ỨNG DỤNG GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN MÔI TRƯỜNG HUYỆN DĨ AN - TỈNH BÌNH DƯƠNG
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.92 MB, 94 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC
ĐỘNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN MÔI
TRƯỜNG HUYỆN DĨ AN - TỈNH BÌNH DƯƠNG
SINH VIÊN THỰC HIỆN : TÔ KIỀU TRANG
NGÀNH
: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG
NIÊN KHÓA
: 2005 – 2009
Tháng 7/2009
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC
ĐỘNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN MÔI
TRƯỜNG HUYỆN DĨ AN TỈNH BÌNH DƯƠNG
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
SINH VIÊN THỰC HIỆN
TÔ KIỀU TRANG
TS. NGUYỄN KIM LỢI
MSSV: 05149017
Tháng 7/2009
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
−−− oOo −−−
WW XX
PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KLTN
KHOA
: MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
NGÀNH
: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN : TS. NGUYỄN KIM LỢI
HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN: TÔ KIỀU TRANG
MSSV:05149017
NIÊN KHÓA: 2005 – 2009
1. Tên đề tài: ỨNG DỤNG GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG
CỦA VIỆC THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN MÔI TRƯỜNG HUYỆN DĨ
AN TỈNH BÌNH DƯƠNG.
2. Nội dung Khóa Luận Tốt Nghiệp:
− Tổng quan về Hệ thống thông tin địa lý (GIS) & Mô hình SWAT.
− Đặc điểm khu vực nghiên cứu.
− Phương pháp nghiên cứu.
− Kết quả diễn biến thay đổi sử dụng đất đối với chất lượng môi trường của khu
vực nghiên cứu bằng mô hình SWAT.
3. Thời gian thực hiện:
Ngày giao đồ án: 06/03/2009
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/06/2009
Ngày
tháng
năm 2009
Ban chủ nhiệm Khoa
Ngày 03 tháng 07 năm 2009
Giáo viên hướng dẫn
TS. NGUYỄN KIM LỢI
LỜI CẢM ƠN
Bài khóa luận tốt nghiệp được thực hiện bởi sự nổ lực của bản thân, sự
giúp đỡ quý báu tận tình của bộ môn hệ thông tin địa lý (GIS)_ khoa Môi
Trường và Tài Nguyên, Trường ĐH. Nông Lâm TPHCM và sự giúp đỡ của bạn
bè, gia đình. Sau đây chúng tôi gửi lời cảm ơn chân thành đến:
Thầy Ts. Nguyễn Kim Lợi chủ nhiêm bộ môn hệ thống thông tin địa lý đã
hướng dẫn em làm khóa luận.
Thầy Vũ Minh Tuấn, cô Tam đã nhiệt tình giúp đỡ em làm khoá luận.
Chị Nguyễn Hà Trang Cựu sinh viên Khoa Công nghệ hóa và Thực phẩm ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
Cảm ơn các thầy cô trong khoa Môi Trường và Tài Nguyên.
Cảm ơn các anh chị trong tổ thanh tra và tổ quy hoạch phòng tài nguyên
môi trường huyện Dĩ An giúp đỡ em trong vấn đề thu thập dữ liệu.
Cảm ơn các bạn bè lớp DH05QM và người thân.
Sinh viên thực hiện
Tô Kiều Trang
TÓM TẮT
Nghiên cứu này tìm kiếm một cách tiếp cận mới trong quá trình đánh giá chất
lượng môi trường thông qua việc thay đổi đổi sử dụng đất. Đánh giá sự chuyển biến
giữa các loại hình sử dụng đất tại hai giai đoạn năm 2000 và năm 2005 đồng thời với
việc chuyển loại hình sử dụng đất thì chất lượng môi trường nước đất cũng được thể
hiện. Để thực nghiên cứu này, kỹ thuật hệ thống thông tin địa lý (GIS) và các phần
mềm hổ trở như Acrgis, Acrswat… Giúp đánh giá chất lượng môi trường nước theo
diễn biến thay đổi sử dụng đất. Kết quả nghiên cứu là cơ sở dữ liệu cả về không gian,
dữ liệu thuộc tính của khu vực nghiên cứu đã được thiết lập, tiến hành phân tích chất
lượng môi trường nước trên hiện trạng sử dụng đất hai giai đoạn. Nghiên cứu cho thấy
chất lượng môi trường giảm theo thời gian là do phụ thuộc vào biến động sử dụng đất
( đất dùng trong công nghiệp, đất chuyên dùng và đất ở tăng lên từ năm 2000 đến năm
2005). Và nghiên cứu này cũng cho thấy được sự không đồng nhất của dữ liệu không
gian, thiếu hoặc không đủ dữ liệu khí hậu, dữ liệu quan trắc để đáp ứng nhu cầu
nghiên cứu trong thời gian ngắn. Do việc thiếu dữ liệu quan trắc nên chúng tôi không
có điều kiện kiểm tra độ chính xác mô hình vì thế kết quả chúng tôi đưa ra chỉ mang
tính chất tạm thời và nếu có điều kiện nghiên cứu cho các nơi khác đáp ứng đủ số liệu
thì cho ra kết quả chính xác trong kết luận chung.
