ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐỂ QUẢN LÝ XÓI MÒN ĐẤT THEO CÁC TIỂU LƯU VỰC SÔNG Ở XÃ DƯƠNG HÒA, THỊ XÃ HƯƠNG THỦY, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ APPLICATION SWAT FOR SOIL EROSION MANAGEMENT AT RIVER SU
Trang 1ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐỂ QUẢN LÝ XÓI MÒN ĐẤT THEO CÁC TIỂU LƯU VỰC SÔNG Ở XÃ DƯƠNG HÒA,
THỊ XÃ HƯƠNG THỦY, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ
(APPLICATION SWAT FOR SOIL EROSION MANAGEMENT AT RIVER
SUB-BASINS IN DUONG HOA COMMUNE, HUONG THUY TOWN,
THUA THIEN HUE PROVINCE)
Trần Lê Minh Châu *, Nguyễn Quang Tuấn **
* Học viên Cao học khoa Địa lý - Địa chất, trường Đại học Khoa học Huế
** Khoa Địa lý - Địa chất, trường Đại học Khoa học Huế Email: minhchau4789@gmail.com hoặc tuanhuegis@gmail.com
Abstract: Soil erosion are being problem care very much over the World and in Viet Nam Soil
erosion process causes huge aftermaths not only for community population is above regional but also affection come to entourages Specially, with climate change soil erosion process become more inappreciative and cause more serious aftermath Today, have many model and method research this process, in which the SWAT model (Soils and Water Assessment Tool) is considered one of the model is most effective when the study of soil erosion In recent years, SWAT had widely used in various fields related to sustainable management of natural resources and environment (Garrity, D.P 1995; L V Du 2011; N.K Loi et al 2011) In this paper, we have chosen the theme:” Using SWAT Model to setup soil erosion zoning map
follow watershed at Duong Hoa commune, Huong Thuy district, Thua Thien Hue province.” Keywords: SWAT, GIS, soil erosion, watershed management
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Sự suy thoái lưu vực là một vấn đề rất được quan tâm trên thế giới Nguyên nhân là do việc sử dụng các nguồn tài nguyên không hợp lý Hậu quả là những trận lũ lụt, sạt lở đất, bồi lắng dòng chảy, xói mòn đất… không những ảnh hưởng đến cộng đồng dân cư sống trên lưu vực mà nó còn tác động đến sự sinh hoạt và sản xuất của người dân ở vùng hạ lưu Ngày nay
do sự gia tăng dân số và sự phát triển kinh tế xã hội của xã Dương Hòa, đã làm cho tình hình xói mòn đất tại lưu vực sông Hương thuộc địa bàn xã đang trở nên nghiêm trọng và đây là một vấn đề đang rất được quan tâm của người dân và chính quyền địa phương Ngoài ra, hiện nay ở xã Dương Hòa đang có một dự án rất lớn, đó là công trình hồ thủy điện Tả Trạch đã có
sự tác động rất lớn đến lớp phủ thực vật, chất lượng nước và tài nguyên đất và từ đó tác động đến quá trình xói mòn đất của địa phương
Hiện nay, ở trên thế giới có rất nhiều phương phương pháp và nhiều mô hình kỹ thuật
để đánh giá về sự xói mòn đất Trong đó SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là một trong những mô hình được sử dụng phổ biến nhất và mang lại hiệu quả cao nhất khi nghiên
cứu về quá trình xói mòn đất (Arnold et al.,1998) Mô hình SWAT là công cụ đánh giá chất
Trang 2tỉnh Thừa Thiên Huế” nhằm hổ trợ cho việc kiểm soát tình hình xói mòn đất của chính quyền địa phương có hiệu quả cao hơn
2 VỊ TRÍ ĐỊA LÝ, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN
2.1 Vị trí địa lý
Xã Dương Hòa thuộc thị
xã Hương Thủy nằm ở vị trí
phía Tây Nam thành phố Huế
và cách thành phố Huế 20 km
Xã Dương Hòa có diện tích tự
nhiên là 26.160,48 ha với dân số
khoảng 1879 người (năm 2010)
chiếm khoảng 1,9% dân số thị
xã Hương Thủy
2.2 Nội dung nghiên cứu
- Tìm hiểu hiện trạng về
quá trình xói mòn đất ở khu vực
nghiên cứu
- Thu thập và biên tập các
