ỨNG DỤNG mô HÌNH SWAT PHỤC vụ ĐÁNH GIÁ ô NHIỄM NGUỒN nước TRÊN lưu vực hồ SÔNG QUAO, TỈNH BÌNH THUẬN
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.43 MB, 72 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM
KHOA ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN
NGUYỄN TẤN THẮNG
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT
PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC
TRÊN LƯU VỰC HỒ SÔNG QUAO,
TỈNH BÌNH THUẬN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ ĐỊA CHẤT HỌC
Mã ngành: 52440201
TP. HỒ CHÍ MINH – 12/2016
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM
KHOA ĐỊA CHẤT VÀ KHOÁNG SẢN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT
PHỤC VỤ ĐÁNH GIÁ Ô NHIỄM NGUỒN NƯỚC
TRÊN LƯU VỰC HỒ SÔNG QUAO,
TỈNH BÌNH THUẬN
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Thắng
Khóa: 2012 – 2017
Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Quân
TP. HỒ CHÍ MINH – 12/2016
MSSV: 0150100041
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời tri ân đến Ts. Nguyễn Hồng Quân, người đã trực
tiếp hướng dẫn, định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài; Sau đó, em
xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến anh Mai Toàn Thắng, chị Nguyễn Thị Thanh
Duyên và tất cả anh chị trong phòng Tin Học Môi Trường, Viện Môi Trường Và Tài
Nguyên TP.HCM đã giúp đỡ em trong quá trình thực hiện và hoàn thiện đề tài.
i
MỤC LỤC
TÓM TẮT ......................................................................................................................1
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................2
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ...................................................2
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..............................................................3
3. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ...........................................................4
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................................5
4.1. Phương pháp thu thập, tham khảo tài liệu .....................................................5
4.2. Phương pháp chuẩn bị dữ liệu .......................................................................5
4.3. Phương pháp mô hình toán học .....................................................................5
CHƯƠNG 1 ....................................................................................................................6
TỔNG QUAN .................................................................................................................6
1.1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ...................6
1.1.1. Ngoài nước .................................................................................................6
1.1.2.Trong nước ..................................................................................................6
1.2. GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU ...........................................................8
CHƯƠNG 2 ..................................................................................................................10
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..............................................................................10
2.1. PHƯƠNG PHÁP THU THẬP, THAM KHẢO TÀI LIỆU..............................10
2.1.1. Thu thập tài liệu dữ liệu liên quan ............................................................10
2.1.2. Lựa chọn mô hình nghiên cứu ..................................................................10
2.1.3. Lý thuyết về mô hình SWAT ...................................................................12
2.1.4. Lý thuyết về hiệu chỉnh kiểm định kết quả từ SWAT .............................17
2.2. PHƯƠNG PHÁP CHUẨN BỊ DỮ LIỆU .........................................................18
2.2.1. Trích lục bản đồ địa hình ..........................................................................18
2.2.2. Thành lập bản đồ lớp phủ (land-cover map) ............................................18
2.2.3. Trích lục bản đồ thổ nhưỡng (soil map) ...................................................21
2.2.4. Sử lý dữ liệu khí tượng .............................................................................21
2.3. PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA ...................................................................22
2.3.1. Tiến hành chạy mô hình ...........................................................................22
2.3.2. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ................................................................30
ii
2.3.3. Khai thác dữ liệu đầu ra của mô hình .......................................................33
CHƯƠNG 3 ..................................................................................................................34
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .....................................................................................34
3.1. KẾT QUẢ CHUẨN BỊ DỮ LIỆU .....................................................................34
3.1.1. Dữ liệu địa hình, hệ thống mạng sông......................................................34
3.1.2. Dữ liệu sử dụng đất ..................................................................................34
3.1.3. Dữ liệu thổ nhưỡng...................................................................................36
3.1.4. Dữ liệu thời tiết.........................................................................................36
3.2. KẾT QUẢ KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH..................................................................38
3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG NƯỚC ............................................39
3.3.1. Kết quả mô phỏng chất lượng nước .........................................................40
3.3.2. Đánh giá độ tin cậy của mô hình ..............................................................44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................47
KẾT LUẬN ..............................................................................................................47
