TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA DIA CHAT VA KHOANG SAN
onone>
NGUYEN TAN THANG
UNG DUNG MO HiNH SWAT
PHUC VU DANH GIA O NHIEM NGUON NUOC
TREN LUU VUC HO SONG QUAO, TINH BINH THUAN
DO AN TOT NGHIEP KY SU DIA CHAT HOC
Mã ngành: 52440201
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TP.HCM KHOA DIA CHAT VA KHOANG SAN
DO AN TOT NGHIEP
UNG DUNG MO HiNH SWAT
PHUC VU DANH GIA O NHIEM NGUON NUOC
TREN LUU VUC HO SONG QUAO, TINH BINH THUAN
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Tấn Thắng MSSV: 0150100041
Khóa: 2012 — 2017
Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hồng Quân
Trang 3LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin gửi lời tri ân đến Ts Nguyễn Hồng Quân, người đã trực
tiếp hướng dẫn, định hướng cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài; Sau đó, em
Trang 4MỤC LỤC "ò,áyv ~ ,,ÔỎ 1 060670055 — ,Ô 2
1 TINH CAP THIET CUA DO AN TOT NGHIỆP - 22 +222+2EE+2Ezz+2Ezz+rxez 2 2 MUC TIEU CUA DO AN TOT NGHIEP 0 ccccccccsessseeessseseseeeseseesesseeseseeeseseesese 3
3 NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 2-22222EE+22EEE++EEEE2Exxrrrrex 4 4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 222 +222222EEE+22EEE222112713E22712 2721 xe 5
4.1 Phương pháp thu thập, tham khảo tài liệu -5+5+5+>+>++s>x+e+xssz 5 4.2 Phương pháp chuẩn bị dữ liệu - 22©©2+2222+2EE+2EEE2EEE22EE2222EEEEerrrrrrer 5 4.3 Phương pháp mơ hình tốn học - 22522 +2+*+#+S+S+E+E+E£££zEzEzEzezzezxzxze 5
9:01 ienm .ÔỎ 6 "e5 ~ ,ÔỎ 6
1.1 TÔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC 6
1.1.1 NĐgOảI NƯỚC - - G2 222121321211 21 5121121212111 21 21 11 1112111111 6 LL.D Tromg nue oo 6
1.2 GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU - 2+2Ez2+22E+++2E2+z+2Exerrrrxee 8 9:01 iee mm ,ÔỎ 10 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - 2< 2££2s££E+seezzssezvszee 10
2.1 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP, THAM KHẢO TÀI LIỆU 10
2.1.1 Thu thập tài liệu dữ liệu liên quan - 25252 5++2+z+z£z>+zzzzezeezezs 10 2.1.2 Lựa chon mô hình nghiên cứu +2 2222 +2++++++EzE£z>z>zxzxzezzzers 10
2.1.3 Lý thuyết về mô hình SWATT 2-©222+22+22E1222112221222112211222 xe 12 2.1.4 Lý thuyết về hiệu chỉnh kiểm định kết quả từ SWAT 17
2.2 PHUGNG PHAP CHUAN BỊ DỮ LIỆU 22-©222222222222E222EEEzzrrrrrre 18
2.2.1 Trích lục bản đồ địa hình 2- -22+222+2EE2SEEE22E122711221127112211212 2E e 18 2.2.2 Thành lập bản đồ lớp phủ (land-cover map), 2222222222222 18
2.2.3 Trích lục bản đồ thổ nhưỡng (soil map) .2-22- 2222222 2zz2£zz+czzez 21
2.2.4 Str ly dit lidu khi tung oo eeccceeecceeecsseeessseesesseessseesesseeseseesssseseseeeseseeee 21
Trang 52.3.3 Khai thác dữ liệu đầu ra của mô hình 2222 +s22E2EE2E2EE2EE2222E2EE2z S2 33 9:19 iee.—- Ô 34 35M9)0/02/09.7 (0000797277 34 3.1 KẾT QUẢ CHUÂẨN BỊ DỮ LIỆU 2-22 ©2222EEE2EEE2EEE222E222222222-2E2.ee 34
3.1.1 Dữ liệu địa hình, hệ thống mạng sông 2-22 z2+EE£+2Eze+zxz+rzz 34
3.1.2 Dữ liệu sử dụng đất -2-©2222222223222212211271227112112211 e1 erre 34 3.1.3 Dữ liệu thổ nhưỡng 2-22 22+2EEE2EEE22EEE221127122711227122711211 2.1 rye 36 3.1.4 Dữ liệu thời tiẾ -2- 222222 22122211221122211221121112111221212 2e re 36 3.2 KÉT QUẢ KIÊM ĐỊNH MƠ HÌNH 2-22E2EEE27EE27EE27EE 2E EEEEerrrree 38 3.3 KET QUA MO PHONG CHAT LƯỢNG NƯỚC . 2-©7222222+25+zz 39
3.3.1 Kết quả mô phỏng chất lượng nước . ©sz+2zz+22xz+2zx+zrxerrrerree 40
3.3.2 Đánh giá độ tin cậy của mô hình - 2525222 ++S+S+E£££z>zzzzzzzzzzzzxzxz 44
KÉT LUẬN VÀ KIN NGHỊ, 2-2 se ©sZ€EsesseEssersetrsersserssrrsersee 47 KẾT LUẬẬN, ©-2-+22222EE2222122212711271121112211211221112112111112.011 211212 cee 47 KIÊN NGHỊ 22 222+2222222E22E1271127112211127112111221121121112112.011 21111211 cee 47 TÀI LIỆU THAM KHHẢO -2- 2< ©2222 E2€E2z£Eeszezsezszevzsere 48
PHU LUC 157 — ÔỎ 50
Trang 6Bang 2.1 Bang 2.2 Bang 2.3 Bang 3.1 Bang 3.2 Bang 3.3 Bang 3.4
DANH MUC BANG
Thong tin anh vé the oo 19
Thông tin bảng dò lớp phủ - - 5 525252 S2*2E2E££E£E+E+E£EzErxrxresererrrrerre 26 Thông tin bảng dò các lớp thổ nhưỡng - -2-©2222z222EE£+EzEz+zzz+rzzez 27 Diện tích sử dụng đất trên lưu vực Sông Quao -52cScscsscsscsxes 35
Thông tin các trạm khí tượng sử dụng trong đề tài eee 37
Trang 7DANH MỤC HÌNH
Hình 1 Quy trình thực hiện đề tài 222 S22222222222221122711222711227111227112221122211 Xe 4
Hình 1.1 Ranh giới lưu vực hồ sông Quao (Nguôn: Open Street Múap) - 9
Hình 2.1 Vòng lặp hru/ tiêu lưu VựC 2-©2222222222222222112227122221122271122211222221Xee 15
Hình 2.2 Chu trình thủy văn trong pha đất (Nguồn: SW⁄4T 1O) - 15 Hình 2.3 Sơ đồ quá trình diễn ra trong dòng chảy (Nguồn: SW⁄4T 1O) 17
Hình 2.4 Cấu trúc tập tin đữ liệu khí tượng 22+222222EEE22222122272222222222222.-ee 21 Hình 2.5 Cấu trúc tập tin khí tượng thu thập được 2-©z+2zz+2zz+2zxz+rrxrrrex 22 Hình 2.6 Các bước thiếp lập mô hình 222222EE222EEE222EEE22222122272222222222222 ee 22
Hình 2.7 Phân định lưu VựC + 2E SE E231 E11 E51 911 91 931 T1 vn Hưng rườn 23
Hình 2.8 Hệ thống mạng dòng chảy trong mô hình -22+222222E2222222z+2222zz2 24
Hình 2.9 Ranh giới lưu vực và tiểu lưu vực trong mô hình 2- s+s+s+s<zs+s 25 Hình 2.10 Vị trí các điểm tiếp nhận chất ô nhiễm trên lưu vực . -z sssz¿ 26 Hình 2.11 Xác định các đơn vị thủy văn . - ¿5+ +22 S222 2222x232 22x eErrrrrrrrrrrree 27 Hình 2.12 Giao diện điều khiển kết nối cơ sở đữ liệu -222S2E2EE2EE2E2EE2222E2-ze2 28 Hình 2.13 Nhập dữ liệu khí tượng vào mô hình + + + s+s+s+++zzszEzzzz>zzzxzzz++ Hình 2.14 Ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu SWAT