bản đồ liên quan phục vụ cho
việc nghiên cứu quá trình xói
mòn đất ở xã Dương Hòa: bản
đồ địa hình, bản đồ đất, bản đồ
hiện trạng sử dụng đất, bản đồ
thủy văn…
- Chuẩn hóa các bản đồ
thu thập được theo chuẩn cơ sở
dữ liệu phục vụ cho việc ứng
dụng mô hình SWAT để thành
lập bản đồ xói mòn đất lưu vực
sông xã Dương Hòa
- Xây dựng bản đồ phân vùng xói mòn đất bằng mô hình SWAT tại khu vực nghiên cứu
2.3 Phương pháp luận
Tình hình khai thác, sử dụng đất của người dân kết hợp với lượng mưa rất lớn ở địa phương có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xói mòn đất Từ dữ liệu thực của khu vực nghiên cứu tương ứng với điều kiện địa hình, hiện trạng sử dụng đất và dữ liệu về khí hậu Bằng cách sử dụng mô hình SWAT để thành lập bản đồ phân vùng xói mòn đất được tiến hành như sơ đồ sau:
Hình 1: Khu vực nghiên cứu
Trang 3
Thượng nguồn lưu vực
sông Hương
Đánh giá xói mòn đất
thượng nguồn sông Hương
Mô hình số độ cao
(DEM)
Setup and
Preprocessing
Network Delineation
by Threshold Method
Custom
Outlet/Inlet
Definition and
Delineation
Đầu vào
Đối tượng nghiên cứu
Mô phỏng lưu vực
Phân tích đơn vị thủy văn Trạm thời tiết
Nhiệt độ
Lượng mưa
Thiết lập và chạy mô hình
Hiệu chỉnh mô hình
Thông qua mô hình
Kết quả
Mô hình số
độ cao Mạng lưới thủy văn
BD HTSDĐ Bản đồ đất Bản đồ độ dốc
Chấp nhận
Chấp nhận
Chấp nhận
Đầu vào
Đầu vào Đầu vào
Không chấp nhận Không chấp nhận
Trang 43 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
3.1 Giới thiệu về mô hình SWAT
SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất SWAT được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp (ARS - Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA - United States Department of Agriculture ) SWAT là mô hình dùng để dự báo những ảnh hưởng của sự quản
lí sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Mô hình là sự tập hợp những
giải thuật toán để thể hiện mối quan hệ giữa giá trị thông số đầu vào và thông số đầu ra
SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lí trên cùng một lưu vực Ý nghĩa của
mô hình SWAT là một lưu vực lớn có thể được chia thành nhiều tiểu lưu vực, mô hình hóa theo tiểu lưu vực mang lại lợi ích khi những vùng này tương đồng về đặc điểm sử dụng đất và tính chất đất Sự phân chia này giúp người sử dụng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu của một vùng này vào một vùng khác khi chúng có sự tương đồng nhất định
Thông tin đầu vào đối với mỗi tiểu lưu vực sẽ được tập hợp và phân loại thành những nhóm chính sau: khí hậu, HRUs, hồ, nước ngầm, sông chính và nhánh, đường phân thủy Để
dự báo một cách chính xác sự di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và dưỡng chất thì mô hình cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong lưu vực Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính, chúng có thể tồn tại riêng lẻ: Chu trình thủy văn nước ngầm: kiểm soát lượng nước, sự bồi lắng, dinh dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính Chu trình nước trong hệ thống sông: kiểm soát quá trình
di chuyển của dòng nước và quá trình bồi lắng diễn ra từ trong hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa sông
3.2 Dữ liệu đầu vào của mô hình SWAT
Dữ liệu đầu vào của SWAT được sắp xếp theo từng cấp độ chi tiết: lưu vực, tiểu lưu vực hay đơn vị thủy văn Những đối tượng đơn lẻ như: hồ, nguồn điểm có dữ liệu đặc trưng của đối tượng đó, và cũng nằm trong của lưu vực Phương pháp được lựa chọn để mô hình hóa khả năng bốc hơi trực tiếp và gián tiếp sẽ ứng dụng trên tất cả các đơn vị thủy văn (HRU) Dữ liệu ở mức độ tiểu lưu vực là những số liệu giống nhau trên tất cả HRUs trong tiểu lưu vực đó nếu dữ liệu thuộc một quá trình được mô hình trong HRU Tương tự với dữ liệu ở cấp HRUs
