ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LA NGÀ

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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS & MÔ HÌNH SWAT
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
LƯU VỰC SÔNG LA NGÀ

SINH VIÊN THỰC HIỆN : ĐÀO NGỌC TUYỂN
NGÀNH

: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

NIÊN KHÓA

: 2005 – 2009

Tháng 7/2009


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

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS & MÔ HÌNH SWAT
ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
LƯU VỰC SÔNG LA NGÀ

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THỰC HIỆN

TS. NGUYỄN KIM LỢI

ĐÀO NGỌC TUYỂN
MSSV: 05149141

Tháng 7/2009


ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HCM
KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
WW  XX

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
−−− oOo −−−

PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KLTN
KHOA

: MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

NGÀNH

: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG

HỌ VÀ TÊN SINH VIÊN : ĐÀO NGỌC TUYỂN
NIÊN KHÓA

MSSV:05149141

: 2005 – 2009

1. Tên đề tài:
ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS & MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ
CHẤT LƯỢNG NƯỚC LƯU VỰC SÔNG LA NGÀ
2. Nội dung Khóa Luận Tốt Nghiệp:
− Tổng quan về Hệ thống thông tin địa lý (GIS) & Mô hình SWAT.
− Đặc điểm lưu vực nghiên cứu.
− Phương pháp nghiên cứu và tiến trình thực hiện trên SWAT.
− Kết quả chất lượng môi trường của khu vực nghiên cứu bằng mô hình SWAT.
− Xác định độ tin cậy của Mô hình.
3. Thời gian thực hiện:
Bắt đầu: 06/03/2009

Kết thúc: 30/06/2009

4. Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Kim Lợi
Nội dung và yêu cầu KLTN đã được thông qua Khoa và Bộ môn.
Ngày

tháng

năm

Ban Chủ nhiệm Khoa

2009

Ngày

tháng

năm 2009

Giáo viên hướng dẫn


LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp, Tôi đã gặp không ít những
khó khăn để thực hiện một vấn đề khá mới mẻ, đó là đưa mô hình SWAT vào
trong việc đánh giá chất lượng nước và đất. Qua đó, Tôi đã nhận được sự giúp
đỡ của quý Thầy cô trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh, gia đình và bạn
bè.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:
™

Toàn thể Quý Thầy Cô Khoa Môi trường & Tài nguyên đã truyền đạt cho
Tôi những kiến thức, những bài học kinh nghiệm quý báu về ngành nghề của
mình trong suốt 4 năm học vừa qua.

™

Thầy Nguyễn Kim Lợi - Chủ nhiệm Bộ môn Thông tin địa lý ứng dụng –
Khoa Môi trường và Tài nguyên.

™

Thầy Trần Thống Nhất - Bộ môn Thông tin địa lý ứng dụng – Khoa Môi
trường và Tài nguyên.

™

Thầy Vũ Minh Tuấn, Cô Đỗ Thị Ngọc Tam - Bộ môn Thông tin địa lý ứng
dụng - Khoa Môi trường và Tài nguyên.

™

Chị Nguyễn Hà Trang – Cựu sinh viên Khoa Công nghệ hóa và Thực phẩm ĐH Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM.

™

Chú Đức, Cô Lan - Đài Khí tượng thủy văn khu vực Nam Bộ, Anh Quang Trung tâm nghiên cứu & chuyển giao công nghệ địa chính, trường Đại học
Nông Lâm Tp.HCM đã nhiệt tình giúp đỡ & cung cấp số liệu để Tôi thực hiện
được đề tài này.

™

Cùng tập thể lớp DH05QM đã gắn bó và giúp đỡ Tôi trong suốt quá trình
học cũng như trong thời gian làm khóa luận tốt nghiệp.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2009

Đào Ngọc Tuyển


TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Trong những năm qua, sự suy thoái nguồn nước đã trở nên khá phổ biến ở các lưu
vực sông của Việt Nam, và lưu vực sông Đồng Nai cũng không phải ngoại lệ. Lưu vực

sông Đồng Nai với vai trò quan trọng là nguồn cung cấp nước chính cho các Tỉnh
miền Nam. Với đặc thù có rất nhiều khu công nghiệp nằm trải dọc hai bên sông, ngoài
ra diện tích nông nghiệp ở khu vực này cũng rất lớn. Do vậy, nước thải công nghiệp
chưa qua xử lí, nước thải sinh hoạt, phân bón và thuốc trừ sâu dọc hai bên sông … là
nguyên nhân chính gây ra sự suy thoái chất lượng nước trên lưu vực. Chính vì vậy,
chất lượng nước sông Đồng Nai là một vấn đề cấp bách, thu hút sự quan tâm của rất
nhiều ban ngành nhằm tìm ra bản chất của vấn đề để từ đó đề ra những phương pháp
giải quyết nhằm bảo vệ và phát triển bền vững, giảm thiểu suy thoái nguồn tài nguyên
nước sông Đồng Nai. Vì vậy, nghiên cứu này nhằm mục đích đánh giá diễn biến chất
lượng nước trên lưu vực sông La Ngà, đoạn chảy qua địa bàn Tỉnh Đồng Nai thông
qua mô hình SWAT.
SWAT là công cụ đánh giá chất lượng nước và đất. 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 dựa trên cơ sở dữ liệu của từng loại hình sử dụng đất kết hợp
với các dữ liệu về địa hình, thời tiết, để đưa ra các dữ liệu đầu ra về chất lượng nước &
đất.
Trong khi tiến hành nghiên cứu, đề tài sử dụng các dữ liệu đầu vào như: bản đồ địa
hình, bản đồ đất Tỉnh Đồng Nai, bản đồ hiện trạng sử dụng đất Tỉnh Đồng Nai 2004,
dữ liệu về các trạm khí tượng, các trạm đo và các dữ liệu về thời tiết như: mưa, nhiệt
đô, độ ẩm không khí trên địa bàn Tỉnh Đồng Nai trong 2 năm 2004, 2005.
Sau khi tiến hành nghiên cứu đã cho thấy được mức độ ảnh hưởng của các việc sử
dụng đất đến chất lượng nước sông đồng thời, đánh giá được diễn biến chất lượng
nước lưu vực Sông La Ngà, đoạn chảy qua địa bàn Tỉnh Đồng Nai. Tuy nhiên độ chính
xác của mô hình đạt được trong nghiên cứu này là chưa cao.
R2 NO3 = 0.3025
R2 P Tổng = 0.2251