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
i
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
MỤC LỤC
TÓM TẮT ......................................................................................................................... i
MỤC LỤC........................................................................................................................ ii
CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ........................................................................................................ vi
DANH MỤC SƠ ĐỒ ...................................................................................................... vi
Chương 1 MỞ ĐẦU......................................................................................................... 1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ: ................................................................................................ 1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: .......................................................................... 1
1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI ......................................................................................... 2
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................................... 3
2.1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ....................................... 3
2.1.1. Định nghĩa ................................................................................................. 3
2.1.2. Các thành phần của GIS ............................................................................ 3
2.1.3. Tiến trình thực hiện GIS............................................................................ 3
2.1.4. Dạng dữ liệu của GIS .............................................................................. 4
2.1.4.1. Dữ liệu không gian:..................................................................................... 4
2.1.4.2. Dữ liệu phi không gian: .............................................................................. 7
2.2. TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT ................................................................... 8
2.2.1. Lịch sử phát triển mô hình SWAT ............................................................ 8
2.2.2. Giới thiệu về mô hình SWAT ................................................................. 10
2.3. CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT TRÊN THẾ
GIỚI VÀ VIỆT NAM................................................................................................ 17
2.3.2. Trên thế giới............................................................................................ 17
2.3.2. Ở Việt Nam ............................................................................................. 17
Chương 3 ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU...................................................... 20
3.1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ MÔI TRƯỜNG.............................................. 20
3.1.1. Vị trí địa lý .............................................................................................. 20
3.1.2. Địa chất, địa hình .................................................................................... 21
3.1.4. Các nguồn tài nguyên, sinh vật ............................................................... 22
3.1.4.1. Tài nguyên đất........................................................................................... 22
3.1.4.2. Các loại tài nguyên khác:.......................................................................... 23
3.2. ĐIỀU KIỆN KINH TẾ XÃ HỘI.................................................................... 24
3.2.1. Dân số:..................................................................................................... 24
3.2.2. Kinh tế ..................................................................................................... 24
3.2.2.1. Tăng trưởng kinh tế: ........................................................................ 24
3.2.2.2. Chuyển dịch cơ cấu kinh tế:.............................................................. 24
3.2.2.3. Thực trạng phát triên kinh tế:............................................................ 24
Chương 4 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU....................................... 25
4.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU.......................................................................... 25
4.2. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ........................................................................... 25
4.3. THU THẬP DỮ LIỆU................................................................................... 25
2
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
ii
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
4.3.1. Dữ liệu thô (dữ liệu sơ cấp)..................................................................... 25
4.3.2. Xử lý dữ liệu thô (dữ liệu thứ cấp).......................................................... 26
4.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................. 27
4.4.1. Cơ sở phương pháp luận ......................................................................... 27
4.4.2. Phân tích diễn biến thay đổi sử dụng đất ................................................ 29
4.4.2.1. Thành phần đầu vào:......................................................................... 29
4.4.2.2. Phương pháp tính toán ...................................................................... 30
4.4.2.3. Chạy mô hình chuyển đổi ................................................................. 32
4.4.3. Nghiên cứu chất lượng nước, đất trên 2 giai đoạn năm 2000 và năm
2005. .......................................................................................................................... 34
4.4.3.1. Chuẩn bị đầu vào ...................................................................................... 34
4.4.3.2. Chạy mô hình SWAT................................................................................ 44
Chương 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ........................................................................... 47
5.1. DIỄN BIẾN THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT CỦA HUYỆN DĨ AN............... 47
5.2. KẾT QUẢ CHẤT LƯỢNG NƯỚC BẰNG MÔ HÌNH SWAT ................... 50
5.3. BIỂU ĐỒ SO SÁNH CHẤT LƯỢNG NƯỚC HAI GIAI ĐOẠN ............... 54
5.3.1. Biểu đồ so sánh lưu lượng dòng theo tháng tại điểm ra của lưu vực...... 55
5.3.2. Đồ thi so sánh lượng photpho theo tháng tại điểm ra của lưu vực: ........ 55
5.3.3. Đồ thị so sánh lượng NO3 theo tháng tại điểm ra của lưu vực: .............. 56
5.3.4. Đồ thị so sánh lượng DO ( DISOX) theo tháng tại cửa ra của lưu vực .. 57
5.4. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT TRONG KHU
VỰC NGHIÊN CỨU ( watershed) ............................................................................... 58
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................... 61
6.1. KẾT LUẬN.................................................................................................... 61
6.2. KIẾN NGHỊ ................................................................................................ 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................. 63
PHỤ LỤC
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
iii
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
CHỮ VIẾT TẮT
GIS ( Geographic Information System ): Hệ thống thông tin địa lý.
SWAT (soil and water assessment tool): Công cụ đánh giá chất lượng đất nước.
HRUs: Đơn vị thủy văn.
AHP: Nghiên cứu lý thuyết về phân tích thứ bậc.
TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam.
TNMT: Tài nguyên môi trường.
