Giáo trình Ứng dụng mô hình SWAT và công nghệ GIS đánh giá lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông Đắk Bla - Nguyễn Thị Tịnh Ấu

Nội dung text: Giáo trình Ứng dụng mô hình SWAT và công nghệ GIS đánh giá lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông Đắk Bla - Nguyễn Thị Tịnh Ấu

1. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 Ứng dụng mô hình SWAT và công nghệ GIS đánh giá lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông Đắk Bla Nguyễn Thị Tịnh Ấu1, Nguyễn Duy Liêm2, Nguyễn Kim Lợi*,2* 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam 2Trường Đại học Nông Lâm, thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Nhận ngày 20 tháng 6 năm 2013 Chỉnh sửa ngày 19 tháng 7 năm 2013; chấp nhận đăng ngày 12 tháng 9 năm 2013 Tóm tắt: Nghiên cứu tài nguyên nước ở quy mô lưu vực được chấp nhận rộng rãi như phương pháp tiếp cận phù hợp để quản lý, đánh giá và mô phỏng các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Cùng với sự phát triển của khoa học - kĩ thuật, công nghệ GIS hỗ trợ các mô hình thủy văn dựa trên cơ sở vật lý và phân bố không gian mô phỏng chính xác các quá trình thủy văn diễn ra trên lưu vực và phản ánh sát thực tế các chức năng của hệ thống lưu vực sông. Trong bối cảnh đó, nghiên cứu này được thực hiện nhằm mô phỏng dòng chảy trên lưu vực sông Đắk Bla thuộc phía bắc khu vực Tây Nguyên sử dụng Công cụ Đánh giá Đất và Nước (Soil and Water Assessment Tool - SWAT) tích hợp với công nghệ GIS, qua đó tìm hiểu bản chất, quy luật của các quá trình thủy văn diễn ra trên lưu vực. Để đạt được mục tiêu trên, nghiên cứu tiến hành thu thập, biên tập cơ sở dữ liệu bao gồm địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng và số liệu thời tiết theo định dạng chuẩn của SWAT trên nền phần mềm ArcGIS. Tiếp theo đó, thông qua phần mở rộng ArcSWAT chạy trên nền ArcGIS, mô hình SWAT thực hiện quá trình phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn, tích hợp các lớp dữ liệu không gian và thiết lập cơ sở dữ liệu cho mô hình. Sau đó, các thông số của mô hình được phân tích, sắp hạng độ nhạy và hiệu chỉnh thông qua phần mềm SWAT - CUP với thuật toán SUFI - 2 nhằm mô phỏng tối ưu dòng chảy trên lưu vực. Thời gian hiệu chỉnh được thiết lập từ năm 2001 đến 2005, thời gian kiểm định từ năm 2006 đến 2011. Dựa trên các chỉ số thống kê, cho thấy kết quả mô phỏng dòng chảy tốt trong cả hai quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với hệ số xác định R2 và chỉ số Nash - Sutcliffe đều trên 0,7 tại trạm Kon Tum. Kết quả này cho thấy nếu mô hình SWAT được hiệu chỉnh tốt sẽ trở thành công cụ hỗ trợ hữu ích cho quá trình quản lý tài nguyên nước trên lưu vực. Từ khóa: Lưu lượng dòng chảy, Lưu vực sông Đắk Bla, GIS, Mô hình SWAT. * 1. Giới thiệu đối mặt với tăng trưởng dân số cao, tình trạng thiếu nước, thay đổi bất thường của lượng mưa, Nước là thành phần thiết yếu của sự sống và biến động sử dụng đất quá nhanh và sự gia tăng môi trường, là nguồn tài nguyên thiên nhiên các tai biến như hạn hán, lũ lụt và ô nhiễm môi đóng vai trò quan trọng cho sự phát triển kinh tế trường [1]. Với vị trí địa lý nằm ở đầu nguồn - xã hội, đặc biệt ở những khu vực đang phải của các hệ thống sông lớn, nên nguồn nước mặt ___ trên địa bàn tỉnh Kon Tum rất dồi dào, tạo điều * Tác giả liên hệ. ĐT: 84-989617328 kiện thuận lợi cho phát triển nông lâm nghiệp, Email: ngkloi@hcmuaf.edu.vn 1