MỤC LỤC
Trang

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ...............................................................................................1
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................1
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ...............................................................................2
1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................................2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU .........................................3
2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ ...................................3
2.1.1. Định nghĩa .....................................................................................................3
2.1.2. Các thành phần của Hệ thống thông tin địa lý ..............................................3
2.1.3. Chức năng .....................................................................................................4
2.1.4. Cơ sở dữ liệu địa lý .......................................................................................5
2.1.4.1. Thông tin địa lý .......................................................................................5
2.1.4.2. Cơ sở dữ liệu địa lý .................................................................................5
2.2. TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT ......................................................................7
2.2.1. Lịch sử phát triển mô hình SWAT ................................................................7
2.2.2. Khái quát về mô hình SWAT .......................................................................8
2.2.2.1. Chu trình thủy văn nước ngầm ................................................................9
2.2.2.2. Chu trình nước trong hệ thống sông ......................................................12
2.2.3. Một số khái niệm trong SWAT ...................................................................13
2.2.3.1. Khái niệm lưu vực .................................................................................13
2.2.3.2. Tiểu lưu vực ..........................................................................................14
2.2.3.3. Đơn vị thủy văn .....................................................................................14
2.2.4. Tổng quan về cấu trúc file dữ liệu đầu vào của SWAT ..............................15
2.3. SƠ LƯỢC VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU SWAT Ở VIỆT NAM VÀ TRÊN
THẾ GIỚI .........................................................................................................18
CHƯƠNG 3: ĐẶC ĐIỂM LƯU VỰC NGHIÊN CỨU ..........................................20
3.1. ĐẶC DIỂM LƯU VỰC SÔNG ĐỒNG NAI ...................................................20
3.1.1. Điều kiện tự nhiên .......................................................................................20
3.1.1.1. Địa hình .................................................................................................21
3.1.1.2. Thủy văn ................................................................................................22

3.1.1.3. Thực vật .................................................................................................25
3.1.1.4. Khí hậu ...................................................................................................26
3.1.1.5. Tài nguyên nước mặt..............................................................................26
3.1.2. Điều kiện kinh tế xã hội ..............................................................................27
3.1.2.1. Dân cư – Phân bố dân cư .......................................................................27
3.1.2.2. Kinh tế ...................................................................................................28
3.1.3. Quan trắc môi trường ..................................................................................29
3.1.3.1. Các Trạm quan trắc và phân tích môi trường quốc gia .........................30
3.1.3.2. Mạng lưới quan trắc môi trường nước địa phương ...............................31

3.2. ĐẶC ĐIỂM TỈNH ĐỒNG NAI .......................................................................37
3.2.1. Vị trí địa lý ..................................................................................................37
3.2.2. Điều kiện tự nhiên .......................................................................................38

3.2.2.1. Địa hình .................................................................................................38
3.2.2.2. Đất đai ...................................................................................................39
3.2.2.3. Khí hậu ..................................................................................................40
3.2.2.4. Tài nguyên nước ....................................................................................40
3.2.2.5. Tài nguyên rừng ....................................................................................42
3.2.3. Điều kiện kinh tế xã hội ..............................................................................42

3.2.3.1. Dân số ....................................................................................................42
3.2.3.2. Kinh tế ...................................................................................................43
3.3. ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU .........................................................46
CHƯƠNG 4: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................48
4.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ............................................................................48
4.2. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU ..............................................................................48
4.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................49
4.3.1. Quy trình xử lý số liệu .................................................................................50

4.3.1.1. Dữ liệu đất Tỉnh Đồng Nai ....................................................................50
4.3.1.2. Dữ liệu địa hình .....................................................................................57
4.3.1.3. Dữ liệu thời tiết Tỉnh Đồng Nai ............................................................58
4.3.1.4. Dữ liệu sử dụng đất Tỉnh Đồng Nai ......................................................65
4.3.2. Tiến trình thực hiện trên SWAT .................................................................72

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...........................................................73


