Giáo trình Ứng dụng phần mềm mô phỏng SWAT để đánh giá tác động của biến động diện tích rừng đến chế độ dòng chảy lưu vực Thượng nguồn sông Mã

Nội dung text: Giáo trình Ứng dụng phần mềm mô phỏng SWAT để đánh giá tác động của biến động diện tích rừng đến chế độ dòng chảy lưu vực Thượng nguồn sông Mã

1. Tạp chí Khoa học và Phát triển 2011: Tập 9, số 3: 384 - 392 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI øNG DôNG PHÇN MÒM M¤ PHáNG SWAT §Ó §¸NH GI¸ T¸C §éNG CñA BIÕN §éNG DIÖN TÝCH RõNG §ÕN CHÕ §é DßNG CH¶Y L¦U VùC TH¦îNG NGUåN S¤NG M· Application of SWAT Model to Evaluate Forest Land Area Change Impact on Flow Regime in Upper Ma River Basin, Vietnam Trần Hữu Hùng1, Lê Hồng Giang1, Nguyễn Duy Bình2 1Sinh viên Khoa Tài nguyên & Môi trường, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội 2Khoa Công nghệ thông tin, Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội Địa chỉ email tác giả liên lạc: hunghuga@gmail.com Ngày gửi đăng: 29.03.2011; Ngày chấp nhận: 02.05.2011 TÓM TẮT Đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất, đặc biệt là diện tích rừng đến điều kiện thủy văn được coi là không thể thiếu trong lập chiến lược quản lý lưu vực sông. Lưu vực thượng nguồn sông Mã là vùng với địa hình và chế độ dòng chảy biến động mạnh, đồng thời đang chịu nhiều áp lực từ việc thay đổi sử dụng đất trong những thập kỉ gần đây. Nghiên cứu này cố gắng sử dụng mô hình SWAT để định lượng tác động của các kịch bản biến động diện tích rừng đến chế độ dòng chảy của lưu vực thượng nguồn sông Mã. Mô hình SWAT đã được hiệu chỉnh và kiểm chứng thành công với dữ liệu quan trắc thủy văn năm 1998 - 2004. Kết quả mô phỏng chế độ dòng chảy của mô hình đã được phân tích để định lượng mức độ tác động của các kich bản biến động diện tích rừng (tăng và giảm 25%, 50% diện tích rừng của năm 2005). Kết quả đánh giá tác động của biến động diện tích rừng đến chế độ dòng chảy chỉ ra rằng: sự tăng lên của diện tích rừng làm giảm lưu lượng dòng chảy trung bình trong sông vào mùa mưa lũ. Những kết quả của nghiên cứu này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nhà chức trách trong lập kế hoạch quản lý tài nguyên thiên nhiên của vùng. Từ khóa: Biến động diện tích rừng, dòng chảy trong sông, đất rừng, SWAT. SUMMARY Assessment of land use change, especially forestland area change effects on hydrological conditions is considered to be indispensable in planning and management of any river basin. The upper part of Ma river basin, Northwest of Vietnam is a typical river basin in Vietnam with variable flow regime and topography, and has been undergoing tremendous land use changes in the last few decades. The present study is an attempt to use SWAT model to evaluate impacts of different forestland area change scenarios on hydrological regime of the upper part of Ma river basin. The SWAT model was calibrated and validated in