Hình 2.15 Thiết lập thông tin mơ phỏng 2: ©22+EE2+EE£+EEE22EE2+EEEz2EEzrrrrrrrex Hình 2.16 Bắt đầu mô phỏng 2- 2+2 2EEE+2EEESEEE2EEEE171122712171121122711211 E1 y0 30
Hình 2.17 VỊ trí các tập tin cần chỉnh sửa trong SWAT-CUP -s+ssss+ss+ 31
Hình 2.18 Thiết lập số lần hiệu chỉnh 22 ©2222SC22222EE222E2E22222122271222221222222-<ee 31
Hình 2.19 Thời gian mô phỏng . - ¿2 2-2222 S+S+S+E+E£££E+E+E£E£EEzErxzErererrrsrrerere 31
Hình 2.20 Nhập dữ liệu thực đo vào SWAT-CUP +5 -55252S222*2*+z£zzzezxzezezere 32
Hình 2.21 Tập tin SUFI2_extract_rch.def ¿+ 522252 S22+E+E+E+££zEzxzEzexerexrrrerre 32
Hình 2.22 Quá trình hiệu chỉnh bắt đầu -2ccccccccc+ttttrrrrrrrrrrerrrrrrrrr 32
Hình 3.1 Ảnh ASTER DEM (trái) và hệ thống mạng sông (phải) - 2-22 34 Hình 3.2 Ảnh vệ tinh năm 2003 tại Sông Quao (trái) và kết quả phân loại (phải) .35 Hình 3.3 Bản đồ thô nhưỡng tại lưu vực Sơng Quao ©-2-©22222zz+2Ezzvrrerrrex 36
Hình 3.4 Vị trí các trạm khí tượng sử dụng trong đề tài -22©2-z+2czz+rzsrree 37
Hình 3.5 Biểu đồ lượng mưa tại trạm KTTV Phan Thiết năm 2014 37
Trang 8Hình 3.7 Lưu lượng dòng chảy quan trắc và mô phỏng (2010 - 2014) 38
Hình 3.8 Ranh giới các tiểu lưu vực tại lưu vực Hồ Sông Quao - 39
Hình 3.9 Lưu lượng dòng chảy ra khỏi lưu vực (2014-2015) Al
Hình 3.10 Lượng Nitrat được vận chuyên ra khỏi lưu vực (tính theo ngày) 42 Hình 3.11 Lượng Amoni được vận chuyên ra khỏi lưu vực (tính theo ngày) 42
Hình 3.12 Lượng Phosphat được vận chuyền ra khỏi lưu vực (tính theo ngày) 43
Hình 3.13 Lượng nitrit được vận chuyên ra khỏi lưu vực (tính theo ngày)
Hình 3.14 So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Amoni 44 Hình 3.15 So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Phosphat
Hình 3.16 So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Nitrit
Hình 3.17 So sánh giá trị thực đo và mô phỏng thông số Nitrat -2-22 45
Trang 9TÓM TẮT
SWAT là một công cụ mô hình thủy văn khá mạnh mẽ, được sử dụng cho các
lưu vực sông có hướng dòng chảy ổn định theo một chiều Việc áp dụng SWAT vào mô phỏng các lưu vực sông tại Việt Nam sẽ giúp cho việc quản lý, dự báo chất lượng và lưu lượng nguồn nước trở nên hiệu quả hơn Nhằm mục đích áp dụng SWAT vào
lưu vực Sông Quao, tỉnh Bình Thuận, dé tai đã hoàn thành việc mơ phỏng tồn bộ lưu
vực với điện tích 296 km? bằng phần mềm QSWAT 2012 và hoàn tất quá trình hiệu
Trang 10MỞ ĐẦU 1 TINH CAP THIET CUA DO AN TOT NGHIEP
Trong qua trình phát triển của xã hội loài người, con người đã liên tục lấy đi những thứ quý giá từ môi trường sống và trả lại môi trường những thứ hầu như không còn giá trị sử dụng hay những chất độc hại làm cho môi trường đang ngày càng suy thoái; vì thế cho nên trước đây chúng ta vẫn nhằm tưởng rằng nước ngọt là vô tan nhưng hiện tại nó đang ngày càng trở nên khan hiếm hay nhiễm bân không sử dụng
được Thậm chí tại nhiều quốc gia nhu Uganda, Trung Phi, Kenya, nơi mà có tới hơn
30% dân số là người nghèo nhưng lại phải mua nước ngọt với giá cao hơn cả nhiên liệu, những gia đình có thu nhập thấp hầu như không có khả năng chỉ trả cho nước sạch nên họ đã chấp nhận sống bằng nước bị nhiễm bản và phải đối mặt với nguy cơ
bệnh tật hàng ngày Tại hội nghị môi trường của Liên Hiệp Quốc năm 1977 đã cảnh
báo: “sau nguy cơ về dầu mỏ thì con người phải đương đầu với nguy cơ về nước” Có thể nói, tình hình thiếu nước ngọt trầm trọng tại nhiều quốc gia trên thế giới hiện nay là lời cảnh báo thiết thực nhất cho những quốc gia khác, nó nói lên viễn cảnh cho một tương lai không xa nếu như các quốc gia không có biện pháp bảo vệ nguồn nước hợp
lý
Tại Việt Nam, việc bảo vệ nguồn nước đang được xem là vấn đề cấp thiết bởi lẽ
hàng nghìn con sông, suối dài hơn 10km và hàng trăm hồ, ao chưa được quản lý, gần 50% trong số đó đang bị ô nhiễm vừa và nhẹ Đảng nhà nước ta cũng đã có những giải pháp thiết thực như tiến hành xây dựng nhiều công trình thủy lợi tích trữ nước như hồ, đập, kênh, rạch tiến tới sử dụng nguồn nước hiệu quả hơn Tuy nhiên có một vấn đề nảy sinh đó là khi xây dựng các công trình thủy lợi sẽ dẫn tới việc thay đổi chế độ dòng chảy; thay đổi các đặc tinh thủy động học; thay đổi khả năng tiếp nhận, sử lý 6 nhiễm trên dòng chảy và việc thay đổi đó sẽ gây ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình sử dụng nước đưới hạ lưu Do đó cần phải có các công cụ để đánh giá khả năng tiếp nhận chất ơ nhiễm trên tồn lưu vực hỗ trợ quản lý hiệu quả quá trình vận hành các công
trình thủy lợi
Trang 11tưới cho 8.120 ha đất canh tác thuộc huyện Hàm Thuận Bắc Tuy nhiên, hiện nay năng lực tưới thiết kế công trình tăng lên 12.000 ha do mở rộng khu tưới và nhờ nguồn nước bổ sung từ đập Đan Sách và nguồn nước từ thủy điện Đại Ninh Hiện tại có ba nhà máy nước sử dụng nguồn nước từ hồ sông Quao cấp nước cho thành phố Phan Thiết và một phần của huyện Hàm Thuận Bắc với tổng công suất khoảng 53.360 mỶ/ngày.đêm Tuy nhiên, chất lượng nước hồ sông Quao và hệ thống kênh dẫn cấp
nước sinh hoạt đã, đang và sẽ chịu các tác động tiêu cực bởi các hoạt động kinh tẾ - xã hội (hoạt động trồng trọt, chăn nuôi gia súc, gia cầm, thủy sản) trên lưu vực Kết quả quan trắc năm 2013, 2014 do Chi cục Bảo Vệ Môi Trường tỉnh Bình Thuận thực hiện tại đập Phú Hội và đập sông Quao cho thấy nguồn nước đã bị ô nhiễm chất hữu cơ và
dinh dưỡng;
SWAT là một công cụ mô hình hóa mạnh mẽ cho phép mô phỏng nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực, mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng nguồn tài nguyên đất đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra do mat rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng
thời gian dài Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mô hình trước đó là khi mô
phỏng SWAT sẽ phân chia lưu vực lớn thành các tiêu lưu vực, các đơn vị thủy văn
(phụ lục trang PL 1) dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ
chi tiết mô phỏng về mặt khơng gian Ngồi ra, với việc tích hợp sẵn công cụ SWAT-
CUP giúp tự động hóa quá trình kiêm định mô hình cũng là một lợi thé cua SWAT
Từ những lý do trên nên sinh viên đã chọn đề tài “Ứng dụng mô hình SWAT phục vụ đánh giá ô nhiễm nguồn nước trên lưu vực hồ sông quao, tỉnh bình thuận”
2 MỤC TIÊU CỦA ĐÒ ÁN TÓT NGHIỆP
Trên cơ sở tiến tới hồn thành mơn học Đồ Án Tốt Nghiệp, sinh viên đã chọn
nghiên cứu đề tài “Ứng dụng mô hình SWAT phục vụ đánh giá ô nhiễm nguồn nước
trên lưu vực hé Sông Quao, tỉnh Bình Thuận” mục tiêu được đề ra bao gồm:
> Tìm hiểu mô hình SWAT;
> Chuẩn bị đữ liệu cho mô hình; > Tiến hành chạy mô hình SWAT;
Trang 12> Sử dụng kết quả bộ dữ liệu đầu ra của mô hình đề đánh giá nguồn ô nhiễm
của lưu vực;
3 NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Quá trình thực hiện đồ án được chia thành 4 giai đoạn chính như sau:
> Giai doan 1: Tim hiểu về khu vực nghiên cứu, đặc biệt là tìm hiểu về quá
trình các hoạt động kinh tế xã hội của con người sống trên lưu vực gây tác
động đến lưu vực; các hoạt động tự nhiên có ảnh hưởng đến lưu vực
> Giai đoạn 2: Thu thập các loại tài liệu, dữ liệu cần có để chạy mô hình SWAT Thực hiện chỉnh lý, tổng hợp để đảm bảo dữ liệu có thể sử dụng
được cho mô hình
> Giai đoạn 3: Tiến hành chạy mô hình và kiểm định để kết quả của mô hình có thể tin cậy và sử dụng được
> Giai đoạn 4: sử dụng kết quả của mô hình để đánh giá nguồn ô nhiễm trên lưu vực
Vì thời gian và nguồn lực thực hiện có hạn nên đề tài chỉ thực hiện ở bước đầu
nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT kết hợp véi GIS (Geographic Information Swstem) đê bước đầu hỗ trợ ứng dụng mô hình SWAT phục vụ đánh giá ô nhiễm nguồn nước trên lưu vực hồ sông quao, tỉnh bình thuận Mục tiêu đánh giá chất lượng nước ~ ( Thu thập, xử lý dữ liệu ) ‹ ự Ỉ I +
Bản đồ Bản đồ Bản đồ Dữ liệu Quy chuẩn quốc gia
địa hình sử dụng đất thổ nhưỡng thời tiết về chất lượng nước ` Ghichép ` - ` \ dữ liệu đầu vào / / Chòng lớp \ » “ { str dung dav’ | _ { ¬ XY đầu độ dắc / —L— _ " ( Xử lý DEM x Xácđnh `N / \ Í ` dòng chảy 3 a } Donvi `V SỸ (Chạy mô hình } D7 cL J ` | thủy văn _—_* = Tiểu ( Đinhnghia >», y |
(Binh ngtia | lưu vực | \ gon vi thủy văn / Théngs6
X.CƯa xa lưu Vực / ` : Z ¬ Phân tích ~ Kiểm định :2 H chất lượng >{ Đối chiếu ) x { Ấ c
Trang 134 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1 Phương pháp thu thập, tham khảo tài liệu
Thu thập các loại bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thô nhưỡng, bản đồ
hành chính từ Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam (VQHTLMN)), Thu thập dữ liệu
quan trắc khí tượng thủy văn tại tổng cục thống kê tỉnh Bình Thuận, Thu thập dữ liệu
quan trắc chất lượng nước tại Viện Môi Trường Và Tài Nguyên TP.HCM
4.2 Phương pháp chuẩn bị dữ liệu
Phương pháp chuẩn bị dữ liệu là phương pháp sử dụng kết hợp kiến thức trong nhiều lĩnh vực khác nhau nhằm phân tích, tổng hợp, sử lý và chuẩn hóa dữ liệu phù hợp với yêu cầu dữ liệu đầu vào của mô hình
4.3 Phương pháp mô hình toán học
Trang 14CHƯƠNG 1
TỎNG QUAN
1.1 TÓNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƯỚC
1.1.1 Ngồi nước
Nghiên cứu của Kyle Glazewski, Bethany Kurz, and Daniel Stepan (Trung tâm nghiên cứu năng lượng và môi trường (EERC) Grand Forks, North Dakota) đã phát triển công cụ SWAT vào việc đánh giá chất lượng nước của sông Hồng ở lưu vực
miền Bắc Một quan hệ đối tác, được thành lập vào năm 1996, giữa EERC, Bộ Nông
nghiệp Mỹ (USDA), và các bên liên quan trong sông Hồng của lưu vực miền Bắc Mục tiêu tổng thể của nghiên cứu là cung cấp thực tế, các bên liên quan thúc day ky
thuật đầu vào cho sự phát triển của một chiến lược quản lý lưu vực dài hạn, tập trung
vào số lượng và chất lượng nước nhằm đảm bảo sự phát triển kinh tế liên tục của khu
vực
T.F A Bishop & S Grunwald đã ứng dụng mô hình SWAT dé đánh giá chất
lượng nước lưu vực sông Sandusky, Ohio Mục tiêu của nghiên cứu là tích hợp mô
hình Swat và GIS nhằm đánh giá chất lượng đất và nước Trong khi chất lượng nước
đã được cải thiện , vẫn còn có thể thực hiện cải tiến được bằng cách giảm ô nhiễm nguồn Các Sandusky là lớn thứ hai của Sông Ohio chảy vào hồ Erie và như vậy cũng
ảnh hưởng đáng kể tới hồ Erie Nghiên cứu trình bày trong bài viết này là một phần
của một dự án lớn nhằm mục đích đo đạc và xác nhận mô hình SWATT để mô hình hóa chất lượng nước trong lưu vực sông Sandusky
1.1.2.Trong nước
Tại Việt Nam, SWAT bắt đầu du nhập từ năm 1998 Từ những nghiên cứu nhỏ
lẻ, rải rác ở một số khu vực ban đầu, đến nay mô hình SWAT đã được ứng dụng rộng
rãi trong các lĩnh vực quản lý lưu vực sông trên cả 3 miền: Bắc, Trung, Nam với những quy mô, mức độ khác nhau Một số nghiên cứu tiêu biểu trong lĩnh vực này được đánh giá cao có thể kế đến như nghiên cứu “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Đáy trên địa bàn thành phố Hà Nội” của nhóm tác giả Lê Văn Linh, Nguyễn Thanh Sơn tại lưu vực sông Đáy
Trang 15động của biến đổi khí hậu, trên cơ sở đó tác giả đã đưa ra dự báo biến động dòng chảy trong những năm tiếp theo tại khu vực nghiên cứu góp phần phát hiện sớm những khu vực đễ bị tác động thay đổi dòng chảy;
