Tài liệu Báo cáo " ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG BÉ " docx

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 7 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG BÉ (ASSESSING WATER DISCHARGE IN BE RIVER BASIN, VIETNAM USING GIS AND SWAT MODEL) Nguyễn Duy Liêm (1) , Nguyễn Thị Hồng (2) , Trương Phước Minh (3) , Nguyễn Kim Lợi (1) (1) Bộ môn Thông tin Địa lý Ứng dụng (GIS) - Khoa Môi trường & Tài nguyên Trường Đại học Nông Lâm TPHCM (2) Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội (3) Trường Đại học Sư Phạm Đà Nẵng Email: nguyenkimloi@gmail.com Abstract: This study applied SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model and GIS technique to assess water discharge in Be river basin, Vietnam. The water discharge is an important hydrological parameters which defines the shape, size and course of the stream. The results of monitoring flow discharge can be useful information for flood forecasting, predicting sediment loads and assessing the impact of climate change to water resource. The study focused to quantify the impact of topographic, land use, soil and climatic condition on water discharge in Be river basin, Vietnam using SWAT model and GIS technology. In this integration, GIS supplies SWAT input data included elevation, soil properties, land use and weather data and creates graphical user interface for SWAT, while SWAT operates input data, delineates watershed, simulates different physical processes, displays output data as discharge. The simulation results in the period 1979 to 2007 represented fluctuation of discharge relatively well with both R 2 and NSI values were above 0.7 in the period 1979 to 1994. This result can be used for predicting the effect of changing land use and conservation pratices on water discharge within the basin, helping to water quantity and quality assessment. Keywords: SWAT, Water Discharge, GIS, Be River Basin. 1. GIỚI THIỆU Lưu lượng dòng chảy được định nghĩa là thể tích nước chảy qua phần mặt cắt của một con sông tại một thời kỳ, đơn vị tính thường là m 3 /s. Đối với lưu vực sông, lưu lượng dòng chảy là một thông số thủy văn quan trọng xác định hình dạng, kích thước và các quá trình diễn ra trong lưu vực. Dựa vào kết quả quan trắc lưu lượng dòng chảy, có thể rút ra thông tin hữu ích, hỗ trợ cho công tác dự báo lũ, xác định xu hướng dòng chảy, tính toán lượng bồi lắng và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên nguồn nước. Hiện nay, cùng với sự phát triển của công nghệ GIS (Geographic Information System), nhiều mô hình thủy văn đã ra đời, cho phép tính toán lưu lượng dòng chảy một cách chính xác, dễ dàng và nhanh chóng hơn so với phương pháp quan trắc truyền thống. Một trong số đó là mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Đây là mô hình ở cấp độ lưu vực sông có khả năng tích hợp với GIS, nhờ đó nâng cao độ chính xác của kết quả mô phỏng dòng chảy từ mưa và các đặc trưng vật lý trên lưu vực. Trong mố i liên kết này, GIS cung cấp dữ liệu đầu vào, giao diện tương tác người dùng cho SWAT, trong khi SWAT sử dụng dữ liệu từ GIS mô phỏng các quá trình vật lý diễn ra trên lưu vực. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 8 Mục tiêu của bài báo này là tích hợp mô hình SWAT và công nghệ GIS mô phỏng dòng chảy trên lưu vực sông Bé từ dữ liệu độ cao số (DEM), sử dụng đất, đất và thời tiết. Qua đó, đánh giá diễn biến lưu lượng dòng chảy cũng như rút ra quy luật dòng chảy trên lưu vực này. 2. ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU Sông Bé là một trong 4 phụ lưu lớn của hệ thống sông Đồng Nai, với diện tích khoảng 7.650 km 2 , lưu lượng dòng chảy khoảng 255 m 3 /s. Phạm vi lưu vực trải dài trong khoảng tọa độ 11 o 06’ - 12 o 22’ độ vĩ Bắc và 106 o 35’ - 107 o 31’ độ kinh Đông, thuộc địa phận các tỉnh Bình Phước, Bình Dương, Đồng Nai, Đắc Nông và một phần nhỏ trên đất Campuchia (xem Hình 1). Địa hình lưu vực sông Bé biến đổi rất đa dạng và phức tạp: trên lưu vực vừa có địa hình đồi núi lại vừa có địa hình trung du dạng gò đồi úp bát và lượn sóng xen lẫn một ít đồng bằng nhỏ, hẹp và một số dạng lòng chảo (bàu trũng). Độ cao của lưu vực giảm dần theo hướng Đông Bắc - Tây Nam, từ 750 - 1.000 m ở vùng thượng, trung lưu xuống vùng hạ lưu chỉ còn 80 - 100 m và tăng dần từ phía Tây lưu vực với 80 - 150 m sang phía Đông lưu vực với 250 - 700 m. Về khí hậu, lưu vực sông Bé nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của chế độ khí hậu nhiệt đới gió mùa, nền nhiệt độ cao với nhiệt độ trung bình năm ở các nơi dao độ ng trong khoảng 25,5 – 26,7 0 C, lượng mưa hàng năm khá lớn, từ 2.200 - 2.600 mm. Các loại đất chính trên lưu vực sông Bé bao gồm: 54,21 % đất nâu đỏ, 18,4 % đất xám feralit, 8,30 % đất nâu vàng, 1,59 % các loại đất khác (đất phù sa chua, đất nâu thẫm trên bazan, đất glây chua, đất đá bọt điển hình, đất lầy thụt và đất thuộc ao hồ, sông suối). Hình 1. Vị trí địa lý lưu vực sông Bé 3. PHƯƠNG PHÁP 3.1. Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Mô hình đánh giá đất và nước SWAT được phát triển bởi Bộ Nông nghiệp Hoa Kì (USDA) vào đầu những năm 90 của thế kỉ XX (Susan L. Neitsch et al., 2009). Mô hình được HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 9 xây dựng nhằm đánh giá và dự đoán các tác động của thực tiễn quản lý đất đai đến nguồn nước, lượng bùn và lượng hóa chất trong nông nghiệp sinh ra trên một lưu vực rộng lớn và phức tạp với sự không ổn định về các yếu tố như đất, sử dụng đất và điều kiện quản lý trong một thời gian dài. SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lí trên cùng một lưu vực, theo cách thức một lưu vực sẽ được chia thành các tiểu lưu vực, trong mỗi tiểu lưu vực được chia thành các đơn vị thủy văn – có những đặc trưng riêng duy nhất về đất và sử dụng đất. Với sự hỗ trợ của GIS, mô hình SWAT có thể phác họa tiểu lưu vực và mạng lưới dòng chảy từ dữ liệu độ cao số (DEM) và tính toán cân bằng nước hàng ngày từ dữ liệu khí tượng, đất và sử dụng đất. Dòng chảy mặt được tính toán theo khoảng thời gian hàng ngày dựa trên phương pháp đường cong số (SCS) và đỉnh dòng chảy được ước lượng theo phương pháp hữu tỉ (Rational method). 3.2. Thu thập dữ liệu Dữ liệu cần thiết cho quá trình mô phỏng lưu lượng dòng chảy trong SWAT được thu thập từ nguồn địa phương (Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam) và toàn cầu (FAO) bao gồm địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng, thời tiết và lưu lượng dòng chảy thực đo. - Dữ liệu địa hình của lưu vực sông Bé được thể hiện dưới dạng đường đồng mức, với khoảng cao đều nhỏ nhất là 5 m. Trước khi đưa vào mô hình SWAT, dữ liệu này đã được chuyển đổi sang dạng mô hình độ cao số (DEM). - Bản đồ sử dụng đất nă m 1993 của lưu vực sông Bé với 14 loại hình sử dụng đất khác nhau được phân chia lại theo bảng mã sử dụng đất trong SWAT, bao gồm rừng tự nhiên lá rộng thường xanh, kín; rừng trồng lá rộng thường xanh, kín; rừng tự nhiên lá rộng thường xanh, trung bình; rừng tự nhiên lá rộng thường xanh, thưa; rừng tre nứa tự nhiên, dày; rừng tự nhiên hỗn giao gỗ và tre, kín; đất có cây bụi, tre nứa rải rác, trảng cỏ; đất có cây gỗ rải rác; cây nông nghiệp lâu năm xen dân cư; cây nông nghiệp ngắn vụ xen dân cư; nương rẫy xen dân cư; dân cư tập trung; hồ tự nhiên và hồ nhân