KIẾN NGHỊ .............................................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................48
PHỤ LỤC .....................................................................................................................50
iii
DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1. Thông tin ảnh vệ tinh ....................................................................................19
Bảng 2.2. Thông tin bảng dò lớp phủ ............................................................................26
Bảng 2.3. Thông tin bảng dò các lớp thổ nhưỡng .........................................................27
Bảng 3.1. Diện tích sử dụng đất trên lưu vực Sông Quao .............................................35
Bảng 3.2. Thông tin các trạm khí tượng sử dụng trong đề tài .......................................37
Bảng 3.3. Tỷ lệ sai số mô phỏng so với giá trị tối đa cho phép của quy chuẩn ............46
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của số lần hiệu chỉnh đối với kết quả mô phỏng .......................46
iv
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. Quy trình thực hiện đề tài ..................................................................................4
Hình 1.1. Ranh giới lưu vực hồ sông Quao (Nguồn: Open Street Map) .........................9
Hình 2.1. Vòng lặp hru/ tiểu lưu vực .............................................................................15
Hình 2.2. Chu trình thủy văn trong pha đất (Nguồn: SWAT IO) ...................................15
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình diễn ra trong dòng chảy (Nguồn: SWAT IO) .......................17
Hình 2.4. Cấu trúc tập tin dữ liệu khí tượng..................................................................21
Hình 2.5. Cấu trúc tập tin khí tượng thu thập được .......................................................22
Hình 2.6. Các bước thiếp lập mô hình ...........................................................................22
Hình 2.7. Phân định lưu vực ..........................................................................................23
Hình 2.8. Hệ thống mạng dòng chảy trong mô hình .....................................................24
Hình 2.9. Ranh giới lưu vực và tiểu lưu vực trong mô hình .........................................25
Hình 2.10. Vị trí các điểm tiếp nhận chất ô nhiễm trên lưu vực ...................................26
Hình 2.11. Xác định các đơn vị thủy văn ......................................................................27
Hình 2.12. Giao diện điều khiển kết nối cơ sở dữ liệu ..................................................28
Hình 2.13. Nhập dữ liệu khí tượng vào mô hình ...........................................................28
Hình 2.14. Ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu SWAT ..........................................................29
Hình 2.15. Thiết lập thông tin mô phỏng ......................................................................30
Hình 2.16. Bắt đầu mô phỏng ........................................................................................30
Hình 2.17. Vị trí các tập tin cần chỉnh sửa trong SWAT-CUP .....................................31
Hình 2.18. Thiết lập số lần hiệu chỉnh...........................................................................31
Hình 2.19. Thời gian mô phỏng ....................................................................................31
Hình 2.20. Nhập dữ liệu thực đo vào SWAT-CUP .......................................................32
Hình 2.21. Tập tin SUFI2_extract_rch.def ....................................................................32
Hình 2.22. Quá trình hiệu chỉnh bắt đầu .......................................................................32
Hình 3.1. Ảnh ASTER DEM (trái) và hệ thống mạng sông (phải) ...............................34
Hình 3.2. Ảnh vệ tinh năm 2003 tại Sông Quao (trái) và kết quả phân loại (phải) ......35
Hình 3.3. Bản đồ thổ nhưỡng tại lưu vực Sông Quao ...................................................36
Hình 3.4. Vị trí các trạm khí tượng sử dụng trong đề tài ..............................................37
Hình 3.5. Biểu đồ lượng mưa tại trạm KTTV Phan Thiết năm 2014 ............................37
Hình 3.6. Lưu lượng dòng chảy quan trắc và mô phỏng (2005 - 2009) ........................38
v
Hình 3.7. Lưu lượng dòng chảy quan trắc và mô phỏng (2010 - 2014) ........................38
Hình 3.8. Ranh giới các tiểu lưu vực tại lưu vực Hồ Sông Quao ..................................39
Hình 3.9. Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực (2014-2015) ......................................41
Hình 3.10. Lượng Nitrat được vận chuyển ra khỏi lưu vực (tính theo ngày) ...............42
Hình 3.11. Lượng Amoni được vận chuyển ra khỏi lưu vực (tính theo ngày) ..............42
Hình 3.12. Lượng Phosphat được vận chuyển ra khỏi lưu vực (tính theo ngày) ..........43
Hình 3.13. Lượng nitrit được vận chuyển ra khỏi lưu vực (tính theo ngày) .................43
Hình 3.14. So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Amoni ................................44
Hình 3.15. So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Phosphat .............................45
Hình 3.16. So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Nitrit ...................................45
Hình 3.17. So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Nitrat ..................................45
vi
TÓM TẮT
SWAT là một công cụ mô hình thủy văn khá mạnh mẽ, được sử dụng cho các
lưu vực sông có hướng dòng chảy ổn định theo một chiều. Việc áp dụng SWAT vào
mô phỏng các lưu vực sông tại Việt Nam sẽ giúp cho việc quản lý, dự báo chất lượng
và lưu lượng nguồn nước trở nên hiệu quả hơn. Nhằm mục đích áp dụng SWAT vào
lưu vực Sông Quao, tỉnh Bình Thuận, đề tài đã hoàn thành việc mô phỏng toàn bộ lưu
vực với diện tích 296 km2 bằng phần mềm QSWAT 2012 và hoàn tất quá trình hiệu
chỉnh kiểm định mô hình với chỉ số Pearson đạt 0,69 và chỉ số Nash đạt 0.62. Tuy
nhiên đề tài mới chỉ là bước đầu mô phỏng lưu vực, để sử dụng kết quả mô phỏng
phục vụ cho từng mục đích trên lưu vực thì cần phải có những nghiên cứu tiếp theo.