accordance with the observed daily streamflows at selected gauging stations, using available meteorological and hydrological monitoring data series during 1998 to 2004. Simulated flow regime of the river was analyzed for quantifying implications of different re-forested area (25% and 50% of total 2005-year forested area in the river basin). The result of assessing the forestland area change scenarios effects on flow regime shown that: increasing forest land causes decreasing the mean stream flow in wet season. The preliminary results of this study can be used as decision support information for natural resource planning and management. Key words: Forest land, forestland area change, stream flow, SWAT. 384
2. Ứng dụng phần mềm mô phỏng SWAT để đánh giá tác động của biến động diện tích rừng đến 1. §ÆT VÊN §Ò L−u vùc s«ng M· n»m trªn c¶ l·nh thæ ViÖt Nam vμ Lμo. S«ng M· b¾t nguån tõ M«i tr−êng nh÷ng vïng ®Êt dèc ë ViÖt T©y B¾c ViÖt Nam (tØnh §iÖn Biªn, S¬n La), Nam tr¶i qua rÊt nhiÒu thay ®æi trong nh÷ng ch¶y qua Lμo råi trë l¹i l·nh thæ ViÖt Nam thËp kØ gÇn ®©y, bao gåm t¨ng mËt ®é d©n sè, ë tØnh Thanh Hãa tr−íc khi ®æ n−íc vμo tμn ph¸ rõng, sù xuÊt hiÖn cña c¸c c¬ së h¹ vÞnh B¾c Bé. DiÖn tÝch l−u vùc s«ng M· lμ tÇng míi phôc vô cho c¸c môc ®Ých kh¸c 28.400 km2. Vïng nghiªn cøu lμ phÇn th−îng nhau. Nh÷ng sù thay ®æi nμy cÇn c¸c c«ng cô nguån cña l−u vùc víi diÖn tÝch 6.652 km2 víi ®Þnh l−îng ®Ó cung cÊp th«ng tin vÒ c¸c t¸c lo¹i h×nh sö dông ®Êt chñ yÕu lμ ®Êt ®åi nói ®éng dμi h¹n cho c¸c nhμ ho¹ch ®Þnh chÝnh bá hoang vμ c¸c lo¹i ®Êt rõng. §é cao trung s¸ch. M« h×nh m« pháng l−u vùc sö dông cho b×nh so víi mùc n−íc biÓn lμ 948 m (272 - c¸c nghiªn cøu c¶nh quan, sinh th¸i vμ thñy 2.169 m). L−îng m−a trung b×nh hμng n¨m v¨n nh− SWAT cã thÓ gióp c¸c nhμ ho¹ch tõ 1.000 - 1.400 mm vμ tËp trung vμo kho¶ng ®Þnh chÝnh s¸ch ®¸nh gi¸ c¸c chiÕn l−îc ph¸t tõ th¸ng 6 ®Õn th¸ng 8 (80% tæng l−îng m−a triÓn cho tõng môc ®Ých cô thÓ, nh− ®¸nh gi¸ hμng n¨m). t¸c ®éng cña c¸c kÞch b¶n vÒ diÖn tÝch rõng trong t−¬ng lai ®Õn chÕ ®é thñy v¨n cña l−u 2.2. M« h×nh SWAT 2005 vùc. H¬n n÷a, viÖc ®¸nh gi¸ vμ m« h×nh hãa SWAT2005 (Neisch vμ cs., 2005) lμ m« c¸c t¸c ®éng cña thay ®æi sö dông ®Êt lªn c¸c h×nh ®−îc thiÕt kÕ ®Ó tÝnh to¸n dßng ch¶y qu¸ tr×nh thñy v¨n lμ mét vÊn ®Ò quan träng trμn vμ chÊt dinh d−ìng tho¸t ra tõ vïng cña c«ng t¸c qu¶n lý l−u vùc. n«ng th«n, ®Æc biÖt lμ tõ c¸c ho¹t ®éng n«ng SWAT ®· ®−îc sö dông réng r·i trong nghiÖp (Arnold vμ cs., 1998). M« h×nh ®−îc kho¶ng h¬n 30 n¨m qua trªn toμn thÕ giíi vμ ®Æt hμng bëi Trung t©m nghiªn cøu n«ng ®· ph¸t triÓn trë thμnh mét c«ng cô h÷u nghiÖp thuéc Bé N«ng nghiÖp Hoa K× hiÖu cho viÖc ®¸ng gi¸ tμi nguyªn n−íc vμ (USDA). C¸c d÷ liÖu ®Çu vμo cña SWAT2005 c¸c vÊn ®Ò « nhiÔm trong nh÷ng ®iÒu kiÖn ®−îc triÓn khai qua sù trî gióp cña giao diÖn m«i tr−êng vμ c¶nh quan réng lín (Gassman ch−¬ng tr×nh