LUCC: Sự thay đổi sử dụng đất.
SCS: Tốc độ xói mòn cực đại.
ROTO - Routing Outputs to Outle: Mô phỏng về dòng nước và sự bồi lắng trên
lưu vực rộng lớn.
PREC: Lượng mưa.
LATQ: Lượng nước chưa bão hòa.
GWQ: Lượng nước ngầm.
WATER YIELD: Lượng nước của toàn bộ lưu vực nghiên cứu.
SED: Lượng bồi lắng hay mất đất.
NO3 SURQ: Lượng NO3 bề mặt.
NO3 LATQ: Lượng NO3 tầng chưa bão hòa.
NO3 CROP: Lượng NO3 của thảm thực vật.
N ORGANIC: Hàm lượng N tổng.
P ORGANIC: Hàm lượng P hữu cơ.
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
iv
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1: Diện tích tự nhiên theo đơn vị hành chánh....................................................... 20
Bảng 4.1: Dữ liệu thu thập ................................................................................................ 25
Bảng 4.2 : Ma trận về sự thay đổi các kiểu sử dụng đất trong khoảng thời gian t0, t1 ...... 32
Bảng 4.3 : Diện tích các kiểu sử dụng đất tại 2 giai đoạn năm 2000, 2005 của cả huyện 32
Bảng 4.4: Land Use SWAT .............................................................................................. 35
Bảng 4.5: Thông số đầu vào của đất sử dụng trong SWAT ............................................. 35
Bảng 4.6: Các loại đất ở huyện Dĩ An .............................................................................. 37
Bảng 4.7: Các thông số vật lí và hóa học tương ứng với các loại đất của huyện ............. 38
Bảng 4.8: Kết cấu đất của huyện Dĩ An............................................................................ 39
Bảng 4.9: Thủy văn đất ..................................................................................................... 40
Bảng 5.1: Ma trận về thay đổi các kiểu sử dụng đất giữa 2 giai đoạn của huyện Dĩ An.. 47
Bảng 5.2:Ma trận về sự thay đổi về diện tích của các kiểu sử dụng đất giữa hai giai
đoạn tại huyện Dĩ An (m2) ................................................................................................ 48
Bảng 5.3: Sự thay đổi về diện tích các kiểu sử dụng đất giữa năm 2000, 2005 ............... 50
Bảng 5.4: Chỉ số môi trường nước tại huyện Dĩ An năm 2004 ở giai đoạn 1 .................. 51
Bảng 5.5: Chỉ số môi trường nước tại huyện Dĩ An năm 2005 ở giai đoạn 1 .................. 51
Bảng 5.6: Chỉ số môi trường nước tại huyện Dĩ An năm 2004 ở giai đoạn 2 .................. 52
Bảng 5.7: Chỉ số môi trường nước tại huyện Dĩ An năm 2005 ở giai đoạn 2 .................. 52
Bảng 5.8: Tổng hợp lượng các thông số môi trường ở 2 giai đoạn .................................. 53
Bảng 5.9: Diện tích các kiểu sử dụng đất tại khu vực nghiên cứu ở hai giai đoạn 2000,
2005................................................................................................................................... 58
Bảng 5.10: Ma trận về sự thay đổi về diện tích của các kiểu sử dụng đất giữa hai giai
đoạn ở khu vực nghiên cứu ............................................................................................... 58
Bảng 5.11: Ma trận về thay đổi các kiểu sử dụng đất giữa hai giai đoạn ở khu vực
nghiên cứu ......................................................................................................................... 59
Bảng 5.12: Sự thay đổi về diện tích các kiểu sử dụng đất giữa năm 2000, 2005 ............. 60
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
v
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Các thành phần của GIS................................................................................... 3
Hình 2.2: Tiến trình thực hiện GIS .................................................................................. 4
Hình 2.3: Chồng lớp các mô hình vector và raster........................................................... 5
Hình 2.4: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point) ....................................... 5
Hình 2.5: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường................................................. 6
Hình 2.6: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng vùng ................................................... 6
Hình 2.7: Mô hình raster mô tả bản đồ ............................................................................ 7
Hình 3.1: Bản đồ hành chánh huyện Dĩ An – Tỉnh Bình Dương................................... 21
Hình 4.1: Hộp thoại Register Vector Table.................................................................... 26
Hình 4.2: Hộp thoại universal translation ...................................................................... 27
Hình 4.3: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất 2 giai đoạn tại huyện Dĩ An .......................... 27
Hình 4.4: Hình minh họa quá trình chuyển đất sử dụng ở 2 giai đoạn .......................... 33