5.1. KẾT QUẢ QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SỐ LIỆU .....................................................73
5.1.1. Dữ liệu Đất Tỉnh Đồng Nai ..........................................................................73
5.1.2. Dữ liệu địa hình.............................................................................................75
5.1.3. Dữ liệu sử dụng Đất ......................................................................................76
5.2. KẾT QUẢ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG CỦA KHU VỰC NGHIÊN CỨU
BẰNG MÔ HÌNH SWAT.................................................................................77
5.2.1. Kết quả đầu ra tại cửa ra của lưu vực (số liệu tính theo tháng) ...................77
5.2.2. Kết quả đầu ra tại cửa ra của lưu vực (số liệu tính theo ngày) ....................78
5.2.2.1. Lưu lượng dòng tại cửa ra của lưu vực ..................................................78
5.2.2.2. Hàm lượng Nitrit tại cửa ra của lưu vực ................................................80
5.2.2.3. Tổng lượng Photpho hữu cơ tại cửa ra của lưu vực ...............................81
5.2.2.4. Tổng lượng bồi lắng tại cửa ra của lưu vực ...........................................82
5.2.3. Kết quả đầu ra của mô hình tại cửa xả của tiểu lưu vực 2..........................83
5.2.3.1. Lưu lượng dòng tại cửa xả của tiểu lưu vực 2........................................83
5.2.3.2. Tổng lượng bồi lắng tại cửa xả của tiểu lưu vực 2.................................84
5.2.3.3. Tổng lượng NO3 tại cửa xả của tiểu lưu vực 2......................................84
5.2.3.4. Hàm lượng P Tổng tại cửa xả của tiểu lưu vực 2...................................85
5.2.3.5. Tổng lượng N hữu cơ tại cửa xả của tiểu lưu vực 2...............................85
5.3. XÁC ĐỊNH ĐỘ TIN CẬY CỦA MÔ HÌNH....................................................85
5.3.1. Xác định độ tin cậy của mô hình đối với thông số NO3 ..............................87

5.3.2. Xác định độ tin cậy của mô hình đối với thông số P tổng ..........................88
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ ...................................................................91
6.1. KẾT LUẬN ......................................................................................................91
6.2. ĐỀ NGHỊ ..........................................................................................................92


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Dữ liệu đầu vào sử dụng trong SWAT .......................................................... 16
Bảng 3.1: Diện tích lưu vực & chiều dài các sông chính thuộc lưu vực sông ĐN ........ 23
Bảng 3.2: Nhiệt độ trung bình tháng tại một số điểm trên lưu vực sông Đồng Nai....... 26
Bảng 3.3: Phân bố dân cư theo địa giới hành chính trên lưu vực sông Đồng Nai ........ 28
Bảng 3.4: Vị trí các điểm quan trắc chất lượng nước Tỉnh Đồng Nai ........................... 31
Bảng 3.5: Vị trí các điểm và tần suất quan trắc chất lượng nước Tỉnh BR – VT .......... 33
Bảng 3.6: Vị trí các điểm quan trắc chất lượng nước Tỉnh Bình Phước ........................ 34
Bảng 3.7: Vị trí các điểm quan trắc thủy văn và môi trường nước Tp.HCM ................ 36
Bảng 3.8: Diện tích các loại rừng ở Tỉnh Đồng Nai....................................................... 42
Bảng 3.9: Đơn vị hành chính – Diện tích – Dân số Tỉnh Đồng Nai .............................. 43
Bảng 3.10: Các khu công nghiệp tại Tỉnh Đồng Nai ..................................................... 44
Bảng 4.1: Thông số đầu vào của dữ liệu đất sử dụng trong SWAT............................... 50
Bảng 4.2: Các loại đất ở Đồng Nai................................................................................. 52
Bảng 4.3: Bảng đặc điểm các nhóm thủy văn đất theo NRCS....................................... 54
Bảng 4.4: Bảng tra phân loại các nhóm thủy văn đất theo NRCS ................................. 54
Bảng 4.5: Bảng tra SOL_AWC theo texture và % CBN ( < 0.5 % CBN) ..................... 55
Bảng 4.6: Bảng tra SOL_AWC theo texture và % CBN (0.5 – 3 % CBN) ................... 55
Bảng 4.7: Bảng tra SOL_AWC theo Texture và % CBN ( > 3 % CBN)....................... 55
Bảng 4.8: Bảng tra Ksat theo Texture.............................................................................. 56
Bảng 4.9: Bảng tra USLE_K theo Texture..................................................................... 57
Bảng 4.10: Cấu trúc File dữ liệu Weather Generator..................................................... 60
Bảng 4.11: Cấu trúc File dữ liệu trạm đo mưa ............................................................... 61
Bảng 4.12: Định dạng bảng trong File dữ liệu mưa theo ngày của từng trạm ............... 62

Bảng 4.13: Cấu trúc File dữ liệu trạm đo nhiệt độ ......................................................... 63
Bảng 4.14: Định dạng bảng trong File dữ liệu nhiệt độ theo ngày của từng trạm ......... 63
Bảng 4.15: Cấu trúc File dữ liệu trạm đo độ ẩm không khí ........................................... 64
Bảng 4.16: Cấu trúc Flie dữ liệu độ ẩm không khí theo ngày của từng trạm ................ 65
Bảng 4.17: Các hình thức sử dụng đất ở Tỉnh Đồng Nai ............................................... 66
Bảng 4.18: Bảng tra Code Landuse trong SWAT – Từng loại cây trồng ...................... 68
Bảng 4.19: Bảng tra Code Landuse trong SWAT – Các hình thức che phủ chung ....... 70


