Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN 978 604 82 2548 3 357 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP HAI MÔ HÌNH SWAT VÀ MODFLOW TRONG ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC Đỗ Xuân Khánh, Nguyễn Hồ Phương Thảo[.]
Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP KẾT HỢP HAI MÔ HÌNH SWAT VÀ MODFLOW TRONG ĐÁNH GIÁ TÀI NGUYÊN NƯỚC Đỗ Xuân Khánh, Nguyễn Hồ Phương Thảo Trường Đại học Thủy lợi, email: khanh.thuyluc@tlu.edu.vn GIỚI THIỆU CHUNG Trong thập kỉ gần đây, nhu cầu sử dụng nước người ngày tăng cao Việc thiếu hụt tài nguyên nước trở thành vấn đề đáng lo ngại, đặc biệt khu vực thường xuyên xảy tình trạng khơ hạn Thơng thường, nghiên cứu tài nguyên nước tập trung cách riêng rẽ vào tài nguyên nước mặt nước ngầm (Winter nnk 1998) Tuy nhiên, chu trình thủy văn, nước mặt nước ngầm ln có mối liên hệ chặt chẽ khơng thể tách rời Có thể thấy hầu hết nguồn tài nguyên nước mặt sông, hồ chứa, đầm lầy vùng cửa sơng ln có kết nối với nước ngầm thông qua trình thủy lực khác Mặc dù vậy, mối quan hệ qua lại khó quan sát, đo đạc thường bỏ qua nghiên cứu tài nguyên nước Trong nghiên cứu chủ đề này, mơ hình tốn ln đóng vai trị vơ quan trọng tính tổng qt quy mơ chúng Trong mơ hình tốn, mơ hình thủy văn SWAT nước ngầm MODFLOW hai mơ hình tiêu biểu, ứng dụng rộng rãi chứng minh tính hiệu nhiều nghiên cứu nhà khoa học nước quốc tế (Au nnk 2013, Quan nnk 2014, Chau Khanh 2017, Putthividya nnk 2017, Kim nnk 2008, Guzman nnk 2015, Dowlatabadi nnk 2015) SWAT MODFLOW hai mơ hình độc lập mơ môi trường nước mặt nước ngầm khác Mỗi mơ hình có điểm mạnh hạn chế riêng Do việc đề xuất phương pháp hợp lý để kết hợp ưu điểm hai mơ hình thành cơng cụ hữu hiệu đánh tài nguyên nước bao gồm nước mặt nước ngầm cần thiết Một mặt SWAT mơ hình bán phân bố, lưu vực sơng chia thành lưu vực con, lưu vực lại chia thành nhiều đơn vị thủy văn (HRU) SWAT mơ dòng chảy bề mặt dòng chảy sát mặt (tầng nơng) (Hình 1) Tuy nhiên đặc điểm bán phân bố, SWAT đưa kết cửa tiểu lưu vực Hơn nữa, dịng chảy tầng sâu (hơn 6m), mơ hình coi dịng chảy khỏi hệ thống (Neitsh et al., 2011) M ưa (SWAT) M ực nước (SWAT) Dòng chả ymặt (SWAT) Mặt đấ t Tầng ngậm nướ c nôn g Bốc (SWAT) Bổ cập (SWAT) Dòng chảy hồi quy (S WAT) Mực nư ớc ngầm (MODFLO W) Tầng ngậm nước sâu Lưu l ượng nư ớc ngầm (MODFLOW) Tổn t hấ t (MODFLOW) Bốc hơ i (SWATM ODF LOW) Lượ ng bơm nước ngầm Lưu l ượng nước (MODFLOW) ngầ m (M ODF LOW) Hình Sơ đồ mơ liên kết SWAT MODFLOW (Kim et al., 2008) Mặt khác, MODFLOW mô hình phân bố, tính tốn dịng chảy ngầm tầng nơng tầng sâu (Hình 1) với kết tính tốn lưới Mơ hình có nhược điểm khơng thể mơ mối liên hệ nước ngầm với nước mặt (Anh nnk 2009, Hiep nnk 2012, Quynh nnk 2014) Trong nghiên cứu này, lượng bổ cập nước ngầm – liệu đầu vào quan 357 Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 trọng cho mơ hình nước ngầm - khơng tính toán từ thành phần thủy văn mưa, bốc hơi, dòng chảy mặt, mà lại ước lượng phương pháp thử dần (trial and error) qua trình hiệu chỉnh mơ hình Qua phân tích thấy lưu lượng bổ cập từ đầu mơ hình SWAT nguồn liệu đầu vào hữu hiệu cho mơ hình MODFLOW Tuy nhiên, tính chất khác (bán phấn bố phân bố) nên việc kết hợp cần có phương pháp riêng Mục tiêu nghiên cứu đề xuất phương pháp hợp lý kết hợp hai mơ hình SWAT MODFLOW đánh giá tài nguyên nước Kết áp dụng cho lưu vực sông Đồng Nai, địa bàn tỉnh Tây Nguyên sử dụng đất, loại đất độ dốc trung bình xuất nhiều làm đại diện cho tiểu lưu vực - Multple HRUs – Nhiều HRU cho lưu vực Số lượng HRU số lượng tổ hợp giá trị loại hình sử dụng đất, loại đất độ dốc trung bình Hình Sơ đồ miêu tả vị trí lưu vực vị trí trạm đo khí tượng thủy văn lưu vực sông Đồng Nai PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dữ liệu đầu vào mô hình SWAT bao gồm, đồ cao độ số, đồ sử dụng đất, đồ đất, bảng biểu đo mưa, nhiệt độ, độ ẩm gió Hình mơ tả vị trí lưu vực Đồng Nai trạm đo khí tượng thủy văn Để bắt đầu với mơ hình SWAT, lưu vực sơng phân chia thành tiểu lưu vực Việc phân chia tiểu lưu vực tự động dựa đồ cao độ số (DEM) với hỗ trợ GIS (SWAT) Sư phân chia tạo khu vực hay diện tích mặt đất giới hạn đường phân thủy đón nhận nước rơi hội tụ dịng chảy điểm chung thuộc khu chứa nước cụ thể sông, suối, đầm lầy, hồ Sau tiểu lưu vực lại chia thành nhiều đơn vị thủy văn (HRUs) Những diện tích có đơn vị thủy văn có phản ứng với điều kiên khí hậu thời tiết Hiện nay, SWAT cho phép phương pháp để phân chia HRU, bao gồm: - Dominant Landuse, Soil, Slope – Một HRU cho tiểu lưu vực SWAT lựa chọn thuộc tính loại hình sử dụng đất, loại đất độ dốc trung bình có diện tích lớn làm đại diện cho tiểu lưu vực - Dominant HRU – Một HRU cho tiểu lưu vực SWAT lựa chọn tổ hợp loại hình Vị trí HRU khơng xác định SWAT tính chất bán phân bố Do vậy, để kết đầu mơ hình SWAT sử dụng trở thành liệu đầu vào cho mơ hình MODFLOW, lựa chọn HRU cho tiểu lưu vực bắt buộc Trong nghiên cứu này, phương pháp Dominant Landuse, Soil, Slope lựa chọn sử dụng sơ đồ trao đổi lưu lượng bổ cập mơ hình SWAT MODFLOW thể hình Để thiết lập điều kiện đầu vào cho mơ hình MODFLOW, số lượng lưới trong tiểu lưu vực xác định Lưu lượng bổ cập mơ hình SWAT (mm) chia cho số lượng tính tốn tiểu lưu vực 358 Lượng bổ cập t HRU HRU t rong t iểu l ưu vự c HRU t rong t iểu l ưu vự c Ơ lưới t ron gMODFLOW Hình Sơ đồ trao đổi lưu lượng bổ cập SWAT-MODFLOW (Kim et al., 2008) Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018 ISBN: 978-604-82-2548-3 Bảng Lưu lượng bổ cập DN1 Sau đó, giá trị chuyển đổi sang mm/ngày gán vào ô lưới tiểu lưu vực (Hình 4) Thời gian 1/1/2008 2/1/2008 Lượng bổ cập (mm) 2.184 2.114 Cao độ mực nước ngầm quan trắc Lỗ khoan quan trắc 95T Cao độ mực nước ng ầmm ô phỏn g Lỗ kh oan 95T Hình Sơ đồ tiểu lưu vực sau phân chia thành tính tốn MODFLOW Hình So sánh mực nước ngầm mơ thực đo KẾT QUẢ Phương pháp đề xuất áp dụng để tính tiềm nước cho lưu vực sông Đồng Nai chảy qua địa bàn tỉnh Tây Nguyên Chi tiết phần số liệu đầu vào dùng cho hai mơ kết tiềm nước mặt nước ngầm trình bầy nghiên cứu Khanh nnk (2018) Lưu vực Đồng Nai chia làm 21 tiểu lưu vực từ DN1DN21, thời gian chạy mơ hình SWAT MODFLOW từ năm 2008-2016 tương ứng với giai đoạn có số liệu đo đạc mực nước ngầm Bảng mơ tả ví dụ trích xuất kết tính tốn lượng bổ cập nước ngầm cho tiểu lưu vực DN1 Hình so sánh mực nước ngầm mô MODFLOW mực nước ngầm quan trắc lỗ khoan 95T Kết cho thấy đường q trình mực nước mơ quan trắc có tương đồng lớn thể qua độ lệch chuẩn (RMSE), giá trị RMSE trình kiểm định từ 20082014 1.73 m trình kiểm định từ 2014-2016 1.82 m Bản đồ cao độ mực nước ngầm thể qua Hình n (P O ) i RMSE i 1 n i (1) Trong P i Oi giá trị dự đoán giá trị quan trắc thời điểm t, n số điểm quan trắc Hình Bản đồ cao độ mực nước ngầm KẾT LUẬN Nghiên cứu đề xuất phương pháp hợp lý để kết nối hai mơ hình thủy văn SWAT nước ngầm MODFLOW Tính hợp lý thể cấu trúc kết hợp không phức tạp đảm bảo độ xác cần thiết Với việc lựa chọn “một HRU tiểu lưu vực” phân chia HRU, kết bổ cập nước ngầm đầu mơ hình SWAT sử dụng làm liệu đầu vào cho mơ hình nước ngầm MODFLOW Phương pháp áp dụng lưu vực sông Đồng Nai cho kết tốt so sánh mực nước ngầm mô thực đo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Do Xuan Khanh Nguyen Bach Thao 2018 “Intergration of SWAT and MODFLOW model to assess the surface and ground water availability: a cas e study of Dong Nai baisn in 2015/16” Vietnam Journal of Hydrometeorology, Vol 5, pp 1-8 359 ... phương pháp hợp lý kết hợp hai mô hình SWAT MODFLOW đánh giá tài nguyên nước Kết áp dụng cho lưu vực sông Đồng Nai, địa bàn tỉnh Tây Nguyên sử dụng đất, loại đất độ dốc trung bình xuất nhiều làm... cao độ mực nước ngầm KẾT LUẬN Nghiên cứu đề xuất phương pháp hợp lý để kết nối hai mô hình thủy văn SWAT nước ngầm MODFLOW Tính hợp lý thể cấu trúc kết hợp không phức tạp đảm bảo độ xác cần thiết... mơ hình SWAT nguồn liệu đầu vào hữu hiệu cho mơ hình MODFLOW Tuy nhiên, tính chất khác (bán phấn bố phân bố) nên việc kết hợp cần có phương pháp riêng Mục tiêu nghiên cứu đề xuất phương pháp hợp