Untitled ������������ ��� �� �������������������������������� Trang 109 �ng d�ng mô hình SWAT ñánh giá tài nguyên nư�c khu v�c thư�ng ngu�n ñ m Th N�i ph�c v� phát tri�n b n v�ng t�nh Bình ð nh •••• N[.]
ng d ng mơ hình SWAT đánh giá tài ngun nư c khu v c thư ng ngu n ñ m Th N i ph c v phát tri n b n v ng t nh Bình ð nh • Nguy n H ng Qn • Mai Tồn Th ng Vi n Môi trư ng Tài nguyên, ðHQG-HCM (Bài nh n ngày 07 tháng 08 năm 2014, nh n ñăng ngày 12 tháng 11 năm 2014) TÓM T T Dịng ch y lưu v c sơng Kơn, sơng Hà Thanh, thư ng lưu ñ m Thi N i đóng vai trị h t s c quan tr ng phát tri n kinh t - xã h i t nh Bình ð nh Vi c đánh giá ti m ngu n nư c c a lưu v c góp ph n đ m b o cơng tác quy ho ch tài nguyên nư c, ph c v nhu c u phát tri n b n v ng tương lai Trong báo này, nhóm nghiên c u trình bày k t qu bư c đ u s d ng mơ hình SWAT nh m đánh giá lưu lư ng toàn lưu v c S li u mô ph ng nhi u năm bao g m g m d li u mưa khí tư ng lên t i 36 năm bao g m tr m quan tr c khu v c Các tham s c a mơ hình đư c hi u ch nh ñánh giá ñ T nh y b ng ph n m m SWAT-CUP v i thu t toán SUFI-2 (Semi Automated Sequential Uncertainty Fitting) tr m th y văn Bình Tư ng (1980 – 1995) K t qu hi u ch nh ñ t ñư c ch s Nash 0,51 h s tương quan R2 0,54, h s PBIAS b ng 15,01 % v i bư c th i gian ngày K t qu tính tốn cho th y trung bình dịng ch y đ! vào ñ m Th N i t" nhánh sông Kôn 105,16 sông Hà Thanh b ng 19,77 m /s K t qu c a nghiên c u có th dùng nghiên c u v cân b ng nư c lưu v c ph c v quy ho ch tài nguyên nư c ho#c làm ñ u vào cho mơ hình lan truy n ch t v n chuy n bùn cát ñ m Th Nai khóa: ð m Th Nai, sơng Kơn, sơng Hà Thanh, SWAT, SWAT-CUP, Sufi-2 M ð U ð m Th N i có vai trị quan tr ng phát tri n kinh t - xã h i b o t n ña d ng sinh h c Ch t lư ng nư c ñ m không nh ng b nh hư ng b i ho t đ ng xung quanh đ m mà cịn ch u nh hư ng b i ñi u ki n t nhiên ho t ñ ng khu v c thư ng lưu Khu v c thư ng ngu n c a ñ m Th N i bao g m hai sơng sơng Kơn sơng Hà Thanh, hai sơng đ u đ tr c ti p nư c vào ñ m Th N i, nên có vai trị quan tr ng vi c hình thành ch đ dịng ch y, tr m tích đ m n đ m Thêm vào đó, lưu v c sơng Kơn sơng Hà Thanh tr c ti p cung c p nư c cho nhi u h ch a khu v c, có th k đ n ba h ch a l n h ð nh Bình, h Thu n Ninh, h Núi M t; ñ ng th i ñ m b o nhu c u nư c nông nghi p Trang 109 ! "#"$% & ' #"() * +"# ", sinh ho t khu v c T nh ng v n ñ trên, cho th y vi c cân b ng hài hòa gi a nhu c u s d ng nư c ñ m b o ch t lư ng nư c khu v c thư ng lưu ñ m Th N i r t c n thi t Do nghiên c u ng d ng mơ hình th y văn nh m đánh giá ch đ dịng ch y khu v c, t o ti n ñ cho nghiên c u v ch t lư ng nư c tr m tích sau h t s c c n thi t Hi n nay, nghiên c u s d ng mơ hình th y văn phân b! bán phân b! đ mơ ph"ng mưa – dòng ch y lưu v c sơng d n tr nên ph bi n [1], có th k đ n mơ hình n