2. 2 N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 thủy điện nói riêng và kinh tế - xã hội toàn tỉnh Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục nói chung. Tuy nhiên, do sự phân bố không đều tiêu thiết lập, hiệu chỉnh một mô hình phù hợp về lượng mưa, cùng với đó là yếu tố địa hình cho phép mô phỏng dòng chảy trên lưu vực phức tạp, bị chia cắt nên tài nguyên nước mặt sông Đắk Bla, chảy qua địa bàn hai tỉnh Kon phân bố không đồng đều (dòng chảy giữa các Tum và Gia Lai, thuộc khu vực Tây Nguyên tháng trong năm và giữa các năm với nhau) dẫn với độ tin cậy cao, qua đó tìm hiểu bản chất, đến tình trạng thiếu nước vào mùa khô và thừa quy luật của các quá trình thủy văn diễn ra trên nước vào mùa khô. Sự phân bố không đều này lưu vực cũng như đánh giá độ nhạy của lưu vực gây thiệt hại không nhỏ cho sản xuất và đời với các hiện tượng, rủi ro môi trường có nguy sống nhân dân trong tỉnh khi thường xuyên phải cơ phải đối mặt như xói mòn, ngập lụt, hạn hán, đối mặt với thiên tai lũ lụt, hạn hán, v.v [2]. ô nhiễm, v.v Để đạt được mục tiêu trên, Công Chính vì vậy, công tác quản lý, khai thác và sử cụ Đánh giá Đất và Nước (Soil and Water dụng hiệu quả, bền vững tài nguyên nước trở Assessment Tool - SWAT) đã được lựa chọn thành vấn đề cấp bách, mang tính cốt lõi trong bởi vì đây là mô hình thủy văn bao gồm nhiều chiến lược phát triển kinh tế - xã hội của toàn thành phần và chức năng hữu ích cho phép mô tỉnh. phỏng cân bằng nước và các quá trình thủy văn Quản lý tài nguyên nước chủ yếu tiếp cận khác như chất lượng nước, biến đổi khí hậu, theo quy mô lưu vực [3] bởi lẽ lưu vực được sinh trưởng trưởng cây trồng và thực tiễn quản xem là đơn vị thủy văn cơ bản có thể tiến hành lý đất đai [1] với giao diện sử dụng thân thiện nghiên cứu tính chất không đồng nhất và phức [5]. Thêm vào đó, tính hiệu quả và độ tin cậy tạp của quá trình vật lý và mối tương tác giữa của mô hình SWAT đã được khẳng định trong đất đai, khí hậu và các hoạt động của con rất nhiều nghiên cứu khác nhau trên toàn thế người. Cách tiếp cận này được áp dụng để đánh giới nên đây chính là cơ hội để kiểm tra mức độ giá tiềm năng và chất lượng nước thông qua các phù hợp của mô hình đối với lưu vực sông Đắk mô hình thủy văn và các công cụ hỗ trợ nhằm Bla. mô phỏng và dự đoán độ nhạy của lưu vực ở Tại Việt Nam, SWAT bắt đầu du nhập từ các quy mô không gian và thời gian khác nhau. năm 1998. Từ những nghiên cứu nhỏ lẻ, rải rác Hiện nay, có rất nhiều mô hình thủy văn ở cấp ở một số khu vực ban đầu, đến nay mô hình độ lưu vực đã được phát triển [4] nhưng sự sẵn SWAT đã được ứng dụng rộng rãi trong các có của dữ liệu không gian và thời gian đang là lĩnh vực quản lý lưu vực sông trên cả 3 miền: khó khăn chính cản trở việc ứng dụng các mô Bắc, Trung, Nam với những quy mô, mức độ hình này, nhất ở các nước đang phát triển. Tuy khác nhau. Theo ước tính sơ bộ, tính đến tháng nhiên, sự phát triển của công nghệ GIS đã tạo 11/2012 đã có khoảng 34 nghiên cứu ứng dụng nên động lực góp phần cải thiện, thúc đẩy việc SWAT được công bố chính thức trên các tạp ứng dụng các mô hình này trên phạm vi toàn chí, kỉ yếu hội nghị, trong các luận văn đại học- thế giới. Công nghệ GIS hỗ trợ các mô hình cao học-tiến sĩ. Bên cạnh đó, còn rất nhiều thủy văn dựa trên cơ sở vật lý và phân bố không những nghiên cứu khác chưa được công bố gian mô phỏng chính xác các quá trình thủy văn chính thức nên chưa thể thống kê đầy đủ. diễn ra trên lưu vực và phản ánh sát thực tế các Những chủ đề được quan tâm trong các nghiên chức năng của hệ thống lưu vực sông [1]. cứu ứng dụng SWAT có thể được chia thành
3. N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 3 các danh mục như sau: mô phỏng dòng chảy; dần từ bắc xuống nam và nghiêng dần từ đông đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất, sang tây với các đồi núi, cao nguyên và thung biến đổi khí hậu; xói mòn và bồi lắng; chất lũng xen kẽ nhau. Chính điều này khiến cho lượng nước. Riêng tại lưu vực sông Đắk Bla, việc xây dựng mạng lưới trạm quan trắc khí mới chỉ có nghiên cứu của M. T. Vu et al. tượng, thủy văn trên khu vực gặp rất nhiều trở (2012) [6] ứng dụng mô hình SWAT mô phỏng ngại do chi phí xây dựng và duy trì hoạt động dòng chảy trên lưu vực sử dụng một số nguồn của các trạm tại đây thường rất lớn, đặc biệt tại dữ liệu mưa toàn cầu dưới dạng ô lưới với độ khu vực miền núi. Hiện tại, hệ thống quan trắc phân giải cao nhằm phân tích độ nhạy của mô khí tượng, thủy văn trên lưu vực chưa được đầu hình với các bộ dữ liệu đầu vào khác nhau và