ArcGIS (ArcSWAT2005 – vμ cs., 2007). NhiÒu nghiªn cøu trªn thÕ giíi Winchell vμ cs., 2009), gióp tù ®éng g¸n c¸c ®· chØ ra r»ng SWAT cã kh¶ n¨ng m« pháng gi¸ trÞ th«ng sè m« h×nh mÆc ®Þnh vμ t¹o ra dßng ch¶y, chÊt l−îng n−íc vμ xãi mßn ®Êt c¸c tËp tin ®Çu vμo dùa trªn c¸c líp chång trªn nh÷ng diÖn tÝch réng lín thËm chÝ ngay xÕp b¶n ®å GIS ®−îc cung cÊp qua giao diÖn c¶ víi d÷ liÖu h¹n chÕ. cña ch−¬ng tr×nh. Môc ®Ých cña nghiªn cøu nμy lμ øng Cã rÊt nhiÒu øng dông cña SWAT trªn dông SWAT ®Ó ph©n tÝch t¸c ®éng cña biÕn toμn thÕ giíi víi môc ®Ých chñ yÕu lμ ®¸nh ®éng diÖn tÝch rõng ®Õn chÕ ®é dßng ch¶y ë gi¸ t¸c ®éng cña c¸c ho¹t ®éng sö dông/qu¶n l−u vùc th−îng nguån s«ng M· vμ còng lμ lý ®Êt ®Õn chÕ ®é n−íc, vËn chuyÓn trÇm tÝch mét nç lùc thu nhËn kinh nghiÖm vμ c«ng hay hãa chÊt trong n«ng nghiÖp trªn nh÷ng nghÖ ®Ó cã thÓ ¸p dông m« h×nh SWAT cho l−u vùc réng lín vμ ®a d¹ng c¸c lo¹i thæ c¸c l−u vùc s«ng kh¸c trªn toμn bé miÒn B¾c nh−ìng, sö dông ®Êt vμ c¸c ®iÒu kiÖn qu¶n ViÖt Nam. lý (Gassman vμ cs., 2007). §éng lùc chÝnh cña SWAT lμ hîp phÇn thñy häc. C¸c qu¸ tr×nh thñy v¨n ®−îc chia lμm 2 pha (Hiroaki 2. VËT LIÖU Vμ PH¦¥NG PH¸P vμ Ikulo, 2009): NGHI£N CøU • Pha ®Êt: §iÒu khiÓn l−îng n−íc, trÇm 2.1. Vïng nghiªn cøu: L−u vùc th−îng tÝch vμ dinh d−ìng tiÕp nhËn ®−îc tõ mét nguån s«ng M·, miÒn B¾c ViÖt Nam vïng tÝch n−íc. 385
3. Trần Hữu Hùng, Lê Hồng Giang, Nguyễn Duy Bình B¶ng 1. D÷ liÖu ®Çu vμo cña m« h×nh STT Loại dữ liệu Chi tiết Nguồn Dữ liệu mưa ngày từ 4 trạm khí tượng 1 Lượng mưa Trung tâm Khí tượng Thủy văn (Sông Mã, Sơn La, Yên Châu, Quế Nhai) Nhiệt độ, độ ẩm tương đối, Dữ liệu quan trắc tháng từ 2 trạm khí 2 bức xạ mặt trời và gió tượng (Sông Mã, Sơn La) Dữ liệu lưu lượng dòng chảy ngày từ 3 Lưu lượng dòng chảy Trạm thủy văn Xà Là 4 Bản đồ số độ cao (DEM) Độ phân giải 30 m 5 Bản đồ thổ nhưỡng Độ phân giải 250 m Bộ Tài nguyên và Môi trường 6 Bản đồ sử dụng đất Độ phân giải 150 m • Pha di chuyÓn cña n−íc: M« pháng nhá h¬n thμnh c¸c HRU. B¶n ®å sè ®é cao chuyÓn ®éng cña n−íc trong hÖ thèng s«ng (DEM), thæ nh−ìng, sö dông ®Êt vμ hÖ thèng suèi. SWAT tÝnh to¸n c¶ nguån ®Çu vμo dinh s«ng ngßi lμ d÷ liÖu ®Çu vμo cña m« h×nh. d−ìng tù nhiªn (kho¸ng hãa vËt chÊt h÷u c¬ M« h×nh chia vïng nghiªn cøu thμnh 28 tiÓu vμ cè ®Þnh N) vμ c¸c nguån ®ãng gãp cña con l−u vùc dùa vμo viÖc ph©n chia DEM ®é ng−êi (ph©n bãn, c¸c nguån d¹ng ®iÓm). ph©n gi¶i 30 m ®−îc cung cÊp bëi Bé Tμi SWAT m« t¶ l−u vùc qua c¸c tiÓu l−u nguyªn vμ M«i tr−êng ViÖt Nam. vùc (subbasin) liªn hÖ víi nhau bëi mét Trong mçi mét tiÓu l−u vùc, c¸c HRU m¹ng l−íi s«ng ngßi. Mçi tiÓu l−u vùc l¹i ®−îc x¸c ®Þnh cã mét lo¹i h×nh thæ nh−ìng ®−îc chia nhá h¬n thμnh c¸c ®¬n vÞ ®ång vμ sö dông ®Êt duy nhÊt vμ kh«ng gièng víi nhÊt thñy v¨n HRU (HRU: lμ nh÷ng vïng c¸c HRU bªn c¹nh. Giíi h¹n diÖn tÝch ®Ó nhá cã cïng mét lo¹i sö dông ®Êt, lo¹i thæ ®Þnh d¹ng HRU trong 1 