SWAT, HPSF (hydrological simulation program–FORTRAN), Mike SHE, SHETRAN (Sys’teme Hydrologique Europ’een Transport) Các mơ hình đ u có nh ng ưu c ñi m riêng, Mike SHE, SHETRAN m t mơ hình phân b!, hư ng ti p c n hoàn toàn d a b n ch t v t lý (fully physically-based model) [1] v i nh ng mô t trình v t lý chi ti t ph c t p, nhiên tính ph c t p c a mơ hình d#n đ n địi h"i s! li u ñ u vào r t chi ti t, v i ñi u ki n s! li u h n ch Vi t Nam m t thách th c r t l n; mơ hình HPSF v i cách ti p c n b ng q trình thay đ i lư ng tr (nư c, ch t hóa h c) [1] theo chi u th$ng đ ng, mơ hình chia ti u lưu v c thành nh ng ñơn v nh" ch y u d a d li u s d ng đ t; mơ hình SWAT mơ hình bán phân b!, mơ hình chia ti u lưu v c thành ñơn v th y văn HRUs (hydrologic response units) v i m&i ñơn v th y văn đ ng nh t v lo i đ t lo i hình s d ng đ t [5] D a ñi u ki n s! li u hi n có khu v c nghiên c u, mơ hình SWAT đư c s d ng đ n ti n hành mô ph"ng th y văn t i Trong mơ hình SWAT, q trình th y văn ñư c ñ c trưng b i nhi u tham s! khác nhau, s bi n ñ i khơng gian nh ng q trình mơ ph"ng, tham s! khơng th bi t đư c m t cách xác, n a h u h t tham s! khơng th có đư c b ng cách ño ñ c tr c ti p [1] Do vi c hi u ch'nh mơ m t bư c r t quan nh m c tính giá tr c a tham s! Q trình s( làm gi m đ b t ñ nh c a tham s!, d#n ñ n làm gi m ñ b t ñ nh c a mơ hình Trong nghiên c u s( s d ng mơ hình SWAT – CUP v i thu t tốn Sufi-2 đ hi u ch'nh mơ hình SWAT PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U 2.1 Khu v c nghiên c u Khu v c thư ng ngu n ñ m Th N i có di n tích kho ng 3700 km2 chi m m t n a di n tích t'nh Bình ð nh Trong khu v c nghiên c u có hai lưu v c sơng sơng Kơn (di n tích lưu v c 3067 km2 v i t ng chi u dài sơng kho ng 178 km) sông Hà Thanh (di n tích lưu v c kho ng 53 km2) v i t ng chi u dài sơng 38 m) ð cao khu v c bi n Trang 110 thiên t cho t i 1400 m, trung bình vào kho ng 370 m.Trên khu v c, nh ng vùng có đ cao dư i 100 m nhi t ñ trung bình năm thư ng dao ñ ng kho ng 26 – 270C, ñ cao t 100 – 300 m nhi t ñ năm thư ng dao ñ ng t 24 – 250C Càng lên cao nhi t đ khơng khí gi m ) đ cao 400m, nhi t đ trung bình năm gi m xu!ng cịn 23 – 240C, 1000 m nhi t đ trung bình năm gi m xu!ng dư i 210C [2] Hình B n đ khu v c nghiên c u Phân ph!i không gian c a lư ng mưa khu v c nghiên c u r t khơng đ ng ñ u Vùng núi Vĩnh Sơn vùng núi phía b+c t'nh hai khu v c có lư ng mưa l n nh t t'nh, v i t ng lư ng mưa năm trung bình t 2220 – 3030 mm trung tâm mưa l n nh t thu c huy n mi n núi An Lão Vùng mưa l n th hai vùng núi Vĩnh Kim thu c trung lưu sông Kôn, huy n Vân Canh thư ng ngu n sông Hà Thanh huy n ven 2.2 Mơ hình SWAT 2.2.1 Gi i thi u Mơ hình SWAT xây d ng b i ti n sĩ Jeff Arnold Trung tâm ph c v nghiên c u nông nghi p (ARS - Agricultural Research Service) thu c B