Nguyễn Thanh Tuấn (2011) ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT đánh
giá chất lượng nước lưu vực hồ Dầu Tiếng Đề tài được thực hiện nhằm các mục tiêu
sau: Nghiên cứu lý thuyết về mô hình SWAT trong phần mềm Map Window Thu thập
dữ liệu xây dựng bản đồ đất, bản đồ sử dụng đất, bản đồ địa hình và đữ liệu thời tiết,
từ đó tiến hành thực hiện trên mô hình SWAT đề đánh giá chất lượng nước của lưu
vực hồ Dầu Tiếng Đề xuất những giải pháp thích hợp để bảo vệ và nâng cao chất lượng nước của hồ Dầu Tiếng Kết quả của đề tài đã xây dựng được bảng thông số chất lượng nước của lưu vực hồ Dầu Tiếng phần nào đánh giá được chất lượng nước của lưu vực và của hồ Dầu Tiếng
Nghiên cứu “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tài nguyên nước khu vực thượng nguồn đầm Thị Nại phục vụ phát triển bền vững tỉnh Bình Định” (2014) của nhóm tác giả Nguyễn Hồng Quân, Mai Toàn Thắng Đề tài đã thực hiện mô phỏng toàn bộ quá trình thủy văn trên lưu vực và chủ động đánh giá kết quả mô phỏng bằng phần mềm SWAT-CUP Kết quả của nghiên cứu này chỉ là bước đầu làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về cân bằng nước trên lưu vực hay làm đầu vào cho mô hình
lan truyền chất và vận chuyên bùn cát trong đầm Thị Nại
Năm 2010, nhóm nghiên cứu thuộc Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi khí hậu —
Trường Đại học Nông lâm TP.HCM do PGS.TS Nguyễn Kim Lợi làm trưởng nhóm, phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu Biến đổi khí hậu vùng Đông Nam Á và Trường
Đại học Cần Thơ thực hiện nghiên cứu sơ bộ ứng dụng mô hình SWATT trong đánh giá
ảnh hưởng của biến đối khí hậu đến lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn tỉnh Quảng Nam Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã phân nhóm các tiêu lưu vực dễ bị ảnh hưởng
bởi lũ dựa vào lưu lượng nước vào, ra tại các tiểu lưu vực và bước đầu giúp cảnh báo sớm tình hình lũ tại khu vực nghiên cứu
Năm 2015, tiếp nối nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT trong đánh giá ảnh
hưởng của biến đối khí hậu, nhóm nghiên cứu liên ngành đã thực hiện đề tài "Hệ hỗ
trợ trực tuyến cảnh báo lũ cho lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam” với mục tiêu
xây dựng hệ thống cảnh báo lũ sử dụng các thông tin trực tuyến thông qua việc ứng
Trang 16dụng GIS, công nghệ thông tin truyền thông và mô hình SWAT Cụ thể, xác định vùng có nguy cơ xảy ra lũ, đỉnh lũ thông qua mô hình SWAT; cung cấp website trực tuyến
về tình trạng lũ, hỗ trợ giao diện điện thoại di động; hỗ trợ cộng đồng vùng nguy cơ
bằng tin nhắn SMS
Có thể thấy mô hình SWAT cũng đã nhận được một sự quan tâm đặc biệt từ
giới khoa học trên khắp cả nước Tuy nhiên hiện tại mô hình SWAT chỉ mới được
thực hiện tại một số nơi nên cần nghiên cứu phát triển thêm để đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững kinh tế xã hội trên địa bàn toàn quốc
Luận văn được thực hiện trong khuôn khổ đề tài “Điều tra, đánh giá các nguồn
gây ô nhiễm và đề xuất giải pháp tổng hợp quản lý chất lượng nước hồ Sông Quao đảm bảo an toàn cấp nước cho thành phố Phan Thiết và vùng phụ cận”, của tác giả Nguyễn Hồng Quân, Lê Việt Thắng, Viện Môi Trường Và Tài Nguyên, năm 2015
1.2 GIỚI THIỆU KHU VỰC NGHIÊN CỨU
Lưu vực hồ Sông Quao (Hình 1.1) có diện tích 296 km2 nằm trên địa phận
huyện Hàm Thuận Bắc, tỉnh Bình Thuận và một phần diện tích thượng nguồn nằm trên
địa phận huyện Di Linh, tỉnh Lâm Đồng Do phần lớn diện tích lưu vực có dạng địa
hình đồi núi nên dân cư khá thưa thớt, hoạt động kinh tế xã hội trên lưu vực tương đối ít phát triển Riêng một số đoạn trên kênh chính đồ vào hồ sông quao có xuất hiện hoạt
động nuôi trồng thủy sản với quy mô nhỏ Hiện nay, thượng nguồn sông quao đang
phải đối mặt với tình trạng suy giảm đất rừng nghiêm trọng do các hoạt động chặt phá
Trang 18CHƯƠNG 2
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 PHƯƠNG PHÁP THU THẬP, THAM KHẢO TÀI LIỆU 2.1.1 Thu thập tài liệu dữ liệu liên quan
Các tài liệu liên quan đến tình hình kinh tế - xã hội, các dữ liệu bản đồ, dữ liệu
bản đồ số độ cao, ảnh vệ tinh có liên quan đến khu vực nghiên cứu được tiến hành thu
thập; các tài liệu cơ sở lý thuyết và hướng dẫn sử dụng QGIS, SWAT, SWAT-CUP và
các tài liệu có liên quan đến quá trình thực hiện đề tài cũng được thu thập
2.1.2 Lựa chọn mô hình nghiên cứu
Hiện nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, việc ứng dụng
công nghệ thông tin vào quản lý các khía cạnh cuộc sống như quản lý về tài nguyên, môi trường đang dần trở thành xu thế mới của xã hội Theo đó, các mơ hình tốn được xem như là phương thức để mô phỏng các quá trình trong thực tế vào máy tính cũng đang dần được quan tâm phat trién mạnh đáp ứng nhu cầu ngày càng cao cũa xã hội Ưu điểm mơ hình tốn ở chỗ cho kết quả tính toán nhanh, giá thành rẻ, dé dang
thay đổi các kịch bản bài toán, Lựa chọn mô hình là khâu rất quan trọng cần thực
hiện trước tiên trong phương pháp nghiên cứu bởi lẽ khi lựa chọn mô hình phù hợp với
khu vực nghiên cứu, đáp ứng được yêu cầu của đề tài thì sẽ nâng cao tính hiệu quả
trong quá trình thực hiện đề tài
Đối với quản lý nguồn nước, hiện nay cũng đã có rất nhiều mô hình đang được
áp dụng và có hiệu quả khá cao có thê kê đến ở đây như [4]:
> M6 hinh WASP7 (Water Quality Analysis Simulation Program 7) là mô
hình được xây dựng dựa trên mô hình WASP trước đó (Mô hình này được
xây dựng bởi Di Toro, 1983; Connolly and Winfield, 1984; Ambrose, R.B,
1988)
> Mô hình AQUATOX là mô hình mô phỏng hệ sinh thái thủy sinh Mô hình
