PHẦN MỞ ĐẦU
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Nguồn nước là yếu tố thiết yếu cho sinh hoạt và sản xuất của con người, với trữ lượng nước đóng vai trò quyết định trong việc sử dụng và bảo tồn nguồn nước trong tương lai Để đánh giá tiềm năng nước mặt phục vụ cho quy hoạch thủy lợi và quản lý lưu vực sông hiệu quả, cần xác định và tính toán các thông số như tổng lưu lượng dòng chảy, lưu lượng dòng chảy thành phần, độ thấm và lượng bốc thoát hơi nước.
Sông Vu Gia là một trong hai sông hợp thành hệ thống sông Thu Bồn Lưu vực sông
Vu Gia là một con sông nằm ở phía bắc lưu vực sông Thu Bồn, chảy qua các huyện Đông Giang, Tây Giang, Nam Giang, Đại Lộc, Điện Bàn tỉnh Quảng Nam và huyện Hòa Vang thành phố Đà Nẵng Sông Bung là phụ lưu quan trọng nhất trong hệ thống sông này.
Lưu vực sông Bung có tài nguyên nước đa mục tiêu, phục vụ cho sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, tưới tiêu nông nghiệp và cung cấp nguyên liệu cho các thủy điện như Sông Bung 2 và Sông Bung 4 Do đó, việc quản lý nguồn nước mặt trên lưu vực sông Bung hiện nay là một vấn đề cấp thiết.
Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, hệ thống thông tin địa lý (GIS) ngày càng trở nên quan trọng trong các lĩnh vực khoa học Công nghệ GIS đã dẫn đến sự ra đời của nhiều mô hình thủy văn, cho phép tính toán lưu lượng dòng chảy một cách chính xác và nhanh chóng hơn so với các phương pháp quan trắc truyền thống Mô hình SWAT, một mô hình ở cấp độ lưu vực sông, có khả năng tích hợp với GIS, từ đó nâng cao độ chính xác của các kết quả mô phỏng các quá trình thủy văn trên bề mặt đất, trong lòng đất và trong dòng chảy Mô hình này còn cho phép đánh giá tiềm năng nước mặt và nước ngầm, cũng như các đặc trưng vật lý của lưu vực Việc ứng dụng mô hình SWAT để phân tích và đánh giá dòng chảy tại lưu vực sông Bung là một phương án hợp lý và hiệu quả.
Đề tài “Ứng dụng GIS và mô hình SWAT trong mô phỏng dòng chảy mặt trên lưu vực sông Bung” mang tính khoa học và thực tiễn, giúp các nhà quản lý tài nguyên nước giải quyết hiệu quả các vấn đề liên quan Nghiên cứu này hỗ trợ việc đưa ra các quyết định chiến lược phát triển bền vững cho lưu vực sông.
MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI
Ứng dụng công nghệ GIS kết hợp với mô hình SWAT giúp mô hình hóa lớp dòng chảy mặt, từ đó nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên nước mặt tại lưu vực sông Bung Việc sử dụng các công cụ này không chỉ hỗ trợ trong việc theo dõi và dự báo dòng chảy mà còn tối ưu hóa việc sử dụng và bảo vệ nguồn nước trong khu vực.
- Đề xuất các giải pháp khắc phục và thích ứng
2.2 Nhiệm vụ đề tài Để thực hiện được mục tiêu trên, đề tài phải thực hiện được các nhiệm vụ sau:
- Tổng quan cơ sở lý luận và thực tiễn của đề tài
- Khái quát điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội của khu vực nghiên cứu
- Nghiên cứu đặc điểm dòng chảy của khu vực nghiên cứu
- Tìm hiểu về công nghệ GIS và mô hình SWAT
- Đánh giá tác động dòng chảy và sự thay đổi dòng chảy mặt do các yếu tố tự nhiên – con người bằng mô hình SWAT
- Đề xuất các giải pháp hạn chế và thích ứng.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu này tập trung vào vai trò của dòng chảy mặt trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước, đồng thời phân tích ảnh hưởng của các hoạt động khai thác đến sự biến đổi dòng chảy mặt Đối tượng nghiên cứu chính là dòng chảy mặt tại lưu vực sông Bung, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối quan hệ giữa hoạt động khai thác và dòng chảy trong khu vực này.
- Về không gian: Đề tài nghiên cứu tác động tác động của dòng chảy mặt đến lưu vực sông Bung chảy qua huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam
- Về thời gian: Đề tài nghiên cứu thời gian mô phỏng mô hình từ năm 2000 đến năm 2015.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Mô phỏng dòng chảy mặt và tác động của nó đến môi trường tự nhiên là một hoạt động quan trọng trong phát triển kinh tế tại lưu vực sông Bung Để thực hiện nghiên cứu này, bài viết đã lựa chọn các phương pháp nghiên cứu chính phù hợp.
4.1 Phương pháp thu thập số liệu Đây là phương pháp thu thập toàn bộ số liệu, thông tin có liên quan đến đề tài, sau đó sẽ tiến hành tiến hành xử lý, đánh giá tài liệu thu thập được Phần số liệu này được tôi thu thập từ cơ quan đó là: Trung tâm khí tượng thủy văn Trung Trung Bộ, Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Nam Mục đích nhằm giảm bớt thời gian thực hiện và công sức cũng như làm tăng tính khoa học và thuyết phục của đề tài
Ngoài các số liệu thu thập ở các cơ quan, chúng tôi còn khai khác những thông tin qua các kênh thông tin, đặc biệt là internet, sách báo
4.2 Phương pháp tổng hợp xử lý và phân tích số liệu
Số liệu ban đầu chỉ là những con số thô, nhưng khi được xử lý và phân tích, chúng sẽ chuyển hóa thành thông tin có giá trị, từ đó hình thành tri thức Đây là mục tiêu mà mọi nghiên cứu đều hướng tới.
