Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên phần mềm swat áp dụng cho lưu vực sông đuống

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

Phạm Minh Tân

Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên
phần mềm Swat áp dụng cho lưu vực sông đuống

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Công nghệ môi trường

Hà Nội – 2006


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-----------------------

Phạm Minh Tân

Xem xét một công cụ quản lý môi trường dựa trên
phần mềm Swat áp dụng cho lưu vực sông đuống

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Công nghệ môi trường
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRỊNH THÀNH

Hà Nội - 2006

MỞ ĐẦU
Chương 1- Tổng quan về vấn đề quản lý lưu vực
1.1. Khái niệm lưu vực và quản lý lưu vực
1.1.1. Lưu vực
1.1.2. Quản lý lưu vực
1.2. Vấn đề quản lý lưu vực trên thế giới
1.3. Tình hình quản lý lưu vực tại Việt Nam
1.4. Công cụ mô hình hóa trong đánh giá quá trình quản lý lưu vực
sông
1.5. Lịch sử phát triển của SWAT
Chương 2-Cơ sở lý thuyết của mô hình
2.1. Khí hậu
2.1.1. Nhiệt độ và bức xạ mặt trời
2.1.2. Độ ẩm tương đối
2.1.3. Lượng mưa
2.1.4. Tốc độ gió
2.1.5. Nhiệt độ đất
2.1.6. Nhiệt độ nước
2.2. Thuỷ văn
2.2.1. Sự lưu lại trên tán
2.2.2. Sự thấm qua
2.2.3. Sự bay hơi

1
1
1
1
2
5

7
12
18
19
19
20
23
24
24
25
26
27
27
28

2.2.3.1. Sự bay hơi tiềm năng

28

2.2.3.2. Sự bay hơi thực tế

29

2.2.4. Sự tái phân phối

31

2.2.5. Lớp phủ thực vật

35

2.2.6. Quá trình xói mòn

36

2.2.7. Quá trình dinh dưỡng trong đất

37

a. Nitơ

37

b. Photpho

38

2.2.8. Sự di chuyển của thuốc bảo vệ thực vật

39


2.3. Hoạt động quản lý

40

2.4. Pha di chuyển của chu trình thuỷ văn

41

2.4.1. Sự di chuyển trong kênh chính

41

2.4.2. Sự di chuyển trong hồ chứa

45

Chương 3- Quá trình xử lý dữ liệu của chương trình

48

3.1. Chuẩn bị các dữ liệu bản đồ cho phần mềm

50

3.1.1. Những chuyên đề bản đồ ArcView

50

3.1.2. Những chủ đề bản đồ ArcView lựa chọn

51

3.2. Quá trình vận hành của phần mềm SWAT
3.2.1. Dữ liệu đầu vào

52
52

3.2.1.1. Hình dạng lưu vực

52

3.2.1.2. Quản lý sự mô phỏng

54

3.2.1.3. Thuộc tính chung của lưu vực sông

54

3.2.2. Những tập tin xuất quan trọng
Chương 4- Một số kết quả ứng dụng SWAT cho lưu vực sông Đuống

61
64

4.1. Mô tả lưu vực nghiên cứu

66

4.2. Xử lý số liệu và phương pháp áp dụng để mô phỏng

68

4.3. Lựa chọn các phương pháp tính toán

69

4.4. Kết quả

71

4.4.1. Kiểm định kết quả của mô hình

71

4.4.2. Dự báo đối với lưu vực

73

4.4.3. Mở rộng khả năng ứng dụng của chương trình

75


KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

83


MỞ ĐẦU
Nước là một tài nguyên thiết yếu và quan trọng nhất của lưu vực sông.
Việc sử dụng nước có mối liên quan mật thiết với sử dụng đất và ảnh hưởng
đến hệ sinh thái lưu vực nên quản lý nước theo lưu vực sông sẽ giúp cho
việc sử dụng và bảo vệ tốt hơn tài nguyên đất và môi trường lưu vực, quản
lý và giảm nhẹ các tác động tiêu cực của các hoạt động phát triển kinh tế xã
hội của con người tới tài nguyên và môi trường sống.
Quản lý lưu vực sông là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều nước

trên thế giới trong nửa cuối thế kỷ 20 và phát triển mạnh trong vài thập kỷ
gần đây nhằm đối phó với những thách thức về sự khan hiếm nước, sự gia
tăng tình trạng ô nhiễm và suy thoái các nguồn tài nguyên và môi trường của
lưu vực sông.
Để thực hiện việc quản lý lưu vực sông phục vụ mục đích phát triển
bền vững, một loạt các công cụ quản lý đã được áp dụng như luật pháp,
những giải pháp về khoa học kỹ thuật,... nhằm làm giảm thiểu những tác
động của hoạt động sản xuất tới môi trường lưu vực. Trong các công cụ đó,
thì công cụ đánh giá và dự báo chất lượng môi trường dài hạn với những
kịch bản phát triển khác nhau là một khâu rất quan trọng. Và đây cũng là
một công đoạn chưa được các cơ quan quản lý Việt Nam quan tâm nhiều.
Trong các công cụ sử dụng để dự báo môi trường tại lưu vực sông, thì
SWAT nổi lên là một chương trình đánh giá tổng hợp môi trường lưu vực
sông(cả đất và nước) với một bộ dữ liệu đầu vào tối thiểu. Khi được sử
dụng, thì SWAT cho một bức tranh khái quát về chất lượng môi trường lưu
vực trong thời gian dài hạn với các kịch bản phát triển khác nhau. Vì vậy, nó
đã ngày càng được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới và Cục Môi trường


