Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn

Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn. Sông Thạch Hãn là con sông lớn nhất của tỉnh Quảng Trị, diện tích lưu vực sông Thạch Hãn là 2660...

LUẬN VĂN THẠC SỸ Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH 1 DANH MỤC BẢNG 3 MỞ ĐẦU 5 CHƯƠNG 1 8 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN 8 1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 8 1.1.1. Vị trí địa lý 8 1.1.2. Địa hình, địa mạo 8 1.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng 9 1.1.4. Thảm thực vật 10 1.1.5 Khí hậu 11 1.1.6. Thủy văn 15 1.2. HIỆN TRẠNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN KINH TẾ 18 1.2.1. Hiện trạng phát triển kinh tế 19 1.2.1.1. Những hạn chế trong phát triển kinh tế xã hội 19 1.2.1.2. Những thuận lợi trong phát triển kinh tế xã hội 19 1.2.2. Chiến lược phát triển kinh tế xã hội tỉnh Quảng Trị 20 1.2.2.1. Xu thế phát triển dân số, nguồn nhân lực 20 1.2.2.2. Xu thế phát triển kinh tế - xã hội 21 1.2.2.3. Quy hoạch sử dụng đất và chuyển đổi cơ cấu cây trồng tới năm 2010 22 1.3. CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT CỰC ĐOAN 23 1.3.1. Tình trạng hạn hán 23 1.3.2. Tình trạng úng lụt 24 1.3.3. Tình trạng lũ quét 24 CHƯƠNG 2 26 MÔ HÌNH SWAT 26 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MƯA – DÒNG CHẢY LƯU VỰC 26 2.1.1 Cấu trúc của mô hình mưa - dòng chảy lưu vực 27 2.1.2. Giới thiệu một số mô hình mưa – dòng chảy lưu vực 28 2.1.2.1. MIKE – SHE 28 2.1.2.2. HEC-HMS 28 2.1.2.3. NASIM 29 2.1.2.4. SAC – SMA (Sacramento) 30 2.1.2.5. HBV 30 2.1.2.6. Mô hình NAM 30 2.1.2.7. Mô hình SCS 31 2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT 32 2.2.1 Lịch sử phát triển 32 2.2.2 Tổng quan mô hình SWAT 34 2.2.3. Các ứng dụng mô hình SWAT trong nước và thế giới 36 2.2.3.1. Thế giới 36 2.2.3.2. Việt Nam 36 2.3 CẤU TRÚC MÔ HÌNH SWAT 37 2.3.1. Mô hình lưu vực 37 2.3.2. Mô hình diễn toán 38 2.4 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH SWAT 38 2.4.1. Dòng chảy mặt 38 2.4.1.1. Phương pháp chỉ số đường cong SCS 38 2.4.1.2. Phương pháp thấm Green và Ampt 39 2.4.1.3. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ 40 2.4.1.4. Hệ số trễ dòng chảy mặt 40 2.4.1.5. Tổn thất dọc đường 41 2.4.2. Bốc thoát hơi 42 2.4.2.1. Vòm cây 42 2.4.2.2. Bốc thoát hơi tiềm năng 42 2.4.2.3. Bốc thoát hơi thực tế 43 2.4.3. Chuyển động của nước trong đất 44 2.4.4. Nước ngầm 45 2.4.4.1. Tầng ngậm nước nông 45 2.4.4.2. Tầng ngậm nước sâu 45 2.4.5. Diễn toán dòng chảy trong sông 46 2.4.6. Diễn toán trong hồ chứa 46 2.5. THÔNG SỐ MÔ HÌNH 47 2.5.1. Thông số tính toán dòng chảy trực tiếp 47 2.5.2. Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ 47 2.5.3. Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt 47 2.5.4. Thông số tính toán tổn thất dọc đường 47 2.5.5. Thông số tính toán tổn thất bốc hơi 47 2.5.6. Thông số tính toán dòng chảy ngầm 47 2.5.7. Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính 47 2.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH 48 CHƯƠNG 3 49 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ THAY ĐỔI MẶT ĐỆM 49 3.1 KHÁI NIỆM KỊCH BẢN 49 3.2 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 50 3.2.1 Sơ lược tình hình biến đổi khí hậu hiện nay 50 3.2.2. Dao động các đặc trưng khí hậu của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua. 51 3.2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu 52 3.3 KỊCH BẢN THAY ĐỔI MẶT ĐỆM 54 3.3.1. Kịch bản 1 54 3.3.2. Kịch bản 2. 55 3.3.3. Kịch bản 3. 