Bảng 4.20: Bảng tra Code Landuse trong SWAT – Đất đô thị ...................................... 70
Bảng 5.1: Các thông số vật lí và hóa học tương ứng với các loại đất ở Bảng 4.2 ......... 73
Bảng 5.2: Bảng tổng hợp bốn thông số: HYDGRP, SOL_AWC, Ksat USLE_K........... 74
Bảng 5.3: Bảng mã hình thức sử dụng đất Tỉnh Đồng Nai dùng trong SWAT ............. 76
Bảng 5.4: Kết quả tổng hợp của toàn bộ lưu vực nghiên cứu năm 2004 ....................... 77
Bảng 5.5: Kết quả tổng hợp của toàn bộ lưu vực nghiên cứu năm 2005 ....................... 78
Bảng 5.6: Kết quả nồng độ NO3 (mg/l) sau khi chạy mô hình (dữ liệu theo tháng)...... 85
Bảng 5.7: Kết quả nồng độ P tổng (mg/l) sau khi chạy mô hình (dữ liệu theo tháng)... 86
Bảng 5.8: Kết quả quan trắc nồng độ NO3, P hữu cơ tại vị trí tiểu lưu vực 2................ 87


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Các thành phần của GIS ................................................................................... 3
Hình 2.2: Chu trình Nitơ được sử dụng trong SWAT.................................................... 11
Hình 2.3: Chu trình Photpho được sử dụng trong SWAT.............................................. 11
Hình 2.4: Lưu vực .......................................................................................................... 14
Hình 3.1: Lưu vực hệ thống sông Sài Gòn – Đồng Nai và dải phụ cận ven biển Đông 20
Hình 3.2: Bản đồ mạng lưới quan trắc lưu vực sông Đồng Nai..................................... 31
Hình 3.3: Bản đồ mạng lưới quan trắc môi trường nước lưu vực sông Đồng Nai......... 31
Hình 3.4: Bản đồ vị trí các Khu công nghiệp Đồng Nai ................................................ 44
Hình 3.5: Khu vực nghiên cứu ....................................................................................... 46

Hình 3.6: Vị trí các tiểu lưu vực thuộc khu vực nghiên cứu .......................................... 47
Hình 3.7: Khu vực nghiên cứu theo địa giới hành chính ............................................... 47
Hình 4.1: Tổng quát hóa quá trình nghiên cứu............................................................... 49
Hình 4.2: Quy trình xử lý dữ liệu đầu vào của SWAT................................................... 50
Hình 4.3: Bản đồ đất Tỉnh Đồng Nai ............................................................................. 51
Hình 4.4: Sơ đồ quy trình xử lý số liệu đất .................................................................... 53
Hình 4.5: Bản đồ đường đồng mức Tỉnh Đồng Nai....................................................... 58
Hình 4.6: Quy trình xử lý dữ liệu địa hình ..................................................................... 58
Hình 4.7: Sơ đồ cấu trúc tổng thể dữ liệu thời tiết ......................................................... 59
Hình 4.8: Table userwgn ................................................................................................ 60
Hình 4.9: Cấu trúc File wgnstations ............................................................................... 61
Hình 4.10: Cấu trúc File pcpfork.................................................................................... 61
Hình 4.11: Cấu trúc File dữ liệu mưa theo ngày tại 2 trạm hop0pcp & hop1pcp .......... 62
Hình 4.12: Cấu trúc File tmpfork ................................................................................... 63
Hình 4.13: Cấu trúc File dữ liệu nhiệt độ theo ngày tại 2 trạm tmp_bhoa & tmp_trian 64
Hình 4.14: Cấu trúc File hmdfork .................................................................................. 64
Hình 4.15: Cấu trúc File dữ liệu độ ẩm không khí theo ngày tại 2 trạm hmd_bhoa &
hmd_trian........................................................................................................................ 65
Hình 4.16: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2004 khu vực nghiên cứu .................... 65
Hình 4.17: Tổng quát hóa quá trình xử lý dữ liệu sử dụng đất ...................................... 67
Hình 4.18: Cấu trúc File mã Code sử dụng đất dùng trong SWAT ............................... 71


Hình 5.1: Bản đồ DEM Tỉnh Đồng Nai ......................................................................... 75
Hình 5.2: Đồ thị lưu lượng dòng chảy tại cửa ra của lưu vực năm 2004 ...................... 79
Hình 5.3: Đồ thị lưu lượng dòng chảy tại cửa ra của lưu vực năm 2005 ...................... 79
Hình 5.4: Đồ thị tổng lượng NO2 tại cửa ra của lưu vực năm 2004.............................. 80
Hình 5.5: Đồ thị tổng lượng NO2 tại cửa ra của lưu vực năm 2005.............................. 80
Hình 5.6: Đồ thị lượng P hữu cơ (ORGP_OUT ) tại cửa ra của lưu vực năm 2004..... 81
Hình 5.7: Đồ thị lượng P hữu cơ (ORGP_OUT ) tại cửa ra của lưu vực năm 2005..... 81

Hình 5.8: Đồ thị lượng bồi lắng (SED_OUT ) tại cửa ra của lưu vực năm 2004 ......... 82
Hình 5.9: Đồ thị lượng bồi lắng (SED_OUT) tại cửa ra của lưu vực năm 2005 .......... 82
Hình 5.10: Tiểu lưu vực 2 .............................................................................................. 83
Hình 5.11: Đồ thị lưu lượng dòng tại cửa xả của tiểu lưu vực 2 năm 2004 – 2005....... 83
Hình 5.12: Đồ thị tổng lượng bồi lắng tại cửa xả của tiểu lưu vực 2 năm 2004 – 2005 84
Hình 5.13: Đồ thị tổng lượng NO3 tại cửa xả của tiểu lưu vực 2 năm 2004 – 2005..... 84
Hình 5.14: Đồ thị lượng P Tổng tại cửa xả của tiểu lưu vực 2 năm 2004 – 2005 ......... 85
Hình 5.15: Đồ thị lượng N hữu cơ tại cửa xả của tiểu lưu vực 2 2004 – 2005 ............. 85
Hình 5.16: Đồ thị biễu diễn mối tương quan giữa hàm lượng NO3 mô hình (NO3i) và
thực tế (NO3obs).............................................................................................................. 87
Hình 5.17: Đồ thị xác định độ tin cậy của mô hình đối với NO3 ................................... 88
Hình 5.18: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa thông số P Tổng mô hình (Pi) và thực
tế (Pobs)............................................................................................................................ 88
Hình 5.19: Đồ thị xác định độ tin cậy của mô hình đối với Photpho tổng..................... 89


CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong quá trình phát triển đất nước hiện nay, công nghiệp hóa – hiện đại hóa – đô
thị hóa đất nước ngày càng phát triển. Và phát triển kinh tế phải luôn đi đôi với bảo vệ
môi trường bởi vì môi trường là nơi sống, là nguồn cung cấp lương thực thực phẩm, là
nguồn dưỡng khí quan trọng cho con người và các loài động thực vật trên trái đất. Khi
mà việc công nghiệp hóa – hiện đại hóa – đô thị hóa được xác định là mang “ánh sáng
văn minh” đến cho nhân loại thì chất lượng môi trường lại đi xuống, việc thay đổi cách
thức sử dụng đất, suy thoái lưu vực, suy thoái nguồn nước là vấn đề không thể tránh
khỏi.
Trong những năm qua, sự suy thoái nguồn nước đã trở nên khá phổ biến ở các lưu
vực sông của Việt Nam, và lưu vực sông Đồng Nai cũng không phải ngoại lệ. Lưu vực

sông Đồng Nai với vai trò quan trọng, là nguồn cung cấp nước chính cho các trung
tâm kinh tế, công nghiệp, trung tâm văn hóa của cả nước nói chung và miền Nam nói
riêng như: Bình Dương, Đồng Nai, Tây Ninh, Bà Rịa – Vũng Tàu và Thành phố Hồ
Chí Minh. Đặc thù của sông Đồng Nai là rất nhiều khu công nghiệp nằm trải dọc hai
bên sông, ngoài ra diện tích nông nghiệp ở khu vực này cũng rất lớn. Cũng chính vì
đặc thù như vậy, nước thải công nghiệp chưa qua xử lí, nước thải sinh hoạt, phân bón
và thuốc trừ sâu dọc hai bên sông … là nguyên nhân chính gây ra sự suy thoái chất
lượng nước trên lưu vực. Đặc biệt, nước sông Đồng Nai sau khi qua xử lý là nguồn
nước chính cung cấp phục vụ nhu cầu ăn uống, sinh hoạt cho phần lớn dân số thành
phố Hồ Chí Minh. Chính vì vậy, chất lượng nước sông Đồng Nai là một vấn đề cấp
bách, thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học, nhiều cuộc hội thảo
khoa học diễn ra nhằm tìm ra bản chất của vấn đề để từ đó đề ra những phương pháp
giải quyết nhằm bảo vệ và phát triển bền vững, giảm thiểu suy thoái nguồn tài nguyên
nước sông Đồng Nai.
Để góp phần tìm ra những phương pháp giải quyết nêu trên, nhằm đánh giá diễn
biến chất lượng nước trên lưu vực sông Đồng Nai. Đồng thời, với mong muốn công
nghệ GIS được áp dụng rộng rãi, phổ biến hơn vào lĩnh vực quản lý môi trường, và
được sự chấp thuận của Khoa Môi Trường & Tài Nguyên – Trường Đại Học Nông


Lâm Tp.HCM, Tôi đã lựa chọn và thực hiện đề tài nghiên cứu: “Ứng dụng công nghệ
GIS & mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước lưu vực sông La Ngà”.
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Với mục tiêu của đề tài nghiên cứu là đánh giá diễn biến chất lượng nước tại lưu
vực sông La Ngà từ những thay đổi của việc sử dụng đất tại lưu vực sông La Ngà,
đoạn thuộc ranh giới Tỉnh Đồng Nai thông qua mô hình SWAT. Vì vậy, mục tiêu của
đề tài nghiên cứu được nêu ra chi tiết như sau:
1. Tìm hiểu và sử dụng các chương trình, phần mềm GIS hỗ trợ như: Arcview 3.3,

ArcGIS, ArcSWAT, MapInfo 9.5, VIZSWAT, SWATplot;
2. Tìm hiểu mô hình SWAT và khả năng ứng dụng mô hình SWAT tại Việt Nam;
3. Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT đánh giá lưu lượng dòng chảy,

chất lượng nước tại lưu vực sông La Ngà.
1.3. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Vì thời gian thực hiện có hạn nên đề tài chỉ ứng dụng công nghệ GIS và mô hình
SWAT đánh giá chất lượng nước lưu vực sông La Ngà, đoạn chảy qua địa bàn Tỉnh
Đồng Nai.
Sau quá trình chạy mô hình, bộ dữ liệu đầu ra của SWAT bao gồm rất nhiều thông
số về lưu lượng, chất lượng nước lưu vực nghiên cứu. Tuy nhiên, bộ cơ sỡ dữ liệu đầu
vào mà đề tài cung cấp cho SWAT là khá thiếu cộng với thời gian nghiên cứu khá
ngắn do đó để đánh giá được chất lượng nước cho toàn bộ lưu vực sông La Ngà là điều
không thể. Vì vậy, đề tài chỉ xem xét, đánh giá 1 số thông số về chất lượng nước lưu
vực sông La Ngà.
Đồng thời với các số liệu quan trắc chất lượng nước sông Đồng Nai thực tế (năm
2004 – 2005) mà đề tài thu thập kết hợp với bộ dữ liệu đầu ra của SWAT, đề tài chỉ
đánh giá được độ tin cậy của 1 số thông số chất lượng nước lưu vực sông La Ngà cụ
thể là 2 thông số NO3, P Tổng.


CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ (GIS)
2.1.1. Định nghĩa
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 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 Hệ thống thông tin địa lý
GIS được kết hợp bởi năm thành phần chính: phần cứng, phần mềm, dữ liệu, con
người và phương pháp, như hình 2.1dưới đây:
Dữ liệu

Phần mềm

Phần cứng

Con người

GIS

Phương pháp

Hình 2.1: Các thành phần của GIS
• Phần cứng
Phần cứng: là 1 hệ thống máy tính, có thể là máy chủ trung tâm hay các máy trạm
hoạt động độc lập hoặc liên kết mạng với nhau.
• Phần mềm
Phần mềm GIS cung cấp các chức năng và các công cụ cần thiết để lưu giữ, phân
tích và hiển thị thông tin địa lý. Các thành phần chính trong phần mềm GIS là:
- Công cụ nhập và thao tác trên các thông tin địa lý
- Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS)
- Công cụ hỗ trợ hỏi đáp, phân tích và hiển thị địa lý
- Giao diện đồ hoạ người - máy (GUI) để truy cập các công cụ dễ dàng
• Dữ liệu

Được coi là thành phần quan trọng nhất trong một hệ GIS là dữ liệu. Các dữ liệu
địa lý và dữ liệu thuộc tính liên quan có thể được người sử dụng tự tập hợp hoặc được
mua từ nhà cung cấp dữ liệu thương mại. Các nguồn dữ liệu phải cung cấp được các
thông tin mà hệ thống yêu cầu như: Tọa độ địa lý, quy mô, đặc điểm thuộc tính, các
mối quan hệ… Hệ GIS sẽ kết hợp dữ liệu không gian với các nguồn dữ liệu khác, thậm
chí có thể sử dụng DBMS để tổ chức lưu giữ và quản lý dữ liệu.
• Con người
Là thành phần quan trọng của GIS. Những người làm công tác quản lý hệ thống
thông tin địa lý cần có khả năng nhận định về tính chính xác, phạm vi suy diễn thông
tin, kết nối các mảng thông tin trong hệ thống
• Phương pháp
Một hệ thống GIS thành công còn phải nhờ vào các quy trình công việc và các bản
thiết kế vận hành chuẩn, đó là những thể chế và mẫu hình mang tính đặc trưng riêng
của từng tổ chức. Với các phương pháp phân tích sẽ giúp các nhà ra quyết định có kế
hoạch hợp lý, rõ ràng.
2.1.3. Chức năng
Một hệ GIS thường có những chức năng chính sau:
- Nhập dữ liệu: Bao gồm tất cả các khía cạnh chuyển đổi dữ liệu dạng bản đồ, quan
sát thực địa, dữ liệu từ thiết bị thám sát thành dạng số tương ứng.
- Lưu trữ (store): Dữ liệu có thể được lưu dưới dạng Vector hay Raster.
- Truy vấn (query): Người dùng có thể truy vấn thông tin đồ hoạ hiển thị trên bản
đồ.
- Phân tích (analyze): Đây là chức năng quan trọng của GIS cho phép thực hiện
phép phân tích dữ liệu không gian và dữ liệu thuộc tính nhằm hộ trợ việc ra quyết định
của người dùng. Xác định những tình huống có thể xảy ra khi bản đồ có sự thay đổi.
- Hiển thị (display): Hiển thị bản đồ
- Xuất dữ liệu (output): Hỗ trợ việc kết xuất dữ liệu địa lý dưới nhiều định dạng:
giấy in, web, ảnh, file …

2.1.4. Cơ sở dữ liệu địa lý
2.1.4.1. Thông tin địa lý


Thông tin địa lý là sự giải đáp cho câu hỏi liên quan đến những quan hệ tồn tại
đồng thời giữa những đối tượng/hiện tượng và vị trí của nó trên trái đất. Như vậy, với
một lượng lớn thông tin về các đối tượng tồn tại trên bề mặt trái đất thì việc sắp xếp,
quản lý là vấn đề không đơn giản. Để thuận tiện trong quản lý, phân tích thì các thông
tin địa lý phải được tổ chức trong một hệ cơ sở dữ liệu địa lý.
2.1.4.2. Cơ sở dữ liệu địa lý
Cơ sở dữ liệu (CSDL) là một tập hợp các tập tin có liên quan với nhau, được thiết
kế nhằm làm giảm thiểu sự lặp lại dữ liệu. Cơ sở dữ liệu địa lý bao gồm phần dữ liệu
không gian và phần dữ liệu thuộc tính.
• Dữ liệu không gian
Dữ liệu không gian là dữ liệu về đối tượng mà vị trí của nó được xác định trên bề
mặt trái đất. 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 (polygon). Các quan hệ không gian bao gồm: quan hệ giữa các đối tượng cùng
lớp, quan hệ giữa các đối tượng khác lớp. Cụ thể có các dạng quan hệ sau: quan hệ
điểm – điểm, điểm – đường, điểm – vùng, đường – đường, đường – vùng, vùng –
vùng. Hệ thống thông tin địa lí làm việc với hai dạng mô hình dữ liệu địa lý khác nhau
- mô hình vector và mô hình raster.
o 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….
- Kiểu đối tượng điểm (Points)
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.
- Kiểu đối tượng 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
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.
o 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.
• Dữ liệu thuộc tính
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).
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 (annotation).
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 lý 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.
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 lý 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 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).
Từ khi SWAT được xây dựng từ đầu thập niên 1990s, SWAT luôn được nghiên
cứu để khắc phục khuyết điểm và nâng cao tính năng làm việc, những cải tiến lớn:
− SWAT94.2: sự tổng hợp các đơn vị thủy văn (Hydrologic Response Units HRUs)
− SWAT96.2: thêm vào: những lựa chọn trong quản lý quá trình bón phân, tưới
nước; các hồ trữ nước, thành phần CO2 vào sự phát triển của cây trồng; tính toán khả