Hoa Kỳ(EPA) đã coi đó là một chương trình tiêu chẩn để đánh giá chất
lượng môi trường lưu vực sông.
Với mục đích nghiên cứu chương trình SWAT, cũng như thử áp dụng
kiểm nghiệm tính tương hợp của chương trình đối với điều kiện Việt Nam
nên luận văn được trình bày trong 4 chương chính:
- Chương 1- Tổng quan về quản lý lưu vực
- Chương 2- Cơ sở lý thuyết của mô hình
- Chương 3- Quá trình xử lý dữ liệu của chương trình
- Chương 4- Một số kết quả ứng dụng SWAT cho lưu vực sông
Đuống.
- Kết luận và kiến nghị

1

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ QUẢN LÝ LƯU VỰC
1.1. Khái niệm lưu vực và quản lý lưu vực
Những khái niệm về “lưu vực” và “quản lý lưu vực” được xem
xét và đưa ra ở đây nhằm thiết lập một cơ sở chung liên quan tới sự bố trí địa
lý và những hoạt động có thể diễn ra được bao hàm trong quản lý lưu vực.
1.1.1. Lưu vực
Lưu vực sông là một khu vực địa lý mà trong đó có một dòng sông
hay mạng lưới sông và dòng chảy chảy qua, và điểm kết thúc của nó là sông
lớn hơn, hồ, đại dương.[10]
Khi nói tới lưu vực là xét tới toàn bộ lưu vực sông, cả đất và nước,
việc cấp vào lòng sông cũng như những dòng chảy ra khỏi sông và những
nhánh phụ của chúng. Một tiểu lưu vực trong một lưu vực sông được cấp bởi
những phụ lưu riêng lẻ chảy tới sông chính.
1.1.2. Quản lý lưu vực
Quản lý lưu vực sông là một vấn đề đã được thực hiện ở nhiều nước
trên thế giới trong nửa cuối thế kỷ 20 và phát triển mạnh trong vài thập kỷ
gần đây nhằm đối phó với những thách thức về sự khan hiếm nước, sự gia
tăng tình trạng ô nhiễm và suy thoái các nguồn tài nguyên và môi trường của
các lưu vực sông. Hiện nay, trên thế giới có hàng trăm tổ chức quản lý lưu
vực sông được thành lập để quản lý tổng hợp và thống nhất tài nguyên nước,
đất và các tài nguyên liên quan khác trên lưu vực sông, tối đa hoá lợi ích
kinh tế và phúc lợi xã hội một cách công bằng nhưng không làm tổn hại đến
tính bền vững của hệ thống môi trường trọng yếu của lưu vực, duy trì các
điều kiện môi trường sống lâu bền cho con người. Ví dụ, như Uỷ hội lưu vực

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


2

sông Mêkông quản lý tổng hợp nguồn tài nguyên của lưu vực sông trải dài
trên nhiều quốc gia.
Quản lý lưu vực là một quá trình quản lý những hoạt động của con
người trong một khu vực được xác định bởi ranh giới lưu vực để bảo vệ và
phục hồi đất và nước, và mối liên hệ của những tài nguyên dưới nước và trên
cạn với sự nhận biết những lợi ích của sự tăng trưởng và phát triển có kế
hoạch. Mục đích của quản lý lưu vực là quản lý hoạt động phát triển có xem
xét tới tình trạng môi trường, xã hội và kinh tế của một khu vực trên một cơ
sở bền vững.
Quản lý lưu vực là một công cụ trợ giúp để đưa ra những quyết định
về sử dụng đất và nước. Có 4 giai đoạn:
- Nhận diện vấn đề và thu thập dữ liệu.
- Phân tích và lập kế hoạch
- Thực thi.
- Quan trắc.
1.2. Vấn đề quản lý lưu vực trên thế giới [2]
Hiện nay việc đổi mới thể chế trong quản lý lưu vực sông (QLLVS) ở
các nước phát triển và đang phát triển thường tập trung vào 2 việc: thành lập
các tổ chức quản lý ở cấp lưu vực, và đổi mới các hoạt động liên quan đến
quản lý nước ở lưu vực sông như là xây dựng cơ chế phối hợp, đổi mới pháp
chế, thiết kế lại các công cụ kinh tế trong chính sách nước (như giá nước,
thuế, trợ cấp), thiết kế lại các tổ chức kinh tế.
Trên thế giới đã có hàng các tổ chức lưu vực sông (TCLVS) được
thành lập. Các tổ chức này có cơ cấu tổ chức và chức năng không hoàn toàn

giống nhau tuỳ thuộc vào mỗi nước và điều kiện các lưu vực sông. Sự khác
nhau thường tập trung vào các điểm chính: Hình thức tổ chức, chức năng,
mức độ tham gia trong quản lý nước của TCLVS, phương thức hoạt động,
Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