Xử lý và phân tích số liệu hay dữ liệu là một trong các bước cơ bản của một nghiên cứu
4.3 Phương pháp bản đồ kết hợp với GIS
Dựa trên các số liệu và bản đồ thu thập trong quá trình nghiên cứu, mô hình SWAT cùng với phần mềm GIS (ArcGIS) đã được sử dụng để xử lý và tạo lập các bản đồ chi tiết.
Đề tài đã thành lập bản đồ dữ liệu địa hình, thời tiết, và phân định lưu vực cùng dòng chảy mặt của lưu vực Sông Bung Dựa trên các bản đồ này, nghiên cứu sử dụng công cụ phân tích và thống kê thông qua mô hình SWAT và phần mềm GIS để đánh giá tác động Đây là phương pháp chủ đạo trong quá trình nghiên cứu của đề tài.
Bản đồ sẽ đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ quá trình thực hiện đề tài, giúp cụ thể hóa các vấn đề nghiên cứu và thúc đẩy sự tiến triển của công tác nghiên cứu địa lý.
4.4 Phương pháp khảo sát thực địa
Phương pháp này hỗ trợ thu thập thông tin bổ sung cần thiết cho đề tài khi phương pháp thu thập trước đó chưa đáp ứng yêu cầu Nó cũng giúp kiểm chứng độ chính xác của số liệu và thông tin đã được thu thập.
LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU
Việc ứng dụng GIS và mô hình SWAT để nghiên cứu các vấn đề về môi trường đã có một số tác giả thực hiện, cụ thể như sau:
Đề tài nghiên cứu của tác giả Nguyễn Thị Kim Nga tập trung vào việc ứng dụng GIS và mô hình hóa SWAT để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với lưu lượng dòng chảy trong lưu vực sông Bé Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng của biến đổi khí hậu mà còn giúp cải thiện quản lý tài nguyên nước trong khu vực.
Nhóm tác giả gồm Nguyễn Duy Liêm, Nguyễn Thị Hồng, Trương Phước Minh và Nguyễn Kim Lợi đã nghiên cứu đề tài "Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT để đánh giá lưu lượng dòng chảy của lưu vực sông Bé" Nghiên cứu này nhằm khai thác hiệu quả công nghệ GIS và mô hình SWAT trong việc phân tích và đánh giá dòng chảy, góp phần nâng cao hiểu biết về tài nguyên nước tại khu vực sông Bé.
Đề tài nghiên cứu của nhóm tác giả Nguyễn Kim Lợi và Nguyễn Hà Trang tập trung vào việc ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá lưu lượng dòng chảy và hiện tượng bồi lắng tại tiểu lưu vực sông La Ngà Mô hình SWAT được sử dụng để phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến dòng chảy và bồi lắng, nhằm cung cấp thông tin hữu ích cho việc quản lý tài nguyên nước và bảo vệ môi trường tại khu vực này.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
6.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài đã một lần nữa khẳng định tính ưu việt trong việc sử dụng mô hình SWAT để mô phỏng đánh giá lớp dòng chảy trên lưu vực sông Bung, là phương pháp tiếp cận có độ chính xác khá tốt đem lại hiệu quả cao
Đánh giá diễn biến dòng chảy mặt là cần thiết để các nhà quản lý hiểu rõ hơn về tài nguyên nước trong lưu vực Điều này giúp đưa ra giải pháp hạn chế và quy hoạch sử dụng nước hiệu quả, từ đó mang lại lợi ích cho xã hội và thúc đẩy phát triển kinh tế cho vùng và đất nước.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
- Khái quát về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và thảm thực vật, lưu vực sông Bung
- Tìm hiểu lý thuyết về dòng chảy và lưu vực sông
- Tìm hiểu lý thuyết về GIS
- Tìm hiểu lý thuyết về mô hình SWAT
- Tính toán – mô phỏng lớp dòng chảy mặt sông Bung ở giai đoạn hiện trạng (2000
- Phân tích tác động của dòng chảy mặt đến yếu tố tự nhiên và các hoạt động phát triển kinh tế
- Đề xuất các biện pháp hỗ trợ khai thác, sử dụng, quản lý và bảo vệ tài nguyên nước
PHẦN NỘI DUNG
1.1 CÁC ĐẶC TRƯNG HIỂN THỊ DÒNG CHẢY, LỚP DÒNG CHẢY VÀ LƯU VỰC SÔNG
1.1.1 Đặc trưng hiển thị lưu vực sông
Diện tích lưu vực (km²) là khu vực tiếp nhận nước mưa, tính từ một vị trí cụ thể của sông Kích thước của diện tích lưu vực được xác định bởi đường phân nước; diện tích càng lớn thì lượng nước cung cấp cho sông càng nhiều.
Chiều dài lưu vực (km) được xác định là khoảng cách theo đường gấp khúc qua các điểm giữa của đoạn thẳng cắt ngang lưu vực, vuông góc với hướng dòng chảy từ nguồn nước Trong thực tế, chiều dài của sông chính là chiều dài lưu vực.
Chiều rộng lưu vực B (km) được tính theo công thức B = F / L, trong đó chiều rộng lưu vực sông không cố định mà thay đổi theo chiều dài sông Sự biến đổi này ảnh hưởng đến mức độ tập trung nước trong sông.
Độ cao bình quân của lưu vực Hbq (m) có tác động đáng kể đến điều kiện thủy văn và khí hậu Đặc biệt, ở những lưu vực rộng lớn, độ cao này ảnh hưởng mạnh mẽ đến các yếu tố khí hậu, góp phần định hình môi trường sống và các hoạt động sinh thái trong khu vực.