năng thoát hơi nước của Penman-Monteith; những dòng nước bên trong đất vào mô
hình động học; tính toán chất lượng nước đối với các thông số: phân bón và thuốc trừ
sâu bằng mô hình chất lượng nước sông (QUAL2E)
− SWAT98.1: thêm vào: cải tiến mô hình chất lượng nước và tan băng; mở rộng
chu trình dinh dưỡng; những ứng dụng của trồng trọt, chăn nuôi và xét đến dòng nước
mưa. SWAT98.1 đã được ứng dụng nghiên cứu trên vùng Southern Hemisphere
− SWAT99.2: cải thiện chu trình dinh dưỡng, thêm vào mô hình sự di chuyển
dinh dưỡng ở vùng hồ, vùng đầm lầy; khả năng trữ nước trên các đoạn sông; sự di


chuyển của các kim loại. Mô hình thay đổi cách biểu thị năm từ 2 chữ số sang 4 chữ
số.
− SWAT2000: thêm vào mô hình: sự vận chuyển vi sinh vật; cải tiến trạm quan
trắc thời tiết: cho phép đọc các dữ liệu bức xạ mặt trời, độ ẩm, tốc độ gió,
− SWAT2005: cải thiện mô hình sự vận chuyển vi sinh vật; thêm vào kịch bản dự
báo thời tiết, lượng mưa theo nửa ngày, thông số để tính toán chất lượng nước. Thêm
vào đó, SWAT2005 có một điểm nổi bật là giao diện chương trình khá thân thiệt với
người dùng, được phát triển trên nền Windows, GRASS và ArcView, ngôn ngữ lập
trình là Visual Basic.
2.2.2. Khái quát 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.
Thông tin đầu vào đối với mỗi tiểu lưu vực sẽ được tập hợp và phân loại thành
những nhóm chính như: khí hậu, các đơn vị thủy văn, 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.
2.2.2.1. Chu trình thủy văn nước ngầm
SWAT mô hình hóa chu trình nước dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nước
sau:
t

SWt = SWo + ∑ ( Rday − Qsurf − Ea − wseep − Qgw )
i =1

Trong đó:

(2.1)


SWt : lượng nước trong đất tại thời điểm t

(mm H2O)

SWo: lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu

(mm H2O)

t: thời gian

(ngày)

Qsurf: lượng nước luân chuyển bề mặt trong ngày

(mm H2O)

Rday: lượng nước mưa trong ngày thứ i

(mm H2O)

Ea: lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i

(mm H2O)

Wseep: lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i

(mm H2O)

Qgw : lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i

(mm H2O)

Những dữ liệu đầu vào và các quá trình liên quan đến chu trình nước trong pha đất
bao gồm:
• Khí hậu
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.
Thời tiết: mô hình sẽ tạo ra một bộ dữ liệu về thời tiết cho mỗi một tiểu lưu vực.
Những thông số ứng với một tiểu lưu vực sẽ tồn tại độc lập và không có mối quan hệ

về mặt không gian giữa các tiểu lưu vực.
Lượng mưa: SWAT sử dụng mô hình được xây dựng bởi Nicks (1974) để xác định
lượng mưa hằng ngày. Nhiệt độ: nhiệt độ lớn nhất và nhỏ nhất theo ngày trong tháng,
nhiệt độ tính theo đơn vị (oC)
• Thủy văn
Trong SWAT, thủy văn của lưu vực sẽ xem xét đến các yếu tố như: lượng nước
ngăn

cản

(Canopy

storage),

sự

thấm

hút

(Infiltration),

sự

bốc

hơi

(Evapotranspiration), dòng chảy dưới bề mặt (Lateral subsurface flow), dòng chảy bề
mặt (Surface flow).

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.


Sự thấm hút (Infiltration): là quá trình thấm hút nước từ bề mặt vào một lớp đất.
Quá trình này xảy ra làm tăng độ ẩm trong đất và làm giảm tốc độ thấm hút nước vào
đất theo thời gian. Tốc độ thấm còn phụ thuộc vào lượng nước bốc hơi qua bề mặt đất.
Quá trình thấm hút sẽ dừng lại khi đất đạt trạng thái bão hòa.
Sự bốc hơi (Evapotranspiration): là tổng quá trình, bao gồm bốc hơi của nước trong
pha lỏng (sông, suối, ao, hồ) và trong pha rắn (lớp đất tiếp xúc với không khí, bề mặt
lá cây, khối băng tuyết)
Dòng chảy dưới bề mặt (Lateral subsurface flow): là dòng chảy bắt nguồn từ lớp
dưới bề mặt nhưng nằm trên lớp đã bão hòa nước. Lateral subsurface flow nằm trong
lớp đất có độ sâu 0 – 2 m. Mô hình động học nước được sử dụng để tính toán dòng
chảy dưới bề mặt trong mỗi lớp đất.
Dòng chảy bề mặt (Surface flow): là dòng nước chảy rửa trôi trên bề mặt dốc. Từ
dữ liệu lượng mưa hằng ngày, SWAT sẽ tính toán thể tích rửa trôi và tốc độ rửa trôi
trong mỗi tiểu lưu vực. Dòng chảy bề mặt được tính toán bằng mô hình sửa đổi từ
phương pháp Curve Number (USDA Soil Conservation Service, 1972) hoặc phương
pháp Green & Ampt (1911)
• 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.
• Xói mòn (Erosion)
Sự xói mòn và bồi lắng đối với mỗi tiểu lưu vực 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


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).