55 3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 56 3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu 56 3.4.2 Lựa chọn kịch bản thay đổi mặt đệm 57 3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất 57 CHƯƠNG 4 58 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN ĐÃ LỰA CHỌN 58 4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN 58 4.1.1 Số liệu đầu vào 58 4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn 58 4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình 60 4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình 63 4.1.5 Nhận xét chung 63 4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY 64 4.2.1 Kịch bản B2: 64 4.2.2 Kịch bản A2 66 4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC 68 4.3.1 Kịch bản 1: 68 4.3.2 Kịch bản 2 69 4.3.3 Kịch bản 3 70 4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 1 DANH MỤC HÌNH  Sơ đồ lưu vực sông Thạch Hãn 8  Sơ đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thạch Hãn 15  Cấu trúc chung của mô hình thủy văn 26  Sơ đồ lịch sử phát triển của mô hình SWAT 33   Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo phương trình Green và Ampt và trong thực tế 39  Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu (IPCC, 2007) 50  Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng trên thế giới (IPCC, 2007) 51  Xu thế biến đổi nhiệt độ của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua theo số liệu của trạm Đông Hà 52  Dao động tổng lượng mưa năm theo số liệu trạm Gia Vòng trong 3 thập niên qua 52  Thay đổi diện tích sử dụng đất của kịch bản 1 so với bản đồ năm 2000 55  Lưu vực sông Thạch Hãn được chia thành 04 lưu vực cơ sở 59  Tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị 60  Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng 62  Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng 62  Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng 63  Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 64  Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 65 2  Thay đổi dòng chảy năm của các kịch bản biến đổi khí hậu 66  Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 67  Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 67  Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 1 69  Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 2 70  Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 3 71  Thay đổi dòng chảy năm tương ứng với kết hợp điều kiện khí hậu khác nhau và bản đồ sử dụng đất theo kịch bản 3 72  Thay đổi dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu-sử dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu 73  Biến đổi % dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu A2 – sử dụng đất 3 so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu A2 74 3 DANH MỤC BẢNG  Diễn biến tài nguyên rừng ở Quảng Trị và hiệu quả 11  Chuẩn mưa năm và sai số quân phương tương đối tính chuẩn mưa năm của các trạm trên lưu vực sông Thạch Hãn 11  Các cực trị của lượng mưa năm trong thời kỳ quan trắc (1977 – 2004) 12  Kết quả phân mùa mưa - khô trong tỉnh Quảng Trị 12  Phân phối mưa năm theo tháng tại các trạm đo mưa trên lưu vực sông Thạch Hãn 13  Nhiệt độ bình quân tháng tại trạm ĐôngHà 13  Độ ẩm tương đối trạm Đông Hà (%) 13  Bốc hơi bình quân tháng trạm Đông Hà 14  Số giờ nắng trạm Đông Hà 14  Đặc trưng hình thái sông trong vùng nghiên cứu 16  Kết quả phân mùa dòng chảy lưu vực sông Thạch Hãn 16  Phân phối dòng chảy năm theo tháng lưu vực sông Thạch Hãn 17  Trữ lượng nước hồ, đập trên lưu vực sông Thạch Hãn 17  Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thạch Hãn 18  Dân số trung bình phân theo giới tính và phân theo khu vực 21  Tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân qua các thời kỳ 22  Cơ cấu quỹ đất đến 2010 tỉnh Quảng Trị 22  Quy hoạch sử dụng đất đến 2010 của tỉnh Quảng Trị 23  Bảng kết quả đánh giá Mô hình bằng chỉ tiêu Nash 48  Các kịch bản biến đổi sử dụng đất 55  Gia tăng nhiệt độ theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) 56  Biến đổi % lượng mưa theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) 57 4  Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Thạch