1
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trong quá trình phát triển của xã hội loài người, con người đã liên tục lấy đi
những thứ quý giá từ môi trường sống và trả lại môi trường những thứ hầu như không
còn giá trị sử dụng hay những chất độc hại làm cho môi trường đang ngày càng suy
thoái; vì thế cho nên trước đây chúng ta vẫn nhầm tưởng rằng nước ngọt là vô tận
nhưng hiện tại nó đang ngày càng trở nên khan hiếm hay nhiễm bẩn không sử dụng
được. Thậm chí tại nhiều quốc gia như Uganda, Trung Phi, Kenya, nơi mà có tới hơn
30% dân số là người nghèo nhưng lại phải mua nước ngọt với giá cao hơn cả nhiên
liệu, những gia đình có thu nhập thấp hầu như không có khả năng chi trả cho nước
sạch nên họ đã chấp nhận sống bằng nước bị nhiễm bẩn và phải đối mặt với nguy cơ
bệnh tật hàng ngày. Tại hội nghị môi trường của Liên Hiệp Quốc năm 1977 đã cảnh
báo: “sau nguy cơ về dầu mỏ thì con người phải đương đầu với nguy cơ về nước”. Có
thể nói, tình hình thiếu nước ngọt trầm trọng tại nhiều quốc gia trên thế giới hiện nay
là lời cảnh báo thiết thực nhất cho những quốc gia khác, nó nói lên viễn cảnh cho một
tương lai không xa nếu như các quốc gia không có biện pháp bảo vệ nguồn nước hợp
lý.
Tại Việt Nam, việc bảo vệ nguồn nước đang được xem là vấn đề cấp thiết bởi lẽ
hàng nghìn con sông, suối dài hơn 10km và hàng trăm hồ, ao chưa được quản lý, gần
50% trong số đó đang bị ô nhiễm vừa và nhẹ. Đảng nhà nước ta cũng đã có những giải
pháp thiết thực như tiến hành xây dựng nhiều công trình thủy lợi tích trữ nước như hồ,
đập, kênh, rạch... tiến tới sử dụng nguồn nước hiệu quả hơn. Tuy nhiên có một vấn đề
nảy sinh đó là khi xây dựng các công trình thủy lợi sẽ dẫn tới việc thay đổi chế độ
dòng chảy; thay đổi các đặc tính thủy động học; thay đổi khả năng tiếp nhận, sử lý ô
nhiễm trên dòng chảy...và việc thay đổi đó sẽ gây ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình sử
dụng nước dưới hạ lưu. Do đó cần phải có các công cụ để đánh giá khả năng tiếp nhận
chất ô nhiễm trên toàn lưu vực hỗ trợ quản lý hiệu quả quá trình vận hành các công
trình thủy lợi.
Hồ sông Quao là công trình thủy lợi lớn nhất của tỉnh Bình Thuận có diện tích
lưu vực 296 km2, diện tích mặt hồ khoảng 6,8 km2, dung tích 80 triệu m3, hồ được cấp
nước từ sông Quao và sông Đan Sách. Nhiệm vụ công trình theo thiết kế được duyệt
2
tưới cho 8.120 ha đất canh tác thuộc huyện Hàm Thuận Bắc. Tuy nhiên, hiện nay năng
lực tưới thiết kế công trình tăng lên 12.000 ha do mở rộng khu tưới và nhờ nguồn nước
bổ sung từ đập Đan Sách và nguồn nước từ thủy điện Đại Ninh. Hiện tại có ba nhà
máy nước sử dụng nguồn nước từ hồ sông Quao cấp nước cho thành phố Phan Thiết
và một phần của huyện Hàm Thuận Bắc với tổng công suất khoảng 53.360
m3/ngày.đêm. Tuy nhiên, chất lượng nước hồ sông Quao và hệ thống kênh dẫn cấp
nước sinh hoạt đã, đang và sẽ chịu các tác động tiêu cực bởi các hoạt động kinh tế - xã
hội (hoạt động trồng trọt, chăn nuôi gia súc, gia cầm, thủy sản) trên lưu vực. Kết quả
quan trắc năm 2013, 2014 do Chi cục Bảo Vệ Môi Trường tỉnh Bình Thuận thực hiện
tại đập Phú Hội và đập sông Quao cho thấy nguồn nước đã bị ô nhiễm chất hữu cơ và
dinh dưỡng;
SWAT là một công cụ mô hình hóa mạnh mẽ cho phép mô phỏng nhiều quá
trình vật lý trên cùng một lưu vực, mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng
nguồn tài nguyên đất đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra do mất
rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng
thời gian dài. Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mô hình trước đó là khi mô
phỏng SWAT sẽ phân chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn
(phụ lục trang PL.1) dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ
chi tiết mô phỏng về mặt không gian. Ngoài ra, với việc tích hợp sẵn công cụ SWATCUP giúp tự động hóa quá trình kiểm định mô hình cũng là một lợi thế của SWAT.