Hình 4.5: Bản đồ đất....................................................................................................... 37
Hình 4.6: Thành phần cơ giới đất phân loại theo hình tam giác đều ............................. 39
Hình 4.7: Bản đồ đường đồng mức ................................................................................ 41
Hình 4.8: Bản đồ DEM ( bản đồ số hóa độ cao) ............................................................ 42
Hình 4.9: Kết quả kịch bản sau khi chạy xong mô hình SWAT.................................... 46
Hình 5.1: Khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 50
Hình 5.2: Đồ thị so sánh tổng lưu lượng dòng tại cửa ra của lưu vực ........................... 55
Hình 5.3: Đố thị so sánh tổng lượng P tại cửa ra lưu vực.............................................. 55
Hình 5.4: Đồ thị so sánh tổng lượng NO3 tại cửa ra lưu vực ......................................... 56
Hình 5.5: Đồ thị so sánh lượng DO tại điểm ra ............................................................. 57
DANH MỤC SƠ ĐỒ
Sơ đồ 4.1: Tổng quát quá trình nghiên cứu.................................................................... 28
Sơ đồ 4.2: Ứng dụng GIS nghiên cứu thay đổi sử dụng đất .......................................... 29
Sơ đồ 4.3: Ứng dụng SWAT trong đánh giá chất lượng đất nước................................. 34
Sơ đồ 5.1: Sự thay đổi các kiểu sử dụng đất giữa hai năm 2000, 2005 ......................... 48
Sơ đồ 5.2: Sự thay đổi các kiểu sử dụng đất giữa hai năm 2000, 2005 ......................... 59
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
vi
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ:
Môi trường là vấn đề được quan tâm nhiều hiện nay. Trong quá trình phát triển
hiện nay, việc dân số tăng ngày càng cao cùng với việc phát triển công nghiệp hóa đất
nước thì việc thay đổi sử dụng đất để cho phù hợp với việc phát triển là điều không
thể tránh. Vì thế phải có chiến lược quy hoạch sử dụng đất sao cho phù hợp để không
gây ảnh hưởng cho môi trường lẫn kinh tế và xã hội. Do đó phải có cơ sở để quy
hoạch cho phù hợp.
Với tốc độ phát triển công nghiệp hóa nhanh như hiện nay thì đem lại cho đất
nước một nền kinh tế tốt mà còn ảnh hưởng môi trường không nhỏ. Ô nhiễm môi
trường không chỉ do quá trình phát triển công nghiệp gây ra mà còn do quá trình sinh
hoạt của con người. Hiện nay, ô nhiễm môi trường do hoạt động công nghiệp và sinh
hoạt của con người là hiện trạng chung ở nhiều địa phương. Trong đó, Bình Dương là
một tỉnh có tốc độ phát triển công nghiệp rất lớn, đặc biệt là huyện Dĩ An có tốc độ
phát triển công nghiệp nhanh cùng với thay đổi sử dụng đất để đáp ứng nhu cầu kinh
tế-xã hội.
Nhằm đánh giá việc thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường giúp cho phát
triển nền kinh tế phù hợp tại Bình Dương nói chung và huyện Dĩ An nói riêng vì thế
chúng tôi thực hiện đề tài “ỨNG DỤNG GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ
TÁC ĐỘNG CỦA VIỆC THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT ĐẾN MÔI TRƯỜNG
HUYỆN DĨ AN TỈNH BÌNH DƯƠNG.”
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:
Xác định ảnh hưởng đến môi trường của việc thay đổi sử dụng đất tại huyện Dĩ
An - Tỉnh Bình Dương bằng công nghệ GIS và mô hình SWAT để từ đó làm cơ sở
cho việc quy hoạch môi trường cũng như có biện pháp để bảo vệ môi trường nói riêng
và vấn đề kinh tế, xã hội nói chung. Mục tiêu chi tiết của đề tài như sau:
Đánh giá biến động sử dụng đất tại huyện Dĩ An – Tỉnh Bình Dương từ năm
2000 đến 2005 thông qua GIS.
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
1
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước tại huyện Dĩ An – Tỉnh
Bình Dương từ năm 2000 đến 2005.
1.3. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Do thời gian thực hiện đề tài và dữ liệu thu thập được của khu vực nghiên cứu có
giới hạn nên đề tài chỉ đánh giá chất lượng nước và đất thuộc lưu vực nghiên cứu gồm
ở 2 xã, 1 thị trấn thuộc huyện Dĩ An.
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
2
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Chương 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ
2.1.1. Định nghĩa
Hệ thống thông tin địa lý là 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, lưu trữ, quản lý, xử lý, phân tích và hiển thị các thông tin
không gian từ thế giới thực để giải quyết các vấn đề tổng hợp từ thông tin cho các mục
đích con người đặt ra, chẳng hạn như: hỗ trợ việc ra quyết định cho quy hoạch và quản
lý sử dụng đất, tài nguyên thiên nhiên, môi trường, giao thông, dễ dàng trong việc quy
hoạch phát triển đô thị và những việc lưu trữ dữ liệu hành chính ( Nguyễn Kim Lợi,
2006).
2.1.2. Các thành phần của GIS
Những thành phần cơ bản của GIS là hệ thống máy tính (Computer system), cơ
sở dữ liệu không gian địa lý và người sử dụng như được chỉ ra Hình 2.1.