tư, phát triển tương xứng (số lượng các trạm đánh giá định lượng mức độ không chắc chắn còn ít, phân bố rải rác theo không gian, thiết bị trong các bộ dữ liệu này. Khác với nghiên cứu chưa được nâng cấp). Theo thống kê, có 2 điểm trên, mục đích nghiên cứu này nhằm đánh giá đo mưa nhân dân (Đắk Đoa, Măng Cành), 2 tính hữu dụng và khả năng của SWAT trong mô trạm khí tượng cấp 1 (Kon Tum, Pleiku), 2 trạm phỏng các quá trình thủy văn trên lưu vực Đắk thủy văn (Kon Tum, Kon Plong) nằm trên lưu Bla sử dụng nguồn dữ liệu địa phương. vực (Hình 1). Về khí hậu, lưu vực sông Đắk Bla thuộc vùng nhiệt đới gió mùa của Tây Nguyên, trong 2. Đặc điểm khu vực nghiên cứu một năm có hai mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng Lưu vực sông Đắk Bla nằm ở khu vực Tây V đến tháng X, mùa khô từ tháng XI đến tháng Nguyên của Việt Nam. Sông Đắk Bla là nhánh IV năm sau [2]. Nền nhiệt độ cao, trung bình o trái của sông Sê San có dạng hình nan quạt với năm khoảng 20 - 25 C, tổng lượng mưa năm diện tích lưu vực rộng 3.507km2 (diện tích tính vào loại trung bình, từ 1.500 - 3.000mm với đến trạm Kon Tum khoảng 2.971,52km2), chiều lượng bốc hơi trung bình năm cao khoảng 1.000 dài sông chính khoảng 152km. Phía Bắc giáp - 1.500m [6]. với hệ thống sông Thu Bồn, phía Đông giáp với Phần lớn diện tích lưu vực được che phủ hệ thống sông Ba, phía Nam là hạ lưu sông Sê bởi rừng rậm nhiệt đới với các kiểu rừng chính San. Sông Đắk Bla bắt nguồn từ dãy núi Ngọc như: rừng nhiệt đới thường xanh, rừng non, Cơ Rinh cao 2.025m, chảy theo hướng Đông rừng hỗn giao, rừng trồng và cây bụi [6]. Bắc - Tây Nam qua địa bàn hai tỉnh Kon Tum Nền kinh tế trên địa bàn nghiên cứu phụ và Gia Lai (Hình 1) và hợp với sông Sê San thuộc lớn vào hoạt động trồng trọt với các cây cách Ya Ly 16 km về phía hạ lưu. Lưu vực trồng chính là cao su và cà phê trồng trên đất đỏ sông Đắk Bla có hệ thống sông suối khá phát bazan điển hình. Bên cạnh đó, sản xuất nông 2 triển với mật độ lưới sông là 0,49 km/km với nghiệp cũng đóng vai trò quan trọng cho nền hệ số uốn khúc 2,03, độ dốc trung bình lòng kinh tế địa phương. Chính vì vậy, việc mô sông chính là 4% [2]. phỏng, dự báo dòng chảy trên lưu vực có ý Đặc điểm địa hình trên lưu vực sông Đắk nghĩa rất quan trọng [6]. Bla biến đổi khá phức tạp: độ cao địa hình thấp
4. 4 N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 L Hình 1. Vị trí lưu vực sông Đắk Bla và mạng lưới quan trắc khí tượng, thủy văn. 3. Phương pháp nghiên cứu dài [7]. Một trong những mô-đun chính của mô hình này là mô phỏng dòng chảy từ mưa và các 3.1. Tổng quan về mô hình SWAT đặc trưng vật lý trên lưu vực. SWAT là mô hình thủy văn phân phối được Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với xây dựng bởi Trung tâm phục vụ nghiên cứu các mô hình tiền thân như cho phép mô hình nông nghiệp (Agricultural Research Service) hóa các lưu vực không có mạng lưới quan trắc, thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (United States mô phỏng tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào Department of Agriculture) và Trung tâm như sử dụng đất, thực hành quản lý đất đai và nghiên cứu nông nghiệp (Texas A&M AgriLife khí hậu [7]. Giao diện tích hợp trong GIS tạo Research) thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ thuận tiện cho việc định nghĩa lưu vực, cũng vào đầu những năm 1990 với mục đích dự báo như thao tác, xử lý các dữ liệu không gian và những ảnh hưởng của thực hành quản lý sử dữ liệu dạng bảng liên quan [8]. Trong trường dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất hợp dữ liệu đầu vào hạn chế, SWAT vẫn có thể sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu mô phỏng được. Ngoài ra, với khả năng tính vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian toán hiệu quả, SWAT có thể mô phỏng các lưu