Hãn 61  Thay đổi dòng chảy năm theo các kịch bản biến đổi khí hậu 65  Biến đổi dòng chảy tháng so với tính toán kiểm tra 66  Thay đổi dòng chảy mùa theo kịch bản 1 68  Khoảng dao động của biến đổi dòng chảy mùa của kịch bản 1 68  Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 2 70  Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 3 70  Tỉ lệ giảm dòng chảy trong tháng mùa lũ (%) 71  Thay đổi dòng chảy năm giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu -sử dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu 73 5 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Sông Thạch Hãn là con sông lớn nhất của tỉnh Quảng Trị, diện tích lưu vực sông Thạch Hãn là 2660 km2, chiếm tới 56% diện tích tỉnh Quảng Trị. Nhìn chung, dòng chảy trên lưu vực sông Thạch Hãn chia thành 2 mùa rõ rệt: - Mùa lũ mặc dù chỉ kéo dài 4 tháng (từ tháng VIII đến tháng XI hoặc từ tháng IX đến tháng XII) nhưng mức độ tập trung dòng chảy trong mùa lũ khá lớn, chiếm tới 62,5 - 80% tổng lượng dòng chảy cả năm. Đây là thời kỳ mưa lớn trong năm và lũ thời kỳ này có thể xảy ra lũ quét sườn dốc gây đất đá lở hay lũ ngập tràn ở hạ du. Lũ này thường đi liền với bão gây thiệt hại lớn cho kinh tế xã hội, gây chết người và hư hỏng các công trình, cơ sở hạ tầng. Tính chất lũ kéo dài từ 5 - 7 ngày, đỉnh lũ cao, tổng lượng lớn. Với tình hình phát triển kinh tế hiện tại lũ này chỉ có thể tránh và chủ động làm giảm mức thiệt hại do lũ gây ra. - Mùa kiệt bắt đầu từ tháng XII hoặc tháng I, kết thúc vào tháng VII hoặc VIII, kéo dài tới 8 tháng nhưng tổng lượng dòng chảy mùa kiệt chỉ chiếm khoảng 20 - 37,5% tổng lượng dòng chảy cả năm. Sự phân phối không đều đã gây ảnh hưởng lớn cho sinh hoạt và sản xuất. Tình trạng đó càng trở nên khốc liệt vào các năm và các tháng có gió Tây Nam (gió Lào) hoạt động mạnh. Hiện nay, việc sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Thạch Hãn còn tồn tại những vấn đề sau: - Nguồn nước đang được khai thác và sử dụng cho những mục đích riêng rẽ, gây lãng phí và kém hiệu quả. Việc phân bổ nguồn nước cũng chưa hợp lý, chưa đáp ứng mục tiêu cho các hộ dùng nước. - Dấu hiệu khan hiếm nước ngày càng cao (lượng nước suy giảm về mùa kiệt, mặn xâm nhập sâu vào nội đồng, ô nhiễm nước thải và chất thải tăng .v.v…). - Tài nguyên đất đang được khai thác và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như phát triển công nghiệp, dịch vụ, thủy sản, chuyển đổi giống cây trồng và vật nuôi .v.v… cũng gây tác động rất lớn đến nguồn nước. Sự lặp lại của các sự kiện cực đoan ở ở tỉnh Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng trong thời gian gần đây đã khiến mọi người quan tâm đến tác động của biến đổi khí hậu khu vực, sử dụng đất và những thay đổi cảnh quan do con người gây ra đối với các hiện tượng cực đoan đó. Để chỉ ra được sự tác động đó như thế nào thì cần phải hiểu được sự biến đổi khí hậu, sử dụng đất và thảm phủ tác động đến dòng chảy và các hiện tượng thủy văn theo năm và mùa như thế nào. Kiến thức này là cần thiết cho việc quy hoạch sử dụng đất để bảo vệ nguồn nước và quản [...]... chung và của lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng để phục vụ cho bài toán quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn  Chứng minh mức độ phù hợp của việc ứng dụng mô hình SWAT cho lưu vực sông Thạch Hãn trong tính toán dòng chảy  Hiểu rõ hơn về tác động của sử dụng đất và biến đổi khí hậu 6 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU  Đối tượng: Dòng chảy của sông Thạch Hãn dưới tác động của biến đổi khí hậu và sử dụng đất. .. phải sử dụng các biện pháp khôi phục số liệu dòng chảy từ mưa Để khảo sát bài toán biến đổi dòng chảy ở lưu vực sông Thạch Hãn trong điều kiện số liệu dòng chảy không đầy đủ, việc sử dụng các mô hình diễn toán mưa – dòng chảy là cần thiết Một số mô hình mưa - dòng chảy được