Hình 2.1: Các thành phần của GIS
2.1.3. Tiến trình thực hiện GIS
Mối quan hệ các thành phần trong Hình 2.2 được sơ lược như sau: thu thập các
thông tin về sự vật và hiện tượng từ thế giới thực được đưa vào GIS quản lý, tạo ra các
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
3
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
cơ sở dữ liệu số và được xử lý theo mục đích của người sử dụng, trên kết quả phân
tích dữ liệu không gian thông qua công cụ phần mềm GIS, người sử dụng lại tác động
lại thế giới thực thông qua việc đưa ra các quyết định nhằm đạt mục tiêu đã đề ra.
(Nguyễn Kim Lợi, 2006)
Hình 2.2: Tiến trình thực hiện GIS
2.1.4. Dạng dữ liệu của GIS
Hệ thống thông tin địa lý bao gồm: dữ liệu không gian và phi không gian. Dữ
liệu là trung tâm của hệ thống GIS được lưu trữ trong cơ sở dữ liệu và thu thập thông
qua các mô hình thế giới thực. Dữ liệu trong GIS còn được gọi là thông tin không
gian. Đặc trưng thông tin không gian là có khả năng mô tả “vật thể ở đâu” nhờ vị trí
tham chiếu, đơn vị đo và quan hệ không gian. Đặc trưng thông tin không gian mô tả
“quan hệ và tương tác” giữa các hiện tượng tự nhiên. Mô hình không gian đặc biệt
quan trọng vì cách thức thông tin sẽ ảnh hưởng đến khả năng thực hiện phân tích dữ
liệu và khả năng hiển thị đồ hoạ của hệ thống.
2.1.4.1. Dữ liệu không gian:
Dữ liệu không gian (trả lời cho câu hỏi về vị trí - ở đâu?) được thể hiện trên bản
đồ và hệ thống thông tin địa lí dưới dạng điểm (point), đường (line) hoặc vùng
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
4
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
(polygon). Dữ liệu không gian là dữ liệu về đối tượng mà vị trí của nó được xác định
trên bề mặt trái đất. Hệ thống thông tin địa lý làm việc với hai dạng mô hình dữ liệu
địa lý khác nhau - mô hình vector và mô hình raster.
Hình 2.3: Chồng lớp các mô hình vector và raster
(( />Mô hình vector: biểu diễn dữ liệu không gian như điểm, đường, vùng có kèm
theo thuộc tính để mô tả đối tượng. Mô hình dữ liệu này phù hợp trong biểu diễn dữ
liệu có ranh giới rõ rệt như ranh đất, ranh nhà, ranh đường,… .Để biểu diễn các dữ
liệu vector có hai loại cấu trúc dữ liệu thường được sử dụng: Spaghetti và Topology.
+ Kiểu đối tượng điểm (Points) (Hình 2.4)
Điểm được xác định bởi cặp giá trị đơn. Các đối tượng đơn, thông tin về địa lý
chỉ gồm cơ sở vị trí sẽ được phản ánh là đối tượng điểm.
Hình 2.4: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng điểm (Point)
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
5
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
+ Kiểu đối tượng đường (Hình 2.5)
Hình 2.5: Số liệu vector được biểu thị dưới dạng đường
Đường được xác định như một tập hợp dãy của các điểm. Mô tả các đối tượng
địa lý dạng tuyến.
+ Kiểu đối tượng vùng (Hình 2.6)
Vùng được xác định bởi ranh giới các đường thẳng. Các đối tượng địa lý có
diện tích và đóng kín bởi một đường gọi là đối tượng vùng polygons.
Hình 2.6: Số liệu vector được
biểu thị dưới dạng vùng (Polygon)
Mô hình Raster: được phát triển cho mô phỏng các đối tượng liên tục. Một ảnh
raster là một tập hợp các ô lưới. Cấu trúc đơn giản nhất là mảng gồm các ô của bản
đồ. Mỗi ô trên bản đồ được biểu diển bởi tổ hợp tọa độ (hàng, cột). Kết quả mỗi ô biểu
diễn một phần của bề mặt trái đất và giá trị của nó là tính chất tại vị trí đó.
Mô hình raster có các đặc điểm
- Các điểm được xếp liên tiếp từ trái qua phải và từ trên xuống dưới.
- Mỗi một điểm ảnh (pixcel) chứa một giá trị.
- Một tập các ma trận điểm và các giá trị tương ứng tạo thành một lớp
(layer).
- Trong cơ sở dữ liệu có thể có nhiều lớp.
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
6
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Trong một hệ thống dữ liệu cơ bản raster được lưu trữ trong các ô (thường hình
vuông) được sắp xếp trong một mảng hoặc các dãy hàng và cột. Nếu có thể, các hàng
và cột nên được căn cứ vào hệ thống lưới bản đồ thích hợp. Việc sử dụng cấu trúc dữ
liệu raster tất nhiên đưa đến một số chi tiết bị mất. Với lý do này, hệ thống raster based không được sử dụng trong các trường hợp nơi chi tiết có chất lượng cao được
đòi hỏi.
