ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG VU GIA, TỈNH QUẢNG NAM BẰNG MÔ HÌNH SWAT

ISSN 1859 1531 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96) 2015, QUYỂN 2 67 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG VU GIA, TỈNH QUẢNG NAM BẰNG MÔ HÌNH SWAT ASSE[.]

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 67 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DỊNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG VU GIA, TỈNH QUẢNG NAM BẰNG MƠ HÌNH SWAT ASSESSING INFLUENCE OF CLIMATE CHANGE ON THE FLOW OF VU GIA RIVER BASIN, QUANG NAM PROVINCE BY SWAT MODEL Kiều Thị Hịa, Phạm Phú Song Tồn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; kieuhoa310387@gmail.com; ppstoan@gmail.com Tóm tắt - Trong năm gần đây, biến đổi khí hậu có ảnh hưởng rõ rệt đến lưu vực sông Vu Gia – hai sơng lớn tỉnh Quảng Nam, việc áp dụng mơ hình hóa hướng tiếp cận nhằm giải dự báo vấn đề phát sinh lĩnh vực môi trường Nghiên cứu bước đầu áp dụng mơ hình SWAT nhằm đánh giá tác động khí hậu lên dịng chảy sông, cung cấp thông tin cho việc định hướng quản lý quy hoạch lưu vực sơng, góp phần vào phát triển bền vững cho lưu vực Trong nghiên cứu này, liệu đầu vào cho mơ hình lấy từ năm 2001 – 2010 Kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình dựa lưu lượng thực đo trạm thủy văn Thành Mỹ với số NSI 0,78 0,91 Kết cho thấy SWAT ứng dụng để đánh giá diễn biến dịng chảy sơng Vu Gia tác động biến đổi khí hậu Abstract - In recent years, climate change has greatly impacted on the Vu Gia river basin, Quang Nam province; therefore the application of model is a new approach to solve and forecast environmental problems This study applies SWAT model to assess impacts of climate condition on the flow of Vu Gia river This provides information for the orientation of management and planning for the river basin to contribute to the sustainable development of the basin In this research, input data of SWAT model is collected from 2001 to 2010 Model calibration and validation results are based on observed flow at Thanh My hydrological station with NSI of 0.78 and 0.91 respectively It can be seen that SWAT model can be applied to assess Vu Gia river’s flow changes under the impact of climate change Từ khóa - mơ hình SWAT; biến đổi khí hậu; dịng chảy; GIS; lưu vực sông Vu Gia Key words - SWAT model; climate change; flow; GIS; Vu Gia river basin Đặt vấn đề Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã, ảnh hưởng lên mặt tự nhiên xã hội Nó gây biến động lên thành phần trái đất, có tài nguyên nước – nguồn tài nguyên vô quan trọng người Ở nước ta nói chung, tỉnh Quảng Nam nói riêng, việc đánh giá tác động biến đổi khí hậu chưa thực tính toán lồng ghép vào quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội Vì vậy, việc áp dụng công cụ hỗ trợ hiệu để ước lượng mức độ ảnh hưởng biến đổi khí hậu nhằm đưa phương án thích ứng với tương lai thực cần thiết Một số ứng dụng mơ hình SWAT nghiên cứu tác động biến đổi khí hậu giới nước như: - Muttiah Wurbs (2002) dùng SWAT để mô tác động