Từ những lý do trên nên sinh viên đã chọn đề tài “Ứng dụng mô hình SWAT
phục vụ đánh giá ô nhiễm nguồn nước trên lưu vực hồ sông quao, tỉnh bình thuận”.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trên cơ sở tiến tới hoàn thành môn học Đồ Án Tốt Nghiệp, sinh viên đã chọn
nghiên cứu đề tài “Ứng dụng mô hình SWAT phục vụ đánh giá ô nhiễm nguồn nước
trên lưu vực hồ Sông Quao, tỉnh Bình Thuận” mục tiêu được đề ra bao gồm:
Tìm hiểu mô hình SWAT;
Chuẩn bị dữ liệu cho mô hình;
Tiến hành chạy mô hình SWAT;
Kiểm định mô hình sau khi chạy;
3
Sử dụng kết quả bộ dữ liệu đầu ra của mô hình để đánh giá nguồn ô nhiễm
của lưu vực;
3. NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Quá trình thực hiện đồ án được chia thành 4 giai đoạn chính như sau:
Giai đoạn 1: Tìm hiểu về khu vực nghiên cứu, đặc biệt là tìm hiểu về quá
trình các hoạt động kinh tế xã hội của con người sống trên lưu vực gây tác
động đến lưu vực; các hoạt động tự nhiên có ảnh hưởng đến lưu vực.
Giai đoạn 2: Thu thập các loại tài liệu, dữ liệu cần có để chạy mô hình
SWAT. Thực hiện chỉnh lý, tổng hợp để đảm bảo dữ liệu có thể sử dụng
được cho mô hình.
Giai đoạn 3: Tiến hành chạy mô hình và kiểm định để kết quả của mô hình
có thể tin cậy và sử dụng được.
Giai đoạn 4: sử dụng kết quả của mô hình để đánh giá nguồn ô nhiễm trên
lưu vực.
Vì thời gian và nguồn lực thực hiện có hạn nên đề tài chỉ thực hiện ở bước đầu
nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT kết hợp với GIS (Geographic Information
System) để bước đầu hỗ trợ ứng dụng mô hình SWAT phục vụ đánh giá ô nhiễm
nguồn nước trên lưu vực hồ sông quao, tỉnh bình thuận.
Hình 1. Quy trình thực hiện đề tài
4
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Phương pháp thu thập, tham khảo tài liệu
Thu thập các loại bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ
hành chính từ Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam (VQHTLMN), Thu thập dữ liệu
quan trắc khí tượng thủy văn tại tổng cục thống kê tỉnh Bình Thuận, Thu thập dữ liệu
quan trắc chất lượng nước tại Viện Môi Trường Và Tài Nguyên TP.HCM.
4.2. Phương pháp chuẩn bị dữ liệu
Phương pháp chuẩn bị dữ liệu là phương pháp sử dụng kết hợp kiến thức trong
nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm phân tích, tổng hợp, sử lý và chuẩn hóa dữ liệu phù
hợp với yêu cầu dữ liệu đầu vào của mô hình.
4.3. Phương pháp mô hình toán học
Phương pháp mô hình toán học là phương pháp khoa học bằng việc xây dựng
mô hình của đối tượng sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ra những thông tin thuộc
tính của đối tượng nghiên cứu đó.
5
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1.1.1. Ngoài nước
Nghiên cứu của Kyle Glazewski, Bethany Kurz, and Daniel Stepan (Trung tâm
nghiên cứu năng lượng và môi trường (EERC) Grand Forks, North Dakota) đã phát
triển công cụ SWAT vào việc đánh giá chất lượng nước của sông Hồng ở lưu vực
miền Bắc. Một quan hệ đối tác, được thành lập vào năm 1996, giữa EERC, Bộ Nông
nghiệp Mỹ (USDA), và các bên liên quan trong sông Hồng của lưu vực miền Bắc.