tiÓu l−u vùc lμ 5% nh−ìng vμ lo¹i biÖn ph¸p qu¶n lý) dùa trªn ®èi víi sö dông ®Êt vμ 10% víi thæ nh−ìng. c¸c líp ®Æc tÝnh sö dông ®Êt vμ thæ nh−ìng ®¬n nhÊt trªn c¸c vÞ trÝ trong diÖn tÝch tiÓu 2.5. HiÖu chØnh vμ kiÓm chøng m« h×nh l−u vùc. SWAT tæng hîp l−u l−îng, trÇm HiÖu chØnh m« h×nh lμ sù ®iÒu chØnh c¸c tÝch, dinh d−ìng tõ mçi HRU vμo c¸c nh¸nh th«ng sè cña m« h×nh trong giíi h¹n cho s«ng, ao hay hå råi ®æ ra ®iÓu ®Çu ra cña l−u phÐp ®Ó ®¸nh gi¸ kh¸ch quan sù thèng nhÊt vùc (Arnold vμ cs., 2001). SWAT sö dông m« gi÷a d÷ liÖu quan tr¾c vμ kÕt qu¶ m« pháng h×nh (EPIC) ®Ó m« pháng dinh d−ìng trong cña m« h×nh. KiÓm chøng lμ qu¸ tr×nh xem tÊt c¶ c¸c mïa vô. §Ó t¹o ra c¸c d÷ liÖu thêi xÐt m« h×nh dù ®o¸n cã chÝnh x¸c kh«ng. tiÕt, m« h×nh SWAT sö dông m« h×nh Nghiªn cøu nμy sö dông bé d÷ liÖu quan tr¾c WXGEN (Sharpley vμ Williams, 1990). l−u l−îng dßng ch¶y tõ 1998 - 2000 ®Ó hiÖu 2.3. ThiÕt lËp m« h×nh chØnh m« h×nh vμ d÷ liÖu quan tr¾c l−u M« h×nh SWAT2005 thiÕt lËp cho th−îng l−îng dßng ch¶y tõ 2001 - 2004 ®Ó kiÓm nguån s«ng M· miªu t¶ trong nghiªn cøu nμy chøng m« h×nh. ®−îc b¾t nguån tõ mét nghiªn cøu SWAT cña HiÖu chØnh m« h×nh cè g¾ng tËp trung Tr−êng §¹i häc N«ng nghiÖp Hμ Néi tr−íc ®ã vμo viÖc c¶i thiÖn kh¶ n¨ng dù ®o¸n cña m« vÒ vËn chuyÓn n−íc vμ trÇm tÝch (NguyÔn h×nh dùa vμo d÷ liÖu tõ Tr¹m quan tr¾c thñy Duy B×nh vμ cs., 2010). C¸c d÷ liÖu ®Çu vμo v¨n Xμ Lμ. C¸c hÖ sè Nash – Sutcliffe (NSE), 2 chÝnh cña m« h×nh ®−îc m« t¶ ë b¶ng 1. hÖ sè x¸c ®Þnh (R ) vμ ®é lÖch phÇn tr¨m (PBIAS) ®−îc sö dông ®Ó ®¸nh gi¸ kÕt qu¶ 2.4. M« t¶ l−u vùc dù ®o¸n cña m« h×nh. SWAT chia toμn bé l−u vùc thμnh c¸c Gi¸ trÞ NSE ®−îc tÝnh to¸n sö dông c«ng tiÓu l−u vùc, c¸c tiÓu l−u vùc l¹i ®−îc chia thøc sau: 386
4. Ứng dụng phần mềm mô phỏng SWAT để đánh giá tác động của biến động diện tích rừng đến n ⎡⎤2 dông m« h×nh ®Ó ®¸nh gi¸ t¸c ®éng cña biÕn NSE = 1 − ii ⎢⎥∑()QQobs− sim / ®éng diÖn tÝch rõng trong vïng nghiªn cøu. ⎣⎦i1= Cã 4 kÞch b¶n ®−îc thiÕt lËp ®Ó biÓu thÞ ⎡⎤n 2 nh÷ng thay ®æi vÒ diÖn tÝch rõng cã thÓ x¶y QQi − (1) ⎢⎥∑( obs obs ) ra trong t−¬ng lai ë l−u vùc th−îng nguån ⎣⎦i1= s«ng M· vμ sö dông hiÖn tr¹ng sö dông ®Êt i Trong ®ã: n lμ sè lÇn ®¸nh gi¸. Qobs vμ cña n¨m 2005 nh− lμ kÞch b¶n gèc. T¸c ®éng cña biÕn ®éng diÖn tÝch rõng ®Õn chÕ ®é dßng Qi lμ gi¸ trÞ quan tr¾c vμ m« pháng cña sim ch¶y trong ph¹m vi l−u vùc ®−îc ph©n tÝch lÇn thø i. Qobs lμ gi¸ trÞ quan tr¾c trung b×nh b»ng c¸ch so s¸nh gi¸ trÞ l−u l−îng dßng ch¶y cña 4 kÞch b¶n m« pháng víi kÞch b¶n gèc. cña c¸c lÇn quan tr¾c Qi obs . C¸c kÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng Gi¸ trÞ NSE cho biÕt møc ®é trïng khíp ®−îc tiÕn hμnh ®¸nh gi¸ gåm cã: cña ®−êng gi¸ trÞ quan tr¾c so víi gi¸ trÞ m« • HiÖn tr¹ng sö dông ®Êt n¨m 2005 ®−îc pháng vμ ®−êng 1:1 (Nash vμ Sutcliffe, xem lμ kÞch b¶n gèc. 1970). Gi¸ trÞ NSE giíi h¹n tõ –∞ ®Õn 1, víi • KÞch b¶n