3

cơ chế tài chính. Tuy có sự đa dạng trong các mô hình tở chức quản lý lưu
vực sông, nhưng có thể quy về 3 hình thức phổ biến sau:
a. Cơ quan thuỷ vụ lưu vực sông
Đây là hình thức TCLVS có đầy đủ quyền hạn và phạm vi quản lý lớn
nhất. Ví dụ, Cơ quan thuỷ vụ thung lũng Tennessce ở Mỹ và cơ quan thuỷ
vụ Núi tuyết ở Australia,.... Đây là những tổ chức liên ngành lớn, tiếp nhận
hầu hết các chức năng của các cơ quan hiện hữu, trong đó bao gồm tất cả
chức năng điều hành và quản lý nước. Hình thức này có thể áp dụng đối với
những lưu vực có nhiệm vụ phát triển lớn.
b. Ủy hội lưu vực sông
Là mô hình thấp hơn cơ quan thuỷ vụ lưu vực sông về quyền hạn cũng
như sức mạnh của tổ chức và ảnh hưởng của nó trong quản lý lưu vực sông.
Một Ủy hội lưu vực sông thường bao gồm:
- Một “Hội đồng quản lý” đại diện cho tất cả các bên quan tâm.
- Một “Văn phòng kỹ thuật” chuyên sâu hỗ trợ Ủy hội lưu vực sông
liên quan chủ yếu đến xây dựng chính sách, lập quy hoạch phát triển lưu
vực, xây dựng thủ tục và kiểm soát sử dụng nước. Nó có thể điều chỉnh các
vấn đề sử dụng nước liên quan đến nhiều tỉnh, thông qua các chính sách liên
quan đến nước của lưu vực sông, xây dựng các cơ sở dữ liệu, thông tin và
mô hình phù hợp về các vấn đề quản lý trên quy mô toàn lưu vực.

Một số Ủy hội lưu vực sông nắm cả chức năng vận hành (có thể cả
đầu tư) đối với những công trình lớn, còn hầu hết vận hành và quản lý hàng
ngày các công trình và hệ thống cung cấp dịch vụ nước là công việc của các
tỉnh nằm trong lưu vực.
Một Ủy hội như vậy có thể giám sát việc thực hiện các chiến lược,
vận hành quản lý các công trình thuỷ lợi, thuỷ điện chủ chốt.

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


4

Tuy nhiên, trong thực tế Ủy hội thường uỷ quyền làm việc cho các tổ
chức khác thông qua các thoả thuận hay hợp đồng vận hành. Ví dụ về loại tổ
chức này như là Ủy hội sông Mary-Darling của Australia, Ủy hội sông
Mêkông,...
c. Hội đồng lưu vực sông
Đây là mô hình yếu hoặc có ít quyền lực nhất hiện nay. Hội đồng lưu
vực sông hoạt động chỉ như là một diễn đàn mà tại đó chính quyền liên
bang, các tiểu bang, cũng như đại diện các hộ dùng nước chia sẻ trách nhiệm
phân phối nước, thúc đẩy toàn diện quản lý nước tại cấp lưu vực. Các hội
đồng lưu vực sông thường hoạt động theo nguyên tắc đồng thuận.
Nói chung, hình thức này có vai trò giới hạn trong quy hoạch dài hạn,
điều phối các vấn đề chính sách và chiến lược cấp cao, không có vai trò vận
hành hoặc quản lý hàng ngày. Ví dụ, Hội đồng lưu vực sông Lerma-Chapala
được thành lập năm 1993 của Mexico,...
Tổ chức lưu vực sông có phạm vi xem xét và giải quyết của quản lý
nước là trên toàn bộ lưu vực sông, trong đó chức năng của quản lý nước có

thể bao gồm hai loại, đó là:
- Đề ra các tiêu chuẩn, kiểu tra, điều hành các tổ chức chịu trách
nhiệm quản lý vận hành các công trình khai thác sử dụng nước, quản lý.
- Điều hành về tài nguyên nước trên toàn bộ lưu vực sông.
Các TCLVS tập trung vào việc xây dựng và phát triển các chiến lược,
chính sách, phân chia và điều phối sử dụng nước trong phạm vi lưu vực
sông. Việc trực tiếp quản lý vận hành các công trình cụ thể được hệ thống
quản lý nước theo địa giới hành chính đảm nhiệm.
1.3. Tình hình quản lý lưu vực tại Việt Nam
1.3.1. Phân cấp quản lý lưu vực

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


5

Cũng như các nước đang phát triển khác, hiện tại Việt nam đang quản
lý nước theo phương thức truyền thống tức là quản lý theo địa giới hành
chính. Điều 58 của Luật Tài nguyên nước đã giao nhiệm vụ quản lý nước
thuộc trách nhiệm của bộ máy hành chính các cấp từ trung ương đến địa
phương mà chịu trách nhiệm chính là Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông
thôn (NN & PTNT). Tuy nhiên, vấn đề môi trường của một lưu vực sông lại
không phụ thuộc vào địa giới hành chính và để có thể đánh giá chất lượng
môi trường lưu vực trong khoảng thời gian dài hạn cung cấp bức tranh về
chất lượng môi trường lưu vực cho các cơ quan quản lý thì việc quản lý môi
trường theo lưu vực là một xu hướng tất yếu.
Tuy nhiên, với xu hướng hội nhập về kinh tế cũng như khoa học kỹ
thuật hiện nay thì việc áp dụng những phương thức quản lý lưu vực cho sự

phát triển bền vững mà thế giới đang áp dụng là cần thiết. Để có được những
quyết định hợp lý về quản lý cho một lưu vực sông thì việc áp dụng những
công cụ đánh giá, dự báo các kịch bản về môi trường đối với mỗi hành vi
quản lý là cần thiết.
1.3.2. Công cụ đánh giá các hoạt động quản lý lên chất lượng lưu vực
sông
Để có thể mô phỏng nhằm đánh giá những tác động dài hạn của các
hoạt động sản xuất và quản lý diễn ra trên lưu vực sông yêu cầu một số
lượng lớn cơ sở dữ liệu về quan trắc trong một thời gian dài và bao gồm
nhiều lĩnh vực liên quan. Nhưng hiện nay, do hạn chế về những cơ sở dữ
liệu quan trắc nên quá trình đánh giá những ảnh hưởng của những hoạt động
quản lý đối với lưu vực hiện nay:

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


6

- Hiện chỉ sử dụng những mô hình đơn lẻ về đánh giá chất lượng nước
các lưu vực là chính. Trong đó chỉ quan tâm đến một số thông số đơn lẻ của
chất lượng nước.
- Chưa có mạng lưới quan trắc liên tục và dài hạn trên các lưu vực
sông. Do đó, việc thành lập một cơ sở dữ liệu đủ lớn cho các quá trình dự
báo, mô phỏng để đưa ra được những quyết định về quản lý cũng như quy
hoạch là chưa được áp dụng.
- Chưa sử dụng rộng rãi những mô hình đánh giá, dự báo tác động
tổng hợp của những hoạt động quản lý, sản xuất diễn ra trên lưu vực tới chất
lượng môi trường lưu vực sông mang tính tổng hợp và dài hạn.