Độ dốc trung bình lưu vực (Jtb) có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình tập trung dòng chảy, sự hình thành lũ và tính chất của lũ trong lưu vực Cụ thể, với h là cao trình bình quân giữa hai đường đồng mức, f i là diện tích giữa hai đường đồng mức, n là số mảnh diện tích, thì lưu vực càng dốc sẽ dẫn đến dòng chảy tập trung nhanh hơn và lũ lên nhanh hơn.
1.1.2 Đặc trưng hiển thị dòng chảy và lớp dòng chảy
Lưu lượng nước Q (lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra trong 1 giây) được đo bằng mét khối mỗi giây (m³/s) Lưu lượng này được tính bằng cách nhân vận tốc trung bình của dòng chảy với diện tích mặt cắt ướt của dòng chảy.
TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CÁC ĐẶC TRƯNG HIỂN THỊ DÒNG CHẢY, LỚP DÒNG CHẢY VÀ LƯU VỰC SÔNG
1.1.1 Đặc trưng hiển thị lưu vực sông
Diện tích lưu vực (km²) là khu vực tiếp nhận nước mưa đến một điểm nhất định của sông Khu vực này được xác định bởi đường phân nước, và diện tích càng lớn thì nguồn cung cấp nước cho sông càng phong phú.
Chiều dài lưu vực (km) được định nghĩa là khoảng cách theo đường gấp khúc qua các điểm giữa của đoạn thẳng cắt ngang lưu vực, vuông góc với hướng dòng chảy từ nguồn nước Thực tế, chiều dài của sông chính là chiều dài lưu vực.
Chiều rộng lưu vực B (km) được tính toán bằng công thức B = F / L và không cố định mà thay đổi theo chiều dài sông Sự thay đổi này có tác động đáng kể đến mức độ tập trung nước trong sông.
Độ cao bình quân của lưu vực Hbq có tác động đáng kể đến điều kiện thủy văn và khí hậu Đặc biệt, độ cao này ảnh hưởng mạnh mẽ đến các yếu tố khí hậu, nhất là ở những lưu vực có diện tích rộng lớn.
Trong nghiên cứu về lưu vực, các yếu tố như cao trình bình quân giữa hai đường đồng mức (h), diện tích giữa hai đường đồng mức (f i), và số mảnh diện tích (n) có vai trò quan trọng Đặc biệt, độ dốc trung bình lưu vực (Jtb) ảnh hưởng lớn đến quá trình tập trung dòng chảy, sự hình thành lũ và các đặc tính của lũ trong lưu vực Khi lưu vực có độ dốc cao, dòng chảy sẽ tập trung nhanh chóng và lũ sẽ gia tăng nhanh hơn.
1.1.2 Đặc trưng hiển thị dòng chảy và lớp dòng chảy
Lưu lượng nước Q (lượng nước chảy) được định nghĩa là khối lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra trong 1 giây, đo bằng mét khối trên giây (m³/s) Lưu lượng này được tính bằng cách nhân vận tốc trung bình của dòng chảy với diện tích mặt cắt ướt của nó.
Lưu lượng nước tại một thời điểm cụ thể được gọi là lưu lượng tức thời Sự biến đổi của lưu lượng nước theo thời gian tại cửa ra được gọi là quá trình lưu lượng, được ký hiệu là Q(t) hoặc Q ~ t.
Lưu lượng bình quân trong khoảng thời gian T được xác định là giá trị trung bình của lưu lượng nước trong thời gian đó Để tính toán lưu lượng bình quân, ta sử dụng công thức tích phân hoặc biểu thức tương ứng.
𝑄̅ : Là giá trị bình quân của lưu lượng m 3 /s;
N : số thời gian tính toán (s);
Qi : lưu lượng bình quân tại mỗi thời đoạn thứ i bất kỳ (m 3 /s)
Tổng lượng dòng chảy W (m 3 hay km 3 ) là lượng nước chảy qua mặt cắt cửa ra trong một khoảng thời gian T nào đó từ thời điểm t1 đến t2, T = t2 – t1
Trong đó: Q : là lưu lượng bình quân trong khoảng thời gian T
Module dòng chảy là trị lưu lượng trên 1 đơn vị diện tích lưu vực là 1 km 2
Từ các công thức trên, ta có dạng các biến đổi sau:
F: diện tích lưu vực (km 2 )
Hệ số dòng chảy α là tỷ lệ giữa độ sâu dòng chảy Y (mm) và lượng mưa tương ứng X (mm) trong khoảng thời gian T.
Trong đó: α là hệ số không thứ nguyên, vì 0 ≤ Y ≤ X nên 0 ≤ α ≤ 1
Hệ số α càng lớn thì tổn thất dòng chảy càng nhỏ, cho thấy α phản ánh tình hình sản xuất dòng chảy trong lưu vực Module dòng chảy M thể hiện khả năng phong phú của nguồn nước trong lưu vực, trong khi đó độ sâu dòng chảy cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá nguồn nước.
Y càng lớn thì lượng nước càng nhiều Để so sánh mức độ dồi dào nguồn nước, hai trị số M và Y thường được sử dụng
Dòng chảy mặt xảy ra khi lượng nước cung cấp cho đất vượt quá khả năng thấm của nó, bao gồm nước mưa, nước tan chảy và nước từ các nguồn khác Hiện tượng này đóng vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn nước và là nguyên nhân chính gây ra xói mòn đất.