KB1: chuyÓn 141089 ha ®Êt gi¸ trÞ nhá h¬n hay gÇn b»ng 0 biÓu thÞ cho cã rõng tù nhiªn (t−¬ng ®−¬ng 50% diÖn tÝch kh¶ n¨ng dù ®o¸n kh«ng chÝnh x¸c cña m« ®Êt rõng) thμnh ®Êt ®åi nói bá hoang, ®ång h×nh, gi¸ trÞ gÇn b»ng 1 thÓ hiÖn cho kh¶ thêi gi÷ nguyªn c¸c lo¹i sö dông ®Êt kh¸c. n¨ng dù ®o¸n tèt cña m« h×nh. • KÞch b¶n KB2: chuyÓn 68989 ha ®Êt cã HÖ sè x¸c ®Þnh (R2): rõng tù nhiªn (t−¬ng ®−¬ng 25% diÖn tÝch ®Êt n 2 rõng) thμnh ®Êt ®åi nói bá hoang, ®ång thêi ⎡ii⎤ ⎢∑()QQobs−−obs () Qsim Qsim ⎥gi÷ nguyªn c¸c lo¹i h×nh sö dông ®Êt kh¸c. ⎣⎦i1= R2 = (2) • KÞch b¶n KB3: chuyÓn 69034 ha ®Êt nN 2nN 2 ii ®åi nói bá hoang (t−¬ng ®−¬ng 25% diÖn tÝch ∑∑()QQobs −−obs ( QQsim sim ) i1==i1 ®Êt rõng) thμnh ®Êt rõng trång, gi÷ nguyªn c¸c lo¹i sö dông ®Êt kh¸c. Trong ®ã: Qsim vμ Qobs lμ gi¸ trÞ l−u • KÞch b¶n KB4: chuyÓn 143095 ha ®Êt l−îng dßng ch¶y quan tr¾c vμ m« pháng, n lμ ®åi nói bá hoang (t−¬ng ®−¬ng 50% diÖn tÝch sè lÇn quan tr¾c. ®Êt rõng) thμnh ®Êt rõng trång, gi÷ nguyªn HÖ sè PBIAS: c¸c lo¹i sö dông ®Êt kh¸c. nn PBIAS = ii i (3) ∑∑()Qobs−× Q sim 100 / Qobs i1=i1=3. KÕT QU¶ Vμ TH¶O LUËN Trong ®ã: n lμ sè lÇn ®¸nh gi¸. Qi vμ obs 3.1. M« t¶ l−u vùc Qi lμ gi¸ trÞ quan tr¾c vμ m« pháng t¹i lÇn sim Sù m« pháng cña m« h×nh biÓu diÔn thø i. l−u vùc gåm cã 28 tiÓu l−u vùc ®Ó tÝnh to¸n Gi¸ trÞ PBIAS b»ng b»ng 0 thÓ hiÖn sù m« thêi tiÕt, thæ nh−ìng, ®Þa h×nh vμ biÕn pháng ®óng ®¾n cña m« h×nh. Gi¸ trÞ d−¬ng ®éng sö dông ®Êt trong ph¹m vÞ l−u vùc PBIAS biÓu thÞ m« h×nh m« pháng thÊp h¬n th−îng nguån s«ng M· (H×nh 1). Cã tæng sè gi¸ trÞ thùc cßn gi¸ trÞ ©m PBIAS biÓu thÞ m« 7 lo¹i sö dông ®Êt ®−îc ®Ò cËp. B¶ng 2 thÓ h×nh m« pháng cao h¬n gi¸ trÞ thùc. hiÖn c¸c lo¹i sö dông ®Êt, diÖn tÝch vμ gi¸ 2.6. C¸c kÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng trÞ hÖ sè thÊm n−íc CN cña mçi lo¹i sö Khi m« h×nh ®· ®−îc hiÖu chØnh vμ kiÓm dông ®Êt ®−îc biÓu diÔn ë l−u vùc th−îng chøng thÝch hîp, nghiªn cøu tiÕn hμnh øng nguån s«ng M·. 387
5. Trần Hữu Hùng, Lê Hồng Giang, Nguyễn Duy Bình H×nh 1. M« t¶ l−u vùc th−îng nguån s«ng M· B¶ng 2. C¸c lo¹i sö dông ®Êt vμ giíi h¹n hÖ sè CN trong l−u vùc th−îng nguån s«ng M· Diện tích Mã SWAT Loại sử dụng đất Giới hạn hệ số CN (ha) (%) BRNL Đất đồi núi chưa sử dụng 305635 45,94 45 – 83 UDFR Các loại đất có rừng tự nhiên 243648 36,63 25 – 77 PDDY Đất trồng lúa 16694 2,51 62 – 84 AGRC Đất sản xuất nông nghiệp 65729 9,88 62 – 84 FRSL Đất rừng trồng 29038 4,37 36 – 79 PRNL Đất trồng cây lâu năm 1094 0,16 67 - 87 DTFR Các loại đất khoanh nuôi trồng rừng 3396 0,51 36 - 79 Tổng số 665234 100 388