có thê dự báo quá trình suy tàn do nhiều loại chất gây ô nhiễm môi trường
Trang 19Mô hình QUAL2K (hay Q2K) (River and Stream Water Quality Model) được nâng cấp từ mô hình trước đó là QUAL2E Đây là mô hình mô phỏng CLN suối và sông một chiều với giả thuyết đoạn sơng tính tốn xáo trộn hoàn toàn (theo phương ngang và phương đứng)
DELFT 3D của Viện nghiên cứu thuỷ lực Hà Lan cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 3 chiều với mô hình chất lượng nước Ưu điểm của mô hình này là việc kết hợp giữa các mơ đun tính tốn phức tạp để đưa ra những kết quả tính mô phỏng cho nhiều chất và nhiều quá trình tham gia
SMS của Trung tâm nghiên cứu và phát triển kỹ thuật của quân đội Mỹ xây dựng cho phép kết hợp giữa mô hình thuỷ lực 1, 2 chiều với mô hình chất lượng nước, trong đó mô đun RMA4 là mô hình số trị vận chuyên các yếu tố
chất lượng nước phân bố đồng nhất theo độ sâu Nó có thé tính toán sự tập
trung của 6 thành phần bảo tồn hoặc khơng bảo tồn được tính toán theo
lưới 1 chiều hoặc 2 chiều
ECOHAM (phiên bản 1 và 2) là mô hình số 3D kết hợp giữa mô đun thủy
lực với mô đun sinh thái được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của trường Đại Học Hamburg (Đức) Mô hình chủ yếu tính toán dựa trên chu trình của các hợp phần của nitơ và phospho trong đó có tính đến cả thực vật và động vật phù du trong nước biên
ECOSMO (ECO System Model) là mô hình cặp ba chiều bao gồm thủy động lực; băng biển và sinh địa hóa Mô hình được phát triển dựa trên mô
hình thủy động lực HAMSOM (HAMburg shelf Ocean Model) đã được liên
kết mô-đun động lực- nhiệt động lực biển-băng (Schrum và Backhaus,
1999) và mô-đun sinh học (Schrum, 2006)
BASINS của EPA nhằm trợ giúp đánh giá kiểm tra hệ thống dữ liệu thông
tin môi trường, giúp các hệ thống phân tích môi trường và phân tích các phương án quản lý Một điểm nổi bật của BASINS là đã đưa vào cách tiếp cận mới dựa trên nền tảng lưu vực sông, có kết hợp quản lý đữ liệu không gian thông qua hệ thông tin địa lý GIS
Bộ phần mềm MIKE do Viện Thuỷ lực Đan Mạch (DHI) phát triển và được
thương mại hoá Một đặc điểm mạnh của MIKE là tương đối dễ sử dụng với
Trang 20ứng dụng có giao diện trực quan trên nền Windows, kết hợp chặt chẽ với
GIS MIKE tích hợp các mô-đun thuỷ lực (HD) và chất lượng nước (ECO Lab), bao gồm: thuỷ lực, truyền tải - khuếch tán chất lượng nước MIKE là một mô hình với nhiều tính năng mạnh, khả năng ứng dụng rộng rãi cho
nhiều dạng thuỷ vực khác nhau
> Trong nghiên cứu này, với mục tiêu mô phỏng và đánh giá chất lượng nước
mặt lưu vực hồ Sông Quao, nghiên cứu đã lựa chon m6 hinh SWAT, boi nó
đáp ứng được các tiêu chí như: cho phép mô phỏng lưu vực theo hướng dòng chảy một chiều; cho phép mô phỏng lưu lượng dòng chảy và chất
lượng nước với độ chính xác khá cao và đã được kiểm nghiệm thực tế; giao
diện thân thiện, dễ sử dụng: có khả năng tích hợp với GIS; mô hình SWAT
được cung cấp hoàn toàn miễn phí 2.1.3 Lý thuyết về mô hình SWAT
đ) Lịch sử thành và phát triển của mô hinh 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 25 (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 dựa trên cơ sở về mặt vật ly két hop voi
những phép toán hồi quy để thể hiện mối quan hệ giữa giá trị thông số đầu vào và
thông số đầu ra Mô hình yêu cầu thông tin về thời tiết, thuộc tính của đất, tài liệu địa
hình, thảm phủ, và việc sử dụng đất trên lưu vực Những quá trình vật lý liên quan đến
sự chuyên động nước, sự chuyển động bùn cát, quá trình canh tác, chu trình chất dinh
dưỡng, v.v đều được mô phỏng trực tiếp trong mô hình SWAT qua việc sử dụng dữ liệu đầu vào này
Mô hình SWAT có những ưu điểm so với các mô hình trước, đó là: lưu vực
được mô phỏng mà không cần đữ liệu quan trắc; khi thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí
Trang 21vực rộng lớn hoặc hỗ trợ ra quyết định đối với những chiến lược quản lí đa dạng, phức
tạp với sự đầu tư kinh tế và thời gian thấp; cho phép người sử dụng nghiên cứu những tác động trong thời gian dài Nhiều vấn đề hiện nay được SWAT xem xét đến như sự tích lũy chất ô nhiễm và những ảnh hưởng đến vùng hạ lưu
SWAT tích hợp nhiều mô hình của ARS, nó được phát triển từ mô hình mô
phỏng tài nguyên nước lưu vực nông thôn Những mô hình góp phan vào sự phát triển của SWAT: hệ thống quản lí nông nghiệp về hóa chất, rửa trôi và xói mòn; mô hình những ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm, đây là phần mở rộng của CREAMS bao gồm bốn thành phần: thủy văn, xói mòn/ bồi lắng, sự di chuyên của thuốc bảo vệ thực vật và dinh dưỡng và mô hình tính toán những ảnh hưởng của các hoạt động sản xuất đến sự xói mòn (EPIC — Erosion Productivity Impact Calculator - Williams et al.,
1984)
Từ khi SWAT được xây dựng từ đầu thập niên 1990s, SWAT luôn được nghiên
cứu đề khắc phục khuyết điểm và nâng cao tính năng làm việc, những cải tiến lớn: > SWAT 94.2: su téng hop các đơn vị thủy văn (Hydro logic Response Units -
HRUs)
> SWAT 96.2: thêm vào những lựa chon trong quan li qua trình bón phân,
tưới nước; các hồ trữ nước, thành phần COz vào sự phát triển của cây trồng:
tính toán khả năng thoát hơi nước của Penman - Monteith; những dòng nước bên trong đất vào mô hình động học; tính toán chất lượng nước đối với các
thông số: phân bón và thuốc trừ sâu bằng mô hình chất lượng nước sông (QUAL2E)
> SWAT 98.1: thém vao cai tiến mô hình chất lượng nước và tan băng; mở rộng chu trình đinh dưỡng; những ứng dụng của trồng trọt, chăn nuôi và xét đến dòng nước mưa SWAT98.1 đã được ứng dụng nghiên cứu trên vùng