ứng dụng nhiều như: SWAT, HEC-HMS, MIKE-SHE, SAC-SMA, NASIM, HBV v.v… Trong đó, Mô hình SWAT (Arnold và cộng sự, 2002) đã được chứng... dụng đất  Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Thạch Hãn 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ứng dụng mô hình SWAT 5 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Luận văn gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu, kết luận, phụ lục, tài liệu tham khảo:  Chương 1: Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Thạch Hãn  Chương 2: Mô hình SWAT  Chương 3: Kịch bản biến đổi khí hậu và thay đổi mặt đệm  Chương 4: Ứng dụng mô hình SWAT tính toán cho các kịch bản... TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN 1.1 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 1.1.1 Vị trí địa lý Lưu vực Sông Thạch Hãn nằm trong phạm vi từ 16 018 đến 16054’ vĩ độ Bắc và từ 106036’ đến 107018’ kinh độ Đông Phía đông giáp Biển Đông, phía tây giáp lưu vực sông Sê Pôn phía nam giáp lưu vực sông Ô Lâu và tỉnh Thừa Thiên Huế, phía bắc giáp lưu vực sông Bến Hải Hình 1.1 Bản đồ lưu vực sông Thạch Hãn Sông Thạch Hãn bắt... nước và ô nhiễm với phạm vi lớn và các điều kiện môi trường trên toàn cầu Đồng thời, mô hình SWAT còn được xây dựng để đánh giá tác động của việc sử dụng đất, của xói mòn và việc sử dụng hoá chất trong nông nghiệp trên một hệ thống lưu vực sông những ưu điểm đó, sau khi cân nhắc nghiên cứu, luận văn đã lựa chọn sử dụng mô hình SWAT để thực hiện mục tiêu của đề tài Do vậy, Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát. .. trung bình lưu vực là 36,8 km, mật độ lưới sông là 0,92 (hình 1.2 và bảng 1.10) [18, 19] Hình 1.2 Sơ đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thạch Hãn 15 Tên sông Bảng 1.10 Đặc trưng hình thái sông trong vùng nghiên cứu Thạch Hãn Diện tích lưu vực (km2) 2660 Cửa sông Việt Chiều dài dòng chính (km) 150 Cao độ bình quân lưu vực (m) 301 Độ rộng bình quân lưu vực (m) 38.6... trình dựa vào số liệu khí tượng) Dòng chảy mặt từ các lưu vực: phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là thủy văn đơn vị UH và các biến đổi khác (Clark’s, Snyder’s, SCS) Người sử dụng cũng có thể sử dụng các phương pháp khác dựa vào mô hình sóng động học hoặc phương pháp sai phân hữu hạn Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa: có vài phương pháp được sử dụng, như phương pháp CN SCS, mà được sử dụng để... suất căng và nước tự do, đới thấp hơn gồm dòng chảy cơ sở và nước ứng suất (tension water ) và nước tự do bổ sung Dòng chảy vượt quá hình thành một vài dạng dòng chảy: [9, 22]  Dòng chảy trực tiếp  Dòng chảy mặt  Dòng chảy sát mặt (dòng chảy nhập lưu)  Dòng chảy cơ sở ban đầu  Dòng chảy cơ sở bổ sung Trong khi Sacramento là mô hình độ ẩm đất, dữ liệu quan trọng nhất là dữ liệu thổ nhưỡng – độ dẫn... hình cụ thể, phần lớn sử dụng phương pháp dựa vào mô hình tầng tuyến tính, giảm theo hàm mũ hoặc dòng chảy cố định Mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều, 3 chiều dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn cũng được sử dụng phổ biến Dòng chảy trong lòng dẫn hở: mô hình mưa – dòng chảy áp dụng các phương pháp được gọi là diễn toán thủy văn như phương pháp Muskingum – Cunge, mô hình Lag, mô hình sóng động học hoặc... thủy văn hoặc các dạng biến đổi khác được sử dụng (Clark’s, Snyder’s, SCS) Cũng có thể sử dụng phương pháp sóng động học  Mô đun dòng chảy cơ sở - người sử dụng có thể lựa chọn, ví dụ mô hình bể chứa tuyến tính, giảm theo hàm mũ, hoặc mô đun dòng chảy cố định  Mô đun diễn toán – phương pháp Muskingum, mô hình Lag, mô hình sóng động học hoặc các biến đổi của chúng  Các mô hình khác – trong trường . THẠC SỸ Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH 1 DANH. Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất cho lưu vực sông Thạch Hãn là một đề tài có tính khoa học và thực