Mục tiêu tổng thể của nghiên cứu là cung cấp thực tế, các bên liên quan thúc đẩy kỹ
thuật đầu vào cho sự phát triển của một chiến lược quản lý lưu vực dài hạn, tập trung
vào số lượng và chất lượng nước nhằm đảm bảo sự phát triển kinh tế liên tục của khu
vực.
T. F. A. Bishop & S. Grunwald đã ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá chất
lượng nước lưu vực sông Sandusky, Ohio. Mục tiêu của nghiên cứu là tích hợp mô
hình Swat và GIS nhằm đánh giá chất lượng đất và nước. Trong khi chất lượng nước
đã được cải thiện , vẫn còn có thể thực hiện cải tiến được bằng cách giảm ô nhiễm
nguồn. Các Sandusky là lớn thứ hai của Sông Ohio chảy vào hồ Erie và như vậy cũng
ảnh hưởng đáng kể tới hồ Erie. Nghiên cứu trình bày trong bài viết này là một phần
của một dự án lớn nhằm mục đích đo đạc và xác nhận mô hình SWAT để mô hình hóa
chất lượng nước trong lưu vực sông Sandusky.
1.1.2.Trong nước
Tại Việt Nam, SWAT bắt đầu du nhập từ năm 1998. Từ những nghiên cứu nhỏ
lẻ, rải rác ở một số khu vực ban đầu, đến nay mô hình SWAT đã được ứng dụng rộng
rãi trong các lĩnh vực quản lý lưu vực sông trên cả 3 miền: Bắc, Trung, Nam với
những quy mô, mức độ khác nhau. Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này
được đánh giá cao có thể kể đến như nghiên cứu “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá
tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố
Hà Nội” của nhóm tác giả Lê Văn Linh, Nguyễn Thanh Sơn tại lưu vực sông Đáy.
Nghiên cứu đã đánh giá được quá trình thay đổi dòng chảy trên lưu vực do chịu tác
6
động của biến đổi khí hậu, trên cơ sở đó tác giả đã đưa ra dự báo biến động dòng chảy
trong những năm tiếp theo tại khu vực nghiên cứu góp phần phát hiện sớm những khu
vực dễ bị tác động thay đổi dòng chảy;
Nguyễn Thanh Tuấn (2011) ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT đánh
giá chất lượng nước lưu vực hồ Dầu Tiếng. Đề tài được thực hiện nhằm các mục tiêu
sau: Nghiên cứu lý thuyết về mô hình SWAT trong phần mềm Map Window. Thu thập
dữ liệu xây dựng bản đồ đất, bản đồ sử dụng đất, bản đồ địa hình và dữ liệu thời tiết,
từ đó tiến hành thực hiện trên mô hình SWAT để đánh giá chất lượng nước của lưu
vực hồ Dầu Tiếng. Đề xuất những giải pháp thích hợp để bảo vệ và nâng cao chất
lượng nước của hồ Dầu Tiếng. Kết quả của đề tài đã xây dựng được bảng thông số
chất lượng nước của lưu vực hồ Dầu Tiếng phần nào đánh giá được chất lượng nước
của lưu vực và của hồ Dầu Tiếng.
Nghiên cứu “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tài nguyên nước khu vực
thượng nguồn đầm Thị Nại phục vụ phát triển bền vững tỉnh Bình Định” (2014) của
nhóm tác giả Nguyễn Hồng Quân, Mai Toàn Thắng. Đề tài đã thực hiện mô phỏng
toàn bộ quá trình thủy văn trên lưu vực và chủ động đánh giá kết quả mô phỏng bằng
phần mềm SWAT-CUP. Kết quả của nghiên cứu này chỉ là bước đầu làm nền tảng cho
các nghiên cứu tiếp theo về cân bằng nước trên lưu vực hay làm đầu vào cho mô hình
lan truyền chất và vận chuyển bùn cát trong đầm Thị Nại.
Năm 2010, nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi khí hậu –
Trường Đại học Nông lâm TP.HCM do PGS.TS. Nguyễn Kim Lợi làm trưởng nhóm,
phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi khí hậu vùng Đông Nam Á và Trường
Đại học Cần Thơ thực hiện nghiên cứu sơ bộ ứng dụng mô hình SWAT trong đánh giá
ảnh hưởng của biến đối khí hậu đến lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn tỉnh Quảng Nam.
Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã phân nhóm các tiểu lưu vực dễ bị ảnh hưởng
bởi lũ dựa vào lưu lượng nước vào, ra tại các tiểu lưu vực và bước đầu giúp cảnh báo
sớm tình hình lũ tại khu vực nghiên cứu.