Southern Hemisphere
> SWAT 99.2: cai thién chu trình đinh dưỡng, thêm vào mô hình sự di chuyển dinh dưỡng ở vùng hồ, vùng đầm lầy; khả năng trữ nước trên các đoạn sông: su di chuyén của các kim loại Mô hình thay đổi cách biểu thị năm từ 2 chữ sô sang 4 chữ số
Trang 22> SWAT 2000: thém vao mô hình sự vận chuyén vi sinh vat; cai tién tram quan trắc thời tiết cho phép đọc các dữ liệu bức xạ mặt trời, độ âm, tốc độ
gid
> SWAT 2005: cai thiện mô hình sự vận chuyên vi sinh vật; thêm vào kịch
bản dự báo thời tiết, lượng mưa theo nửa ngày, thông số đề tính tốn cơng
nghệ Thêm vào đó, SWAT 2005 có một điểm nỗi bật là giao điện chương
trình khá thân thiệt với người dùng, được phát triển trên nền Windows, GRASS và ArcView, ngôn ngữ lập trình là Visual Basic
> SWAT 2012: Mở rộng khả năng thực thi đa nền tảng được tích hợp trên một số phần mềm GIS mã nguồn mở thông dụng như QGIS Tuy nhiên có có
một hạn chế khá lớn là trên các nền tảng hệ điều hành Unix hay Linux thì
SWAT vẫn chưa có giao diện người dùng nên bắt buộc người sử dụng phải
thao tác trên dòng lệnh gây khá nhiều bắt tiện
b) Các loại dữ liệu đầu vào mô hình SWAT
Yêu cầu số liệu vào của mô hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu không gian và số liệu thuộc tính
Số liệu không gian dưới dạng bản đồ bao gồm:
> Ban dé sé dé cao (DEM);
> Ban đồ lớp phu (land cover map); > Ban dé thé nhudng (soil map);
> Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực; Số liệu thuộc tính dưới dạng Database bao gồm:
> Số liệu về khí tượng bao gồm: nhiệt độ không khí, bức xạ mặt trời, độ âm, bốc hơi, tốc độ gió, mưa
> Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện
dat ;
c) Các quá trình co ban trong SWAT
SWAT xác định quá trình di chuyên nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi của lưu vực bằng cách sử dụng cấu trúc lệnh để tính toán và lặp qua từng đơn vị thủy văn (phụ lục trang PL.I) trong lưu vực (Williams and Hann,
Trang 23Nhập lệnh vòng lặp theo đơn vị thủy văn Đọc dữ nhiệt độ (néu thiếu sé tự dong
mô phỏng theo dữ liệu toàn cầu)
Bức xạ mặt trời, tốc độ gió, bốc thoát hơi
Tính toán nhiệt độ trong đất Tinh dong chay mặt và dòng thấm Dòng chảy mặt > 0
Tính toán lượng nước và dinh dưỡng
trong đât, trong thực vật, trong ao hô và
các vùng ngập nước, lưu lượng và chiều
cao mực nước ngầm Kết thúc vòng lặp
Hình 2.1 Vòng lặp hru/ tiểu lưu vực
Tính toán tỉ lệ hao hụt, lượng trầm tích, chất dinh dưỡng mang đi
Thêm vào đó, để thể hiện dòng di chuyên của hóa chất, SWAT mô phỏng sự
biến đổi của hóa chất trong kênh, rạch và sông chính Do đó, mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai pha chính (Susan L.N et al., 2009):
- Pha đất của chu trình thủy văn (Hình 2.2): kiểm soát lượng nước, phù sa, dinh dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra kênh chính AAAAAAA serra ad Bốc thoát nước tran? : tị crane Q:„; Tangré cay nước, Nước trong đắt ThamiRé cay hat Dòng chảy mật K NY ee Dòng chảy trễ bão hòa » Lo | | Weep ` Ỷ Tangkhong v
Tangnuoc Tha từ tả Tham vao tang en]
ngảm nông nước ngậm nông am nguoc tu tang nước ngậm nông H = 7 Déngehay Dong
hồi quy
Tangngan
ằ 6 Dòng chây ra khỏi : 2
Tângnước ngam sau Sou wire 3 Thám vào tảng nước ngam sau
Hình 2.2 Chu trình thủy văn trong pha đất (Nguồn: SW⁄4T IO)
Trang 24Chu trình thủy văn trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước: t
SWt = SWO + > Baa — Qsurr— Ea— Wseep— Qew) 2.) i=1
Trong đó:
- SWt là lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H›Q),
-_ $Wo là lượng nước chứa trong đất tại thời điểm ban đầu (mm H›O), - _ Rday là lượng mưa trong ngày ¡ (mm HO),
-_ Qsurƒlà lượng dòng chảy mặt trong ngày ¡ (mm H2O), - Ea là lượng bốc hơi trong ngày ¡ (mm HO),
- _ Wseep là lượng thấm sâu và thoát khỏi đáy phẫu diện đất trong ngày i; - _ Qøw là lượng dòng chảy hồi qui trong ngày ¡ (mm HO)
Các quá trình thủy văn chính trong mô hình bao gồm (Mikolaj Piniewski and Tomasz Okruszko, 201 1): > Ước tính dòng chảy mặt sử dụng số hiệu đường cong (SCS) hoặc phương trình tham Green—Ampt Mô phỏng thấm qua các lớp trữ nước; Ước tính dòng sát mặt sử dụng phương pháp trữ động học Mô phỏng dòng chảy ngầm tới sông từ tầng chứa nước tầng nông V VY VY
Ước tính bốc hơi tiền năng bằng các phương pháp của Hargreaves,
Priestley—Taylor hoặc Penman—Monteith method
> Ước tính bốc hơi thực tế (tách biệt bốc hơi từ đất và thoát hơi từ thực vật)
Trang 25: Quang phân Thuy phan Phân hủy sinh học Kết dinh vào khuyết tán Hình 2.3 Sơ đồ quá trình diễn ra trong dong chay (Nguén: SWAT IO)
2.1.4 Lý thuyết về hiệu chỉnh kiểm định kết quả từ SWAT a) Hiệu chính, kiểm định
Hiệu chỉnh mô hình nhằm xác định giá trị tối ưu cho bộ thông số thiết lập bởi người sử dụng Quá trình này có thể được thực hiện thủ công hoặc tự động dựa trên
thuật toán tối ưu hóa So sánh hai phương pháp hiệu chỉnh cho thấy hiệu chỉnh tự động giúp tiết kiệm công sức, thời gian xử lý hơn, và có thể giảm thiểu tính không chắc chắn vốn đặc trưng của hiệu chỉnh thủ công (M W Van Llew, J G Arnold and D D Bosch, 2005) Vì vậy, nghiên cứu đã tiến hành hiệu chỉnh mô hình thông qua chương trinh hiéu chinh ty dong SWAT - CUP bang thuat toan Sequential Uncertainty Fitting
(SUFI-2) (Abbaspour, K.C., J Yang, 2007)
Trang 26Hệ số tương quan Pearson
3.„ 4O,=O„)(P,- P„) ~,.0,- 0.) ¥P.- Pw
(23)
Trong đó:
- Oj: Gid tri thuc do tai thoi diém i,
- Ow: Gia tri thuc do trung bình,
- Pị Giá trị mô phỏng tại thời điểm ¡,
- Pw: Giá trị mô phỏng trung bình
Nhìn chung, mô hình được chấp nhận khi hệ số R2 và chỉ số NSE lớn hơn 0,5