• Dòng chảy mặt khi đất được bão hòa
Dòng chảy mặt xuất hiện khi lượng mưa vượt quá khả năng thấm của đất, dẫn đến tình trạng nước không thể ngấm vào đất Hiện tượng này thường xảy ra ở những vùng đất khô cằn và bán khô hạn, nơi có cường độ mưa cao nhưng khả năng thấm nước lại kém.
• Bão hòa dòng chảy trên mặt dư thừa
Khi đất đã bão hòa và tiếp tục có mưa, lượng mưa sẽ ngay lập tức tạo ra dòng chảy bề mặt Mức độ ẩm của đất trước đó là yếu tố ảnh hưởng đến thời gian để đất trở nên bão hòa Dòng chảy này được gọi là dòng chảy bề mặt dư thừa hoặc dòng chảy bão hòa, còn được biết đến với tên gọi Hewlettian.
Độ ẩm của đất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng thấm nước Sau khi nhận nước mưa, đất sẽ có một độ ẩm nhất định, và độ ẩm này sẽ quyết định tốc độ bão hòa của đất trong những cơn mưa tiếp theo Khi đất đã bão hòa mà vẫn tiếp tục nhận nước, hiện tượng dòng chảy mặt sẽ xảy ra.
Trong thủy văn học, lớp dòng chảy của lưu vực được xác định từ lượng nước mưa, nước tan chảy hoặc nước từ nguồn khác chảy qua đất trong một khoảng thời gian nhất định Lớp nước này được tính toán bằng cách chia tổng lượng dòng chảy của lưu vực cho diện tích của nó, từ đó tạo ra một lớp nước giả định phân bố đều trên bề mặt lưu vực.
Trong đó: y: là lớp dòng chảy W: là tổng lượng dòng chảy
F: là diện tích lưu vực k: là hệ số chuyển đơn vị, không thứ nguyên
Nếu y tính bằng mm, W tính theo m 3 , F tính theo km 2 thì k = 0.001
HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS
Thuật ngữ GIS (Hệ thống thông tin địa lý) được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như địa lý, công nghệ thông tin, quản lý môi trường và tài nguyên, cũng như trong khoa học xử lý dữ liệu không gian Sự đa dạng này đã dẫn đến nhiều định nghĩa khác nhau về GIS trong các lĩnh vực ứng dụng.
Theo Burrough (1986), GIS là một công cụ mạnh mẽ cho phép lưu trữ, truy vấn, biến đổi và hiển thị dữ liệu không gian từ thế giới thực nhằm phục vụ các mục đích cụ thể.
Theo Smith (1987), GIS là hệ thống cơ sở dữ liệu tích hợp thông tin không gian với vị trí, cho phép quản lý và phân tích dữ liệu nhằm đáp ứng nhu cầu của các đối tượng không gian trong cơ sở dữ liệu.
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) là công cụ quan trọng giúp thu thập, lưu trữ, quản lý, xử lý, phân tích và hiển thị thông tin không gian từ thế giới thực GIS sử dụng dữ liệu đầu vào và các thao tác phân tích để tạo ra cơ sở dữ liệu đầu ra liên quan đến địa lý, nhằm hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch, quản lý và sử dụng đất cũng như tài nguyên thiên nhiên.
1.2.2 Các thành phần của GIS
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) bao gồm 5 thành phần cơ bản: con người, dữ liệu, phương pháp phân tích, phần mềm và phần cứng Sự kết hợp của các thành phần này cho phép tự động quản lý và phân phối thông tin thông qua việc biểu diễn địa lý.
Hình 1.1 Thành phần trong GIS
Có hai thành phần quan trọng của dữ liệu địa lý:
• Dữ liệu không gian (dữ liệu bản đồ): biểu diễn các đối tượng không gian dưới dạng điểm, đường, vùng hoặc biểu diễn bề mặt
Dữ liệu thuộc tính là yếu tố quan trọng trong việc lưu trữ thông tin về đối tượng không gian, bao gồm các thuộc tính không gian như tọa độ, chu vi, diện tích và mối quan hệ không gian Ngoài ra, nó còn chứa các thuộc tính mô tả, bao gồm thuộc tính phân loại và các thông tin liên quan khác về đối tượng.
Mô hình biểu diễn dữ liệu không gian có hai loại là Vector và Raster
1.2.4 Các chức năng của GIS
GIS có 4 chức năng cơ bản:
Hệ thống thông tin địa lý (GIS) thu thập và lưu trữ dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, với nhiều dạng thức và phương pháp lưu trữ đa dạng GIS cung cấp các công cụ mạnh mẽ để tích hợp dữ liệu vào một định dạng thống nhất, giúp việc so sánh và phân tích trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
Quản lý dữ liệu trong GIS là quá trình lưu trữ và duy trì dữ liệu sau khi đã thu thập và tích hợp Hệ thống quản lý dữ liệu hiệu quả cần đảm bảo an toàn, toàn vẹn, cũng như khả năng lưu trữ, trích xuất và thao tác dữ liệu một cách chính xác.
• Phân tích không gian: đây là chức năng quan trọng nhất của GIS, cung cấp các chức năng như nội suy không gian, tạo vùng đệm và chồng lớp
Kết quả của các thao tác trên dữ liệu địa lý được hiển thị tối ưu qua bản đồ hoặc biểu đồ, giúp người dùng dễ dàng hình dung thông tin GIS mang đến nhiều công cụ mới và thú vị, góp phần nâng cao tính nghệ thuật và khoa học trong lĩnh vực bản đồ.