5. N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 5 vực rộng lớn với nhiều dạng thực hành quản lý Qgw: lượng nước ngầm chảy ra sông trong đất đai mà không tốn nhiều thời gian và tài ngày thứ i (mm H2O) nguyên máy tính. Cuối cùng, SWAT là mô hình SWAT yêu cầu nhiều lớp dữ liệu đầu vào theo thời gian liên tục nên có thể mô phỏng tác theo không gian và thời gian. Để hỗ trợ quá động lâu dài của sử dụng đất, thực hành quản lý đất đai và sự tích tụ của các chất ô nhiễm [7]. trình xử lý, phân tích những dữ liệu này, SWAT sử dụng những công cụ của GIS. Vì vậy, để tạo SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá thuận lợi cho việc sử dụng các mô hình, hiện trình vật lý trên cùng một lưu vực. Một lưu vực nay SWAT được tích hợp vào hai phần mềm được phân chia thành các tiểu lưu vực liên kết GIS dưới dạng phần mở rộng miễn phí là với nhau bởi một mạng lưới sông suối. Mỗi tiểu ArcSWAT cho ArcGIS và MWSWAT cho lưu vực sau đó được chia thành các đơn vị thủy MapWindow. văn (Hydrologic Response Unit- HRU) dựa trên những đặc trưng đồng nhất về sử dụng đất, thổ 3.2. Biên tập cơ sở dữ liệu đầu vào nhưỡng, độ dốc và thực hành quản lý đất đai. Các HRUs chiếm giữ tỉ lệ diện tích khác nhau Trong nghiên cứu này, phần mở rộng trong tiểu lưu vực và không có vị trí không gian ArcSWAT được sử dụng để thao tác tiến trình trong quá trình mô phỏng SWAT. Mô hình mô phỏng SWAT trên nền ArcGIS. Theo đó, SWAT tổng hợp dòng chảy, bồi lắng và tải bước đầu tiên SWAT tiến hành phân chia lưu lượng dưỡng chất từ mỗi tiểu lưu vực, HRU và vực thành những tiểu lưu vực dựa trên Mô hình sau đó dẫn kết quả này vào các kênh dẫn, ao, hồ số độ cao (DEM) và cửa xả được tạo ra từ các chứa đến cửa xả lưu vực [9]. giao điểm của các nhánh sông hoặc do người SWAT mô hình hóa chu trình thủy văn dựa dùng thiết lập. Tiếp theo, mỗi tiểu lưu vực được trên phương trình cân bằng nước sau [10]: chia thành các HRU dựa trên cơ sở chồng lớp dữ liệu sử dụng đất, thổ nhưỡng và độ dốc. (1) Hình 2 minh họa các thành phần của mô hình SWAT. Các dữ liệu không gian cơ bản cần thiết Trong đó, cho ArcSWAT bao gồm DEM, sử dụng đất và SWt: lượng nước trong đất tại thời điểm t thổ nhưỡng. Các dữ liệu theo chuỗi thời gian (mm H2O) theo yêu cầu của mô hình bao gồm số liệu khí SWo: lượng nước trong đất tại thời điểm tượng để tính toán cân bằng nước (Phương trình ban đầu trong ngày thứ i (mm H2O) 1) và số liệu lưu lượng dòng chảy.để hiệu t: thời gian (ngày) chỉnh, kiểm định kết quả mô phỏng từ SWAT. Khó khăn thường gặp khi ứng dụng mô Rday: lượng nước mưa trong ngày thứ i hình SWAT ở các nước đang phát triển đó là sự (mm H2O) khan hiếm hoặc không có các dữ liệu cần thiết. Q : lượng dòng chảy bề mặt trong ngày surf Để vượt qua rào cản này, chúng tôi sử dụng kết thứ i (mm H O) 2 hợp nguồn dữ liệu thu thập từ các cơ quan địa Ea: lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i phương với nguồn dữ liệu toàn cầu được cung (mm H2O) cấp miễn phí. wseep: lượng nước thấm vào vùng chưa h bão hòa trong ngày thứ i (mm H2O)
6. 6 N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 P Thiết lập tập tin Đọc dữ liệu Dữ liệu đầu vào Xử lý trong GIS Chạy mô hình đầu vào đầu ra Phân định Ghi chép Đọc báo cáo DEM Chạy SWAT lưu vực dữ liệu đầu vào kết quả Giá trị Phân chia Biên tập Phân tích Sử dụng đất thông số tối tiểu lưu vực cơ sở dữ liệu độ nhạy ưu Mô phỏng mạng Thiết lập các Hiệu chỉnh Thổ nhưỡng lưới sông suối bảng dữ liệu mô hình Tọa độ địa lý Kiểm định Định nghĩa HRU trạm khí tượng mô hình Chuỗi số liệu khí tượng Hình 2. Các thành phần, dữ liệu đầu vào/đầu ra của SWAT (chỉnh sửa từ [1]). Dữ liệu cần thiết được thu thập trong đô thị cùng với thuộc tính của chúng, làm cơ sở nghiên cứu được mô tả vắn tắt như sau: cho quá trình mô phỏng sự phát triển cây trồng, Mô hình độ cao số (DEM) mô phỏng khu vực đô thị. DEM (Hình 3a) được trích xuất từ dữ liệu Thổ nhưỡng ASTER GDEM (ASTER Global Digital Bản đồ thổ nhưỡng (Hình 3c) được thu thập Elevation Model) ở độ phân giải không gian từ Viện nghiên cứu Nông hóa và Thổ nhưỡng. 