6. Ứng dụng phần mềm mô phỏng SWAT để đánh giá tác động của biến động diện tích rừng đến 3.2. HiÖu chØnh vμ kiÓm chøng m« h×nh ®Çu ra cña l−u vùc (tr¹m thñy v¨n Xμ Lμ). Dùa vμo c¸c d÷ liÖu vÒ thêi tiÕt vμ l−u KÕt qu¶ cña b−íc hiÖu chØnh vμ kiÓm chøng l−îng dßng ch¶y thu thËp ®−îc trong giíi c¸c th«ng sè cña m« h×nh thÓ hiÖn ë b¶ng 3. h¹n l−u vùc, c¸c th«ng sè trong m« h×nh 3.3. Dßng ch¶y s«ng ngßi ®−îc hiÖu chØnh vμ kiÓm chøng sö dông bé Mét ®å thÞ so s¸nh gi÷a d÷ liÖu l−u d÷ liÖu trong vßng 6 n¨m. Kho¶ng tõ 1998 – l−îng dßng ch¶y quan tr¾c theo th¸ng t¹i 2000 ®−îc chØ ®Þnh lμm giai ®o¹n hiÖu chØnh tr¹m thñy v¨n Xμ Lμ vμ kÕt qu¶ m« pháng vμ kho¶ng tõ 2001 – 2004 ®−îc chØ ®Þnh lμm giai ®o¹n kiÓm chøng ®èi víi kÕt qu¶ m« cña m« h×nh ®· chØ ra sù t−¬ng ®ång nhÊt pháng l−u l−îng dßng ch¶y cña m« h×nh. §Ó ®Þnh cña d÷ liÖu quan tr¾c vμ m« pháng cña tÝnh to¸n sù biÕn ®éng theo kh«ng gian cña m« h×nh (H×nh 2). Trong giai ®o¹n hiÖu c¸c yÕu tè ®Þa h×nh, thæ nh−ìng vμ sö dông chØnh tõ 1998 – 2000, gi¸ trÞ hÖ sè NSE theo 2 ®Êt trong l−u vùc th−îng nguån s«ng M·, c¸c th¸ng lμ 0,64, hÖ sè x¸c ®Þnh R lμ 0,76 vμ tØ th«ng sè quyÕt ®Þnh ®Õn dßng ch¶y cña m« lÖ % PBIAS lμ -14,23%. Trong giai ®o¹n h×nh ®· ®−îc hiÖu chØnh. Nghiªn cøu ®· sö kiÓm chøng tõ 2001 – 2004, gi¸ trÞ c¸c tham dông qu¸ tr×nh hiÖu chØnh thñ c«ng ®Ó so sè NSE, R2, PBIAS lÇn l−ît lμ: 0,64; 0,70; - s¸nh gi¸ trÞ m« pháng vμ quan tr¾c t¹i ®iÓm 12,30% (B¶ng 4) B¶ng 3. C¸c th«ng sè ®−îc hiÖu chØnh cña m« h×nh SWAT TT Thông số Mô tả Loại file Giá trị 1 Alpha_BF Hằng số trễ của dòng chảy ngầm .gw 1 2 RCHRG_DP Hệ số thấm vào tầng nước ngầm sâu .gw 0 Độ sâu giới hận của nước ở tầng nước ngầm nông mà xuất 3 REVAPMN .gw 100 hiện sự tái bốc hơi nước lên tầng đất ở trên (mm) 4 GW_REVAP Hệ số tái bốc hơi nước của nước ngầm .gw 0,002 5 Sol_AWC Khả năng chứa ẩm của đất .sol -20% 6 Sol_K Sức dẫn thủy lực bão hòa (mm/h) .sol +500% B¶ng 4. C¸c hÖ sè NSE, R2, PBIAS trong qu¸ tr×nh hiÖu chØnh vμ kiÓm chøng m« h×nh cña vïng th−îng nguån s«ng M· STT Giai đoạn Khoảng thời gian Monthly NSE R2 PBIAS (%) 1 Hiệu chỉnh 1998 – 2000 0,64 0,76 -14,23 2 Kiểm chứng 2001 – 2004 0,64 0,70 -12,30 H×nh 2. KÕt qu¶ qu¸ tr×nh hiÖu chØnh vμ kiÓm chøng m« h×nh ®èi víi l−u l−îng dßng ch¶y vïng th−îng nguån s«ng M· 389
7. Trần Hữu Hùng, Lê Hồng Giang, Nguyễn Duy Bình 3.4. §¸nh gi¸ t¸c ®éng cña biÕn ®éng vμo mïa m−a lò (B¶ng 6 vμ H×nh 3). KÕt qu¶ diÖn tÝch rõng ®Õn chÕ ®é dßng ch¶y cô thÓ nh− sau: KÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng KÞch b¶n cã l−u l−îng dßng ch¶y trung b×nh n¨m lín nhÊt lμ kÞch b¶n KB1 (diÖn DiÖn tÝch c¸c lo¹i sö dông ®Êt cña vïng tÝch ®Êt cã rõng tù nhiªn chuyÓn thμnh ®Êt th−îng nguån s«ng M· ®−îc thÓ hiÖn ë b¶ng 5. ®åi nói bá hoang t−¬ng ®−¬ng 50% diÖn tÝch §¸nh gi¸ chÕ ®é dßng ch¶y (l−u l−îng ®Êt rõng hiÖn t¹i): l−u l−îng dßng ch¶y dßng ch¶y) trung b×nh n¨m cao h¬n 8,67% so víi l−u M« h×nh SWAT tiÕn hμnh m« pháng l−îng dßng ch¶y kÞch b¶n gèc. thñy v¨n cña l−u vùc theo c¸c kÞch b¶n biÕn KÞch b¶n cã l−u l−îng dßng ch¶y trung ®éng diÖn tÝch rõng trong qu·ng thêi gian b×nh n¨m thÊp nhÊt lμ kÞch b¶n KB4: thÊp 1998 – 2004. C¸c kÞch b¶n kh¸c nhau ®−îc h¬n 5,77% so víi kÞch b¶n gèc khi mμ ®Êt ®åi tiÕn hμnh ch¹y m« h×nh ®éc lËp víi môc ®Ých nói bá hoang ®−îc chuyÓn thμnh ®Êt rõng so s¸nh vμ ®¸nh gi¸ t¸c ®éng cña biÕn ®éng trång (diÖn tÝch t−¬ng ®−¬ng 50% diÖn tÝch diÖn tÝch rõng ®Õn dßng ch¶y s«ng ngßi. ViÖc ®Êt rõng hiÖn t¹i). ®¸nh gi¸ tiÕn hμnh qua so s¸nh l−îng dßng §Æc biÖt, kÕt qu¶ so s¸nh trong mïa ch¶y do m« h×nh m« pháng ë kÞch b¶n gèc víi m−a lò (th¸ng 5 ®Õn th¸ng 10) cho thÊy víi c¸c kÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng. c¸c kÞch b¶n t¨ng diÖn tÝch rõng trång th× KÕt qu¶ m« h×nh thÓ hiÖn: §èi víi c¸c l−u l−îng dßng ch¶y trung b×nh th¸ng gi¶m kÞch b¶n t¨ng diÖn tÝch rõng (KB3, KB4) l−u xuèng nhiÒu: KB3: 2,61%, KB4: 6,19% so víi l−îng dßng ch¶y trung b×nh hμng n¨m trong kÞch b¶n gèc. Trong khi ®ã, l−u l−îng dßng s«ng thÊp h¬n kÞch b¶n gèc (HT), ®Æc biÖt lμ ch¶y trung b×nh th¸ng t¨ng lªn khi mμ diÖn vμo mïa m−a lò. Trong khi ®èi víi c¸c kÞch tÝch rõng bÞ thay thÕ bëi ®Êt ®åi nói bá b¶n t¨ng diÖn tÝch rõng (KB1, KB2) l−u hoang: KB1: 8,87%, KB2: 3,71%. KÕt qu¶ l−îng dßng ch¶y trung b×nh hμng n¨m trong nμy kh¼ng ®Þnh vai trß gi¶m thiÓu t¸c ®éng s«ng cao h¬n kÞch b¶n gèc (HT), ®Æc biÖt lμ cña dßng ch¶y lín vμo mïa m−a lò cña rõng. B¶ng 5. C¸c kÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng ë l−u vùc th−îng nguån s«ng M· KB1 KB2 HT KH3 KB4 Mã Diện tích Diện tích Diện tích Diện tích Diện tích sử dụng đất % % % % % (ha) (ha) (ha) (ha) (ha) BRNL 442908 66,87 371366 56,07 305635 45,94 237720 35,91 159921 24,14 UDFR 102559 15,48 174659 26,37 243648 36,63 239285 36,15 242760 36,64 PDDY 16745 2,53 16126 2,43 16694 2,51 16616 2,51 15568 2,35 AGRC 64992 9,81 65116 9,83 65729 9,88 65613 9,91 64964 9,81 FRSL 29145 4,40 29140 4,40 29038 4,37 98072 14,82 172133 25,98 PRNL 2652 0,40 2601 0,39 1094 0,16 1010 0,15 2782 0,42 DTFR 3301 0,50 3367 0,51 3396 0,51 3619 0,55 3247 0,49 WATR 44 0,01 39 0,01 ROCK 1115 0,17 Các mã sử dụng đất: AGRC = đất trồng cây hàng năm, FRSL = đất rừng trồng, PRNL = đất trồng cây lâu năm, BRNL = đất đồi núi bỏ hoang, UDFR = đất rừng tự nhiên, PDDY = đất trồng lúa, DTFR = đất khoanh nuôi phục hồi rừng, WATR = đất mặt nước/ sông suối, ROCK = đất núi đá B¶ng 6. TØ lÖ (%) thay ®æi l−u l−îng dßng ch¶y cña c¸c kÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng so víi kÞch b¶n gèc (hiÖn tr¹ng sö dông ®Êt n¨m 2005) Giá trị Kịch bản 1 (KB1) Kịch bản 2 (KB2) Kịch bản 3 (KB3) Kịch bản 4 (KB4) Trung bình hàng năm 8,67 3,63 -2,45 -5,77 Trung bình mùa mưa (5 - 10) 8,87 3,71 -2,61 -6,19 390