Nông nghi p Hoa Kỳ (USDA - United States Department of Agriculture) Mơ hình đư c xây d ng nh m đánh giá d đốn tác ñ ng c a th c ti-n qu n lý ñ t ñai tác ñ ng ñ n ngu n nư c, lư ng bùn, lư ng hóa ch t nơng nghi p sinh m t lưu v c r ng l n ph c t p v i s khơng n đ nh v y u t! ñ t, s d ng ñ t ñi u ki n qu n lý m t th i bi n phía b+c t'nh t 2000 – 2180 mm Nh ng vùng cịn l i vùng ven bi n phía nam t'nh, huy n Tây Sơn, phía đơng huy n mi n núi Vĩnh Th nh lưu v c h lưu sơng Kơn lư ng mưa năm trung bình đ t t 1610 – 1880 mm tâm mưa th p nh t khu v c Tân An xã phía đơng huy n Tuy Phư c v i lư ng mưa năm dư i 1600 mm [2] gian dài Mơ hình s t p h p nh ng phép tốn h i quy đ th hi n m!i quan h gi a giá tr thơng s! đ u vào thơng s! đ u Pha đ t chu trình th y văn mơ hình SWAT d a phương trình cân b ng nư c: SWt = SW0 + (R − Q − E − w − Q ) Trong đó: SWt lư ng nư c ñ t t i th i ñi m t (mm H2O), SWo lư ng nư c ch a ñ t t i th i ñi m ban ñ u (mm H2O), Rday lư ng mưa ngày i (mm H2O), Qsurf lư ng dòng ch y m t ngày i (mm H2O), Ea Trang 111 ! "#"$% & ' #"() * +"# ", lư ng b!c ngày i (mm H2O), wseep lư ng th m sâu lư ng nư c kh"i đáy ph#u di n đ t ngày i; Qgw lư ng gòng ch y h i qui ngày i (mm H2O) Các trình th y văn mơ hình bao g m [7]: • Ư c tính dịng ch y m t s d ng s! hi u ñư ng cong SCS ho c phương trình th m Green–Ampt • Mơ ph"ng th m qua l p tr nư c • Ư c tính dịng sát m t s d ng phương pháp tr đ ng h c • Mơ ph"ng dịng ch y ng m t i sơng t t ng ch a nư c t ng nơng • Ư c tính b!c ti n b ng phương pháp c a Hargreaves, Priestley–Taylor ho c Penman–Monteith method • Ư c tính b!c th c t (tách bi t b!c t đ t t th c v t) 2.2.2 D li u thu th p Khu v c nghiên c u ñư c chia thành 20 ti u lưu v c 1320 đơn v th y văn HRUs Mơ hình SWAT yêu c u d li u v : ñ a hình, th như/ng, s d ng đ t, khí tư ng: Trang 112 • ð a hình: ASTER GDEM (ASTER Global Digital Elevation Model) v i ñ phân gi i 30x30 m • Khí tư ng: g m d li u ngày t tám tr m mưa (An Nhơn, Bình Tư ng, ð Gi, ð nh Bình, Phù Cát, Vân Canh, Vĩnh Kim, Vĩnh Sơn) tr m khí tư ng Qui Nhơn v i d li u v mưa, nhi t ñ , ñ 0m, t!c ñ gió, s! gi n+ng D li u khí tư ng tr m ñư c 36 năm (1977 – 2012) • S d ng ñ t: ñư c l y t b n ñ s d ng ñ t t' l 1/50.000 B n ñ s d ng ñ t s( ñư c x lý chuy n v mã ñ t tương ng SWAT Trong khu v c nghiên c u t n t i lo i hình s d ng đ t như: FRST (r ng h&n h p), RICE (ñ t tr ng lúa), AGRR (đ t nơng nghi p tr ng hàng năm), WATR (m t nư c), … • Th như/ng: đư c l y t b n ñ th như/ng 1/1000.000 c a FAO Tương t , b n ñ th như/ng s( ñư c chuy n v mã ñ t SWAT, nghiên c u này, vi c chuy n ñ i s( d a ñ c trưng gi i c a ñ t, lo i ñ t khu v c nghiên c u bao g m: SICL (silty clay loam), SCL (sandy caly loam), CL (clay loam), SC (sandy clay), WA (water), SIL (silty loam), SL (sandy loam), SIC (silty clay) (a) (b) (c) (d) Hình (a) Mơ hình s đ cao; (b) B n ñ s d ng ñ t; (c) B n ñ th ng; (d) B n ñ ti u lưu v c Trang 113 ! "#"$% & ' #"() * +"# 2.2.3 ", SWAT – CUP Trong nghiên c u, ph n m m SWAT-CUP v i thu t tốn Sufi-2 đư c áp d ngg đ hi u ch'nh ñánh giá ñ nh y tham s! ! T Thu t toán t!i ưu Sufi-2 ñư c th c hi n thông qua ua bư c sau [4]: 'nh vi t d li u • Bư c 1: Chương trình hi u ch'n đ u vào v i gi i h n dư i m& m&i thơng s! ( ho c đ thay ñ i so giá tr ban ñ u c a thông s!), d li u so sánh th c t • Bư c 2: Ch'nh s a t p tin ñ u vào v i giá tr m i c a thơng s! • Bư c 3: Mơ ph"ng ch y l i mơ hình SWAT • Bư c 4: So sánh ch' tiêu ki m tra ñ tin c y c a k t qu ñ ñưa giá tr c a cá thông s! t!i ưu nh t K T QU 3.1 K t qu hi u ch nh, ki m ñ nh Các tiêu chu0n dùng ñ hi u ch'nh c ki m đ nh mơ hình dùng đ tài g m : Ch' s! hi u qu Nash ∑ (P − O ) ∑ (O − O ) n NSI = 1- i =1 n i i i =1 i tb H s! tương quan Pearson R2 = ∑ (O − O )( P − P ) ∑ (O − O ) ∑ ( P − P n i i =1 n i =1 n i tb i tb tb i =1 i ) tb H s! sai s! ph n trăm (percent nt bias) 100 * ∑i =1 (Oi − Pi ) n PBIAS = ∑ (O n i =1 i Trong ñó : Oi giá tr th c ño t i th i ñi m i, Otb giá tr th c đo trung bình;; Pi giá tr mơ ph ng t i th i ñi m i, Ptb giá tr mơ ph ng trung bình Các tham s! c a mơ hình SWAT T đư c hi u ch'nh t đ ng b ng mơ hình SWAT AT-CUP S! li u lưu lư ng dòng ch y t i tr m th h y văn Bình Tư ng (1980 – 1995) đư c dùng đ hi u ch'nh mơ hình T i bư c th i gian ngày, h s! tương quan R2 ñ t 0,54 h s! Nash ñ t 0,5, h s! PBIAS b ng 15,01 %; v i bư c th i gian tháng th k t qu hi u ch'nh t!t R2 = 0,79, h s! Nash b ng 0,68, h s! PBIAS b ng 14,2% Theo đánh giá c a Moriasi [8] mơ hình có đ tin c y m c T!t ă B Bình Tư ng S! li u lưu lư ng tr m th y văn (1996 – 2003), ñư c dùng giai ño ñ n ki m đ nh mơ hình T i giai đo n ki m ñ nh, h s! tương quan R2 h s! Nash, h s!! PBIAS l n lư t 0,52; 0,47 15,47%; v i bư c th i gian tháng h s! R2 = 0,74, h s! Nash sh = 0,56, h s! PBIAS b ng 14,5% Hình K t qu hi u ch'nh(trái), ki m ñ nh (ph i) v i bư c th i gian ngày Trang 114 Hình K t qu hi u ch'nh (trái), ki m ñ nh (ph i)v i bư c th i gian tháng 3.2 K t qu ñánh giá ñ nh y ñ b t ñ nh T ng c ng 14 tham s! ñư c tha tham gia trình hi u ch'nh v i k t qu ñánh giá ñ nh y theo b ng sau: B ng K t qu ñánh giá ñ nh y Tham s! r SOL_K(1).sol v CH_K2.rte r CN2.mgt r CANMX.hru Miêu t ð d#n # th thu1 l c c a ñ t t i ñi m bão hòa nư c H ng t-stat P-value 5.45 0.00 ð d#n # th thu1 l c c a sơng 4.26 0.00 S! đư ng cong SCS -3.55 0.00 ð tr tán l n nh t -1.98 0.06 H s!! nhá hám c a sơng 1.63 0.11 v GW_REVAP.gw H s!! b!c !c t ng ng m -1.44 0.16 v ALPHA_BF.gw v CH_N2.rte H s! dòn òng ch y b n -1.37 0.18 r SOL_Z(1).sol ð dày t n ñ t -1.20 0.24 v SURLAG.bsn ð tr- dòn òng ch y m t -1.14 0.26 v GW_DELAY.gw Th i gian an tr- dòng ch y ng m 10 -1.10 0.28 v ESCO.hru H s!! hao ao h t b!c c a ñ t 11 -0.70 0.49 r SOL_AWC(1).sol Kh ăng ch a nư c c a ñ t 12 0.35 0.73 ð sâu x y dòng ch y h i qui 13 0.29 0.77 H s!! l y nư c c a th c v t 14 -0.21 0.83 v GWQMN.gw r EPCO.hru Theo k t qu qua phân tích đ nh y có th nh n th y tham s! có th chia ia làm nhóm: nhóm có đ nh y cao g m ba tham ss! có đ nh y cao nh t: SOL_K, CH_K2, CN2; nhóm n tham s! có đ nh y trung bình g m tham ham s! có h ng t t i 10; nhóm có đ nh y th p làà c tham s! có h ng t 10 đ n 14 3.3 Ti m dòng ch y lưu v c T k t qu mơ ph"ng dịng ch y b ng mơ hình SWAT, lưu lư ng c a nhá hánh ñ vào ñ m Th N i đư c trích xu t tính ính tốn K t Trang 115 ! "#"$% & ' #"() * +"# ", qu cho th y lưu lư ng trung bình c a sơng Kơn đ vào đ m Th N i vào kho ng 105,16 m3/s, sông Hà Thanh kho ng 19,77 m3/s, v i s chênh l ch r t l n gi a mùa ki t mùa lũ 500.00 Q(m3/s) 400.00 300.00 200.00 100.00 0.00 10 11 12 Hình Bi u đ lưu lư ng trung bình tháng sơng Kơn 80.00 70.00 Q(m3/s) 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 10 11 12 Hình Bi u đ lưu lư ng trung bình tháng sơng Hà Thanh B ng Trung bình dịng ch y tháng lưu v c sông Kôn sông Hà Thanh Tháng Sông Kôn (m /s) Sông Hà Thanh (m3/s) 116 62 29.1 10 13 22.2 15 14 52 10 320 11 386 12 217 17.5 9.1 3.9 1.3 2.8 3.2 2.2 1.8 9.2 71.5 74.2 40.7 K T LU N Lưu v c sơng Kơn, thư ng lưu đ m Th N i m t khu v c có di n tích l n, v i bi n ñ ng ph c t p c a ñ a hình y u t! khí tư ng.Các y u t! làm công tác mô ph"ng th y văn g p nhi u khó khăn như: s! li u Trang 116 khí tư ng ch' có nh t tr m Qui Nhơn nhi t ñ lư ng mưa bi n ñ ng l n theo đ a hình, u làm tăng ñ b t ñ nh c a d li u đ u vào c a mơ hình d#n ñ n làm tăng ñ b t ñ nh c a k t qu mô ph"ng, nh ng b t đ nh l i khơng th làm gi m b ng q trình hi u ch'nh Vi c mơ ph"ng th y văn có nh ng khó khăn h n ch nh t đ nh, v i d li u đ u vào có th i gian dài (36 năm) nên k t qu đ u đ u có tính đ c trưng ñ m b o ý nghĩa v m t th!ng kê K t qu mơ ph"ng v dịng ch y có th dùng cho nh ng nghiên c u v cân b ng nư c lưu v c hay làm đ u vào cho mơ hình lan truy n ch t v n chuy n bùn cát ñ m Th N i Application of swat model in assesment water resources of upper stream of Thi Nai lagoon serving sustainable develoment of Binh Dinh province • Nguyen Hong Quan • Mai Toan Thang Institute for Environment and Resources, ðHQG-HCM ABSTRACT Water resources from Kôn and Hà Thanh river basin, upstream areas of Thi Nai lagoon plays a very essential role on hydrological in economic – social development of Binh Dinh province Assessment of potential water resources in the region can be servered for water resources planning toward sustainable development In this paper, the SWAT model was applied in this study to evaluate river flow in the rivers The simulation data were used with with the length of meteorological input data up to 36 years The parameters of model were calibrated by SWAT-CUP with Sufi-2 algorithm (Semi Automated Sequential Uncertainty Fitting) using data of Binh Tuong discharge station(19801995), that also used to analyze parameter sensitivity The coefficient of determination (R2), NSE values and PBIAS index for the daily runoff were obtained as 0,54; 0,51 and 15,01 % The average input flow to Thi Nai lagoon were 105,16 m3/s (from Kon river) and 19,77 m3/s (from Ha Thanh river) The results of this study can be used for others research such as water balance calculation in the river basin or it can be used as inputs of water quality and sediment transport model in Thi Nai lagoon Keywords:Thi Nai lagoon, Kon river, Ha Thanh river, SWAT, SWAT-CUP, Sufi-2 TÀI LI U THAM KH O [1] Ahmed Nasr, Michael Bruen, Philip Jordan, Richard Moles, Gerard Kiely, Paul Byrne 2007 A comparison of SWAT, HSPF and SHETRAN/GOPC for modelling phosphorus Trang 117 ! "#"$% & ' #"() * +"# [2] [3] [4] [5] [6] ", export from three catchments in Ireland, Water research 41, 1065– 1073 ðài khí tư ng th y văn khu v c Nam trung b 2004, ð c m khí h u – th y văn t'nh Bình ð nh J.G.Arnold, J.Rkiniry, R.Srinivasan, and etc September (2011), Soil and water assessment tool – Input/output file documentation version 2009 Karim C Abbaspour 2011, SWAT-CUP4: SWAT Calibration and Uncertainty Programs - A User Manual M.Winchell, R.Srinivasan, M Di Luzion, J Arnold (2010), Arcswat interface for SWAT 2009 – User’s guide MiSeon Lee, GeunAe Park, MinJi Park, JongYoon Park, JiWan Lee, SeongJoon Kim Trang 118 2010, Evaluation of non-point source pollution reduction by applying Best Management Practices using a SWAT model and QuickBird high resolution satellite imager, Journal of Environmental Sciences 22(6) 826–833 [7] Mikołaj Piniewski and Tomasz Okruszko (2011), Multi-Site Calibration and Validation of the Hydrological Component of SWAT in a Large Lowland Catchment, Geoplanet: Earth and Planetary Sciences [8] Moriasi, D N., et al (2007), Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations, Transactions of the ASABE 50(3): 885−900 ... (O n i =1 i Trong : Oi giá tr th c ño t i th i ñi m i, Otb giá tr th c đo trung bình; ; Pi giá tr mô ph ng t i th i ñi m i, Ptb giá tr mô ph ng trung bình Các tham s! c a mơ hình SWAT T ñư c hi... hi u ch''nh mô m t bư c r t quan nh m c tính giá tr c a tham s! Quá trình s( làm gi m ñ b t ñ nh c a tham s!, d#n ñ n làm gi m ñ b t đ nh c a mơ hình Trong nghiên c u s( s d ng mơ hình SWAT – CUP... ng nh t v lo i đ t lo i hình s d ng ñ t [5] D a ñi u ki n s! li u hi n có khu v c nghiên c u, mơ hình SWAT đư c s d ng đ n ti n hành mơ ph"ng th y văn t i Trong mơ hình SWAT, q trình th y văn