30m. Dựa trên nền DEM, mô hình SWAT tiến Trên khu vực nghiên cứu, thống kê có 7 loại hành phân chia lưu vực, các tiểu lưu vực cũng đất, bao gồm đất phù sa có tầng đốm gỉ (cambic như mô phỏng mạng lưới sông suối, các bề mặt fluvisols), đất phù sa không được bồi, chua thoát nước. Những thông số địa hình như độ (dystric fluvisols), đất xám feralit (ferralic dốc địa hình, độ dốc kênh dẫn hoặc chiều dài acrisols), đất xám mùn trên núi (humic sông suối cũng được tính toán từ DEM. acrisols), đất mùn vàng đỏ trên núi (humic Trước khi đưa vào mô hình SWAT, dữ liệu ferrasols), đất nâu đỏ (rhodic ferralsols), đất lầy DEM đã được hiệu chỉnh về hệ tọa độ UTM thụt (umbric gleysols). WGS84. Trước khi đưa vào mô hình SWAT, bản đồ Sử dụng đất này đã được hiệu chỉnh về hệ tọa độ UTM WGS84 và được phân loại lại theo mã loại đất của Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2010 FAO74 tương ứng trong cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng (Hình 3b) ở tỉ lệ 1:25.000 được thu thập từ Sở của SWAT. Sự chuyển đổi này căn cứ vào tên Tài nguyên & Môi trường tỉnh Kon Tum, Sở loại đất, tính chất vật lý, hóa học của đất. Tài nguyên & Môi trường tỉnh Gia Lai. Toàn lưu vực có tất cả 12 loại hình sử dụng đất, trong Thời tiết đó phần lớn là rừng tự nhiên, rừng trồng, tiếp Số liệu thời tiết cần thiết cho SWAT được thu đến là đất nông nghiệp và đất đô thị. thập trong nghiên cứu bao gồm lượng mưa, nhiệt Trước khi đưa vào mô hình SWAT, bản đồ độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất, bức xạ Mặt Trời, này đã được hiệu chỉnh về hệ tọa độ UTM tốc độ gió và độ ẩm tương đối theo ngày. WGS84, với các loại hình sử dụng đất được Đối với số liệu mưa và nhiệt độ, dựa trên vị phân loại lại theo bảng mã sử dụng đất trong trí phân bố, thời gian đo đạc và chất lượng dữ SWAT. Bảng mã này quy định mã số của các liệu, nghiên cứu đã lựa chọn và sử dụng số liệu loại cây trồng, các loại hình che phủ chung, đất tại các trạm đo nằm trong lưu vực sông Đắk Bla
7. N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 7 bao gồm 2 điểm đo mưa nhân dân (Đắk Đoa, vận hành thời tiết WXEN [11] trong SWAT Măng Cành), 2 trạm khí tượng (Kon Tum, tiến hành mô phỏng thời tiết trong trường hợp Pleiku), kết hợp với các trạm đo lân cận bao khiếm khuyết số liệu quan trắc) và các tập tin gồm điểm đo mưa nhân dân KBang và trạm khí thời tiết thành phần (lưu trữ giá trị quan trắc các tượng Đắk Tô nhằm phản ánh rõ nét đặc điểm yếu tố khí tượng). khí tượng vốn phân bố rất phức tạp theo không Thủy văn gian trên lưu vực (Hình 3d). Nguồn cung cấp số liệu lấy từ Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trên lưu vực sông Đắk Bla, hiện tại có 2 Tây Nguyên trong khoảng thời gian từ năm trạm quan trắc lưu lượng dòng chảy đang hoạt 2000 đến 2011. động, đặt tại Kon Plong và Kon Tum (Hình 3d). Đối với các số liệu thời tiết còn lại, nghiên Trong đó trạm Kon Tum là trạm thủy văn cứu sử dụng chuỗi số liệu trong khoảng thời gian cấp 1, được đầu tư nên thời gian quan trắc dài từ năm 2000 đến 2010 tại 3 điểm dữ liệu khí hậu hơn và chất lượng dữ liệu đảm bảo độ tin cậy dạng ô lưới (0,3o x 0,3o) lấy từ Hệ thống Phân cao hơn trạm Kon Plong. Ngoài ra, với vị trí tích, Dự báo Khí hậu (Climate Forecast System nằm tại vùng hạ lưu sông Đắk Bla nên chuỗi số Reanalysis- CFSR) thuộc Trung tâm Quốc gia Dự liệu quan trắc thủy văn tại trạm Kon Tum có báo Môi trường Hoa Kỳ (The National Centers tính chất bao quát, đại diện cho toàn lưu vực. for Environmental Prediction). Chính vì những lý do trên, nghiên cứu đã Trước khi đưa vào mô hình SWAT, số liệu tiến hành thu thập số liệu quan trắc lưu lượng thời tiết được biên tập thành các tập tin thời tiết dòng chảy thời kì 2000 - 2011 tại trạm Kon tổng quát (chứa đựng các thông số thống kê Tum nhằm hỗ trợ quá trình hiệu chỉnh và kiểm thời tiết theo tháng, làm đầu vào cho mô hình định mô hình SWAT. JK f (a) (b)