8. Ứng dụng phần mềm mô phỏng SWAT để đánh giá tác động của biến động diện tích rừng đến H×nh 3. BiÓu ®å thÓ hiÖn tØ lÖ thay ®æi l−u l−îng dßng ch¶y cña c¸c kÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng so víi kÞch b¶n gèc 4. KÕT LUËN l−îng n−íc trong ph¹m vi l−u vùc cho kh«ng chØ l−u vùc s«ng M· mμ lμ toμn miÒn B¾c. M« h×nh SWAT ®· ®−îc øng dông thμnh c«ng ®Ó m« pháng chÕ ®é dßng ch¶y ë l−u vùc th−îng nguån s«ng M·. KÕt qu¶ qu¸ tr×nh TμI LIÖU THAM KH¶O hiÖu chØnh vμ kiÓm chøng m« h×nh víi c¸c hÖ Arnold, J. G., P. M. Allen, and D. S. Morgan. sè : NSE theo th¸ng: 0,64, hÖ sè R2 vμ PBIAS (2001). Hydrologic model for design and lÇn l−ît lμ 0,76 vμ -14,23% ë giai ®o¹n hiÖu constructed wetlands. Wetlands 21 (2): chØnh vμ 0,70, -12,3% ë giai ®o¹n kiÓm 167-178. chøng. Arnold, J.G., R. Srinivasan, R.R. Muttiah, C¸c kÞch b¶n biÕn ®éng diÖn tÝch rõng cã and J.R. Williams (1998). Large area sù t¸c ®éng lín ®Õn chÕ ®é dßng ch¶y s«ng hydrologic modelling and assessment. ngßi. KÕt qu¶ m« pháng cña m« h×nh chØ ra Part I: Model development. Journal of the r»ng: sù t¨ng lªn cña diÖn tÝch rõng trång American Water Resources Association 34 lμm gi¶m l−u l−îng dßng ch¶y trung b×nh (1), 73–89. h»ng n¨m vμ h¹n chÕ bít t¸c ®éng ph¸ hñy Binh, N.D., N.A. Tuan, and H.L. Huong do l−u l−îng dßng ch¶y lín vμo mïa m−a. (2010). SWAT application coupled with KÕt qu¶ ban ®Çu mμ nghiªn cøu nμy ®¹t web technology for soil erosion assessment ®−îc cã thÓ lμ tμi liÖu thø cÊp gióp cho chÝnh in north western region of Vietnam. phñ trong viÖc lËp kÕ ho¹ch sö dông vμ qu¶n Presented at the 2010 International lý ®Êt trong t−¬ng lai. SWAT Conference, Mayfield Hotel, Seoul, §©y còng cã thÓ xem lμ b−íc khëi ®Çu South Korea, August 4-6, 2010. quan träng trong viÖc øng dông m« h×nh Gassman, P.W., M.R. Reyes, C.H. Green, SWAT trong c¸c nghiªn cøu ®Þnh l−îng t¸c and J.G. Arnold (2007). The soil and water ®éng cña thay ®æi sö dông ®Êt ®Õn chÕ ®é assessment tool: historical development, dßng ch¶y còng nh− øng dông m« h×nh cho applications, and future research c¸c nghiªn cøu vÒ biÕn ®æi khÝ hËu vμ chÊt directions, Transactions of the ASABE 391
9. Trần Hữu Hùng, Lê Hồng Giang, Nguyễn Duy Bình 50(4): 1211-1250. American Society of 2005: Draft- January 2005, US Agricultural and Biological Engineers. Department of Agriculture – Agricultural Hiroaki S., and T. Ikuo (2009). Numerical Research Service, Temple, Texas. analyses on seasonal variations of Sharpley, N., and J. R. Williams (1990). nutrient salts and load discharges in EPIC-Erosion Productivity Impact Abashiri River Basin. International Calculator model documentation. U.S. SWAT conference proceedings. p241- 248. Department of Agriculture, Agricultural Nash, J.E., and J.V. Suttcliffe (1970). River Research Service, Tech. Bull. flow forecasting through conceptual Winchell, M., R. Srinivasan, M. Di Luzio, models, Part I. A discussion of principles. and J. Arnold (2009). ArcSWAT 2.1.5 Journal of Hydrology 10 (3), 282–290. Interface for SWAT2005: User's Guide, Neitsch, S.L., J.G. Arnold, J.R. Kiniry, and May 2009, Texas Agricultural Experiment J.R. Williams (2005). Soil and Water Station, Texas, and USDA Agricultureal Assessment Tool user’s manual version Research Service, Temple, Texas. 392