Hình 2.7: Mô hình raster mô tả bản đồ
2.1.4.2. Dữ liệu phi không gian:
Dữ liệu phi không gian hay còn gọi là thuộc tính (Non - Spatial Data hay
Attribute) (trả lời cho câu hỏi nó là cái gì?) là những mô tả về đặc tính, đặc điểm và
các hiện tượng xảy ra tại các vị trí địa lý xác định. Một trong các chức năng đặc biệt
của công nghệ GIS là khả năng của nó trong việc liên kết và xử lý đồng thời giữa dữ
liệu bản đồ và dữ liệu thuộc tính. Thông thường hệ thống thông tin địa lý có 4 loại số
liệu thuộc tính:
- Đặc tính của đối tượng: liên kết chặt chẽ với các thông tin không gian có thể
thực hiện SQL (Structure Query Language) và phân tích.
- Số liệu hiện tượng, tham khảo địa lý: miêu tả những thông tin, các hoạt động
thuộc vị trí xác định.
- Chỉ số địa lý: tên, địa chỉ, khối, phương hướng định vị, …liên quan đến các đối
tượng địa lý.
- Quan hệ giữa các đối tượng trong không gian, có thể đơn giản hoặc phức tạp
(sự liên kết, khoảng tương thích, mối quan hệ đồ hình giữa các đối tượng).
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
7
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Để mô tả một cách đầy đủ các đối tượng địa lý, trong bản đồ số chỉ dùng thêm
các loại đối tượng khác: điểm điều khiển, toạ độ giới hạn và các thông tin mang tính
chất mô tả.
2.2. TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT
2.2.1. Lịch sử phát triển mô hình SWAT
SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất.
SWAT 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 ). SWAT là mô hình dùng để dự báo những
ảnh hưởng của sự quản lí sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra
từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời
gian dài. Mô hình là sự tập hợp những phép toán hồi quy để thể hiện mối quan hệ giữa
giá trị thông số đầu vào và thông số đầu ra.
Mô hình SWAT có những ưu điểm so với các mô hình trước, đó là: lưu vực được
mô phỏng mà không cần dữ liệu quan trắc; khi thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí sử
dụng đất, khí hậu, thực vật…) đều định lượng được những tác động đến chất lượng
nước hoặc các thông số khác; có hiệu quả cao, có thể tính toán và mô phỏng trên lưu
vực rộng lớn hoặc hỗ trợ ra quyết đối với những chiến lược quản lí đa dạng, phức tạp
với sự đầu tư kinh tế và thời gian thấp; cho phép người sử dụng nghiên cứu những tác
động trong thời gian dài. Nhiều vấn đề hiện nay được SWAT xem xét đến như sự tích
lũy chất ô nhiễm và những ảnh hưởng đến vùng hạ lưu.
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 et al., 1985; Arnold et al., 1990). Những mô hình góp
phần vào sự phát triển của SWAT: 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 et al., 1987), đây là phần mở rộng của CREAMS bao gồm bốn thành phần:
thủy văn, xói mòn/ bồi lắng, sự di chuyển của thuốc bảo vệ thực vật và dinh dưỡng và
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
8
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
mô hình tính toán những ảnh hưởng của các hoạt động sản xuất đến sự xói mòn (EPIC
– Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984).
Sự phát triển SWRRB bắt đầu từ sự chỉnh sửa mô hình thủy văn lượng mưa hằng
ngày của CREAMS. Những thay đổi chính từ mô hình CREAMS là:
- Mô hình được mở rộng cho phép người dùng mô phỏng trên máy tính nhiều
tiểu lưu vực để dự báo lượng nước của lưu vực;
- Thành phần nước ngầm cũng được đưa vào mô hình;
- Hồ chứa cũng được xét đến để làm rõ những ảnh hưởng của những khu nuôi
trồng thủy sản và hồ chứa đến lượng nước và sự bồi lắng;
- Mô hình thời tiết kết hợp với những dữ liệu: lượng mưa, bức xạ mặt trời và
nhiệt độ giúp thực hiện mô phỏng trong thời gian dài dễ dàng hơn, đồng thời cũng
cung cấp thông tin thời tiết theo thời gian và không gian;
- Mô hình EPIC tính toán sự biển đổi mùa vụ hằng năm.
Những chỉnh sửa SWRRB ở thời điểm đó bao gồm: mô hình GLEAMS, kĩ thuật
xác định tốc độ xói mòn cực đại (SCS), tính toán lượng bồi lắng. Vào cuối thập niên
80, the Bureau of Indian Affairs cần một mô hình để tính toán những ảnh hưởng của
sự quản lí nguồn nước ở vùng hồ Indian thuộc bang Arizona và New Mexico.