8. 8 N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 (c) (d) Hình 3. Nguồn dữ liệu đầu vào (a) DEM, (b) Thổ nhưỡng, (c) Sử dụng đất, (d) Trạm khí tượng - thủy văn. 3.3. Thiết lập mô hình SWAT sử dụng nhằm xác định và xếp hạng các thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả đầu ra Tiến trình mô phỏng dòng chảy trên lưu vực của mô hình (ở đây này là lưu lượng dòng chảy) Đắk Bla được thực hiện thông qua phần mở [15]. Phương pháp phân tích độ nhạy được thao rộng ArcSWAT cho phiên bản SWAT2012. tác ngay trong giao diện ArcSWAT kết hợp mô Trước tiên, mô hình SWAT phân chia lưu vực phỏng Hypercube Latinh và lấy mẫu One- thành 11 tiểu lưu vực. Sau đó, với việc thiết lập factor-At-a-Time [16]. ngưỡng diện tích sử dụng đất, thổ nhưỡng và độ Hiệu chỉnh mô hình nhằm xác định giá trị dốc tương ứng là 30%, 30% và 30%, đã tạo ra 33 HRUs. tối ưu cho bộ thông số thiết lập bởi người sử dụng. Quá trình này có thể được thực hiện thủ Các thành phần cân bằng nước được tính công hoặc tự động dựa trên thuật toán tối ưu toán theo phương pháp đường cong số (curve hóa. So sánh hai phương pháp hiệu chỉnh cho number) [12] cho dòng chảy mặt và phương pháp Hargreaves [13] cho bốc hơi tiềm năng. thấy hiệu chỉnh tự động giúp tiết kiệm công sức, thời gian xử lý hơn, và có thể giảm thiểu Quá trình mô phỏng thủy văn trong SWAT tính không chắc chắn vốn đặc trưng của hiệu có liên quan tới hơn 26 thông số. Do vậy, quá chỉnh thủ công [17]. Vì vậy, nghiên cứu đã tiến trình hiệu chỉnh mô hình sẽ trở nên khá phức tạp và đòi hỏi khả năng tính toán mạnh mẽ [14]. hành hiệu chỉnh mô hình thông qua chương Trong trường hợp này, phân tích độ nhạy được trình hiệu chỉnh tự động SWAT - CUP bằng
9. N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 9 phương pháp Sequential Uncertainty Fitting 4. Kết quả và thảo luận (SUFI-2) [18]. 4.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình Sau khi kết thúc hiệu chỉnh, quá trình kiểm định được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả Phân tích độ nhạy dựa trên dòng chảy mặt của mô hình sử dụng bộ thông số hiệu chỉnh cho thấy các thông số nhạy nhất trong quá trình trong việc mô phỏng các chức năng thủy văn mô phỏng thủy văn trên lưu vực Đắk Bla đó là trên lưu vực với khoảng thời gian độc lập với CN2, ALPHA_BF, GW_DELAY và GWQMN. giai đoạn hiệu chỉnh. Bốn thông số này sau đó đã được lựa chọn để hiệu chỉnh thông qua phương pháp SUFI-2. Quá trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình Việc định nghĩa tự động giá trị tối ưu của được thực hiện bằng cách sử dụng hệ số xác các biến mô hình tuy mất nhiều thời gian nhưng định R2 [19] và chỉ số hiệu quả Nash- Sutcliffe nó đã được chứng minh là hiệu quả và đáng tin (NSE) [20]. Công thức tính toán các hệ số này cậy hơn so với làm thủ công [1]. Phạm vi và giá được thể hiện trong các phương trình sau đây. trị tối ưu của các thông số hiệu chỉnh được thể hiện trong Bảng 1. Tiến hành chạy mô hình SWAT với các giá trị tối ưu cho phép đánh giá hiệu suất của mô (2) hình. Quá trình này được thực hiện bằng cách so sánh các giá trị lưu lượng dòng chảy quan (3) trắc và mô phỏng tại trạm Kon Tum cho cả hai Trong đó, Oi là giá trị thực đo, là giá trị thời kì hiệu chỉnh và kiểm định. Kết quả hiệu thực đo trung bình, Pi là giá trị mô phỏng, là chỉnh và kiểm định được thể hiện trong Bảng 2 giá trị mô phỏng trung bình, n là số lượng giá và Hình 4, 5. trị tính toán. Dựa trên các thông số thống kê cho thấy có Nhìn chung, mô hình được chấp nhận khi mối tương quan tốt giữa giá trị lưu lượng dòng hệ số R2 và chỉ số NSE lớn hơn 0,5 [21, 22]. chảy quan trắc và mô phỏng hàng tháng với R² đạt 0,78, NSE đạt 0,75 trong giai đoạn hiệu chỉnh. Số liệu quan trắc lưu lượng dòng chảy trung Trong giai đoạn kiểm định, kết quả mô phỏng bình tháng giai đoạn 2000- 2005, 2006- 2011 tại kém hơn với R² và NSE lần lượt là 0,75 và 0,72. trạm Kon Tum được sử dụng lần lượt cho quá Như vậy, đánh giá chung, mô hình đạt kết quả tốt trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình SWAT. trong cả hai thời kì hiệu chỉnh và kiểm định. Bảng 1. Phạm vi và giá trị tối ưu của các thông số hiệu chỉnh mô hình SWAT Giá trị hiệu chỉnh Thông số Mô tả Giá trị Giá trị Giá trị tối ưu nhỏ nhất lớn nhất r_CN2 Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II -0,16 -0,2 0,2 v_ALPHA_BF Hệ số triết giảm 0,1 0 1 v_GW_DELAY Sự chậm trễ nước ngầm 324 30 450 v_GWQMN Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (mm) 0,2 0 2
