Áp dụng mô hình SWAT để đánh giá chế độ bùn cát trên lưu vực sông Công, Thái Nguyên

Bài viết Áp dụng mô hình SWAT để đánh giá chế độ bùn cát trên lưu vực sông Công, Thái Nguyên dựa vào kết quả mô phỏng và các chỉ tiêu đánh giá NSE và R2 , nghiên cứu này cho thấy mô hình SWAT sau khi được hiệu chỉnh các thông số thủy văn và bùn cát đã mô phỏng tốt chế độ bùn cát thời đoạn năm trên lưu vực sông Công.

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 ÁP DỤNG MƠ HÌNH SWAT ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẾ ĐỘ BÙN CÁT TRÊN LƯU VỰC SÔNG CÔNG, THÁI NGUYÊN Nguyễn Việt Anh Trường Đại học Thủy lợi, email: vietanh_fwrs@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Sông Công bắt nguồn từ vùng Đèo Khế, tỉnh Thái Nguyên, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam nhập lưu vào sông Cầu cầu Đa Phúc Sơng có diện tích lưu vực khoảng 869km2 chiều dài khoảng 100km Định Hóa Điềm Mạc Trạm khí tượng Trạm thủy văn nhiệm vụ này, mơ hình SWAT mơ hình sử dụng rộng rãi thành công công tác mô phỏng, đánh giá tài nguyên đất, nước cho nhiều lưu vực giới Việt Nam Trong nghiên cứu này, mơ hình SWAT với thơng số thủy văn hiệu chỉnh kiểm định thành công mơ chế độ dịng chảy (Anh N V., 2015) tiếp tục hiệu chỉnh kiểm định khả mơ hình mơ phỏng, đánh giá chế độ bùn cát lưu vực sông Công PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Cao độ (m) 1576 2.1 Mô hình SWAT Sơng, suối Ranh giới lưu vực Ranh giới tiểu lưu vực Đại Từ Thái Nguyên Tân Cương Kỳ Phú km Hình Bản đồ vị trí vùng nghiên cứu Trong năm gần với phát triển kinh tế dân số tăng nhanh, hoạt động sản xuất bừa bãi, thiếu khoa học với hoạt động phá rừng ngày trở nên phổ biến gây tác động tiêu cực đến trữ lượng chất lượng nguồn nước mặt địa bàn Trước thực trạng nói trên, cơng tác đánh giá tài nguyên đất, nước cần thực để đề xuất giải pháp bảo vệ nguồn tài ngun đất, nước đóng vai trị vơ quan trọng phát triển bền vững vùng Trong nhiều mơ hình thủy văn, chất lượng nước sử dụng để thực Mơ hình SWAT mơ hình vật lý liên tục mơ q trình tự nhiên xảy bề mặt lưu vực Mô hình sử dụng số liệu phân bố theo khơng gian địa hình, thổ nhưỡng, loại hình sử dụng đất, quản lý bảo vệ đất, điều kiện khí hậu để mơ dịng chảy, xói mịn vận chuyển bùn cát, hàm lượng dinh dưỡng, hàm lượng thuốc trừ sâu phạm vi lưu vực Trong mơ hình, q trình xói mịn vận chuyển bùn cát mô cho đơn vị thủy văn theo phương trình đất phổ dụng sửa đổi MUSLE (Williams, 1975) Trong phương trình đất phổ dụng USLE coi mưa lượng gây xói mịn MUSLE sử dụng lượng dịng chảy để mơ xói mòn tải lượng bùn cát Với thay đổi độ xác q trình mơ cải thiện tải lượng bùn cát tương ứng với trận mưa lớn tính tốn Kết mơ tổng lượng dịng chảy mặt đỉnh lũ từ q trình mơ thủy văn lưu vực sử dụng để tính tốn lượng gây xói Trong phương trình yếu tố canh tác tính tốn liên tục theo thời 341 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 đoạn ngày dựa vào khối lượng sinh học hàm lượng mùn bề mặt đất Một số yếu tố khác yếu tố địa hình, bảo vệ đất, tính chất vật lý đất phân tích, đánh giá theo Wischmeier and Smith (1978) CH_COV1, CH_COV2 SPEXP điều chỉnh giá trị đến cận khoảng giá trị để mơ xác q trình vận