Với thực trạng trên cộng với đặc điểm của phần mềm SWAT là có thể
mô phỏng các quá trình vật lý cũng như hoá học cho nhiều loại lưu vực sông
khác nhau, với nhiều cấp độ khác nhau và đặc biệt là phần mềm cho phép
mô phỏng với một bộ số liệu quan trắc tối thiểu. Do đó, việc áp dụng
chương trình SWAT để mô phỏng nhằm đưa ra những dự báo dài hạn về
chất lượng môi trường của lưu vực sông phục vụ cho quá trình quản lý là có
thể được.

1.4. Công cụ mô hình hóa trong đánh giá quá trình quản lý lưu vực
sông[10,22,23]
Trong quá trình quản lý lưu vực thì việc tiến hành quan trắc và đánh
giá chất lượng môi trường là một công tác được tiến hành thường xuyên
định kỳ. Trong công tác đánh giá thì việc sử dụng công cụ mô hình để mô
phỏng các quá trình vật lý, hoá học cũng như sinh học trong lưu vực nhằm

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


7

đưa ra những dự báo trong thời gian ngắn hạn cũng như dài hạn là một trong
những công cụ hữu ích.
Mặt khác, ngày nay, mô hình hóa đã trở nên hoạt động phổ biến trong
hầu hết mọi lĩnh vực nói chung, và phân tích chất lượng nước và lập kế
hoạch cho công tác quản lý lưu vực nói riêng. Giá trị cơ bản của bất cứ loại
mô hình nào bao gồm hai phần: thứ nhất là hiểu và mô phỏng lại cách thức
làm việc của hệ thống được mô hình, và tiếp theo là dự báo hệ thống sẽ phản
ứng như thế nào với những điều kiện hoặc và hoạt động khác trong tương

lai. Trong một lưu vực sông, chất lượng nước tại bất kỳ vị trí nào được quyết
định theo sự phân bố thực từ tất cả những nguồn điểm và nguồn diện. Một
hoặc nhiều hoạt động trên lưu vực sông có thể đòi hỏi đánh giá ảnh hưởng
thực. Do vậy, sự tin cậy trực quan, kinh nghiệm nghề nghiệp hay những kỹ
thuật phân tích được đơn giản hoá là một biện pháp không thích hợp cho
việc đưa ra những quyết định quản lý để có thể có những kết quả tốt về kinh
tế và môi trường. Sự cần thiết để xem xét đầy đủ những quá trình quyết định
sự tồn tại và di chuyển của những chất trong nước đã được phát triển thành
thuật ngữ phổ biến “Phân tích chất lượng nước toàn diện”. Sự phân tích toàn
diện đó sẽ không thể đạt được kết quả nếu không sử dụng những mô hình
toán học tổng quát và các chương trình tính toán mô phỏng. [9]
Do khả năng dự báo trước những điều kiện của tương lai nên công cụ
mô hình là rất hữu ích cho phác thảo những chiến lược và những thước đo
quản lý khác nhau. Vì vậy, mô hình hóa là một công cụ trợ giúp trọng việc
lựa chọn những hoạt động quản lý mong muốn.
Bên cạnh đó, để thuận tiện cho việc áp dụng các mô hình trong quá
trình tính toán, mô phỏng người ta thường đóng gói các mô hình trong các
phần mềm chuyên dụng. Tên của các phần mềm thường trùng với tên của
các mô hình chứa đựng trong nó.
Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


8

Sự đa dạng của những phần mềm hiện hữu giúp đánh giá những quan
hệ lợi ích của những hoạt động kết hợp tại phạm vi và mức độ lưu vực sông.
Dù sao, nắm rõ những hạn chế của mô hình và những sự giả định là cần thiết
cho sự giải thích phù hợp cho những kết quả của mô hình. Điều quan trọng

là những phần mềm có được giá trị thoả đáng và độc lập với việc phân loại
tình huống. Sau đây là một số phần mềm đã được đánh giá cho một phạm vi
thay đổi rộng của những điều kiện sản xuất nông nghiệp và đã được xem là
thích hợp cho việc mô phỏng tác động của các hoạt động quản lý sản xuất ở
quy mô trang trại hay cánh đồng.
a. GLEAMS-