Năm 2015, tiếp nối nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT trong đánh giá ảnh
hưởng của biến đối khí hậu, nhóm nghiên cứu liên ngành đã thực hiện đề tài "Hệ hỗ
trợ trực tuyến cảnh báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam” với mục tiêu
xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sử dụng các thông tin trực tuyến thông qua việc ứng
7
dụng GIS, công nghệ thông tin truyền thông và mô hình SWAT. Cụ thể, xác định vùng
có nguy cơ xảy ra lũ, đỉnh lũ thông qua mô hình SWAT; cung cấp website trực tuyến
về tình trạng lũ, hỗ trợ giao diện điện thoại di động; hỗ trợ cộng đồng vùng nguy cơ
bằng tin nhắn SMS.
Có thể thấy mô hình SWAT cũng đã nhận được một sự quan tâm đặc biệt từ
giới khoa học trên khắp cả nước. Tuy nhiên hiện tại mô hình SWAT chỉ mới được
thực hiện tại một số nơi nên cần nghiên cứu phát triển thêm để đáp ứng nhu cầu phát
triển bền vững kinh tế xã hội trên địa bàn toàn quốc.
Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài “Điều tra, đánh giá các nguồn
gây ô nhiễm và đề xuất giải pháp tổng hợp quản lý chất lượng nước hồ Sông Quao
đảm bảo an toàn cấp nước cho thành phố Phan Thiết và vùng phụ cận”, của tác giả
Nguyễn Hồng Quân, Lê Việt Thắng, Viện Môi Trường Và Tài Nguyên, năm 2015.
1.2. GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Lưu vực hồ Sông Quao (Hình 1.1) có diện tích 296 km2 nằm trên địa phận
huyện Hàm Thuận Bắc, tỉnh Bình Thuận và một phần diện tích thượng nguồn nằm trên
địa phận huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng. Do phần lớn diện tích lưu vực có dạng địa
hình đồi núi nên dân cư khá thưa thớt, hoạt động kinh tế xã hội trên lưu vực tương đối
ít phát triển. Riêng một số đoạn trên kênh chính đổ vào hồ sông quao có xuất hiện hoạt
động nuôi trồng thủy sản với quy mô nhỏ. Hiện nay, thượng nguồn sông quao đang
phải đối mặt với tình trạng suy giảm đất rừng nghiêm trọng do các hoạt động chặt phá
rừng trái phép đang ngày càng phổ biến.
8
Hình 1.1. Ranh giới lưu vực hồ sông Quao (Nguồn: Open Street Map)
9
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. PHƯƠNG PHÁP THU THẬP, THAM KHẢO TÀI LIỆU
2.1.1. Thu thập tài liệu dữ liệu liên quan
Các tài liệu liên quan đến tình hình kinh tế - xã hội, các dữ liệu bản đồ, dữ liệu
bản đồ số độ cao, ảnh vệ tinh có liên quan đến khu vực nghiên cứu được tiến hành thu
thập; các tài liệu cơ sở lý thuyết và hướng dẫn sử dụng QGIS, SWAT, SWAT-CUP và
các tài liệu có liên quan đến quá trình thực hiện đề tài cũng được thu thập.
2.1.2. Lựa chọn mô hình nghiên cứu
Hiện nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, việc ứng dụng
công nghệ thông tin vào quản lý các khía cạnh cuộc sống như quản lý về tài nguyên,
môi trường... đang dần trở thành xu thế mới của xã hội. Theo đó, các mô hình toán
được xem như là phương thức để mô phỏng các quá trình trong thực tế vào máy tính
cũng đang dần được quan tâm phát triển mạnh đáp ứng nhu cầu ngày càng cao cũa xã
hội. Ưu điểm mô hình toán ở chỗ cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dễ dàng
thay đổi các kịch bản bài toán,... Lựa chọn mô hình là khâu rất quan trọng cần thực
hiện trước tiên trong phương pháp nghiên cứu bởi lẽ khi lựa chọn mô hình phù hợp với
khu vực nghiên cứu, đáp ứng được yêu cầu của đề tài thì sẽ nâng cao tính hiệu quả
trong quá trình thực hiện đề tài.
Đối với quản lý nguồn nước, hiện nay cũng đã có rất nhiều mô hình đang được
áp dụng và có hiệu quả khá cao có thể kể đến ở đây như [4]:
Mô hình WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô
hình được xây dựng dựa trên mô hình WASP trước đó (Mô hình này được
xây dựng bởi Di Toro, 1983; Connolly and Winfield, 1984; Ambrose, R.B,
1988).