2.2 PHUONG PHAP CHUAN BI DU LIEU
2.2.1 Trich luc ban dé dia hinh
Trong mô hình SWAT, dữ liệu địa hình được yêu cầu lưu trữ và thể hiện dưới
dạng mô hình số độ cao Dem (phụ lục trang PL.2) Hiện tại ảnh Aster Dem (phân phối dạng ảnh raster) với độ phân giải không gian 30 x 30 mét được Cơ quan hàng không và vũ trụ Hoa Kỳ (NASA) phân phối miễn phí trên website Tổng cục Địa Chất Hoa Kỳ Với ưu điểm được cung cấp miễn phí, sai số nhỏ và đã được nắn chỉnh không gian
theo biến dạng địa hình nên ảnh Aster Dem được chọn để sử dụng trong nghiên cứu
này Quá trình sử lý ảnh Dem bao gồm: chuyên đổi hệ quy chiếu trên ảnh về hệ quy chiếu WGS 84 — Zone 48N (hệ quy chiếu thống nhất trên toàn bộ dữ liệu đầu vào mô hình SWAT trong nghiên cứu này); sau đó ảnh Dem sẽ được cắt về khu vực nghiên cứu
2.2.2 Thành lập bản đồ lớp phủ (land-cover map)
Phương pháp thành lập bản đồ lớp phủ (land cover) bằng cách phân loại ảnh viễn thám được sử dụng rộng rãi cả trong và ngoài nước bởi ưu điểm vượt trội của phương pháp này là có thê thành lập bản đồ lớp phủ trong khoảng thời gian ngắn với độ chính xác cao và chỉ phí thấp Ngoài ra, phương pháp này còn có thé thành lập bản đồ lớp phủ trong quá khứ dựa vào thời điểm ảnh được chụp rất phù hợp để thành lập các loại bản đồ biến động lớp phủ và phục vụ các mục đích nghiên cứu khác nhau
Trang 27ENVI, IDRISI một trong số đó có thể kể đến như bộ phần mềm Semi -
Classification được tích hợp trên phần mềm QGIS dưới dạng một thành phần mở rộng Do ưu điểm mạnh mẽ trong sử lý, miễn phí trong sử dụng và có cộng đồng hỗ trợ sửa lỗi khá lớn nên phần mềm Semi — Classification được sử dụng để phân loại ảnh viễn
thám trong đề tài này a) Tải ảnh
Nguồn ảnh vệ tinh có độ phân giải không gian từ 10 — 30 mét được các nhà
cung cấp phân phối miễn phí khá nhiều, tiêu biéu nhu anh vé tinh MODIS, LANSAT, ATTER, SENTINEL Tuy nhiên mỗi loại ảnh đều có ưu nhược điểm riêng điển hình
như mức độ tiền sử lý của ảnh Lansat và Aster đã được sử lý và phân phối ở mức trực ảnh, tức là đã được nắn chỉnh không gian theo biến dạng địa hình; còn ảnh Modis thì chỉ mới được sử lý ở mức sơ cấp, tức chỉ mới được sử lý về lỗi trong quá trình chụp
ảnh và truyền tai dữ liệu từ vệ tinh vé trạm mặt đất
Xuất phát từ mục đích sử dụng ảnh vệ tinh dé thành lập bản đồ lớp phủ (land cover) sử dụng cho mô hình SWATT đo đó ảnh vệ tinh phải đáp ứng các yêu cầu cơ bản từ mô hình bao gồm: chất lượng ảnh phải đảm bảo không bị nhiễu hay xuất hiện bóng mây che quá lớn trong khu vực nghiên cứu; độ phân giải không gian phải đủ lớn dé có
thể phân biệt được các đối tượng như thực vật, đất, thủy văn ; ảnh vệ tinh phải được
chụp trong khoảng thời gian giữa năm bắt đầu và kết thúc của dữ liệu thời tiết;
Sau khi phân tích ưu và nhược điểm các loại ảnh vệ tinh hiện có và kết hợp với mục đích sử dụng, ảnh vệ tính Lansat 7 được xem là phù hợp nhất và được chọn để thành lập bản đồ land cover phục vụ cho đề tài Bảng 2.1 Thông tỉn ảnh vệ tỉnh Tên ảnh Ngày chụp Bóng mây Path Row LE71240522003008BKT00 08/01/2003 6.76% 124 52 b) Cắt ánh Cắt ảnh là giai đoạn khá đơn giản trong quá trình sử lý ảnh vệ tinh; hầu như tất
cả các phần mềm hỗ trợ sử lý ảnh viễn thám đều được hỗ trợ chức năng cắt ảnh bằng
nhiều cách như cắt theo hình vẽ trực tiếp, cắt theo ranh giới sẵn có, cắt theo hình chữ
Trang 28quá trình cắt ảnh, đó là phải đảm bảo hệ quy chiếu giữa anh vé tinh và các tập tin vector làm ranh giới phải trùng khớp nhau
©) Tăng cường chất lượng ảnh
Tăng cường chất lượng ảnh là giai đoạn quan trọng trong quá trình sử lý ảnh vệ tĩnh; trong giai đoạn này, ảnh vệ tính sẽ được sử lý nâng cao độ phân giải không gian và độ phân giải phố bằng cách kết hợp nhiều phương pháp khác nhau như Giãn ảnh (phụ luc trang PL.3) va Pan — sharpanning (phụ lục trang PL.5) Kết quả, sau khi hoàn thành giai đoạn này, ảnh sẽ có độ phân giải cao hơn và đã được loại bỏ nhiễu
d) Tổ hợp màu
Trong sử lý ảnh viễn thám, tổ hợp màu (image composite) được xem là giai đoạn cuối cùng trong quá trình sử lý ảnh và có thể tạo ra nhiều sản phẩm trực quan như tổ hợp màu tự nhiên, tổ hợp màu giả thực vật, tổ hợp màu giả đô thị đáp ứng nhu cầu giải đoán các đối tượng khác nhau trên khu vực nghiên cứu Trong giai đoạn
này, từ các kênh ảnh đơn sắc ban đầu sẽ được tổ hợp màu theo mô hình màu RGB
(phụ lục trang PL.5) với thứ tự sắp xếp các kênh ảnh sẽ do người dùng quyết định và tỷ lệ màu sắt tại mỗi điểm ảnh sẽ do giá trị phổ trên các kênh ảnh đơn sắt ban đầu quyết định
e) Phân loại ảnh
Phân loại ảnh viễn thám là một quá trình bao gồm các công việc: giải đốn các lớp thơng tin trên ảnh viễn thám; trích xuất các lớp thông tin và sử dụng để thành lập các bản đồ chuyên đề Có rất nhiều phương pháp phân loại ảnh viễn thám từ tự động hóa, bán tự động cho đến phân loại có giám sát Trong đề tài này, phân loại có giám
sát được chọn để thành lập bản đồ lớp phủ tại khu vực nghiên cứu bởi kết quả phân
loại bằng phương pháp này sẽ có độ chính xác cao hơn các phương pháp còn lại Chi tiết quá trình phân loại ảnh viễn thám tại khu vực nghiên cứu được trình bày trong phần phụ lục của báo cáo này (phụ lục trang PL.6)
9) Đánh giá độ chính xác
Trang 29hay không từ đó tính được tỷ lệ chính xác của quá trình phân loại Theo đó, phương pháp ma trận sai số được áp dụng để tính độ chính xác (phụ lục trang PL.8)
2.2.3 Trích lục bản đồ thổ nhưỡng (soil map)
Bản đồ thổ nhưỡng (soil map) được biên hội từ bản đồ thổ nhưỡng 1:50.000 của