SWRRB chỉ sử dụng để tính toán cho lưu vực với diện tích trên dưới vài trăm km2,
trong khi Bureau muốn nghiên cứu mở rộng trên vùng có diện tích hàng ngàn km2. Vì
thế, lưu vực nghiên cứu cần được giới hạn, chia nhỏ thành 10 tiểu lưu vực, được thực
hiện nhờ sự hỗ trợ của SWRRB, nước và phù sa đổ trực tiếp từ tiểu lưu vực ra các hồ
(outlet). Điều này dẫn đến sự ra đời của một mô hình, được gọi là ROTO (Routing
Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995) dùng để mô phỏng về dòng nước và sự bồi
lắng trên lưu vực rộng lớn. ROTO lấy kết quả từ nhiều chương trình SWRRB và vạch
ra dòng chảy thông qua hệ thống kênh và hồ. Mặc dù mô hình SWRRB cũng đạt kết
quả khá tốt nhưng dữ liệu đầu vào và đầu ra còn phức tạp và nặng nề và đòi hỏi nhiều
bộ nhớ máy tính. Đều phải chạy độc lập, sau đó những kết quả đó sẽ là thông tin đầu
vào của ROTO. Để khắc phục sự bất tiện này, SWRRB, QUAL2E và ROTO đã được
kết hợp thành một chương trình, đó là SWAT. SWAT giữ lại tất cả những thành phần
của SWRRB. SWAT2005 có một điểm nổi bật là giao diện chương trình khá thân
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
9
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
thiệt với người dùng, được phát triển trên nền Windows, GRASS và ArcView, ngôn
ngữ lập trình là Visual Basic.
Hình 2.8: Sơ đồ các thành phần cấu thành SWAT
(Nguồn: S.L. Neitsch nnk, 2005. Soil and Water Assessment Tool Theoretical
Documentation version 2005. Grassland, Soil and Water research laboratory
(Agricultural Research Service) Texas; Blackland research center (Texas Agricultural
Experiment Station)
2.2.2. Giới thiệu về mô hình SWAT
SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lí trên cùng một lưu vực. Ý
nghĩa của mô hình SWAT là một lưu vực lớn có thể được chia thành nhiều tiểu lưu
vực, mô hình hóa theo tiểu lưu vực mang lại lợi ích khi những vùng này tương đồng
về đặc điểm sử dụng đất và tính chất đất. Sự phân chia này giúp người sử dụng có thể
áp dụng kết quả nghiên cứu của một vùng này vào một vùng khác khi chúng có sự
tương đồng nhất định.
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
10
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Hình 2.10: Lưu vực hồ Fork ở
Bắc Texas sau khi phân chia thành
những tiểu lưu vực
Hình 2.9: Lưu vực hồ Forkở
Bắc Texas
(Nguồn: S.L. Neitsch nnk, 2005. Soil and Water Assessment Tool Theoretical
Documentation version 2005. Grassland, Soil and Water research laboratory (Agricultural
Research Service) Texas; Blackland research center (Texas Agricultural Experiment Station)
Thông tin đầu vào đối với mỗi tiểu lưu vực sẽ được tập hợp và phân loại thành
những nhóm chính sau: khí hậu, HRUs, hồ, nước ngầm, sông chính và nhánh, đường
phân thủy. Để dự báo một cách chính xác sự di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và
dưỡng chất thì mô hình cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong lưu
vực. Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính, chúng có
thể tồn tại riêng lẻ:
- Chu trình thủy văn nước ngầm: kiểm soát lượng nước, sự bồi lắng, dinh dưỡng
và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính.
- Chu trình nước trong hệ thống sông: kiểm soát quá trình di chuyển của dòng
nước và quá trình bồi lắng diễn ra từ trong hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa
sông.
Những dữ liệu đầu vào và các quá trình liên quan đến chu trình nước trong pha
đất bao gồm:
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
11
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
) Khí hậu
Khí hậu của lưu vực cung cấp dữ liệu đầu vào về độ ẩm và năng lượng để kiểm
soát quá trình cân bằng nước và xác định các thông số quan trọng khác liên quan đến
chu trình nước.
SWAT yêu cầu các thông số khí hậu sau: lượng mưa hằng ngày, nhiệt độ không
khí lớn nhất/ nhỏ nhất, năng lượng bức xạ mặt trời, tốc độ gió và độ ẩm. Trong đó, các
thông số: lượng mưa hằng ngày, nhiệt độ không khí lớn nhất/ nhỏ nhất là yêu cầu bắt
buộc, các thông số còn lại tùy vào điều kiện có thể có hay không.
) Thủy văn
Lượng nước ngăn cản (Canopy storage): là lượng nước bị ngăn cản và giữ lại
trên bề mặt lớp thực vật, một phần lượng nước này sẽ bị bốc hơi. Lượng nước ngăn
cản được xét đến để tính toán lượng nước thất thoát bề mặt. Tuy nhiên, nếu các
phương pháp Green & Ampt đã từng được sử dụng để tính toán quá trình xâm nhập
hay thất thoát thì lượng nước ngăn cản phải được mô hình hóa một cách độc lập.
SWAT cho phép người sử dụng nhập giá trị lượng nước lớn nhất có thể bị giữ lại
trên đơn vị bề mặt lá của khu vực che phủ. Những giá trị này và độ che phủ được mô
hình sử dụng để tính toán lượng nước lớn nhất có thể giữ lại cho quá trình phát triển
của cây trồng.