chuyển bùn cát hệ thống sông suối Bảng Hiệu chỉnh thơng số mơ hình 2.2 Số liệu đầu vào Thông số 3.1 Hiệu chỉnh kiểm định mô hình Mơ hình hiệu chỉnh với thơng số liên quan đến q trình mơ xói mịn bề mặt lưu vực vận chuyển bùn cát sông (Bảng 1) Ngoại trừ thông số SPCON, thông số lại hiệu chỉnh giá trị nhằm tăng hiệu mơ bùn cát mơ hình Thông số USLE_C USLE_P điều chỉnh giá trị đến cận khoảng giá trị để mô phù hợp q trình xói mịn bề mặt lưu vực Thông số 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1 1 1 RICE: 0.01 FRSE: 0.001 FRST: 0.001 RNGB: 0.001 TEAC: 0.001 RICE, độ dốc 0-5%: 0.4 RICE, độ dốc >5%: 0.5 FRSE: 0.1 FRST: 0.2 RNGB: 0.3 TEAC, độ dốc 0-5%: 0.3 TEAC, độ dốc >5%: 0.4 0.0001 0.0001 0.0001 0.01 SPEXP 1 1.5 1.2 CH_COV1 -0.05 0.6 0.60 CH_COV2 -0.001 1.00 Với hai giai đoạn hiệu chỉnh kiểm định mơ hình, mơ hình chưa hiệu chỉnh mơ tổng lượng bùn cát lớn so với số liệu đo đạc, mơ hình kiểm định có kết mô tốt Đánh giá thể giá trị NSE = 0,88 R2 = 0,92 cho giai đoạn hiệu chỉnh; NSE = 0,87 R2 = 0,9 cho giai đoạn kiểm định (hình 2) Tham chiếu với kết nghiên cứu Moriasi, 2007, mơ hình SWAT mơ tốt tổng lượng bùn cát năm lưu vực sông Công (a) (b) Năm R2 = 0.92 NSE = 0.88 Đo đạc (103 ×Tấn) Năm Mơ (103 ×Tấn) KẾT QUẢ Hiệu chỉnh 0.01 0.001 0.001 0.001 0.001 0.4 0.5 0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 SPCON Tổng lượng bùn cát (103 ×Tấn) Các tiêu thống kê sử dụng để đánh giá khả mô chế độ bùn cát mơ hình theo thời đoạn năm gồm có hệ số hiệu mô Nash-Sutcliffe (NSE) hệ số xác định (R2).Giá trị NSE nằm khoảng từ –∞ đến giá trị R2 nằm khoảng từ đến Giá trị NSE R2 lớn chứng tỏ mức độ mơ xác mơ hình cao Phạm vi điều chỉnh Cận Cận Mơ (103 ×Tấn) 2.3 Đánh giá mơ hình Giá trị mặc định (chưa hiệu chỉnh) RICE: 0.03 FRSE: 0.001 USLE_C FRST: 0.001 RNGB: 0.001 TEAC: 0.001 RICE, độ dốc 0-5%: 1.00 RICE, độ dốc >5%: 1.00 FRSE: 1.00 USLE_P FRST: 1.00 RNGB: 1.00 TEAC, độ dốc 0-5%: 1.00 TEAC, độ dốc >5%: 1.00 Tổng lượng bùn cát (103 ×Tấn) Số liệu đầu vào để xây dựng mơ hình cho vùng nghiên cứu gồm đồ cao độ địa hình, sử dụng đất thổ nhưỡng lưu vực sông Công dạng liệu GIS có độ phân giải 90m Để thực q trình mô phỏng, lưu vực chia thành 10 tiểu lưu vực 242 HRUs Chuỗi tài liệu khí tượng cho giai đoạn hiệu chỉnh kiểm định mơ hình bao gồm: (1) tài liệu mưa ngày từ trạm khí tượng; (2) tài liệu nhiệt độ khơng khí, tốc độ gió, độ ẩm khơng khí tương đối ngày tài liệu xạ mặt trời tháng từ trạm Thái Nguyên Định Hóa Số liệu tổng lượng bùn cát hàng năm đo đạc cho giai đoạn từ năm 1961 đến 1975 trạm thủy văn Tân Cương sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định khả mô chế độ bùn cát lưu vực sông Công mơ hình R2 = 0.9 NSE = 0.87 Đo đạc (103 ×Tấn) Hình Kết (a) hiệu chỉnh (b) kiểm định mơ hình 3.2 Đánh giá xói mịn lưu vực Theo Hình 3, tải lượng bùn cát tháng từ lưu vực có giá trị lớn thường xuất tương ứng với với thời điểm xuất lượng dòng chảy mặt lớn tháng mùa mưa 342 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019 ISBN: 978-604-82-2981-8 Lượng bùn cát Lượng dòng chảy mặt Lượng bùn cát tháng (Tấn) Lượng dòng chảy mặt tháng (mm) Tháng Hình Kết mơ lượng dịng chảy mặt bùn cát thời đoạn tháng, giai đoạn 1966 - 1975 Tuy nhiên có số thời điểm mối quan hệ rõ giá trị lượng bùn cát lưu vực phụ thuộc vào biến đổi dòng chảy mặt theo thời gian khơng gian Ngồi ra, phương trình MUSLE, lượng dịng chảy mặt đóng vai trị số yếu tố ảnh hưởng Lượng bùn cát hay lượng đất xói mịn lưu vực cịn phụ thuộc vào đặc điểm khác lưu vực điều kiện thảm phủ, thổ nhưỡng, độ đốc địa hình Mối quan hệ giá trị tổng lượng đất xói mịn trung bình năm mơ cho giai đoạn từ 1966 đến 1975 tốc độ xói mịn trung bình năm với yếu tố ảnh hưởng nói thể Bảng độ xói mịn đất mức thấp Loại hình sử dụng đất RNGB có tốc độ xói mịn trung bình tất loại thổ nhưỡng độ dốc địa hình lớn Loại hình sử dụng đất RICE có tốc độ xói mòn nhẹ hầu hết loại thổ nhưỡng độ dốc thấp Tuy vậy, loại hình sử dụng đất độ dốc địa hình lớn 5% có tốc độ xói mịn từ trung bình đến mạnh Phân bố xói mịn từ 10 tiểu lưu vực lưu vực sơng Cơng (Hình 4) cho thấy tiểu lưu vực thượng lưu có lượng đất xói mịn hay tải lượng bùn cát lớn so với tiểu lưu vực phía hạ lưu tiểu lưu vực vùng thượng lưu có nhiều diện tích đất nơng nghiệp canh tác địa hình dốc kêt hợp loại thổ nhưỡng có tính xói cao Độ dốc RICE TEAC RNGB Khác 0-5 0.003 0.12 1.01 0.03 1.36 0.15 5-15 0.04 0.14 7.28 0.17 6.17 0.12 15-25 0.06 0.19 11.68 0.27 6.86 >25 0.12 0.40 0.50 9.33 0.04 0.09 0.15 0.10 0.09 0.29 0.29 0.42 0.13 0.14 7.86 0.14 7.63 FAOACa FAOACf FAOACh FAOACu FAOFLc Loại đất FAOFLd FAOFRr FAOGLu FAOACfh FAOFLdm FAOACal 0.02 0.14 1.71 2.17 3.90 0.99 0.66 5.92 1.51 10 134 66 207 70 58 109 107 41 54 23 Tổng lượng Tốc độ xói mịn xói mịn (Tấn) (Tấn/ha) 20,189 1.51 4,896 0.75 21,924 1.06 3,403 0.49 2,015 0.35 6,178 0.57 7,097 0.66 2,295 0.55 3,418 0.64 734 0.32 0.00 - 0.50 0.51 - 1.00 1.01 - 1.50 1.51 - 2.00 10 2.01 - 2.50 2.51 - 3.00 Hình Phân bố xói mịn lưu vực KẾT LUẬN Các loại hình sử dụng đất FRST D.tích (km2) Bảng Tốc độ xói mịn lưu vực FRSE TT 0.14 0.20 0.13 Dựa vào kết mô tiêu đánh giá NSE R2, nghiên cứu cho thấy mơ hình SWAT sau hiệu chỉnh thông số thủy văn bùn cát mô tốt chế độ bùn cát thời đoạn năm lưu vực sông Công Sự phân bố xói mịn lưu vực thơng tin hữu ích cho cơng tác đề xuất giải pháp bảo vệ quản lý bền vững lưu vực 0.14 TÀI LIỆU THAM KHẢO Từ kết tham chiếu với Tiêu chuẩn Việt Nam số 5299 : 2009, chất lượng đất phương pháp xác định mức độ xói mịn đất mưa, loại hình sử dụng đất FRSE, FRST, TEAC loại khác có tốc [1] Anh, N.V., Fukuda, S., Hiramatsu, K., Harada, M 2015 Sensitivity-based calibration of SWAT for hydrologic cycle simulation in the Cong Watershed, Vietnam Journal of Water Environment Research, 87(8):735-750 343 ... thấy mô hình SWAT sau hiệu chỉnh thơng số thủy văn bùn cát mô tốt chế độ bùn cát thời đoạn năm lưu vực sông Cơng Sự phân bố xói mịn lưu vực thơng tin hữu ích cho cơng tác đề xuất giải pháp bảo... nhưỡng độ dốc thấp Tuy vậy, loại hình sử dụng đất độ dốc địa hình lớn 5% có tốc độ xói mịn từ trung bình đến mạnh Phân bố xói mịn từ 10 tiểu lưu vực lưu vực sơng Cơng (Hình 4) cho thấy tiểu lưu vực. .. Tổng lượng bùn cát (103 ×Tấn) Các tiêu thống kê sử dụng để đánh giá khả mô chế độ bùn cát mơ hình theo thời đoạn năm gồm có hệ số hiệu mơ Nash-Sutcliffe (NSE) hệ số xác định (R2) .Giá trị NSE