Groundwater Loading Effects of Agricultural

Management Systems- (Knisel và cộng sự, 1991) mô phỏng những tác động
của những hoạt động quản lý và những lựa chọn tưới tiêu bên lề của dòng
chảy mặt của cánh đồng, trầm tích và sự hoà tan cũng như gắn vào trầm tích
của nitơ, photpho và thuốc trừ sâu. Mô hình được sử dụng để dự báo sự di
chuyển của thuốc trừ sâu (Zacharias và cộng sự, 1992) và dinh dưỡng và
trầm tích từ những sự kết hợp khác nhau của sử dụng đất và quản lý (Knisel
và Leonard, 1989; Smith và cộng sự, 1991).
b. EPIC- Erosion-Productivity Impact Calculator- (Sharpley và
Williams, 1990) mô phỏng ảnh hưởng của những chiến lược quản lý lên chất
lượng nước đồng ruộng và nitrat và thuốc trừ sâu thấm tới đáy của phẫu diện
đất. Mô hình EPIC đã được sử dụng để đánh giá những hoạt động quản lý
đất trồng trọt khác nhau (Sugiharto và cộng sự, 1994; Edward và cộng sự,
1994).
c. NLEAP (Follet và cộng sự, 1991) đánh giá tiềm năng của nitrat
thấm qua do việc sử dụng đất và những hoạt động quản lý. Mô hình NLEAP
đã được sử dụng để dự báo tiềm năng thấm qua của nitơ dưới những kịch
bản quản lý khác nhau (Wylie và cộngs sự, 1994; Wylie và cộng sự, 1995).
Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005

9

d. PRZM- Pesticide Root Zone Model- (Mullens và cộng sự, 1993)
mô phỏng sự di chuyển của thuốc trừ sâu trong những đất trồng không bão
hoà trong và ngay bên dưới khu vực rễ cây. PRZM đã được sử dụng dưới
những điều kiện khác nhau để đánh giá thuốc trừ sâu thấm quan dưới những
đồng ruộng(Zacharias và cộng sự, 1992; Smith và cộng sự, 1991).
e. DRAINMOD (Skaggs, 1980) đã được sử dụng để dự báo những sự
suy giảm ô nhiễm liên quan tới những kịch bản quản lý thoat nước khác
nhau (Deal và cộng sự, 1986).
f. REMM (Mô hình quản lý hệ sinh thái ven sông) là một mô hình mô
phỏng máy tính sử dụng để mô phỏng thuỷ văn, động lực chất dinh dưỡng
và sự phát triển của cây tròng cho những khu vực đất giữa gờ cạnh của đồng
ruộng và thân nước. Kết quả của REMM cho phép những người thiết kế phát
triển những hệ đệm giúp cho việc kiểm soát nguồn ô nhiễm diện.
g. NTRM (Shaffer và Larson, 1985) mô phỏng tác động của xói mòn
đất lên năng suất dài hạn và ngắn hạn của đất trồng, và trợ giúp đánh giá
những hoạt động quản lý đất hiện tại và dự định trong những khu vực nghiên
cứu xói mòn, sự màu mỡ của đất, tưới tiêu, phần cặn bã của mùa vụ, và sự
làm đất.
Những mô hình có thể được sử dụng hoặc phân tích khu vực nông
nghiệp hoặc quy mô lưu vực sông nhỏ.
a. WEPP (Flanagan và Nearing, 1995) mô phỏng dòng chảy của nước,
xói mòn, và trầm tích sinh ra từ những cánh đồng hoặc lưu vực nhỏ. Mô
hình WEPP được áp dụng với những điều kiện quản lý và sử dụng đất khác
nhau (Tiscareno-Lopez và cộng sự, 1993; Liu và cộng sự, 1997).
b. SWAT – Soil and Water Asessment Tool(được kết hợp với
SWRRBWQ) (Arnold và cộng sự, 1990) mô phỏng ảnh hưởng của những
hoạt động của quản lý nông nghiệp như luân canh, sự bảo tồn đất canh tác,

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


10

chất cặn bã, dinh dưỡng, quản lý thuốc trừ sâu; và tăng cường những phương
pháp áp dụng chất thải động vật đối với chất lượng nước. Phần mềm
SWRRB đã được sử dụng đối với một vài lưu vực sông để đánh giá những
hoạt động quản lý và để kiểm tra tính hợp lý của nó (Arnold và Williams,
1987; Binger và cộng sự, 1987).
c. AnnAGNPS- Annual Agricultural Non-Point Source- (Cronshey và
Theurer, 1998) là mô hình phân phối không gian để ước tính dòng ô nhiễm
từ những lưu vực nông nghiệp. Phần mềm AnnAGNPS đã được áp dụng với
nhiều lĩnh vực và loại lưu vực sông để ước tính dòng ô nhiễm từ những hoạt
động quản lý và sử dụng đất khác nhau (Bosch và cộng sự, 1998; Line và
cộng sự, 1997; Young và những người khác, 1994; Sugiharto và cộng sự,
1994; Bingner và cộng sự, 1987).
d. ANSWERS- Areal Nonpoint Source Watershed Environment
Response Simulation (Beasley và cộng sự, 1980) là phần mềm phân phối lưu
vực theo không gian. Về cơ bản mô hình là dòng chảy và mô hình trầm tích
khi những quá trình dinh dưỡng đất không được mô phỏng. Phần mềm
ANSWERS đã được ứng dụng cho những khu vực đồng ruộng có kích thước
nhỏ với những hoạt động quản lý khác nhau (Griffin và cộng sự, 1988;
Bingner và cộng sự, 1987).
e. BASINS- Better Assessment Science Integrating Point and Nonpoint
Sources- EPA, 2001- là một chương trình trên nền GIS thân thiện với người

sử dụng bao gồm vài mô hình có khả năng mô phỏng lưu vực sông nạp và

nhận những tác động của nước ở những mức độ phức tạp khác nhau. Phiên
bản mới của BASINS cho phép chia những lưu vực sông lớn thành những
đoạn lưu vực sông nhỏ hơn sử dụng công cụ phác hoạ tự động hay công cụ
phác hoạ thủ công. BASINS 3.0 bao gồm 3 chương trình mô phỏng lưu vực
sông.
Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