khuynh hướng biến đổi khí hậu vào giai đoạn năm 2040 - 2059 lên 7300 km2 diện tích lưu vực sơng San Jacinto Texas Báo cáo cho thấy theo kịch biến đổi khí hậu dịng chảy trung bình cao gia tăng lũ lụt [1] - Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn (2009) sử dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động tiềm thay đổi sử dụng đất hình thành dòng chảy số liệu mưa thực tế lưu vực sông Bến Hải [2] Bài báo nhằm nghiên cứu biến đổi dịng chảy lưu vực sơng Vu Gia theo kịch biến đổi khí hậu B2 Bộ Tài nguyên Môi trường 2012 mô hình SWAT tâm Phục vụ nghiên cứu nơng nghiệp, Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ xây dựng từ năm 90 kỷ 20 Mơ hình xây dựng để mô ảnh hưởng việc quản lý sử dụng nguồn đất nước hệ thống lưu vực sông khoảng thời gian xác định Mơ hình SWAT trực tiếp tính tốn q trình tự nhiên liên quan tới chuyển động nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng,… dựa vào thông số liệu đầu vào Trong SWAT, lưu vực nghiên cứu chia thành tiểu lưu vực theo địa hình mạng lưới thủy văn, sau tiểu lưu vực lại chia nhỏ thành đơn vị thủy văn (HRUs – Hydrological Response Units) – HRU có đặc điểm riêng đất sử dụng đất Trong số mơ hình thủy văn, SWAT lựa chọn thích hợp để ứng dụng tính tốn cho lưu vực rộng lớn, số liệu đo đạc lại hạn chế [3] Nội dung nghiên cứu 2.1 Mơ hình SWAT Mơ hình SWAT (Soil and Water Assessment Tools) mơ hình vật lý, tiến sỹ Dr Jeff Arnold thuộc Trung Hình Các bước chạy mơ hình SWAT Hiệu mơ mơ hình đánh giá theo mức độ [4]: 0,75 < NSI ≤ : Rất tốt; 0,65 < NSI ≤ 0,75 : Tốt; 0,50 < NSI ≤ 0,65 : Thỏa mãn; NSI < 0,50 : Khơng thỏa mãn, lúc phải xem xét lại cách hiệu chỉnh thơng số mơ số liệu đầu vào 68 Kiều Thị Hòa, Phạm Phú Song Tồn Ngồi ra, cịn dùng thêm hệ số tương quan R2 để xem xét mức độ phù hợp mơ hình, hệ số R2 tiến chứng tỏ tương quan cao kết mô giá trị thực đo, giá trị tính tốn dễ dàng Microsoft Excel 2.2 Số liệu sử dụng mơ hình 2.2.1 Dữ liệu đồ  Bản đồ mơ hình số hóa độ cao (DEM) lưu vực: Được lấy từ trang web http://www.gdex.cr.usgs.gov USGS/NASA với độ phân giải không gian 30 m Độ cao khu vực nghiên cứu chia thành nhóm: - 235 m, 235 - 415 m, 415 - 567 m, 567 - 719 m, 719 - 881 m, 881 – 1065 m, 1065 - 1297 m, 1297 – 2196 m (Hình 2)  Bản đồ độ dốc: Được suy từ đồ DEM lưu vực Độ dốc lưu vực sông Vu Gia chia thành nhóm sau: – 16,75%; 16,75 – 39,65%; 39,65% (Hình 3)  Bản đồ sử dụng đất lưu vực năm 2010 (Hình 4): Từ đồ sử dụng đất tỉnh Quảng Nam Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Quảng Nam, sau xử lý liệu, phân tích mã hóa loại hình sử dụng đất theo u cầu mơ hình SWAT ta có đồ sử dụng đất lưu vực sông Vu Gia với loại hình sử dụng đất: AGRL – Đất nơng nghiệp, FRSE – Rừng thường xanh, FRST – Rừng hỗn giao, RICE – Đất trồng lúa, UCOM – Đất thương mại, URBN – Đất dân cư, WATR – Mặt nước  Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực (Hình 5): Được lấy từ Sở Tài nguyên Môi Trường tỉnh Quảng Nam định dạng phần mềm Map Info Tiến hành biên tập lại đồ mã hóa loại đất theo bảng mã SWAT, ta đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Vu