Mô hình AQUATOX là mô hình mô phỏng hệ sinh thái thủy sinh. Mô hình
có thể dự báo quá trình suy tàn do nhiều loại chất gây ô nhiễm môi trường
nước như dinh dưỡng, hóa học hữu cơ, và ảnh hưởng của chúng lên các hệ
sinh thái, bao gồm các loài cá, động vật không xương sống và các loài thực
vật thủy sinh.
10
Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model)
được nâng cấp từ mô hình trước đó là QUAL2E. Đây là mô hình mô phỏng
CLN suối và sông một chiều với giả thuyết đoạn sông tính toán xáo trộn
hoàn toàn (theo phương ngang và phương đứng).
DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa mô
hình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước. Ưu điểm của mô hình
này là việc kết hợp giữa các mô đun tính toán phức tạp để đưa ra những kết
quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia.
SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ xây
dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất
lượng nước, trong đó mô đun RMA4 là mô hình số trị vận chuyển các yếu tố
chất lượng nước phân bố đồng nhất theo độ sâu. Nó có thể tính toán sự tập
trung của 6 thành phần bảo toàn hoặc không bảo toàn được tính toán theo
lưới 1 chiều hoặc 2 chiều.
ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp giữa mô đun thủy
lực với mô đun sinh thái được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của trường
Đại Học Hamburg (Đức). Mô hình chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của
các hợp phần của nitơ và phospho trong đó có tính đến cả thực vật và động
vật phù du trong nước biển.
ECOSMO (ECO System Model) là mô hình cặp ba chiều bao gồm thủy
động lực; băng biển và sinh địa hóa. Mô hình được phát triển dựa trên mô
hình thủy động lực HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã được liên
kết mô-đun động lực- nhiệt động lực biển-băng (Schrum và Backhaus,
1999) và mô-đun sinh học (Schrum, 2006).
BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông
tin môi trường, giúp các hệ thống phân tích môi trường và phân tích các
phương án quản lý. Một điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp
cận mới dựa trên nền tảng lưu vực sông, có kết hợp quản lý dữ liệu không
gian thông qua hệ thông tin địa lý GIS.
Bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển và được
thương mại hoá. Một đặc điểm mạnh của MIKE là tương đối dễ sử dụng với
11
ứng dụng có giao diện trực quan trên nền Windows, kết hợp chặt chẽ với
GIS. MIKE tích hợp các mô-đun thuỷ lực (HD) và chất lượng nước (ECO
Lab), bao gồm: thuỷ lực, truyền tải - khuếch tán chất lượng nước. MIKE là
một mô hình với nhiều tính năng mạnh, khả năng ứng dụng rộng rãi cho
nhiều dạng thuỷ vực khác nhau.
Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và đánh giá chất lượng nước
mặt lưu vực hồ Sông Quao, nghiên cứu đã lựa chọn mô hình SWAT, bởi nó
đáp ứng được các tiêu chí như: cho phép mô phỏng lưu vực theo hướng
dòng chảy một chiều; cho phép mô phỏng lưu lượng dòng chảy và chất
lượng nước với độ chính xác khá cao và đã được kiểm nghiệm thực tế; giao
diện thân thiện, dễ sử dụng; có khả năng tích hợp với GIS; mô hình SWAT
được cung cấp hoàn toàn miễn phí.
2.1.3. Lý thuyết về mô hình SWAT
a) Lịch sử thành và phát triển của 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 25 (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 dựa trên cơ sở về mặt vật lý kết hợp với
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 yêu cầu thông tin về thời tiết, thuộc tính của đất, tài liệu địa
hình, thảm phủ, và việc sử dụng đất trên lưu vực. Những quá trình vật lý liên quan đến
sự chuyển động nước, sự chuyển động bùn cát, quá trình canh tác, chu trình chất dinh
dưỡng, v.v đều được mô phỏng trực tiếp trong mô hình SWAT qua việc sử dụng dữ
liệu đầu vào này.
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
12
vực rộng lớn hoặc hỗ trợ ra quyết định 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. 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; mô hình
những ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm, 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:
SWAT 94.2: sự tổng hợp các đơn vị thủy văn (Hydro logic Response Units HRUs).
SWAT 96.2: thêm vào những lựa chọn trong quản lí 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).
SWAT 98.1: 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.
SWAT 99.2: 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.
13
SWAT 2000: 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.
SWAT 2005: 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 công
nghệ. Thêm vào đó, SWAT 2005 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
SWAT 2012: Mở rộng khả năng thực thi đa nền tảng được tích hợp trên một
số phần mềm GIS mã nguồn mở thông dụng như QGIS. Tuy nhiên có có
một hạn chế khá lớn là trên các nền tảng hệ điều hành Unix hay Linux thì
SWAT vẫn chưa có giao diện người dùng nên bắt buộc người sử dụng phải
thao tác trên dòng lệnh gây khá nhiều bất tiện.
b) Các loại dữ liệu đầu vào mô hình SWAT
Yêu cầu số liệu vào của mô hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu
không gian và số liệu thuộc tính.