11

- HSPF (Hydrological Simulation Program- Fortran) được cung cấp
bởi một giao diện cửa sổ mới làm cho nó dễ dàng hơn trong việc vận hành
mô phỏng lưu vực ở những khu vực thành thị và nông thôn.
- SWAT(Soil and Water Assessment Tool)- Mô hình lưu vực nông
thôn, còn được gọi là Công cụ đánh giá nước và đất, được phòng dịch vụ
nghiên cứu nông nghiệp Hoa Kỳ phát triển. Nó được dự đoán trước là mô
hình này sẽ được sử dụng rộng rãi tại những lưu vực sông có phát triển nông
nghiệp.
- PLOAD, là mô hình rất đơn giản, thích hợp nhất cho những phân
tích thử nghiệm.
Ngoài ra, còn có một mô hình mới là GenScn cho phép người sử dụng
quản lý, trực quan, phân tích, và so sánh các kết quả của vài sự mô phỏng
của HSPF và SWAT (www.epa.gov/ost/basins ).
Những mô hình này có thể là những công cụ hữu ích cho dự kiến việc
thực thi thước đo quản lý để đạt được những mục tiêu chất lượng nước,
nhưng những giới hạn của mô hình và sự giải thích thoả đáng kết quả mô
hình nên được hiểu đầy đủ trước khi đưa ra những quyết định thực thi.
Mỗi một loại chương trình ở trên đều có những ưu và nhược điểm

riêng của mình. Việc lựa chọn áp dụng chương trình được dựa chủ yếu vào
mục đích cũng như đối tượng sử dụng.
Đối với mục đích để đánh giá tác động của những hoạt động quản lý
và sản xuất tới chất lượng nước và đất của một lưu vực sông trong một
khoảng thời gian dài thì SWAT là một công cụ hữu hiệu. Do được kết hợp
bởi nhiều chương trình tính toán về các quá trình khí tượng, các quá trình
vận chuyển vật lý cũng như các quá trình hoá học diễn ra trên lưu vực sông.
Ngoài ra, việc áp dụng phần mềm SWAT cũng khá linh hoạt và phù hợp với

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


12

nhiều điều kiện hoàn cảnh khác nhau nên việc sử dụng phần mềm này đang
trở nên phổ biến ở nhiều nước trên thế giới.
1.5. Lịch sử phát triển của SWAT
SWAT kết hợp những đặc điểm của vài chương trình ARS
(Agricultural Research Service) và là sự phát triển trực tiếp của chương trình
SWRRB(Simulator for Water Resources in Rural Basins). Những chương
trình riêng được phát triển đặc biệt của SWAT là CREAMS(Chemicals,
Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems)(Knisel,
1980),

GLEAMS(Groundwater

Loading

Effects

on

Agricultural

Management Systems)(Leona và cộng sự, 1987), và EPIC(ErosionProductivity Impact Calculator)(Williams và cộng sự, 1984).
Sự phát triển của SWRRB bắt đầu với việc biến đổi của mô hình thuỷ
văn của lượng mưa hàng ngày của CREAMS. Những sự thay đổi chính của
mô hình CREAMS là:
- Mô hình được mở rộng cho phép tính toán mô phỏng trên nhiều tiểu
lưu vực nhằm dự báo lượng nước sinh ra.
- Thêm vào dòng nước mặt và dòng trở lại (return flow).
- Thêm vào thành phần hồ chứa nhằm tính toán ảnh hưởng của ao, hồ
chứa nước cho nông nghiệp đối với việc phát sinh nước và trầm tích.
- Kết hợp các dữ liệu của lượng mưa, bức xạ mặt trời, và nhiệt độ voà
mô hình mô phỏng khí hậu nhằm thuận tiện cho việc mô phỏng dài hạn và
cung cấp những mô phỏng khí tượng về không gian và thời gian.
- Nâng cao phương pháp dự báo tốc độ dòng chảy đỉnh
- Mô hình của sự phát triển mùa vụ EPIC được bổ sung nhằm tính
toán sự thay đổi hàng năm trong tăng trưởng.
- Bổ sung thành phần đường đi đơn giản của lũ.

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


13

- Bổ sung những thành phần vận chuyển trầm tích để mô phỏng sự
vận chuyển của trầm tích qua ao, hồ, dòng chảy và thung lũng.
- Kết hợp với sự tính toán tổn thất trong quá trình vận chuyển.
Mô hình được sử dụng chủ yếu vào những năm 1980 để đánh giá chất lượng
nước và sự phát triển của SWRRB đã phản ánh tầm quan trọng này. Những
sự thay đổi đáng kể của SWRRB trong thời gian này bao gồm:
- Sự kết hợp thành phần phân huỷ thuốc trừ sâu trong GLEAMS.
- Lựa chọn công nghệ SCS ước tính tốc độ dòng chảy đỉnh.
- Phát triển các phương trình mới cho việc phát sinh trầm tích.
Những sự thay đổi này mở rộng khả năng của mô hình nhằm giải
quyết một sự thay đổi rộng trong những vấn đề quản lý lưu vực.
Cuối những năm 1980, Vụ những vấn đề người da đỏ(Bureau of
Indian Affairs) yêu cầu một mô hình ước tính tác động xuôi dòng của việc
quản lý nước trong những khu vực đất của người da đỏ ở Arizona và New
Mexico. Trong khi SWRRB chỉ thích hợp cho những lưu vực có kích thước
vài trăm kilomet vuông, Vụ này muốn mô phỏng dòng chảy cho lưu vực mở
rộng tới vài nghìn kilomet vuông. Với một khu vực được mở rộng, lưu vực
nghiên cứu cần được chia nhỏ ra thành vài trăm tiểu lưu vực. Sự phân chia
lưu vực trong SWRRB bị giới hạn trong 10 tiểu lưu vực và mô hình được đi
của nước và vận chuyển trầm tích ra khỏi các tiểu lưu vực một cách trực tiếp
tới cửa thoát nước của lưu vực sông. Những hạn chế này dẫn tới việc phát
triển của một mô hình ROTO(Routing Outputs to Outlet)(Arnold và cộng
sự,1985), mô hình đã đem nguồn ra từ những sự vận hành của SWRRB và
vận chuyển những dòng chảy thông qua các kênh và hồ chứa. ROTO cung
cấp một phương pháp tiếp cận đường đi của dòng chảy và khắc phục sự giới
hạn các tiểu lưu vực của SWRRB bằng cách liên kết những sự hoạt động
đồng thời của nhiều SWRRB. Mặc dù sự tiếp cận này có hiệu quả, những
Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005