tạo. - Dữ liệu đất lưu vực sông Bé được lấy từ bản đồ đất toàn cầu của FAO (1995) ở độ phân giải không gian 10 km, bao gồm hai lớp đất (0 - 30 cm và 30 - 100 cm) cùng với tính chất vật lý, hóa học của đất. Các loại đất trên lưu vực sông Bé bao gồm đất xám feralit, đất xám glây, đất nâu đỏ, đất phèn và đất nứt nẻ. - Đối với dữ liệu thời tiết, dựa trên đặc điểm phân bố, thời gian đo đạc và chất lượng dữ liệu của các trạm quan trắc khí tượng trên lưu vực sông Bé và phụ cận, nghiên cứu đã lựa chọn và sử dụng dữ liệu, tại 8 trạm đo là Bù Nho, Chơn Thành, Đắc Nông, Đồng Phú, Lộc Ninh (Sông Bé), Phước Hòa, Phước Long và Sở Sao trong khoảng thời gian từ năm 1979 – 2007. - Dữ liệu lưu lượng dòng tại 2 trạm quan trắc thủy văn là Phước Long và Phước Hòa nằm trên dòng sông chính của lưu vực sông Bé được sử dụng để đánh giá kết quả mô phỏng dòng chảy của mô hình SWAT. 3.3. Thiết lập mô hình Phương pháp mô phỏng lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Bé bằng mô hình SWAT được thể hiện như Hình 2. Theo đó, tiến trình thự c hiện bao gồm các bước chính là phân định lưu vực, phân tích đơn vị thủy văn, ghi chép dữ liệu đầu vào, chạy mô hình và đánh giá mô hình. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 10 Phân định lưu vực Chạy mô hình Mục tiêu mô phỏng lưu lượng dòng chảy Bản đồ địa hình Ghi chép dữ liệu đầu vào Dữ liệu thời tiết Lưu lượng dòng chảy Đánh giá mô hình Thu thập, xử lý dữ liệu Bản đồ sử dụng đất Bản đồ thổ nhưỡng Lưu lượng dòng chảy thực đo Xử lý DEM Xác định dòng chảy Định nghĩa cửa xả lưu vực Tính toán thông số tiểu lưu vực Phân tích đơn vị thủy văn Chồng lớp sử dụng đất/ đất/ độ dốc Định nghĩa đơn vị thủy văn Chấp nhận độ chính xác? Có Không Hình 2. Lược đồ mô phỏng lưu lượng dòng chảy 3.4. Đánh giá mô hình Kết quả mô phỏng dòng chảy trong SWAT được đánh giá dựa trên giá trị lưu lượng dòng chảy thực đo. Hệ số xác định (R 2 ) (P. Krause et al., 2005) và chỉ số Nash – Sutcliffe (NSI) (Nash, J.E. và J.V. Sutcliffe, 1970) được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của mô hình SWAT. Giá trị R 2 nằm trong khoảng từ 0 đến 1, thể hiện mối tương quan giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng. Trong khi đó, chỉ số NSI chạy từ -∞ đến 1, đo lường sự phù hợp giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng trên đường thẳng 1:1. Nếu R 2 , NSI nhỏ hơn hoặc gần bằng 0, khi đó kết quả được xem là không thể chấp nhận hoặc độ tin cậy kém. Ngược lại, nếu những giá trị này bằng 1, thì kết quả mô phỏng của mô hình là hoàn hảo. Công thức tính R 2 và NSI được thể hiện lần lượt trong công thức 1 và 2. (1) (2) HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 11 Trong đó, O là giá trị thực đo, là giá trị thực đo trung bình, P là giá trị mô phỏng, là giá trị mô phỏng trung bình, n là số lượng giá trị tính toán. 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1. Đánh giá kết quả mô phỏng dòng chảy So sánh giá trị dòng chảy thực đo và mô phỏng tại hai tiểu lưu vực Phước Long, Phước Hòa trong thời kì 1979 – 1994 cho thấy kết quả mô phỏng tương đối tốt với giá trị R 2 (Phước Long: 0,769; Phước Hòa: 0,822) và NSI (Phước Long: 0,720; Phước Hòa: 0,794) đều trên 0,7. Biểu đồ phân bố giá trị lưu lượng dòng chảy mô phỏng và thực đo tại hai trạm như Hình 3 thể hiện giá trị mô khá phù hợp với giá trị thực đo trên đường 1:1. Hình 3. Phân bố lưu lượng dòng chảy thực đo và mô phỏng tại Phước Long (trái) và Phước Hòa (phải) 4.2. Diễn biến lưu lượng dòng chảy Dựa trên Hình 4, có thể thấy mô hình biến đổi dòng chảy tại Phước Long, Phước Hòa được xác định theo sự biến động của lượng mưa. Trong những tháng mưa nhiều, lưu lượng