a Dữ liệu không gian
- Dữ liệu địa hình:
Dữ liệu địa hình thể hiện bằng bản đồ số mô hình độ cao (DEM - Digital Elevation Model) DEM là dữ liệu dạng raster, được xác định dựa trên tập hợp các điểm độ cao
- Dữ liệu đất:
Đầu vào của mô hình SWAT được phân chai thành hai dạng đặc trưng về tính chất vật
lý và tính chất hoá học Đặc tính vật lý của đất chi phối sự di chuyển của nước và không khí xuyên qua các lớp đất và đó gây tác động chính lên vòng tuần hoàn của nước trong phạm vi của HRU Trong khi các đặc trưng về tính chất vật lý là bắt buộc thì các đặc trung về mặt hoá học thì lại không bắt buộc
Trang 5- Dữ liệu sử dụng đất:
Hình thức sử dụng đất thể hiện các
hoạt động của con người trên khu vực nghiên
cứu Đây là một thành phần quan trọng của
dữ liệu đầu vào trong SWAT
Trên mỗi đơn vị diện tích ứng với mỗi
loại hình sử dụng đất, SWAT sẽ ứng dụng
các mô hình để tính toán, xác định, mô
phỏng sự di chuyển chất ô nhiễm trong đất,
nước trên phạm vi toàn khu vực nghiên cứu
b Dữ liệu thời tiết
Cơ sở dữ liệu thời tiết được chứa trong
file Access gồm:
- Hệ thống file dữ liệu trạm đo thời tiết
- Hệ thống file chứa số liệu mưa theo
ngày của từng trạm
- Hệ thống file chứa số liệu nhiệt độ
theo ngày của từng trạm
Dữ liệu thời tiết bao gồm các thành
phần:
- Trạm đo
- Lượng mưa + tuyết rơi
- Nhiệt độ không khí
- Độ ẩm không khí tương đối
- Năng lượng bức xạ mặt trời
- Tốc độ gió
Trong đó các số liệu về vị trí địa lý
trạm đo, khí hậu, lượng mưa của khu vực
nghiên cứu là các số liệu bắt buộc phải có
Các số liệu về độ ẩm không khí, năng lượng
bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí, tốc độ
gió… có thể tùy chọn có hoặc không phụ
thuộc vào điều kiện số liệu
Hình 3: Dữ liệu đất
Hình 4: Dữ liệu sử dụng đất
Trang 6Hình 5: Sơ đồ cấu trúc dữ liệu thời tiết
3.3 Kết quả nghiên cứu
Từ các dữ liệu về hiện trạng sử dụng đất, loại đất, mô hình số độ cao (DEM), độ dốc thì
mô hình SWAT sẽ tự động tạo ra các đơn vị thủy văn (HRUs) tại khu vực nghiên cứu Sau khi tạo ra các đơn vị thủy văn thì mô hình SWAT báo cáo cho chúng ta biết tỷ lệ diện tích của khu vực thuộc vào từng đơn vị thủy văn mà chúng ta đang xem xét (hình 6), bên cạnh đó mô hình SWAT cũng sẽ báo cáo cho chúng ta biết sự tác động của các yếu tố trên đến tình hình
xói mòn đất của từng lưu vực sông tại khu vực nghiên cứu (hình 7, 8)
Trạm đo thời tiết
(WEATHER)
- Số thứ tự ID
- Tên trạm
- Tọa độ địa lý
- Độ cao so với
mực nước biển
Lượng mưa (PCP)
- Số thứ tự ID
- Tên trạm
- Tọa độ địa lý
- Độ cao so với mực nước biển
Nhiệt độ (TMP)
- Số thứ tự ID
- Tên trạm
- Tọa độ địa lý
- Độ cao so với mực nước biển
HỆ THỐNG CÁC FILE DỮ LIỆU THỜI TIẾT
Hình 6: Elevation report
Trang 7Hình 7: Basin report
Hình 8: HRUs report
Trang 8Cuối cùng, khi đã được cung cấp đầy đủ dữ liệu đầu vào thì mô hình SWAT sẽ tiến hành phân vùng xói mòn đất theo từng cấp độ từ nhỏ đến lớn cho khu vực nghiên cứu bằng các công cụ tích hợp (hình 10)
Hình 9: Nhập dữ liệu thời tiết
Trang 93.4 Đánh giá chung
Mô hình SWAT còn có khả năng tự động tính toán được lượng đất bị xói mòn trên từng tiểu lưu vực theo các cấp độ của chúng Trong đề tài này chúng tôi đã dựa vào mô hình SWAT
để phân chia khu vực nghiên cứu thành 5 cấp xói mòn đất theo từng tiểu lưu vực (hình 10), và
mô hình SWAT đã tự động tính toán lượng đất bị xói mòn trên từng tiểu lưu vực như sau:
- Những tiểu lưu vực có mức độ xói mòn cấp 1 là những khu vực có màu sắc sáng nhất
