝐊 𝐬𝐚𝐭. 𝐬𝐢𝐧 (𝛂𝐡𝐢𝐥𝐥 ) (2. 15)

Trong đó, Ksat là độ dẫn nước bão hòa (mm.h-1) và αhill là độ dốc của đoạn dốc đồi.
Độ dốc được nhập vào SWAT khi độ cao tăng tương ứng với tan (αhill). Bởi lẻ tan (𝛼ℎ𝑖𝑙𝑙 ) ≅
sin (𝛼ℎ𝑖𝑙𝑙 ). Phương trình (2.12) được sửa đổi để sử dụng giá trị cho độ dốc làm đầu vào cho
mô hình:
𝐯𝐥𝐚𝐭 = 𝐊 𝐬𝐚𝐭. 𝐭𝐚𝐧 (𝛂𝐡𝐢𝐥𝐥 ) = 𝐊 𝐬𝐚𝐭 .𝐬𝐥𝐩 (2. 16)
Từ những phương trình (2.11); (2.14) và (2.16) phân tích và tổng hợp ta được phương
trình:
𝐐𝐥𝐚𝐭 = 𝟎. 𝟎𝟐𝟒 .

𝟐.𝐒𝐖𝐥𝐲,𝐞𝐱𝐜𝐞𝐬𝐬 .𝐊 𝐬𝐚𝐭.𝐬𝐥𝐩
∅ 𝐝.𝐋𝐡𝐢𝐥𝐥

(2.17)

c) Dòng chảy ngầm
Nước ngầm là nước chứa trong tầng bão hoà dưới bề mặt đất. Nước vào tầng bão hoà
chủ yếu do thấm. Nước ngầm có thể chảy trở lại dòng chính hoặc có thể thấm xuống tầng
sâu. Nước ngầm qua một thời gian khá dài dần dần thấm ngang qua các lớp đất chuyển

16


×