) Sự phát triển của cây trồng (Plant growth)
SWAT đã sử dụng mô hình phát triển của một cây đơn lẻ để mô tả cho tất cả các
loại cây khác nhau. Mô hình cũng cho thấy sự khác biệt giữa cây lâu năm và cây một
năm/một mùa. Quá trình sinh trưởng và phát triển của cây một năm/ một mùa bắt đầu
từ khi gieo trồng đến khi thu hoạch. Những cây lâu năm nuôi dưỡng hệ thống rễ suốt
cả năm, vào những tháng mùa đông cây sẽ ở trạng thái ngủ đông. Chúng sẽ sinh
trưởng và phát triển tiếp khi nhiệt độ tăng lên. Quá trình phát triển của cây trồng dùng
để tính toán lượng nước và dưỡng chất mất đi, đồng thời cũng tính được lượng hơi
nước và sinh khối sinh ra.
Khả năng sinh trưởng làm gia tăng sinh khối trong một thời gian nhất định, nó
được định nghĩa là sự gia tăng sinh khối dưới điều kiện lí tưởng, là hiệu quả của hoạt
động hấp thụ năng lượng mặt trời và chuyển tải năng lượng thành dạng sinh khối.
Năng lượng được hấp thụ được tính toán dựa trên bức xạ mặt trời
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
12
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
) Xói mòn (Erosion)
Sự xói mòn và bồi lắng đối với mỗi HRU được tính toán dựa trên mô hình
Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE) (Williams, 1975). Trong khi, mô
hình USLE sử dụng lượng mưa, thì mô hình MUSLE sử dụng lượng nước chảy bề mặt
để tính toán.
) Dinh dưỡng (Nutrients)
Chu trình Nitơ
Hình 2.11 Chu trình Nitơ được sử dụng trong SWAT
(Nguồn: S.L. Neitsch nnk, 2005. Soil and Water Assessment Tool Theoretical
Documentation version 2005. Grassland, Soil and Water research laboratory (Agricultural
Research Service) Texas; Blackland research center (Texas Agricultural Experiment Station)
Cây sử dụng Nitrat và Nitơ hữu cơ trong đất với nước làm chất vận chuyển trung
gian. Lượng Nitrat trong dòng chảy bề mặt và dòng thấm được tính toán thông qua thể
tích nước và nồng độ Nitrat trung bình trong đó. Lượng N hữu cơ được tính bằng mô
hình của McElroy et al(1976) và được chỉnh sửa bởi Williams and Hann (1978).
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
13
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Chu trình Photpho:
Hình 2.12: Chu trình Photpho được sử dụng trong SWAT
(Nguồn: S.L. Neitsch nnk, 2005. Soil and Water Assessment Tool Theoretical
Documentation version 2005. Grassland, Soil and Water research laboratory (Agricultural
Research Service) Texas; Blackland research center (Texas Agricultural Experiment Station)
) Thuốc bảo vệ thực vật (Pesticides)
SWAT xem xét thuốc bảo vệ thực vật trong mỗi HRU để nghiên cứu sự di
chuyển hóa chất trong lưu vực. SWAT mô hình hóa quá trình vận chuyển thuốc trừ
sâu vào trong hệ thống sông ngòi thông qua con đường rửa trôi bề mặt (có sự hòa an
và hấp phụ), vào trong đất và tầng ngậm nước nhờ dòng nước áp lực (sự hòa tan).
SWAT sử dụng mô hình GLEAMS (Leonard et al., 1987) mô hình quá sự vận
chuyển thuốc trừ sâu thông qua chu trình nước trong pha đất. Sự di chuyển này được
kiểm soát nhờ: khả năng hòa tan của hóa chất, chu kì bán phân rã và hiệu quả hấp phụ
chất hữu cơ trong đất. Thuốc bảo vệ thực vật gây hại, làm suy thoái tán lá và đất trồng.
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
14
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá tác động của sự thay đổi sử dụng đất tác động đến môi trường H.Dĩ An-BD
Hình 2.13: Quá trình vận chuyển thuốc trừ sâu
(Nguồn: S.L. Neitsch nnk, 2005. Soil and Water Assessment Tool Theoretical
Documentation version 2005. Grassland, Soil and Water research laboratory
(Agricultural Research Service) Texas; Blackland research center (Texas
Agricultural Experiment Station)
) Chu trình nước trong hệ thống sông
SWAT xác định, tính toán quá trình di chuyển nước, phù sa, dinh dưỡng và thuốc
trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi bằng cách sử dụng đồng nhất cấu trúc lệnh (Williams
and Hann, 1972). Thêm vào đó, để thể hiện dòng chất di chuyển của hóa chất,
SWAT mô phỏng quá trình vận chuyển trong kênh, rạch và sông chính.
(Nguồn: S.L. Neitsch nnk, 2005. Soil and
Water
Assessment
Tool
Theoretical
Documentation version 2005. Grassland, Soil
and Water research laboratory (Agricultural
Research Service) Texas; Blackland research
center (Texas Agricultural Experiment Station)
) Dòng chảy tràn (Flood Routing)
Hình 2.14: Chu trình nước trong hệ thống sông
GVHD: TS. NGUYỄN KIM LỢI
15
SVTH: TÔ KIỀU TRANG