14

file đầu vào và đầu ra của SWRRB cồng kềnh và yêu cầu trữ lượng tính toán
lớn. Thêm vào đó, tất cả những vận hành của SWRRB phải được tiến hành
độc lấp và sau đó đưa vào ROTO đối với đường đi trong kênh và hồ chứa.
Để khắc phục khó khăn này, SWRRB và ROTO được kết hợp thành một mô
hình duy nhất là SWAT. Trong khi cho phép những sự mô phỏng của những
khu vực mở rộng, SWAT giữ lại tất cả những đặc tính của SWRRB như mô
hình mô phỏng giá trị.
Kể từ khi SWAT được sáng lập vào đầu những năm 90, nó đã liên tục
trải qua những kiểm nghiệm và mở rộng tính năng. Những giai đoạn phát
triển quan trọng của mô hình gồm:
 SWAT94.2: Kết hợp thêm nhiều đơn vị phản ứng thuỷ văn (HRUs).
 SWAT96.2: Sự tự màu mỡ và tưới tiêu được bổ sung vào như những lựa
chọn quản lý; kết hợp với sự tích nước trong tán cây; bổ sung thêm thành
phần CO2 vào mô hình sinh trưởng của mùa vụ trong những nghiên cứu sự
biến đổi khí hậu; bổ sung phương trình Penman-Monteith để tính lượng bốc
hơi tiềm năng; kết hợp thêm dòng chảy ngầm được dựa vào động học của
mô hình lưu trữ: những phương trình chất lượng nước trong dòng chảy từ
QUAL2E được bổ sung thêm; đường đi của thuốc trừ sâu trong dòng chảy.
 SWAT98.1: Hoàn thiện tuyết tan thông thường; nâng cấp chất lượng
nước trong dòng chảy; mở rộng chu trình dinh dưỡng; ứng dụng chăn thả,
bón phân, và dòng chảy thoát nước cứng được bổ sung như những lựa chọn
quản lý; mô hình được cải biên để sử dụng ỏ Southern Hemisphere.
 SWAT99.2: phát triển chu trình dinh dưỡng, phát triển đối với mùa vụ/
đất ngập nước, việc loại bỏ dinh dưỡng khỏi hồ chứa/ao/đất ngập nước do sa
lắng được bổ sung; việc tích luỹ nước ở bờ sông của dòng chảy được thêm
vào; đường đi của kim loại thông qua dòng chảy được bổ sung; tất cả những

năm được xem xét trong mô hình thay đổi từ 2 số của năm lên 4 chữ số;
Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


15

những phương trình về xây dựng đô thị/rửa trôi từ SWMM được thêm vào
cùng với những phương trình hồi quy của USGS.
 SWAT2000: Bổ sung thêm việc di chuyển của vi khuẩn; Sự thấm qua của
Green & Ampt; hoàn thiện việc dự báo thời tiết; cho phép tính toán hay đọc
dữ liệu về bức xạ mặt trời hàng ngày, độ ẩm tương đối, và tốc độ gió; cho
phép các giá trị bay hơi tiềm năng đối với lưu vực có thể được tính toán hay
sử dụng các cơ sở dữ liệu quan trắc; mọi phương pháp tính toán lượng bốc
hơi tiềm năng đều được tính đến; hoàn thiện những quá trình theo đai độ
cao; cho phép mô phỏng không hạn chế về số lượng các hồ chứa; bổ sung
phương pháp đường đi Muskingum; cải biên những tính toán về trạng thái
ngủ cho việc mô phỏng trong những khu vực có rừng.
Bên cạnh những thay đổi liệt kê ở trên, giao diện cho phần mềm đã
được phát triển trên Windows, GRASS, và ArcView. SWAT cũng tiếp tục
được mở rộng độ chính xác.
Từ khi SWAT được công bố và cục Môi trường Mỹ(EPA) coi đó là
một công cụ chuẩn để đánh giá đất và nước của lưu vực, SWAT đã được sử
dụng một cách rộng rãi trên thế giới. Kể từ năm 1998, nhóm SWAT, gồm
các thành viên trên của nhiều nước trên thế giới lại họp mặt một lần nhằm
công bố những nghiên cứu mở rộng tính chính xác và phát triển thêm những
khả năng mới của SWAT.
Do SWAT là sự kết hợp của nhiều chương trình mô phỏng riêng biệt
nên nó sử dụng một lượng lớn các thao tác tính toán, vận hành. Nên để có

thể kiểm soát được chương trình cũng như tính chính xác của kết quả mô
phỏng thì việc hiểu được cơ sở lý thuyết cũng như phương thức xử lý dữ liệu
của SWAT là việc cần thiết nhất là khi SWAT là một ứng dụng mới ở nước
ta.