Số liệu không gian dưới dạng bản đồ bao gồm:
Bản đồ số độ cao (DEM);
Bản đồ lớp phủ (land cover map);
Bản đồ thổ nhưỡng (soil map);
Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực;
Số liệu thuộc tính dưới dạng Database bao gồm:
Số liệu về khí tượng bao gồm: nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời, độ ẩm,
bốc hơi, tốc độ gió, mưa.
Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện
đất... ;
c) Các quá trình cơ bản trong SWAT
SWAT xác định quá trình di chuyển nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu
vào mạng lưới sông ngòi của lưu vực bằng cách sử dụng cấu trúc lệnh để tính toán và
lặp qua từng đơn vị thủy văn (phụ lục trang PL.1) trong lưu vực (Williams and Hann,
1972 trích dẫn trong Susan L.N. et al., 2009, pp.20).
14
Hình 2.1. Vòng lặp hru/ tiểu lưu vực
Thêm vào đó, để thể hiện dòng di chuyển của hóa chất, SWAT mô phỏng sự
biến đổi của hóa chất trong kênh, rạch và sông chính. Do đó, mô hình thủy học trong
lưu vực được phân chia thành hai pha chính (Susan L.N. et al., 2009):
- Pha đất của chu trình thủy văn (Hình 2.2): kiểm soát lượng nước, phù sa,
dinh dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra kênh chính.
Hình 2.2. Chu trình thủy văn trong pha đất (Nguồn: SWAT IO)
15
Chu trình thủy văn trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước:
Trong đó:
-
SWt là lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O),
-
SWo là lượng nước chứa trong đất tại thời điểm ban đầu (mm H2O),
-
Rday là lượng mưa trong ngày i (mm H2O),
-
Qsurf là lượng dòng chảy mặt trong ngày i (mm H2O),
-
Ea là lượng bốc hơi trong ngày i (mm H2O),
-
Wseep là lượng thấm sâu và thoát khỏi đáy phẫu diện đất trong ngày i;
-
Qgw là lượng dòng chảy hồi qui trong ngày i (mm H2O).
Các quá trình thủy văn chính trong mô hình bao gồm (Mikołaj Piniewski and
Tomasz Okruszko, 2011):
Ước tính dòng chảy mặt sử dụng số hiệu đường cong (SCS) hoặc phương
trình thấm Green–Ampt.
Mô phỏng thấm qua các lớp trữ nước;
Ước tính dòng sát mặt sử dụng phương pháp trữ động học.
Mô phỏng dòng chảy ngầm tới sông từ tầng chứa nước tầng nông
Ước tính bốc hơi tiền năng bằng các phương pháp của Hargreaves,
Priestley–Taylor hoặc Penman–Monteith method.
Ước tính bốc hơi thực tế (tách biệt bốc hơi từ đất và thoát hơi từ thực vật)
- Pha nước của chu trình thủy văn (Hình 2.3): kiểm soát quá trình di chuyển
của dòng nước, quá trình bồi lắng, quá trình biến đổi của các chất trong quá trình được
nước vận chuyển… diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa xả.
16
Hình 2.3. Sơ đồ quá trình diễn ra trong dòng chảy (Nguồn: SWAT IO)
2.1.4. Lý thuyết về hiệu chỉnh kiểm định kết quả từ SWAT
a) Hiệu chỉnh, kiểm định
Hiệu chỉnh mô hình nhằm xác định giá trị tối ưu cho bộ thông số thiết lập bởi
người sử dụng. Quá trình này có thể được thực hiện thủ công hoặc tự động dựa trên
thuật toán tối ưu hóa. So sánh hai phương pháp hiệu chỉnh cho thấy hiệu chỉnh tự động
giúp tiết kiệm công sức, thời gian xử lý hơn, và có thể giảm thiểu tính không chắc
chắn vốn đặc trưng của hiệu chỉnh thủ công (M. W. Van Liew, J. G. Arnold and D. D.
Bosch, 2005). Vì vậy, nghiên cứu đã tiến hành hiệu chỉnh mô hình thông qua chương
trình hiệu chỉnh tự động SWAT - CUP bằng thuật toán Sequential Uncertainty Fitting
(SUFI-2) (Abbaspour, K.C., J. Yang, 2007)
b) Các tiêu chuẩn dùng để hiệu chỉnh, kiểm định
Chỉ số hiệu quả Nash
17