Hình 2.2: Chu trình Nitơ được sử dụng trong SWAT
Chu trình Photpho

Hình 2.3: Chu trình Photpho được sử dụng trong SWAT
• Thuốc bảo vệ thực vật (Pesticides)
SWAT xem xét thuốc bảo vệ thực vật trong mỗi tiểu lưu vực 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
C hữu cơ trong đất. Thuốc bảo vệ thực vật gây hại, làm suy thoái tán lá và đất trồng.
2.2.2.2. 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.
• Dòng chảy tràn (Flood Routing)
Khi nước chảy sông ngòi, có các khả năng xảy ra:
- Nước mất đi do sự bốc hơi, do sự thấm hút qua lòng sông, do việc lấy nước tưới
tiêu phục vụ cho nông nghiệp.
- Nước thêm vào do mưa rơi trực tiếp vào sông ngòi và từ các điểm xả thải
Dòng chảy tràn được mô hình bằng phương pháp hệ số lưu trữ biến đổi (variable
storage coefficient) của Williams (1969) hoặc mô hình toán thủy văn Muskingum.
• Dòng bồi lắng (Sediment routing)
Dòng bồi lắng trong kênh được điều khiển bởi hai quá trình xảy ra đồng thời: suy
thoái đất và bồi lắng.
Những phiên bản SWAT trước sử dụng năng lượng dòng nước để mô phỏng quá
trình suy thoái đất và bồi lắng trong kênh (Arnold et al, 1995). Bagnold (1977) đã
định nghĩa năng lượng dòng nước sinh ra do tỷ trọng nước, tốc độ dòng chảy và độ
dốc mặt nước. Williams (1980) sử dụng định nghĩa của Bagnold về năng lượng dòng
nước để phát triển một phương pháp xác định sự suy thoái đất thông qua hàm số của
các biến: độ dốc kênh và tốc độ dòng chảy.
• Dòng dinh dưỡng (Nutrient routing)
Sự di chuyển dinh dưỡng trong sông được xác định bằng mô hình chất lượng nước
trong sông đó, QUAL2E (Brown and Barnwell, 1987). Mô hình xác định dinh dưỡng
hòa tan trong nước sông và dinh dưỡng bị hấp phụ vào vào bùn lắng ở đáy sông
• Dòng thuốc trừ sâu trong kênh (Channel pesticide routing)
Trong khi số lượng thuốc trừ sâu được sử dụng trong mỗi đơn vị thủy văn là không
giới hạn, nhưng để làm giảm tính phức tạp của quá trình mô hình thì chỉ chọn một loại.
Tương tự như dinh dưỡng, thuốc trừ sâu cũng tồn tại ở hai dạng là hòa tan trong nước

và bị hấp phụ vào bùn lắng.
2.2.3. Một số khái niệm trong SWAT
2.2.3.1. Khái niệm lưu vực (Watershed, River basin, Catchment)


Brooks et al. (1992) đã mô tả lưu vực là một khu vực đất được phân chia dựa vào
địa hình trên cơ sở của đường phân thủy (Rainwater bourdary) để lượng mưa có thể
chảy được thông qua hệ thống sông với điểm cuối của lưu vực được gọi là outlet, tại
đây có thể xây dựng đập (Dam) nhằm phục vụ cho tưới tiêu, thủy lợi trong nông
nghiệp (irrigation) hoặc cung cấp nước cho sinh hoạt (Domestic water supply) hay các
thủy điện (Hydropower electric) hoặc điểm cuối của lưu vực này sẽ là điểm đầu của
lưu vực khác. Nơi đây có thể đổ ra lưu vực lớn hơn, ra hồ hoặc đổ thẳng ra biển. Lưu
vực là một hệ thống rất lớn trên mặt đất, những khu vực gần nhau được chia cách bởi
các đường phân thủy.
Lưu vực là một hệ thống độc lập rất phức tạp gồm những thành phần hữu sinh và
vô sinh, thường được kết nối với các hệ sinh thái khác nhau. Lưu vực không nhất thiết
là một vùng cao (Upland) hay vùng địa hình núi, nó có thể tồn tại ở vùng đồng bằng
(Lowland). Trong khu vực có thể tồn tại khu dân cư (Residential), thương mại
(Commercial), công nghiệp (Industrial), nông nghiệp (Agriculture), giáo dục
(Educational).
Bước đầu tiên để thiết lập lưu vực nghiên cứu, cần phải chia nhỏ lưu vực thành
những lưu vực đơn vị hay còn gọi là tiểu lưu vực. SWAT cho phép định nghĩa các tiểu
lưu vực nằm trong biên giới của lưu vực nghiên cứu.

Hình 2.4: Lưu vực
Nguồn: />2.2.3.2. Tiểu lưu vực (Subbasin)