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


16

CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA MÔ HÌNH
Để thực hiện quá trình mô phỏng các quá trình xảy ra trên 1 lưu vực
SWAT đã sử dụng một loạt các chương trình riêng được kết hợp với nhau để
mô tả những hiện tượng diễn ra trên lưu vực. Trong số các chương trình
được sử dụng thì có 2 loại chính là: chương trình dự báo khí tượng và
chương trình dự báo về thuỷ văn.

Mô hình về khí tượng
- Ước tính lượng mưa
- Dự báo về độ ẩm trung bình
- Dự báo nhiệt độ và bức xạ nhiệt

Pha đất của chu trình thuỷ văn:
- Sự lưu lại tán
- Sự bay hơi
- Sự thấm qua
- Tái phân phối dòng chảy
- Lớp phủ thực vật

- Xói mòn
- Sự di chuyển các nguyên tố
trong đất

Pha di chuyển của chu trình
thuỷ văn:
- Sự di chuyển trong thân
kênh
- Sự di chuyển trong hồ
chứa

Hoạt động quản lý của con người:
- Sử dụng nước cho sinh hoạt
- Hoạt động canh tác

Hình 2.1. Sơ đồ tóm tắt các hợp phần của SWAT
Như sơ đồ chỉ ra, chương trình bao gồm nhiều hợp phần và mỗi hợp
phần lại có rất nhiều các phương trình giả thiết cũng như một loạt các thông
số lựa chọn cũng như thông số kinh nghiệm khác nhau. Vì thế, để có thể

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005


17

kiểm soát, vận hành được chương trình thì việc hiểu các thuật toán cũng như
phương thức xử lý số liệu của chương trình là một nhiệm vụ không thể thiếu.
Nhưng do, SWAT là một chương trình lớn, với một số lượng phương

trình cũng như dữ liệu đầu vào lớn, liên tục và chính xác vì thế với điều kiện
và khuôn khổ luận văn chỉ tập trung vào một số chỉ tiêu chính và sử dụng đa
số các giá trị mặc định của các thông số.
2.1. Khí hậu
Đối với công tác mô phỏng các quá trình vật lý, hóa học cũng như
sinh học trong lưu vực sông thì yếu tố khí hậu là một yếu tố ảnh hưởng trực
tiếp. Khí hậu trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình cân bằng nước trong lưu vực,
ảnh hưởng tới tốc độ sinh trưởng và phát triển của cây trồng, đến các quá
trình phân huỷ và tổng hợp các hợp chất hữu cơ trong đất và nước; nó có
tầm ảnh hưởng rộng trên toàn bộ lưu vực. Do vậy, trong mô hình dự báo
chất lượng môi trường lưu vực thì việc dự báo về khí hậu là công việc cần
phải tiến hành đầu tiên.
Từ các số liệu về khí hậu về lượng mưa, nhiệt độ, bức xạ nhiệt, tốc độ
gió thu thập được từ các trạm quan trắc SWAT đã sử dụng các thuật toán để
dự báo về các yếu tố khí hậu.
2.1.1. Nhiệt độ và bức xạ mặt trời [15]
Nhiệt độ ảnh hưởng tới một số quá trình vật lý, hoá học và sinh học/
Nhiệt độ không khí hàng ngày có thể được nạp vào phần mềm hay được tính
toán từ những giá trị trung bình tháng. Nhiệt độ không khí có vai trò cấp
nhiệt cho nước và đất.
Cơ sở tính những giá trị nhiệt độ tối đa, tối thiểu, bức xạ mặt trời được
Matalas đề xuất (1967):

Tmx = mxmon +  i (1).mxmon

Ph¹m Minh T©n

(2.1.10)

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005

18

Tmn = mnmon +  i (2).mnmon
H day = rad mon +  i (3).rad mon

(2.1.11)
(2.1.12)

với Tmx , Tmn, Hday là nhiệt độ tối đa, nhiệt độ tối thiểu (0C), bức xạ
mặt trời (MJ m-2)
mxmon, mnmon, radmon là nhiệt độ trung bình tối đa ngày cho
tháng, nhiệt độ trung bình tối thiểu hàng ngày cho tháng (0C) và bức xạ mặt
trời trung bình hàng ngày cho tháng (MJ m-2).
i(1) là phần dư của nhiệt độ tối đa vào ngày xác định
i(2) là phần dư cho nhiệt độ tối thiểu vào ngày xác định
i(3) là phần dư cho bức xạ mặt trời vào ngày xác định
mxmon, mnmon, radmon là độ lệch tiêu chuẩn cho nhiệt độ tối đa
trong tháng, nhiệt độ tối thiểu trong tháng và bức xạ mặt trời trong tháng.
2.1.2. Độ ẩm tương đối
Độ ẩm tương đối được sử dụng trong phương trình Penman-Monteith
để tính sự bay hơi tiềm năng.
 Độ ẩm tương đối trung bình hàng tháng:
Độ ẩm trung bình được định nghĩa là tỷ số của áp suất hơi nước thực
với áp suất hơi nước bão hoà tại một nhiệt độ xác định:

Rhmon =

emon

o
emon

(2.1.25)

với Rhmon là độ ẩm tương đối trung bình cho tháng
emon là áp suất hơi nước thực tại nhiệt độ trung bình hàng tháng (kPa)
0
là áp suất hơi nước bão hoà tại nhiệt độ trung bình hàng tháng.
emon

 Độ ẩm tương đối trung bình hàng ngày:

Ph¹m Minh T©n

Líp Cao häc C«ng nghÖ M«i tr-êng, 2003- 2005