dòng chảy thường lớn. Lưu lượng dòng chảy tại Phước Long phần lớn nh ỏ hơn (khoảng 2 lần) tại Phước Hòa mặc dù về lượng mưa thì lại lớn hơn. Mô hình chung của dòng chảy tại hai tiểu lưu vực này là có 2 lần đạt đỉnh mùa mưa, các tháng còn lại (nhất là trong mùa khô) dòng chảy rất nhỏ. Tuy nhiên, giá trị lưu lượng dòng chảy có sự khác biệt theo từng năm. Đặc biệt, trong thời kì mô phỏng (1979 – 1994), trên cả hai tiểu lưu vực Phước Long, Phước Hòa, có 3 năm giá trị l ưu lượng dòng chảy lớn nhất, đó là vào các tháng 8/1986, 8/1992 và 9/1994. Đối với Phước Long, giá trị này lần lượt là 463,8; 380,4; 358,3 m 3 /s. Trong khi đó, tại Phước Hòa, giá trị này lớn hơn, lần lượt là 951,9; 830,5; 822,6 m 3 /s. Nhìn chung, mùa lũ trên cả hai tiểu lưu vực trên thường kéo dài từ tháng 6 – 11, với lưu lượng dòng chảy trung bình là 224,55 m 3 /s (Phước Long) và 458,53 m 3 /s (Phước Hòa). Trong mùa kiệt (từ tháng 12 đến tháng 5 năm sau), lưu lượng dòng chảy trung bình xuống thấp, chỉ đạt mức 30,85 m 3 /s (Phước Long) và 60,49 m 3 /s (Phước Hòa). HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 12 Hình 4. Diễn biến lượng mưa và giá trị lưu lượng dòng chảy mô phỏng tại Phước Long và Phước Hòa 5. KẾT LUẬN Nghiên cứu này đã mô phỏng lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Bé trong giai đoạn 1979 – 2007 bằng mô hình SWAT với kết quả khá tốt (giá trị R 2 và NSI đều trên 0,7 trong thời kì 1979 – 1994). Từ kết quả tính toán, mùa lũ trên lưu vực được xác định kéo dài từ tháng 6 – 11, với lưu lượng dòng chảy trung bình là 224,55 m 3 /s (Phước Long) và 458,53 m 3 /s (Phước Hòa). Trong mùa kiệt (từ tháng 12 đến tháng 5 năm sau), lưu lượng dòng chảy trung bình xuống thấp, chỉ đạt mức 30,85 m 3 /s (Phước Long) và 60,49 m 3 /s (Phước Hòa). Với kết quả đạt được nêu trên đã chứng minh cách tiếp cận tích hợp công nghệ GIS và mô hình SWAT là phương pháp mô phỏng lưu lượng dòng chảy có tính hiệu quả cao, phù hợp với đặc điểm lưu vực sông Bé, có thể áp dụng cho những lưu vực sông khác. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu này là sẽ tiến hành hiệu chỉnh, kiểm định mô hình để xác định bộ thông số phù hợp cho giá trị lưu lượng dòng chảy, qua đó có thể dự báo chính xác diễn biến dòng chảy trên lưu vực trong tương lai. Tài liệu tham khảo FAO, 1995. The digital soil map of the world and derived soil properties. CD-ROM Version 3.5, Rome. Nash, J. E. and J.V. Suttcliffe, 1970. River flow forecasting through conceptual models, Part 1. A disscussion of principles. Journal of Hydrology 10 (3): 282-290. P. Krause et al., 2005. Comparison of different efficiency criteria for hydrological model assessment. Advances in Geosciences 5: 89–97. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 13 S.L. Neitsch et al., 2005. Soil and Water Assessment Tool theoretical documentation version 2005. Available at: <http://swatmodel.tamu.edu/media/1292/SWAT2005theory.pdf >. [Accessed 9 Jun 2011]. Soil Conservation Service. 1972. National Engineering Handbook Section 4 Hydrology, Chapters 4- 10. Susan L. Neitsch et al., 2009. Overview of Soil and Water Assessment Tool (SWAT) Model. In: Arnold, J et al., eds. 2009. Soil and Water Assessment Tool (SWAT): Global Applications. Special Publication No. 4., World Associatiom of Soil and Water Conservation, Bangkok: Funny Publishing, pp.3-23. . HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 7 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG BÉ (ASSESSING WATER. dữ liệu đầu vào, chạy mô hình và đánh giá mô hình. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 10 Phân định lưu vực Chạy mô hình Mục tiêu mô phỏng lưu lượng