baibao16 1915

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT LƯU VỰC SÔNG CƠNG Bùi Quang Hương1 , ng Huy Hiệp 2, Bùi Văn Hùng3, Bùi Văn Dũng1 Tóm tắt: Mục đích báo nhằm mơ lưu lượng dịng chảy chất lượng nước sơng Cơng mơ hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Lưu vực với loại hình sử dụng đất lâm nghiệp nơng nghiệp, thành phần hữu như: BOD, Nitrit (NO2-), Nitrat (NO3-), Amoni (NH4+), Photphat (PO43-) thông số lựa chọn sử dụng đánh giá chất lượng nước Mơ hình hiệu chỉnh phương pháp SUFI-2 tích hợp mơ hình SWATCUP Kết cho thấy mơ hình SWAT mơ tốt dịng chảy chất lượng nước vùng nghiên cứu Điều thể giá trị R2 NSE lớn 0,5; PBIAS nhỏ 5% dòng chảy 18,4% chất lượng nước Mơ hình hiệu chỉnh tốt áp dụng dự báo dịng chảy chất lượng nước lưu vực sông Công tương lai, ngồi cịn cơng cụ hỗ trợ cho công tác quản lý tài nguyên nước lưu vực sơng hiệu Từ khóa: SWAT, mơ hình chất lượng nước, chất lượng nước sông Công, Soil and Water Assessment Tool GIỚI THIỆU* Thái Nguyên tỉnh miền núi phía Bắc có thành phố cơng nghiệp lớn thứ miền Bắc, mệnh danh thành phố gang thép với khu công nghiệp gang thép lớn nước, hàng năm cung cấp triệu thép, chiếm 20% sản lượng thép nước Tổng sản phẩm địa bàn tỉnh (GDP) hàng năm tăng 7,5% gồm hoạt động sản xuất diễn sôi động như: Cơng nghiệp khai khống, da giầy, sản xuất giấy, chế biến lâm sản, thực phẩm Các hoạt động đem lại nguồn thu nhập lớn cho tỉnh đồng thời lại tạo áp lực cho việc bảo vệ tài ngun nước chưa kiểm sốt tồn nguồn thải gây nhiễm, suy thối nguồn nước dẫn đến nhiều nguồn nước dần xảy tượng ô nhiễm cục vào mùa khô Hình Phạm vi mạng lưới KTTV Lưu vực sông Công Trung tâm Quy hoạch Điều tra TNN Quốc Gia - Bộ Tài nguyên Môi trường Trung tâm tư vấn PIM - Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội Sông Công nguồn nước nội tỉnh, bắt nguồn từ vùng núi Ba Lá, huyện Định Hoá độ cao KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 117 675m, phụ lưu lớn số 26 phụ lưu gia nhập sông Cầu (không kể sơng Thương) Diện tích LV Cơng 951 km2, chiều dài sơng 96 km, độ cao bình qn lưu vực 224 m, độ dốc bình quân lưu vực 27,3‰, hệ số uốn khúc 1,43 Do vị trí lưu vực sơng nằm sườn Đông dãy Tam Đảo nên lượng mưa bình quân năm lưu vực lớn 1.800 mm/năm Bài báo kết nghiên cứu đánh giá chất lượng nước cho LVS Công PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: lưu lượng dịng chảy (Q) 05 thơng số chất lượng nước gồm: BOD, Nitorat (NO3-), Nitrit (NO2-), Amoni (NH4+), Photphat (PO43-) Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Công 2.2 Phương pháp nghiên cứu a Tổng quan mơ hình SWAT: SWAT cho phép mơ hình hóa nhiều q trình vật lí lưu vực chạy môi trường làm việc QSIS phần mềm QSWAT SWATEditor Cách tiếp cận mơ hình SWAT chia lưu vực lớn thành nhiều tiểu lưu vực nhỏ, phân chia giúp người sử dụng áp dụng kết nghiên cứu vùng vào vùng khác chúng có tương đồng định Mơ hình mơ dựa nguyên lý phương trình cân nước (Arnold, J et al 2009) SWt = SW0 + (Rday - Qsurf - Ea - Wseep - Qgw) Trong đó: SWt: lượng nước đất thời điểm t (mm H2O) SWo: lượng nước đất thời điểm ban đầu ngày thứ i (mm H2O) t: thời gian (ngày) Rday: lượng nước mưa ngày thứ i (mm H2O) Qsurf: lượng dòng chảy bề mặt ngày thứ i (mm H2O) Ea: lượng nước bốc ngày thứ i (mm H2O) wseep: lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa ngày thứ i (mm H2O) 118 Qgw: lượng nước ngầm chảy sông ngày thứ i (mm H2O) SWAT phân chia trình thủy văn lưu vực thành hai giai đoạn Giai đoạn bề mặt đất mơ tả q trình hình thành dịng chảy tiểu lưu vực chảy kênh, sơng suối Giai đoạn kênh mơ tả q trình mà nước từ kênh chảy đến cửa lưu vực sơng SWAT tích hợp hai phương pháp để tính tốn dịng chảy bề mặt, phương pháp Soil Conservation Service (SCS) (S.L.Neitsch, et al 2001) tính thấm Green & Ampt (S.L.Neitsch, et al 2001) Trong nghiên cứu này, phương pháp SCS lựa chọn dựa số liệu mưa ngày Để tính tốn lượng bốc tiềm năng, mơ hình SWAT cung cấp ba phương pháp: Hargreaves, Penman/Monteith Priestley & Taylor Trong phương pháp này, nghiên cứu sử dụng phương pháp Hargreaves đòi hỏi số liệu đầu vào nhiệt độ (lớn nhỏ nhất) phù hợp với điều kiện thu thập nghiên cứu Xói mịn đất vận chuyển bùn cát gây nên mưa dịng chảy mặt tính tốn phương trình Modified Universal Soil Loss Equation (Williams, 1975) cho tiểu lưu vực Cuối cùng, để tính tồn dịng chảy hệ thống sông lưu vực, phương pháp Muskingum sử dụng nghiên cứu b Dữ liệu đầu vào cho mơ hình SWAT: SWAT u cầu lượng lớn liệu đầu vào bao gồm: Bản đồ địa hình (DEM), đồ sử dụng đất; đồ thổ nhưỡng; số liệu khí tượng - thủy văn lân cận vùng nghiên cứu như: mưa trung bình ngày, nhiệt độ lớn nhất, nhỏ nhất, tốc độ gió trung bình ngày, xạ mặt trời trung bình ngày, lưu lượng dịng chảy trung bình ngày (J.G.Arnold, 2012) - Dữ liệu địa hình tải từ website quan hàng không vũ trụ Hoa Kỳ http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/SRTM3/ Eu rasia) độ phân giải 30x30m, hình - Dữ liệu trạng sử dụng đất biên tập từ đồ Hiện trạng sử dụng đất tỉnh Thái Nguyên năm 2015 thu thập từ Sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Thái Nguyên, hình - Dữ liệu thổ nhưỡng lấy từ Atlas Việt KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) Nam biên tập lại theo yêu cầu xử lý liệu khơng gian mơ hình SWAT nhờ cơng cụ QGIS, Hình - Dữ liệu khí tượng - khí hậu - thủy văn thu thập từ Trung tâm liệu KTTV quốc gia Trước đưa vào mơ hình SWAT, số liệu thời tiết biên tập thành tập tin thời tiết tổng quát chứa đựng thông số thống kê thời tiết theo tháng làm đầu vào cho mơ hình vận hành thời tiết WXEN SWAT trường hợp trống số liệu thời tiết Trong lưu vực có trạm thủy văn Núi Hồng Hình Mơ hình số độ cao dừng đo với năm số liệu 1962-1968 dùng để hiệu chỉnh kiểm định lưu lượng dịng chảy Ngồi ra, lưu vực có điểm quan trắc chất lượng nước Phú Cường khu vực cầu Phú Thịnh (Kết quan trắc chất lượng nước mặt, nước thải sông Công tỉnh Thái Nguyên từ năm 2014-2017, 2017) dùng để hiệu chỉnh kiểm định thơng số mơ hình chất lượng nước - Dữ liệu thơng số hồ chứa quy trình vận hành hồ Núi Cốc thu thập từ Quy trình vận hành Hồ Núi Cốc (Quy trình vận hành hồ chức nước Núi Cốc tỉnh Thái Nguyên, 2006) Hình Bản đồ sử dụng đất Hình Bản đồ thổ nhưỡng Bảng Trạm đo mưa - khí tượng lưu vực sông Công Loại Vĩ độ Kinh độ Elevation Tên trạm (o) (o) (m) trạm Thái Nguyên KT 21,6 105,5 36 Đại Từ Điềm Mạc ĐM 21,833 105,533 41 Kỳ Phú Định Hóa KT 21,9 105,633 220 Mỏ Cầm Tên trạm Loại trạm ĐM ĐM ĐM Vĩ độ Kinh độ Elevation (o) (o) (m) 21,633 105,633 50 21,533 105,65 61 21,533 105,65 51 Bảng Trạm thủy văn - chất lượng nước lưu vực sông Công Tên trạm Núi Hồng Phú Cường (cầu Phú Thịnh) Trên sông Sông Công Vĩ độ (o) 21.716 Kinh độ (o) 105.550 Yếu tố đo Lưu lượng Sông Công 21.667 105.585 Chất lượng nước c Đánh giá mơ mơ hình SWAT: Chỉ số Nash – Sutcliffe sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp mơ dịng chảy (NSE) (Nash, J.E J.V Sutcliffe, 1970) Cơng thức tính số NSE: KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019)  n obs sim     Oi  Oi    NSE    in1 obs mean   O  O   i    i 1 119 Trong đó: Chỉ số NSE chạy từ -∞ đến Nếu NSE nhỏ gần 0, kết xem khơng thể chấp nhận độ tin cậy Ngược lại, NSE 1, kết mơ mơ hình hồn hảo Với tốn mơ chất lượng nước phải tiến hành hiệu chỉnh kiểm nghiệm dòng chảy chất lượng nước Nồng độ tải lượng chất môi trường nước bị ảnh hưởng lưu lượng dịng chảy Do đó, hiệu chỉnh mơ hình SWAT cho mơ dịng chảy phải thực trước Thời gian hiệu chỉnh từ 1/1/1962 – 31/12/1962 thời gian kiểm định từ 1/1/1967 31/12/1968 mơ hình lưu lượng dịng chảy tạm Núi Hồng cho kết chấp nhận Chỉ số Nash đạt 0,67 0,62; hệ số tương quan đạt 0,71 0,58 Chỉ số PBIAS: phần trăm sai số tổng lượng số liệu tính tốn mơ từ mơ hình so với giá trị thực đo xác định theo công thức:  n  obs sim    Oi  Oi  x(100)   PBIAS   i 1 n obs   (Oi )    i 1 Giá trị tối ưu PBIAS 0,0; giá trị nhỏ cho thấy mơ mơ hình xác Kết mơ dịng chảy có PBIAS đạt -7% 4,7% đảm bảo tin cậy để mô dịng chảy lưu vực thể Hình Hình Bảng Bộ thơng số mơ hình sau hiệu chỉnh kiểm định lưu lượng dòng chảy Thông số CN2 SOL_K SOL_AWC SOL_Z CANMX ALPHA_BF GW_DELAY CH_N1 GWQMIN CH_N2 Mô tả Khoảng giá trị Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II -0,2 – 0,2 Độ dẫn thủy lực trường hợp bão hòa -0,3 – 0,3 Phạm vi nước hữu hiệu đất (mm 0-1 H2O/mm soil) Độ dày lớp đất (mm) -0,5 – 0,5 Độ che phủ lớn – 10 Hệ số tiết giảm dòng chảy ngầm (ngày) 0,6 – 1,0 Thời gian trễ dòng chảy ngầm (ngày) 40 – 50 Hệ số nhám cho kênh 0,01-30 Độ sâu ngưỡng nước tầng chứa nước nơng cần thiết cho dịng chảy trở lại 0-5000 xảy Hệ số dẫn thủy lực kênh 0,01-0,3 [mm/giờ] Hình Đường q trình lưu lượng dịng chảy tính tốn thực đo trạm Núi Hồng (Hiệu chỉnh) 120 Giá trị 81 0,0 0,118 0,0 8,9 0,048 31 0,014 1000 0,014 Hình Đường q trình lưu lượng dịng chảy tính tốn thực đo trạm Núi Hồng (kiểm định) KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) Tiến hành phân tích độ nhạy thơng số mơ chất lượng nước cho thấy thơng số có ảnh hưởng đáng kể đến mô nitrogen photphorus gồm hàm lượng nitrate ban đầu nước ngầm tầng nông (SHALLST_N), hệ số thấm nitrogen (NPERCO), hàm lượng nitrate ban đầu đất (SOL_NO3) hàm lượng nitrogen hữu ban đầu đất (SOL_ORGN); hệ số tỷ lệ photphorus đất (PHOSKD), hệ số thấm photphorus (PPERCO) hàm lượng P hữu ban đầu đất (SOL_ORGP) (J.G.Arnold, 2012) Sử dụng chuỗi số liệu thực đo chất lượng nước năm 2016-2017 vị trí Phú Cường (cầu Phú Thịnh) để kiểm nghiệm, đánh giá độ tin cậy mô Kết mô kiểm tra sai số PBIAS nhỏ 70% mô Nitogen Photphorus, kết phần trăm sai số PBIAS thông số BOD, Nitorat (NO3-), Nitrit (NO2-), Amoni (NH4+), Photphat (PO43-) đạt 18,4%; 2%; 12,5%; 8%;14,3% Kết cho thấy năm 2016 mơ hình mô chất lượng nước tốt, nhiên năm 2017 số tháng có số thực tế thấp mơ hình lại mơ cho kết cao ngược lại nguyên nhân năm 2017 phát sinh nhiều nguồn thải phân tán chưa kiểm sốt giới hạn báo chưa có thông tin số liệu tài liệu thiết lập mô hình, kết thể từ Hình đến Hình 11 Bảng Bộ thơng số mơ hình sau hiệu chỉnh kiểm định chất lượng nước Thông số SHALLST_N Khoảng Mô tả giá trị Hàm lượng nitrate ban đầu nước ngầm tầng nông (mg/L) NPERCO Hệ số thấm nitrogen PHOSKD Hệ số tỷ lệ photphorus đất PPERCO Hệ số thấm photphorusr SOL_NO3 Hàm lượng nitrate ban đầu đất (mg/kg) SOL_ORGN SOL_ORGP Hàm lượng nitrogen hữu ban đầu đất (mg/kg) Hàm lượng P hữu ban đầu đất (mg/kg) Hình Biểu đồ nồng độ BOD5 tính tốn thực đo Phú Cường KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) Giá trị 100-1000 1000 0–1 0,9 100 – 200 103 0-17.5 13 – 2000 2000 – 3000 2050 1000 – 3000 3000 Hình Biểu đồ nồng độ NO3- tính tốn thực đo Phú Cường 121 Hình Biểu đồ nồng độ NO2- tính tốn thực đo Phú Cường Hình 10 Biểu đồ nồng độ NH4+ tính tốn thực đo Phú Cường Hình 11 Biểu đồ nồng độ PO43- tính tốn thực đo Phú Cường KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Trong nghiên cứu này, tác giả áp dụng thành cơng mơ hình SWAT cho mơ dịng chảy chất lượng nước mặt (gồm thông số BOD5, NO2-, NO3-, NH4+, PO43-) lưu vực sơng Cơng Qúa trình đánh giá độ tin cậy mơ hình thực với số thống kê NSE PBIAS cho thấy mơ hình SWAT mơ tốt dịng chảy chất lượng nước mặt lưu vực sơng Cơng Ngồi ra, nghiên cứu chứng minh khả ứng dụng mơ hình SWAT mô chất lượng nước lưu vực đồi núi có xem xét tác động, ảnh hưởng sử dụng đất, thay đổi thảm phủ hoạt động phát triển kinh tế xã hội phát sinh nước thải dạng nguồn điểm lưu vực sông Công hiệu Với kết đánh hỗ trợ cho nghiên cứu chuyên sâu đánh giá khả tiếp nhận nước thải – sức chịu tải nguồn nước sông Công cung cấp nguồn tài liệu cho công tác quản lý nhà nước định hướng khai thác, sử dụng nguồn nước hiệu quả, phù hợp với mục đích sử dụng khác nhau, cấp giấy phép xả nước thải vào nguồn nước lưu vực sông Công tình hình phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Thái Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài nguyên Môi Trường, (2012), Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt (QCVN 08:2015/BTNMT), Hà Nội Sở Tài nguyên Môi trường Thái Nguyên, (2017), Kết quan trắc chất lượng nước mặt, nước thải sông Công tỉnh Thái Nguyên từ năm 2014-2017, tỉnh Thái Nguyên Tuấn, N T, (2011), Ứng dụng công nghệ GIS mơ hình SWAT đánh giá chất lượng nước hồ Dầu Tiếng Tp Hồ Chí Minh, Trường Đại học Nơng Lâm thành phố Hồ Chí Minh Quy hoạch Phân bổ, quản lý bảo vệ tài nguyên nước mặt tỉnh Thái Nguyên đến năm 2020, định hướng đến năm 2030, (2014), Thái Nguyên Quy trình vận hành hồ chức nước Núi Cốc tỉnh Thái Nguyên, (2006), tỉnh Thái Nguyên J.G.Arnold, R Kinniry, R Srinivasan, J.R Villiams, E.B.Haney, S.L.Neitsch, (2012), Input/Output Documentation Version 2012, US 122 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) S.L.Neitsch, J.G Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water assessment tool theoretical documentation, USDA_ARS Publications S.L.Neitsch, J.G Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water assessment tool user’s manual, USDA_ARS Publications The Soil and Water Assessment Tool, Historical Development, Applications, and Future Research Directions In: Arnold, J et al, 2009 Soil and Water Assessment Tool (SWAT): Global Applications Special Publication No 4, World Associatiom of Soil and Water Assessment Tool (SWAT): Global Applications Special Publication No 4, World Associatiom of Soil and Water Conservation, Bangkok: Funny Publishing, pp.25-93 (2009) US Abstract: APPLICATION SWAT MODEL FOR EVALUATION OF WATER QUALITY IN THE CONG RIVER BASIN The paper aims to simulate the flow and water quality of the Cong River using SWAT (Soil and Water Assessment Tool) model As the main land use types within the basin are forestry and agriculture, selected parameters used for water quality assessment include organic components such as BOD, Nitrite (NO2-), Nitrate (NO3-), Ammonium (NH4+), and Phosphate (PO43-) The model was calibrated using SUFI-2 method integrated in SWAT-CUP tool The results showed that the SWAT model provided good simulation of flow and water quality in the study area, in which R2 and NSE values were greater than 0.5, PBIAS was less than 5% for flow and 18.4% for water quality The calibrated model, therefore, can be applied in flow and water quality forecasting for the Cong River basin in the future, as well as being a tool to better support water resources management of this basin Keywords: SWAT, Water quality model, Cong river water quality, Soil and Water Assessment Tool Ngày nhận bài: 02/5/2019 Ngày chấp nhận đăng: 06/6/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 65 (6/2019) 123