10. 10 N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 Bảng 2. Đánh giá kết quả mô phỏng dòng chảy giai đoạn hiệu chỉnh, kiểm định Giá trị Giai đoạn R2 NSE Hiệu chỉnh (2001- 2005) 0,78 0,75 Kiểm định (2006- 2011) 0,75 0,72 Hình 4. Diễn biến lưu lượng dòng chảy quan trắc và mô phỏng giai đoạn hiệu chỉnh (2001- 2005). Hình 5. Diễn biến lưu lượng dòng chảy quan trắc và mô phỏng giai đoạn kiểm định (2006 - 2011). 4.2. Các thành phần cân bằng nước lưu vực sông. Giá trị mô phỏng của các thành phần cân bằng nước trung bình năm giai đoạn Mô hình SWAT tính toán cân bằng nước 2000- 2011 được trình bày trong Bảng 3. cho mỗi HRU, sau đó tổng hợp tất cả các giá trị Tỷ lệ dòng chảy so với lượng mưa trung tính toán tại HRU theo trung bình diện tích để bình đạt 0,72 cho thấy khả năng sản sinh nguồn thống kê cho các tiểu lưu vực và cho toàn bộ
11. N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 11 nước trên lưu vực sông Đắk Bla khá phong phú. thấp hơn dòng chảy ngầm (0,43 so với 0,57), Tỉ lệ bốc thoát hơi thực tế so với lượng mưa điều này chứng minh tiềm năng nước ngầm trên thấp (0,26) phản ánh khả năng giữ nước tốt của lưu vực rất phong phú cũng như vai trò quan lớp thực phủ trên bề mặt lưu vực. Mặt khác, nếu trọng của rừng trong việc hạn chế dòng chảy xem xét đến từng thành phần trong lưu lượng mặt, tăng lượng dòng chảy ngầm. dòng chảy, nhận thấy dòng chảy mặt chiếm tỉ lệ Bảng 3. Giá trị mô phỏng cân bằng nước trung bình năm Thành phần cân bằng nước Giá trị Lượng mưa (mm) 1.903,8 Bốc thoát hơi tiềm năng (mm) 992,5 Bốc thoát hơi thực tế (mm) 497,4 Dòng chảy mặt (mm) 584,72 Dòng chảy trễ (mm) 185,78 Dòng chảy hồi quy (mm) 593,42 K 5. Kết luận Hướng nghiên cứu tiếp theo của nghiên cứu này đó là ứng dụng mô hình SWAT đã được Qua nghiên cứu này, mô hình SWAT đã hiệu chỉnh để phân tích các thành phần cân được hiệu chỉnh thành công cho lưu vực Đắk bằng nước, đánh giá tác động của thay đổi sử Bla. Mô hình cho kết quả mô phỏng tốt đối với dụng đất và biến đổi khí hậu đến nguồn tài lưu lượng dòng chảy trung bình tháng. Thuật nguyên nước cũng như chất lượng nước và tải toán tối ưu hóa SUFI-2 tích hợp trong giao diện lượng bùn cát. SWAT-CUP được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình. Các giá trị tối ưu của từng thông số mô hình đã được mô tả một cách rõ ràng. Quá trình Tài liệu tham khảo đánh giá hiệu quả của mô hình đã được thực 2 hiện thành công với hai chỉ số thống kê là R và [1] Abdelhamid Fadil, Hassan Rhinane, Abdelhadi NSE. Cụ thể, so sánh giá trị dòng chảy quan Kaoukaya, Youness Kharchaf and Omar Alami trắc và mô phỏng tại trạm Kon Tum cho thấy Bachir, 2011. Hydrologic Modeling of the chỉ số NSE và hệ số R² đều cao hơn 0,7 trong Bouregreg Watershed (Morocco) Using GIS and SWAT Model. Journal of Geographic Information cả hai thời kì hiệu chỉnh và kiểm định. System, 2011, 3, 279-289. Nghiên cứu này đã chứng minh khả năng doi:10.4236/jgis.2011.34024. ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào [2] Hồ Việt Cường, 2012. Báo cáo tổng hợp dự án “Quy hoạch thủy lợi tỉnh Kon Tum giai đoạn 2011- cần thiết cho quá trình thiết lập, chạy các mô 2020 và định hướng đến năm 2025”. Viện Khoa hình thủy văn, đặc biệt là đối với những mô học Thủy lợi Việt Nam. hình phân phối liên tục. Đồng thời, cũng đã cho [3] Sivapalan M., 2003. Process Complexity at thấy khả năng ứng dụng mô hình SWAT trong Hillslope Scale, Process Simplicity at the Watershed Scale: Is There a Connection? Hydrological mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại các lưu vực Processes, Vol. 17, No. 5, 2003, pp. 1037-1041. đồi núi như lưu vực Đắk Bla. doi:10.1002/hyp.5109.