Gia Hình 5, gồm loại đất: Jd – Đất phù sa chua, Ao – Đất xám phù sa cổ, Ah – Đất xám mùn núi, Ap – Đất xám có tầng loang lổ, WATER – Mặt nước Hình Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Vu Gia Hình Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sơng Vu Gia 2.2.2 Dữ liệu thuộc tính  Dữ liệu khí tượng: Vì số liệu thống kê khí tượng lưu vực sông Vu Gia không đầy đủ, nên nghiên cứu số liệu thời tiết thu thập trạm khí tượng (Hình 6) từ năm 2000 – 2010, kết hợp liệu thực đo thu thập từ Đài khí tượng thủy văn Trung Trung Bộ liệu thời tiết toàn cầu (http://globalweather.tamu.edu/) Vị trí trạm khí tượng lưu vực sơng Vu Gia thể Hình Bảng  Dữ liệu thủy văn trạm thủy văn Thành Mỹ sử dụng để hiệu chỉnh kiểm định mơ hình: Giai đoạn hiệu chỉnh từ năm 2001 – 2005 giai đoạn kiểm định từ năm 2006 -2010  Kịch biến đổi khí hậu: Nghiên cứu kế thừa kịch biến đổi khí hậu B2 từ “Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” năm 2012 Bộ Tài nguyên Môi trường [5] Số liệu thay đổi nhiệt độ lượng mưa kịch B2 thể Bảng 2, Bảng Hình Bản đồ số hóa độ cao lưu vực sơng Vu Gia Hình Bản đồ độ dốc lưu vực sơng Vu Gia Hình Vị trí trạm khí tượng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 69 Bảng Tọa độ địa lý trạm khí tượng liệu thu thập TT Tên trạm Vĩ độ(o) Kinh độ(o) u1551075 15,455 107,500 u1551078 15,455 107,812 u1581072 15,768 107,188 u1581075 15,768 107,500 Thành Mỹ 15,767 107,830 Hội Khách 15,820 107,909 Dữ liệu thu thập Cửa lưu vực Nhiệt độ, lượng mưa, xạ mặt trời, độ ẩm tốc độ gió Bảng Mức tăng nhiệt độ theo thời kỳ năm (oC) so với thời kỳ 1980 - 1999 theo kịch B2 tỉnh Quảng Nam [4] Thời kỳ Giữa kỷ 21 Mùa đông (Tháng XII – II) 1,0 – 1,4 Mùa xuân (Tháng III – V) 1,2 – 1,6 Mùa hè (Tháng VI – VIII) 1,0 – 1,4 Mùa thu (Tháng IX – XI) 1,0 – 1,6 Bảng Mức tăng lượng mưa theo thời kỳ năm (%) so với thời kỳ 1980 -1999 theo kịch B2 tỉnh Quảng Nam [4] Thời kỳ Giữa kỷ 21 Mùa đông (Tháng XII – II) -2 ÷ -12 Mùa xuân (Tháng III – V) -2 ÷ -6 Mùa hè (Tháng VI – VIII) Đến Mùa thu (Tháng IX – XI) ÷ 10 2.3 Xây dựng kịch để chạy mơ hình Bài báo áp dụng mơ hình SWAT cho kịch sau:  Kịch 1: Đây kịch trạng với liệu đầu vào cho mô hình gồm đồ Hình 2, Hình 3, Hình Hình 5, Hình 6; liệu khí tượng trạm khí tượng Bảng liệu thủy văn trạm Thành Mỹ từ năm 2000 -2010 Kịch nhằm đánh giá phù hợp kết mơ mơ hình SWAT kết thực đo, từ hiệu chỉnh kiểm định mơ hình để tìm thơng số hiệu chỉnh mơ hình phù hợp với việc mơ dịng chảy cho lưu vực sơng Vu Gia tương lai  Kịch 2: Kịch với liệu đầu vào sau: Dữ liệu không gian gồm loại đồ giữ nguyên kịch 1; liệu khí tượng sử dụng liệu theo kịch biến đổi khí hậu trung bình (B2) Kịch nhằm đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến dịng chảy lưu vực sơng Vu Gia tương lai Kết nghiên cứu 3.1 Phân định ranh giới lưu vực Mơ hình SWAT 2012 chạy giao diện ArcMap 10.1 sử dụng để phân chia lưu vực sông Vu Gia thành 25 tiểu lưu vực 771 đơn vị thủy văn (HRU), diện tích tồn lưu vực 454046,4 với cửa lưu vực xã Đại Đồng, huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam Hình Bản đồ phân chia lưu vực, tiểu lưu vực sông Vu Gia 3.2 Diễn biến lưu lượng dòng chảy theo kịch Sau phân tích đơn vị thủy văn, file đầu vào SWAT nhập vào với số liệu khí tượng từ năm 2000 - 2010 trạm Thành Mỹ, năm 2000 dùng để “warm-up” mơ hình (chỉ chạy mơ hình khơng cho kết quả) Kết lưu lượng dòng chảy Thành Mỹ theo mô SWAT từ năm 2001 – 2010 dùng cho việc hiệu chỉnh kiểm định mơ hình Việc hiệu chỉnh mơ hình thực tự động công cụ SWAT-CUP 2012 theo phương pháp SUFI2 (Sequential Uncertainty Fitting, version 2) với việc sử dụng lưu lượng dòng chảy (LLDC) thực đo theo tháng trạm Thành Mỹ giai đoạn 2001 – 2005 Công cụ SUFI2 tiến hành thực vòng lặp để hiệu chỉnh nhằm tìm thơng số mơ hình mà có số NSI tốt Sau hiệu chỉnh, thu số NSI 0,78 hệ số R2 = 0,871 (Hình 8) thơng số mơ hình sau hiệu chỉnh thu Bảng Như vậy, kết hiệu chỉnh mơ hình đạt loại tốt Hình Sự tương quan lưu lượng mơ thực đo sau hiệu chỉnh trạm Thành Mỹ (2001 - 2005) Bảng Bộ thông số hiệu chỉnh mơ hình TT 10 Thông số CN2 ESCO CH_N1 CH_N2 SOL_K SOL_AWC ALPHA_BF OV_N GW_DELAY GW_QMN Giá trị 77 0,95 0,014 0,014 7,27 0,065 0,048 0,1 31 1000 70 Kiều Thị Hịa, Phạm Phú Song Tồn Để đánh giá hiệu thơng số hiệu chỉnh mơ hình thu Bảng 4, tiến hành kiểm định mô hình cách sử dụng LLDC thực đo trạm Thành Mỹ giai đoạn 2006 - 2010 để so sánh với kết lưu lượng SWAT mô sau hiệu chỉnh Kết thu số NSI đạt 0,91 hệ số R2 = 0,916 (Hình 9) Hình 11 Mức thay đổi lưu lượng trung bình mùa khô so với giai đoạn 2001 - 2010 cửa lưu vực 3.3.2 Dịng chảy mùa mưa Hình Sự tương quan lưu lượng mô thực đo giai đoạn kiểm định mơ hình trạm Thành Mỹ (2006 - 2010) Từ kết hiệu chỉnh kiểm định mơ hình trên, ta thấy kết mơ đạt loại tốt Mơ hình SWAT thích hợp để tính tốn cho lưu vực rộng lớn số liệu đo đạc lại hạn chế [3], cụ thể cửa lưu vực khơng có trạm thủy văn nhiên liệu khí tượng đầu vào mơ hình trạm khí tượng có mối quan hệ với liệu thủy văn toàn lưu vực Vậy nên, ta sử dụng thơng số hiệu chỉnh mơ hình Bảng để áp dụng vào mơ hình SWAT nhằm:  Lấy liệu LLDC cửa lưu vực giai đoạn 2001 – 2010  Mơ dịng chảy lưu vực sông Vu Gia theo kịch 3.3 Diễn biến lưu lượng dòng chảy theo kịch Trong kịch 2, đánh giá mức độ tác động biến đổi khí hậu (sự thay đổi lượng mưa nhiệt độ) đến lưu lượng dịng chảy sơng so với kịch trạng (kịch 1) 3.3.1 Dịng chảy mùa khơ Mùa khơ lưu vực sông Vu Gia từ tháng I – VIII hàng năm, so với mùa khô giai đoạn 2001 – 2010, lượng dịng chảy có xu giảm toàn lưu vực tất năm giai đoạn 2020 – 2059 không giống thời đoạn 10 năm kỷ 21 Lượng giảm lớn 40,66 m3/s vào năm 2020 – 2029 lượng giảm nhỏ 24,36 m3/s vào năm kỷ 21 Hình 12 Sự thay đổi lưu lượng trung bình mùa mưa so với giai đoạn 2001 – 2010 cửa lưu vực Ngược lại với tháng mùa khô tương lai, lưu lượng dòng chảy tháng mùa mưa có xu hướng tăng cửa lưu vực tăng so với mùa mưa giai đoạn 2001 – 2010 Nguyên nhân vào tháng mùa mưa lượng mưa có xu hướng tăng tồn lưu vực theo kịch biến đổi khí hậu B2 Mức tăng lưu lượng dòng chảy dao động khoảng từ 23,79% đến 33,39%, lượng tăng lớn 260,8 m3/s vào thời kỳ 2020 - 2029 thời kỳ 2040 -2049 có lượng tăng nhỏ 185,8m3/s Hình 13 Mức thay đổi lưu lượng trung bình mùa mưa so với giai đoạn 2001 – 2010 cửa lưu vực Hình 10 Sự thay đổi lưu lượng trung bình mùa khơ so với giai đoạn 2001 - 2010 cửa lưu vực 3.3.3 Dịng chảy năm Dưới tác động biến đổi khí hậu làm cho lượng mưa năm có xu tăng toàn lưu vực từ 2020 – 2059, dẫn đến lưu lượng dịng chảy trung bình năm có xu tăng theo thời đoạn 10 năm giai đoạn 2020 – 2059 so với giai đoạn 2001 – 2010, nhiên mức tăng dao động không nhiều khoảng từ 11,82% đến 16,12% từ năm 2020 – 2059 ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 71 ban ngành liên quan cần có giải pháp, quy hoạch hợp lý lưu vực sơng nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu hướng đến phát triển bền vững cho lưu vực Kết báo phân tích tác động biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực công cụ SWAT Với kết đạt này, hỗ trợ định liên quan đến tài nguyên nước lưu vực TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 14 Sự thay đổi lưu lượng trung bình năm so với giai đoạn 2001 – 2010 cửa lưu vực Qua phân tích biến động dịng chảy sơng Vu Gia ảnh hưởng biến đổi khí hậu (kịch 2) thấy lưu lượng dịng chảy năm cửa lưu vực có xu hướng tăng thời kỳ 2020 -2059 biến đổi khí hậu tương lai làm gia tăng dòng chảy lũ, giảm dòng chảy kiệt lưu vực Kết luận Lưu vực sông Vu Gia chịu tác động mạnh mẽ phát triển kinh tế xã hội biến đổi khí hậu Vì vậy, [1] Philip Water Gassman (2008), A simulation assessment of the Boone river watershed: baseline calibration/validation results and issues, and future research needs, Iowa State University [2] Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn (2009), Ứng dụng mơ hình SWAT khảo sát ảnh hưởng kịch sử dụng đất dòng chảy lưu vực sơng Bến Hải, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên Công nghệ 25, số 3S, tr.492-498 [3] Arnold, J.G., et al (1998), Large Area Hydrologic Modelling and Assessment Part I: Model Development, Journal of American Water Resources Association 34(1): 73-89 [4] D.N Moriasi, et al (2007), Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations, American Society of Agricultural and Biological Engineers ISSN 0001-2351, vol 50(3): 885-900 [5] Bộ Tài nguyên Mơi trường (2012), Kịch biến đổi khí hậu nước biển dâng cho Việt Nam, NXB Tài nguyên – Môi trường Bản đồ Việt Nam (BBT nhận bài: 29/07/2015, phản biện xong: 26/09/2015) ... 2010  Mô dịng chảy lưu vực sơng Vu Gia theo kịch 3.3 Diễn biến lưu lượng dòng chảy theo kịch Trong kịch 2, đánh giá mức độ tác động biến đổi khí hậu (sự thay đổi lượng mưa nhiệt độ) đến lưu lượng... đồ giữ nguyên kịch 1; liệu khí tượng sử dụng liệu theo kịch biến đổi khí hậu trung bình (B2) Kịch nhằm đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến dịng chảy lưu vực sông Vu Gia tương lai Kết nghiên... hoạch hợp lý lưu vực sơng nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu hướng đến phát triển bền vững cho lưu vực Kết báo phân tích tác động biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực công cụ SWAT Với kết