và mô hình SWAT đã tính toán được lượng đất bị xói mòn của chúng là 1 - 8,8 tấn/ha/năm
- Những tiểu lưu vực có mức độ xói mòn cấp 2, 3, 4, 5 là những khu vực có màu sắc biến thiên theo chiều đậm dần và mô hình SWAT tính toán được lượng đất bị xói mòn của chúng lần lượt là: 8,8 - 16,6 tấn/ha/năm; 16,6 - 24,4 tấn/ha/năm; 24,4 - 32,2 tấn/ha/năm; >32,2 tấn/ha/năm
Bảng 1: Lượng đất bị xói mòn trên từng cấp xói mòn
4 KẾT LUẬN
Mô hình SWAT là mô hình tích hợp, có thể mô phỏng các quá trình diễn ra trong môi trường đất và nước SWAT xem xét nhiều mối quan hệ, nhiều biến khi giải quyết bài toán môi trường Điều này giúp người sử dụng có thế đánh giá chất lượng nước và đất trong thời gian dài trên khu vực rộng lớn và phức tạp Đặc biệt, SWAT có thể mô phỏng sự lan truyền ô nhiễm điểm và ô nhiễm phân tán trong đất và nước Mô hình SWAT là công cụ hỗ trợ đắc lực cho người ra quyết định để thực hiện bài toán quy hoạch, giúp dự báo những ảnh hưởng về mặt môi trường khi thay đổi quy hoạch sử dụng đất
Qua phân tích nhận thấy, việc xây dựng được một bản đồ phân vùng về quá trình xói mòn đất tại khu vực nghiên cứu bằng mô hình SWAT là khá chính xác giúp cho các nhà quản
lý dễ dàng xác định được những khu vực có khả năng xảy ra quá trình xói mòn đất để từ đó có những biện pháp thích hợp nhằm hạn chế sự tác động của quá trình này đến đời sống sinh hoạt cũng như các hoạt động sản xuất kinh doanh của người dân địa phương
Tuy nhiên, SWAT là một mô hình còn khá mới nên cơ sở dữ liệu sẵn có của chương trình vẫn chưa đáp ứng được cho nhu cầu ứng dụng thực tiễn vào từng khu vực và từng nước
cụ thể Một vấn đề gặp phải khi sử dụng mô hình SWAT là mô hình đỏi hỏi hệ thống dữ liệu đầu vào rất lớn, do đặc thù ở Việt Nam nên cơ sở dữ liệu nền còn rất thiếu, nằm rải rác không
Trang 10Tài liệu tham khảo
1 J.G Arnold (2004) Soil and Water Assessment Tool Input/Output Files Documentation
2 J.G Arnold (2008) ArcSWAT 2.0 Interface For SWAT 2005 Use’r Guide
3 Le Van Du, (2011) Farming practices and soil quality In: International workshop on Vegetable agroforestry and Cashew-cacao systems in Vietnam Ho Chi Minh City, Vietnam WASWAC Proceedings No 6a, pp 63-70
4 Luis F.Leon (2010) MapWindow Interface For SWAT Version 1.8
5 Luis F.Leon (2007) Step by step Geo - Processing and Set - up of the Required Watershed Data for MWSWAT
6 Garrity, D.P (1995) Improved agroforestry technologies for conservation farming: pathways toward sustainability In: Proc International workshop on Conservation Farming for sloping Upland in Southeast Asia: Challeges, Opportunities and Prospects IBSRAM, Bangkok, Thailand Proceedings No 14, pp 145-168
7 Nguyen Kim Loi and ect, (2011) Application SWAT for Nghia Trung subwatershed in Bu Dang district, Binh Phuoc province, Vietnam In: International workshop on Vegetable agroforestry and Cashew-cacao systems in Vietnam Ho Chi Minh City, Vietnam WASWAC Proceedings No 6a,
pp 207 - 219
8 Nguyễn Kim Lợi (2009) Ứng dụng mã nguồn mở trong đánh giá tác động của môi trường Trường Đại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh
9 Nguyễn Kim Lợi (2009) Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá chất lượng nước lưu vực sông
La Ngà Trường Đại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh
10 Nguyễn Ý Như (2009) Sử dụng mô hình SWAT đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố khí hậu, mặt đệm đến dòng chảy Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
11 Nguyễn Ý Như (2009) Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát ảnh hưởng của các kịch bản sử dụng đất lưu vực sông Bến Hải Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN