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TRONG NGHIÊN CỨU CÁC VẤN ĐỀ VỀ MÔI TRƯỜNG
1.3.1 Tổng quan về mô mình SWAT
Mô hình SWAT có khả năng mô phỏng nhiều quá trình vật lý trên lưu vực sông, cho phép phân chia lưu vực thành nhiều lưu vực con với các thuộc tính đất và thảm phủ khác nhau Việc này mang lại lợi ích trong việc tổ chức thông tin đầu vào cho từng lưu vực con, bao gồm yếu tố khí hậu, thông số của các đơn vị thuỷ văn (HRUs), hồ chứa nước, nước ngầm, kênh chính và sông nhánh, cùng hệ thống tiêu nước Các đơn vị thuỷ văn được tổng hợp thành các lưu vực con đồng nhất về thảm phủ, thổ nhưỡng và chế độ sử dụng đất (Rallison, R.E và N Miller, 1981).
Dữ liệu không gian dưới dạng bản đồ bao gồm các loại bản đồ quan trọng như bản đồ độ cao số (DEM), bản đồ thảm phủ, bản đồ loại đất, và bản đồ mạng lưới sông, suối, hồ chứa trong lưu vực.
Số liệu thuộc tính bao gồm các thông tin quan trọng như khí tượng (nhiệt độ không khí, bức xạ, tốc độ gió, lượng mưa), thuỷ văn (dòng chảy, bùn cát, hồ chứa), đất (loại đất, đặc tính theo lớp của các phẫu diện đất), loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng, và loại phân bón sử dụng trong khu vực canh tác.
Mô hình cung cấp các kết quả đầu ra quan trọng, bao gồm đánh giá lượng và chất nước, xác định lượng bùn cát vận chuyển trong lưu vực, phân tích quá trình canh tác đất thông qua mô-đun chu trình chất dinh dưỡng, và cải thiện công tác quản lý lưu vực.
Chu trình thủy văn có thể chia thành hai pha (Susan L Neitsch et al., 2009):
Pha đất trong chu trình thuỷ văn, hay mô hình thuỷ văn, là giai đoạn đầu tiên, nơi tính toán tổng lượng nước, bùn cát, chất dinh dưỡng và hoá chất đến kênh chính của từng lưu vực.
Pha thứ hai của chu trình thuỷ văn, còn được gọi là pha nước hoặc pha diễn toán, là giai đoạn quan trọng trong việc tính toán các thành phần qua hệ thống mạng lưới sông suối cho đến mặt cắt cửa ra Mô hình diễn toán này giúp xác định các yếu tố liên quan đến dòng chảy và phân bố nước trong hệ thống thuỷ văn.
Hình 1.2 Sơ đồ vòng tuần hoàn thủy văn
Mô hình SWAT là kết quả của gần 30 năm nỗ lực phát triển của Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) SWAT tích hợp các mô hình nổi bật của USDA-ARS, bao gồm CREAMS, GLEAMS và EPIC, nhằm cung cấp một công cụ toàn diện cho việc quản lý và đánh giá tác động môi trường trong nông nghiệp.
Kể từ khi SWAT được ra mắt vào đầu những năm 1990, mô hình này đã trải qua nhiều lần xem xét, đánh giá và cải tiến để nâng cao khả năng mô phỏng (Rallison, R.E và N Miller, 1981) Những cải tiến nổi bật nhất của các phiên bản mô hình bao gồm việc mở rộng tính năng và độ chính xác trong việc dự đoán các yếu tố môi trường.
SWAT 94.2: bổ sung khái niệm đơn vị đồng nhất về phản ứng thuỷ văn (HRUs: Hydrologic Response Units)
SWAT 96.2: phương án tự động bón phân và tưới nước được thêm vào như là những quản lý tùy chọn, tính toán lượng nước do tán lá cây lưu trữ, thành phần mô phỏng CO2 trong mô hình tăng trưởng cây trồng phục vụ các nghiên cứu về BĐKH
SWAT 98.1: cải tiến chương trình con về mô phỏng lượng tuyết tan, cải thiện tính toán chất lượng nước trong dòng sông suối, mở rộng tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, sửa đổi mô hình để có thể áp dụng ở khu vực Nam bán cầu
SWAT 99.2: cải tiến tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, bổ sung phần ước tính lượng tổn thất chất dinh dưỡng do quá trình bồi lắng trong hồ chứa/ao/đầm lầy, bổ sung phương trình ảnh hưởng các khu đô thị lên dòng chảy từ mô hình SWMM (Storm Water Management Model)
SWAT 2000 đã nâng cấp bằng cách bổ sung phương trình thấm Green & Ampt, cải thiện khả năng mô phỏng thời tiết Phiên bản này cho phép người dùng nhập hoặc mô phỏng dữ liệu bức xạ Mặt Trời hàng ngày, độ ẩm tương đối và tốc độ gió, đồng thời xem xét lại tất cả các phương pháp ước tính ET tiềm năng.
SWAT 2005 đã cải thiện khả năng truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy, bổ sung kịch bản dự báo thời tiết và mô phỏng lượng mưa Thêm vào đó, thông số lưu trữ nước trong tính toán giá trị CN hàng ngày có thể được xác định dựa trên độ ẩm đất hoặc lượng bốc thoát hơi nước từ cây cối.
Giao diện cho các mô hình đã được phát triển trên hệ điều hành Windows, bao gồm Visual Basic, GRASS (Hệ thống Hỗ trợ Phân tích Tài nguyên Địa lý) và ArcView Mô hình SWAT đã trải qua quá trình kiểm chứng nghiêm ngặt.
1.3.3 Khả năng ứng dụng mô hình SWAT trong nghiên cứu về vấn đề môi trường Ứng dụng mô hình SWAT tạo ra các công cụ để đánh giá các vấn đề về tài nguyên – môi trường như:
- Đánh giá về số lượng và chất lượng của tài nguyên nước trong lưu vực
- Phân tích lưu lượng dòng chảy tại lưu vực
- Đánh giá hiệu quả công tác quản lý khai thác tài nguyên nước trong quản lý lưu vực
- Đánh giá ảnh hưởng của lớp dòng chảy mặt đối với hoạt động sử dụng và khai thác tài nguyên nước.
TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC CÓ LIÊN QUAN
Công cụ đánh giá đất và nước "SWAT" (Soil and Water Assessment Tools) là một mô hình vật lý được phát triển từ những năm 90 bởi tiến sĩ Jeff Arnold thuộc Trung tâm Nghiên cứu Đất Nông nghiệp của USDA - Agricultural Research Service (ARS) Mô hình này giúp đánh giá tác động của quản lý đất và nước đối với chất lượng môi trường.
Mô hình SWAT được phát triển để mô phỏng tác động của quản lý sử dụng đất đối với nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong đất trong hệ thống lưu vực sông Tiền thân của mô hình này bao gồm SWRRB (Simulator for Water Resources in Rural Basins) và ROTO (Routing Outputs to Outlet) Mô hình chia lưu vực thành các vùng nhỏ, giúp việc mô phỏng dòng chảy trở nên thuận tiện khi có đủ dữ liệu về sử dụng đất và đặc tính của đất trong từng lưu vực nhỏ.
Sự kết hợp giữa Viễn thám, GIS và công cụ SWAT đã được áp dụng rộng rãi trên toàn cầu, tập trung vào việc đánh giá lưu lượng và chất lượng nước của các lưu vực sông Những nghiên cứu này thường xem xét tác động của biến đổi sử dụng đất và biến đổi khí hậu, như được thể hiện qua một số nghiên cứu tiêu biểu.
- Mô hình dòng chảy mặt và ngầm (Arnold, JG, PM Allen, and G Bernhardt, 1993
- Các mô hình tăng cường chất lượng nước QUAL2E và QUAL2E-UNCAS (Brown, LC and TO Barnwell, Jr., 1987, USA)
- Sự kết hợp giữa mô hình chất lượng lưu vực nhỏ với công cụ GIS (Srinivasan, R., và JG Arnold, năm 1994, Water Resources Bulletin 30(3):453-462)
- Ảnh hưởng của biến đổi không gian lên mô hình của lưu vực (Mamillapalli, S.,
R Srinivasan, JG Arnold, and BA Engel, 1996, Conference/Workshop on Integrating GIS and Environmental Modeling, Sante Fe, New Mexico, January, 21-25)
- Nghiên cứu “Đánh giá dòng chảy lưu vực vào hồ Shinji ảnh hưởng đến môi trường nước” của nhóm tác giả Hiroaki Somura, Yasumichi Yone, Yasushi Mori, Erina
Takahashi đã thực hiện đánh giá tác động của việc thay đổi sử dụng đất, sự gia tăng hoặc giảm dân số, và sự phát triển của lưu vực đến số lượng và chất lượng nước Đây là một trong những chủ đề quan trọng trong quản lý tài nguyên nước, từ lưu vực sông đến hạ lưu và hồ Việc quản lý thống nhất môi trường nước là rất cần thiết cho sự bảo tồn và sử dụng bền vững các nguồn tài nguyên.
1.4.2 Tại Việt Nam Ứng dụng khoa học viễn thám vào các lĩnh vực nghiên cứu mới được áp dụng mạnh từ năm 2000 trở lại đây, bởi do thiếu điều kiện cơ sở vất chất và nguồn nhân lực Tuy nhiên cũng đã có nhiều công trình, đề tài nghiên cứu ứng dụng có hiệu quả khoa học viễn thám trong các lĩnh vực như; quản lý tài nguyên (đất, rừng), quản lý và giám sát môi trường (nước, đất), và dự báo thiên tai Sự hình thành Trạm Thu ảnh vệ tinh tháng
7 năm 2009, thuộc Bộ Tài nguyên & Môi trường là cơ sở hứa hẹn cho Việt Nam chúng
Khoa học viễn thám sẽ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các ngành và lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong quản lý và bảo vệ tài nguyên môi trường.
Trong những năm gần đây, công cụ SWAT đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu, với nhiều đề tài nghiên cứu áp dụng công cụ này để đánh giá tác động của con người và thiên nhiên đến lưu vực của một số sông lớn tại Việt Nam.
Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán SWAT để đánh giá tác động của việc sử dụng đất đến bồi lắng hồ chứa nước đã được thực hiện cho lưu vực hồ chứa nước Đại Lải Công trình này do Phạm Thị Lan Hương từ Đại học Thủy Lợi Hà Nội thực hiện Mô hình SWAT giúp phân tích và dự đoán ảnh hưởng của các hoạt động sử dụng đất đến quá trình bồi lắng, từ đó cung cấp thông tin hữu ích cho việc quản lý và bảo vệ nguồn nước.
Mô hình SWAT được ứng dụng để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy của lưu vực sông Đáy tại TP Hà Nội Nghiên cứu này do Lê Văn Linh thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường thực hiện, nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc về ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đối với nguồn nước trong khu vực Kết quả từ mô hình SWAT sẽ giúp các nhà quản lý và lập kế hoạch phát triển bền vững cho lưu vực sông Đáy.
Nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT nhằm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nước trong lưu vực sông Mã đã được thực hiện bởi Vũ Thị Thu tại Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Mô hình SWAT giúp phân tích và quản lý nước, từ đó đưa ra các giải pháp hợp lý cho việc bảo vệ và phát triển bền vững tài nguyên nước trong khu vực này Việc áp dụng mô hình này không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng nước mà còn góp phần vào việc duy trì hệ sinh thái và phát triển kinh tế địa phương.
Nghiên cứu của Ngô Đình Quế (2013) về "Đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy và xói mòn đất" đã chỉ ra rằng rừng có vai trò quan trọng trong việc điều tiết dòng chảy mặt và ngăn chặn xói mòn đất Nghiên cứu này tập trung vào tác dụng của rừng tự nhiên tại hai lưu vực sông Rào Nậy ở tỉnh Quảng Bình và sông Pơ Cô ở tỉnh Kon Tum, khẳng định chức năng thiết yếu của rừng phòng hộ trong việc bảo vệ môi trường.
TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
Lưu vực Sông Bung là một trong những lưu vực chính của hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn, bắt nguồn từ vùng núi cao phía Tây Bắc tỉnh Quảng Nam và chảy theo hướng Tây sang Đông Nằm trên dãy Trường Sơn hùng vĩ, lưu vực này có địa hình phức tạp và hiểm trở, với núi và đồi chiếm đến 90% diện tích toàn khu vực.
Sông Bung chảy qua hai huyện Nam Giang và Tây Giang, trong đó Nam Giang là huyện miền núi cao thuộc tỉnh Quảng Nam với diện tích tự nhiên 1.842,88 km² Huyện này giáp ranh với huyện Hiên ở phía bắc, Lào ở phía tây, huyện Phước Sơn ở phía nam, và huyện Đại Lộc cùng Nông Sơn ở phía đông Địa hình hiểm trở, nhiều núi non và sông suối chia cắt khiến giao thông gặp khó khăn, hạn chế sự phát triển kinh tế xã hội Tuy nhiên, việc hình thành tuyến đường Hồ Chí Minh và nâng cấp Quốc lộ 14B nối với Đà Nẵng đã góp phần cải thiện tình hình giao thông tại khu vực này.
QL 14D kết nối với cửa khẩu Đắc Ốc mở ra nhiều cơ hội phát triển kinh tế xã hội cho huyện, tuy nhiên, đời sống của người dân vẫn còn gặp nhiều khó khăn, chủ yếu tập trung vào sản xuất nông nghiệp.
Hình 2.1 Bản đồ hành chính Huyện Nam Giang, tỉnh Quảng Nam
2.1.2 Đặc điểm địa hình, địa mạo
Nam Giang có địa hình phức tạp với độ dốc lớn và mức chia cắt mạnh, hướng thấp dần từ Tây sang Đông Khu vực này có thể chia thành ba dạng địa hình chính: Địa hình núi cao tập trung ở phía Tây dọc biên giới Việt – Lào, với độ cao trung bình từ 700–800m và đỉnh Cà Xiêng cao nhất khoảng 2053m Địa hình đồi núi thấp nằm ở khu vực trung tâm kéo dài về phía Đông, có độ cao trung bình từ 300–700m Cuối cùng, địa hình tương đối bằng phẳng, bao gồm các thung lũng ven chân núi và vùng đất bằng ven sông suối, chiếm khoảng 15% diện tích tự nhiên và phân bố chủ yếu ở thị trấn Thạnh Mỹ và Cà Dy.
Huyện có địa hình chủ yếu là đồi núi, với độ dốc lớn và sự chia cắt phức tạp, gây khó khăn trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng và ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật vào sản xuất Đất đai ở đây dễ bị xói mòn và rửa trôi, trong khi đất sản xuất nông nghiệp chỉ phân bố rải rác dọc theo các sông suối và một số thung lũng nhỏ.
Dựa trên chuỗi số liệu khí tượng thủy văn từ 1976 đến 2006 tại các trạm như Khâm Đức, Hiên, Thành Mỹ, Nông Sơn, Nam Đông, Sơn Tân và Trà My, đặc điểm khí tượng thủy văn của khu vực nghiên cứu được tóm tắt như sau:
Lưu vực nghiên cứu thuộc khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa, với nhiệt độ không khí trung bình hàng năm dao động từ 20°C.
Nhiệt độ trung bình trong năm dao động từ 12°C đến 28°C, với mức thấp nhất khoảng 8.7°C Các tháng lạnh nhất là tháng 12, 1 và 2, khi nhiệt độ trung bình chỉ đạt từ 20°C đến 22°C Ngược lại, tháng 5, 6 và 7 là thời điểm nóng nhất trong năm, với nhiệt độ trung bình lên tới 26°C - 29°C, trong đó nhiệt độ cao nhất có thể đạt 41°C.
Độ ẩm không khí trong khu vực lưu vực cho thấy sự ổn định với độ ẩm tương đối trung bình tháng trong mùa mưa dao động từ 80-90% Mùa mưa ghi nhận độ ẩm cao nhất, đạt 100%, trong khi mùa khô có độ ẩm thấp nhất, với giá trị quan trắc từ 22% đến 28% tại các trạm như Đà Nẵng, Nam Đông và Trà My Mặc dù có sự biến động theo mùa, giá trị độ ẩm không khí trung bình tháng giữa các tháng trong năm không có nhiều thay đổi.
Cơ chế gió mùa ảnh hưởng lớn đến tốc độ và hướng gió trong lưu vực, với hướng gió thịnh hành chủ yếu từ Đông, Đông Nam, Bắc và Tây Bắc.
Mùa mưa trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn được xác định từ tháng 9 đến tháng 12, với tiêu chí lượng mưa tháng lớn hơn 100mm và tần suất xuất hiện trên 50% Trong khoảng thời gian này, có ba tháng đặc trưng cho mùa mưa.
Tháng 10 và tháng 11 là thời điểm có lượng mưa lớn nhất trong năm, chiếm hơn 50% tổng lượng mưa, trong khi các tháng từ tháng 1 đến tháng 8 là mùa khô.
Một số đặc trưng lượng mưa tháng, năm của một số trạm đại biểu trong và ngoài lưu vực nghiên cứu trong bảng sau:
Bảng 2.1 Lượng mưa trung bình tháng, năm (mm)
Nguồn: Đánh giá tác động môi trường dự án Sông Bung 3A
Số liệu bốc hơi của lưu vực Sông Bung 3 được tính toán dựa theo số liệu của các trạm tương tự lân cận:
Bảng 2.2 Lượng bốc hơi trung bình tháng của các trạm (mm)
Nguồn: Đánh giá tác động môi trường dự án Sông Bung 3A Bảng 2.3 Bảng phân phối tổn thất bốc hơi trong năm tại hồ Sông Bung 3
Nguồn: Đánh giá tác động môi trường dự án Sông Bung 3A
Sông Bung là một nhánh lớn của hệ thống sông Vũ Gia - Thu Bồn, bắt nguồn từ vùng núi cao trên 1800m tại biên giới Việt - Lào, thuộc tỉnh Quảng Nam Sông chảy từ Tây Bắc sang Đông Nam ở thượng nguồn huyện Đông Giang, sau đó hòa cùng sông Tam A Pout và các suối nhỏ, chuyển hướng dần về phía Nam Khi qua huyện Nam Giang, sông chảy theo hướng Tây Nam – Đông Bắc và tiếp tục nhập lưu với sông A Vương, trước khi gia nhập vào hệ thống sông Vũ Gia - Thu Bồn Hình thái dòng chảy của sông Bung rất quanh co và uốn khúc.
Sông Bung được tạo thành từ nhiều nhánh chính như Tam A Pout, Tam Paéte, Dak Pring và A Vương, với hai hướng chảy chính từ phía Bắc và phía Nam.
Sông Bung dài 30 km với dòng chảy chính nằm giữa hai bên bờ Thượng nguồn sông có nhiều đoạn hẹp và dốc, hai bên bờ là các vách đá dựng đứng Lòng sông chủ yếu là đá gồ ghề, cùng với nhiều thác ghềnh tạo nên cảnh quan hùng vĩ.
Bảng 2.4 Đặc trưng địa lý thủy văn Sông Bung
STT Đặc trưng Đơn vị Giá trị
1 Diện tích lưu vực km 2 544
2 Chiều dài sông chính km 62.3
3 Độ rộng trung bình của lưu vực km 8.7
4 Độ cao trung bình của lưu vực m 1500
5 Độ dốc trung bình của sông ‰ 6.5
6 Mật độ lưới sông km/km 2 0.75
7 Độ hạ thấp của sông m 1200
Nguồn: Đánh giá tác động môi trường dự án Sông Bung 3A
Có thể tóm tắt các đặc trưng thủy văn như sau:
HIỆN TRẠNG PHÁT TRIỂN KINH TẾ VÀ XÃ HỘI
2.2.1 Dân cư và nguồn lao động
Theo niên giám thống kê năm 2009, huyện Nam Giang có tổng dân số 25.364 người, trong đó có 13.527 nam và 11.837 nữ Tỷ lệ phát triển dân số đạt 2,5%, cho thấy sự tăng trưởng ổn định trong khu vực.
12 người/km 2 Tỉ lệ sinh năm 2009 là 23.11%, tỉ lệ chết là 5.35%, tỉ lệ tăng tự nhiên là 16%
Dân tộc Cơ Tu là nhóm đông nhất với 12.912 người, chiếm 56,2% tổng dân số Dân tộc Kinh có 4.856 người, chiếm 21%, chủ yếu tập trung tại thị trấn Thạnh Mỹ, xã Cà Dy và Tà Bhing Dân tộc Gié Triêng đứng thứ ba với 4.815 người, chiếm 21,1% Các dân tộc khác chỉ chiếm khoảng 1,7% dân số.
Phân chia theo tỷ lệ dân tộc thiểu số và dân số nghèo trên toàn huyện và xã LaÊÊ,
La Dêê và Chà Vàl được thống kê như sau:
Bảng 2.16 Dân tộc thiểu số và tỷ lệ dân nghèo của huyện Nam Giang
Tỷ lệ dân tộc thiểu số (%)
Tỷ lệ dân số nghèo
Nguồn: Niên Giám Thống Kê huyện Nam Giang, 2009
Phân chia dân số theo dân tộc và giới tính trên toàn huyện và xã LaÊÊ được thống kê như sau:
Bảng 2.18 Phân chia dân số theo dân tộc và giới tính của huyện Nam Giang
Dân tộc Kinh Cờ Tu Gié + Triêng Dân tộc khác
Tổng Nữ Tổng Nữ Tổng Nữ Tổng Nữ
Nguồn: Niên Giám Thống Kê huyện Nam Giang, 2009
Vào năm 2006, huyện Nam Giang có 10.930 người trong độ tuổi lao động, chiếm 53,66% tổng dân số, trong đó có 5.413 nữ Lực lượng lao động chủ yếu tập trung trong lĩnh vực lâm nghiệp và nông nghiệp với 7.897 người, chiếm 72,25%, trong khi thương mại và dịch vụ chỉ có 498 người, chiếm 4,56%, và ngành công nghiệp - tiểu thủ công nghiệp chỉ có 22 lao động Trình độ lao động còn thấp, dẫn đến tình trạng việc làm không ổn định và nhiều lao động nhàn rỗi.
2.2.2 Tình hình phát triển kinh tế Đa số các hộ sống bằng nghề nông, có một số ít hộ buôn bán nhỏ để sinh sống Dân cư hầu hết là người dân tộc Cờ Tu và số ít là người Kinh di dân tự do, dân trí còn thấp, đời sống còn khó khăn, số hộ đói nghèo trong xã chiếm tỉ lệ