12. 12 N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 [4] Singh V. P. and Woolhiser D. A., 2003. No. 2, 2005, pp. 377-388.doi:10.1111/j.1752- Mathematical Modeling of Watershed Hydrology. 1688.2005.tb03742.x. Journal of Hydrologic Engineering, Vol. 7, No. 4, [13] G. Hargreaves and Z. A. Samani, 1985. Reference 2002, pp. 270-292. doi:10.1061/(ASCE)1084- Crop Evapotranspiration from Temperature. 0699(2002)7:4(270). Applied Engineering in Agriculture, Vol. 1, No. 2, [5] Arnold J. G., Srinivasan R., Muttiah R. S., and 1985, pp. 96-99. Williams J. R., 1998. Large area hydrologic [14] R. Rosso, A. Peano, I. Becchi and G. A. Bemporad, modeling and assessment part I: model 1994. An Introduction to Spatially Distributed development. American Water Resources Modelling of Basin Response. Water Resources Association, vol. 34, no. 1, pp. 73-89. Publications, Highland Ranch, 1994, pp. 3-30. [6] M. T. Vu, S. V. Raghavan, and S. Y. Liong, 2012. [15] A. Saltelli, E. M. Scott, K. Chan and S. Marian, SWAT use of gridded observations for simulating 2000. Sensitivity Analysis. John Wiley & Sons Ltd., runoff - a Vietnam river basin study. Hydrol. Earth Chichester, 2000. Syst. Sci., 16, 2801-2811, 2012. www.hydrol-earth- [16] A. Van Griensven and W. Bauwens, 2003. Multi- syst-sci.net/16/2801/2012/ doi:10.5194/hess-16- objective Auto-calibration for Semi-distributed 2801-2012. Water Quality Models. Water Resources Research, [7] Neitsch S.L., Arnold J.G., Kiniry J.R. and Williams Vol. 39, No. 12, 2003. J.R., 2005. Soil and Water Assessment Tool, [17] M. W. Van Liew, J. G. Arnold and D. D. Bosch, Theoretical Documentation: Version 2005. 2005. Problems and Potential of Autocalibrating a Agricultural Research Service and Texas A & M Hydrologic Model. Transactions of the ASAE, Vol. Blackland Research Center, Temple, TX, USDA. 48, No. 3, 2005, pp. 1025-1040. [8] Luzio M.D., Srinivasan R. and Arnold J.G., 2002. [18] Abbaspour, K.C., J. Yang, I. Maximov, R. Siber, K. Integration of Watershed Tools and the SWAT Bogner, J. Mieleitner, J. Zobrist and R. Srinivasan, Model into BASINS. J. Am. Water Resour. Assoc., 2007. Modeling hydrology and water quality in the 38(4), 1127-1141. pre-alpine/alpine thur watershed using SWAT. J. [9] Arnold J.G., Allen P.M. and Morgan D.S., 2001. Hydrol., 333: 413-430. Hydrologic Model for Design and Constructed [19] P. Krause et al., 2005. Comparison of different Wetlands. Wetlands 21 (2), 167-178. efficiency criteria for hydrological model [10] Neitsch S.L. et al., 2009. Overview of Soil and assessment. Advances in Geosciences 5: 89-97. Water Assessment Tool (SWAT) Model. In: [20] Nash, J. E. and J.V. Suttcliffe, 1970. River flow Arnold, J et al., eds. 2009. Soil and Water forecasting through conceptual models, Part 1.A Assessment Tool (SWAT): Global Applications. discussion of principles. Journal of Hydrology 10 Special Publication No. 4., World Associatiom of (3): 282-290. Soil and Water Conservation, Bangkok: Funny [21] Van Liew, M. W., J. G. Arnold, and J. D. Publishing, pp.3-23. Garbrecht. 2003. Hydrologic simulation on [11] Sharpley A. N. and Williams J. R., 1990. EPIC- agricultural watersheds: Choosing between two Erosion Productivity Impact Calculator, Model models. Trans. ASAE 46(6): 1539-1551. Documentation. US Department of Agriculture, [22] D. N. Moriasi, J. G. Arnold, M. W. Van Liew, R. L. Agricultural Research Service, Technical Bulletin, Bingner, R. D. Harmel and T. L. Veith, 2007. No. 1768. Model evaluation guidelines for systematic [12] D. C. Garen and D. S. Moore, 2005. Curve Number quantification of accuracy in watershed simulations. Hydrology in Water Quality Modeling: Uses, ASABE Vol. 50(3): 885-900, ISSN 0001-2351. Abuses, and Future Directions. Journal of the American Water Resources Association, Vol. 41,
13. N.T.T. Ấu và nnk / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 29, Số 3 (2013) 1‐13 13 Applying GIS Technique and SWAT Model to Assessing Water Discharge in the Đắk Bla Watershed Nguyễn Thị Tịnh Ấu1, Nguyễn Duy Liêm2, Nguyễn Kim Lợi2 1University of Technical Education Hồ Chí Minh City, Vietnam 2Nông Lâm University, Hồ Chí Minh City, Vietnam Abstract: The study of water resources at watershed scale is widely adopted as an appropriate approach to manage, assess and simulate these important natural resources. The development of GIS techniques has allowed the use of spatially and physically based hydrologic models to simulate as simply and realistically as possible the functioning of watershed systems. In this context, the objective of this study is to model the hydrology in the Đắk Bla river basin, located at the Central Highland of Vietnam, using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) in order to understand and determine the different watershed hydrological processes. The ArcSWAT interface implemented in the ArcGIS software was used to delineate the basin and its sub-components, combine the data layers and edit the model database. The model parameters were analyzed, ranked and adjusted for hydrologic modeling purposes using monthly temporal data series. They were calibrated using Sequential Uncertainty Fitting (SUFI-2) method in SWAT - CUP software from 2000 to 2005 and validated from 2006 to 2011. Based on statistical indicators, the evaluation indicates that SWAT model had a good performance for both calibration and validation periods in Dak Bla watershed. In fact, the model showed a good correlation between the observed and simulated monthly average river discharge at Kon Tum stream gauge with R² and Nash - Sutcliffe coefficient of about 0.7. These results revealed that if properly calibrated, SWAT model can be used efficiently to support water management policies. Keywords: Water discharge, Dak Bla watershed, GIS, SWAT model.