tỉnh Bình Thuận, được thu thập tại Viện quy hoạch thủy lợi miền nam dưới dạng tập
tin vector, hệ quy chiếu VN2000 Quá trình biên hội bản đồ được thực hiện nhằm trích lục lấy phần bản đồ thô nhưỡng tại khu vực nghiên cứu bằng cách thực hiện theo trình tự: chuyển đổi hệ quy chiếu trên bản đồ về hệ quy chiếu WGS 84 — Zone 48N; cắt lấy phần bản đồ tại khu vực nghiên cứu; sửa lỗi hinh hoc (topology error) (phụ lục trang PL.9) và cuối cùng là chuyển đổi định dạng bản đồ từ vector sang raster dé có thê sử
dung cho SWAT
2.2.4 Sử lý dữ liệu khí tượng
Trong SWAT dữ liệu khí tượng được yêu cầu chỉ tiết đến hàng ngày bao gồm
các thông số: nhiệt độ, độ âm, bốc hơi, lượng mưa, bức xạ mặt trời, tốc độ gió Tại mỗi
trạm khí tượng, ứng với mỗi thông số sẽ có một tập tin tin văn bản chứa dữ liệu của thông số đó và một tập tin chứa danh sách các trạm có thông số đó (trong khu vực nghiên cứu)
1 | 19770101 | Ngày bắt đầu dữ liệu
2 | -99.0 Dữ liệu bị thiếu sẽ được thay thế thành -99.8 3|12.3
Dữ liệu hàng ngày (mỗi ngày trên một dòng) -| được xếp tăng dần kể từ ngày đầu tiên
nịỊ 17.9
Hình 2.4 Cấu trúc tập tin dữ liệu khí tượng
Trong thực tế, đữ liệu của mỗi thông số được lưu trữ dưới dạng bảng tính Excel, được gộp chung nhiều năm trong cùng một bảng tính và số năm chứa dữ liệu
lên đến 30 năm
Trang 30A B Cc D E F G H | J K
1 Năm 1990
2 init 1 " Dữ liệu được lưu trữ theo nhiều năm trên
3 cùng một trang tính, ứng với mỗi năm sẽ 4 có một bảng đữ liệu tương ứng chứa toàn 5Ị bộ đữ liệu của các ngày trong năm Các 6 bang đữ liệu được xép từ trên xuống dưới
7 Năm 1991 theo thứ tự tăng dan cia nim 8 mít 9 1 10 2 11 12_ 31
Hình 2.5 Cấu trúc tập tin khí tượng thu thập được
Nếu nhập liệu và kiểm tra số liệu bằng biện pháp thủ công thì khối lượng công việc phải làm là rất lớn, chưa ké đến lỗi phát sinh trong quá trình nhập dữ liệu sẽ ảnh hưởng đến kết quả của mô hình Do đó, trong nghiên cứu này đã sử dụng phương pháp lập trình sử lý số liệu (phụ lục trang PL.10) nham tang tính tự động hóa trong quá trình sử lý dữ liệu và đảm bảo độ chính xác trong quá trình sử lý
2.3 PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA
2.3.1 Tiến hành chạy mơ hình
Tồn bộ quá trình thiết lập SWAT được thực hiện trên giao diện phần mềm
QSWAT 1.2 (phién ban nén tang SWAT 2012) kết hợp với phần mềm QGIS (đóng vai
trò là phần mềm GIS trong quá trình thiết lập) Các bước thiết lập mô hình bao gồm
(Hình 2.6): phân định lưu vực (Delineate Watershed); xác định các đơn vị thủy văn
(Create HRUs); nhập dữ liệu và chạy mô hình (Edit Inputs and Run SWAT) oswar12 - a x ‘About Select Project New Project Existing Project ‘Main Steps ome
Step 2 Create HRUs
Trang 31đa) Phân định lưu vực
Trong bước này, bản đồ số độ cao DEM đóng vai trò quan trọng nhất và xuất
hiện trong tất cả các quá trình tính toán:
Ñ Delineate watershed — n x
‘Select DEM
C:\Users\Thang \Desktop \songquao \songquao \Source \denl tif
Delineate watershed Use existing watershed DEM properties TauDEM output
% Burn in existing stream network
C:\Users Thang Desktop songquao lsongquao\Source mangsong.shp EE
Define threshold
2190 Number of cells 2 Area sq km v
Create streams
% Use an inlets/outlets shapefile
C:\Users \Thang \Desktop \songquao \songquao \Watershed\Shapes\drawoutlets_sel.shp
Draw inlets/outlets Select inlets/outlets
Snap threshold (metres)
100 Review snapped
Create watershed
Merge subbasins
Select subbasins Merge
‘Add reservoirs and point sources
Select reservoir subbasins | %| Add point source to each subbasin Add Number 0 tof Show Taudem OK Cancel processes Hình 2.7 Phân định lưu vực - Quá trình chiết tách mạng dòng cháy
Mạng đòng chảy được xây dựng từ bản đồ số độ cao DEM theo mô hình D8
(Tarboton D G, 1997) Trong D8, hướng dòng chảy từ một ô lưới được xác định dựa
vào hướng đốc địa hình từ 8 ô lưới xung quanh Cấp bậc dòng chảy được xác định theo luật Strahler Ngưỡng xuất hiện dòng chảy cấp 1 được xác định dựa vào khoảng cách tính từ đường phân thủy của lưu vực (trong nghiên cứu này ngưỡng xuất hiện dòng chảy cấp 1 nằm trong bán kính 2 km) Trong giới hạn của D§, mỗi dòng chảy được
chiết tách từ mô hình chỉ theo một trong 8 hướng cách nhau một góc 45° và vị trí dòng
Trang 32chảy chỉ mang tính chất tương đối Do đó để có được hệ thống mạng dòng chảy đúng
với thực tế, hệ thống mạng sông (từ bản đồ địa hình) được sử dụng đề hiệu chỉnh quá
trình này
Hình 2.8 Hệ thống mạng dòng chảy trong mô hình - Phân định ranh giới tiểu lưu vực
Ranh giới lưu vực được phân định dựa vào bản đồ số độ cao DEM bằng cách
nối kết các điểm phân thủy trên bề mặt địa hình bắt đầu từ của xả lưu vực (phụ lục
trang PL.I) Cửa xả lưu vực được xác định bằng cách chấm điểm trực tiếp lên giao
diện GIS trên QGIS bằng công cụ “Draw inlets/outlets” va lién két vi tri ctra xa vao
Trang 33Hình 2.9 Ranh giới lưu vực và tiểu lưu vực trong mô hình
- Xác định điểm tiếp nhận chất ô nhiễm trên lưu vực
Trong SWAT chất ô nhiễm được đưa vào mô hình thông qua các điểm tiếp
nhận ô nhiễm theo đơn vị tiểu lưu vực, giá trị từng thông số ô nhiễm được tính theo
tổng lượng phát thải và tiếp nhận từ tiểu lưu vực khác chuyên tới Vị trí của các điểm
tiếp nhận ô nhiễm được xác định là nơi bắt đầu của dòng chảy trong tiểu lưu vực
Trang 34
Hình 2.10 Vị trí các điểm tiếp nhận chất ô nhiễm trên lưu vực
b) Xác định các đơn vị thủy văn
Đơn vị thủy văn (hru) là đơn vị tính toán cơ bản trên SWAT, hru được xác định
dựa trên giá trị phổ biến nhất hoặc tổ hợp giá trị phố biến nhất trong các lớp thổ nhưỡng, lớp phủ và địa hình (phụ lục trang PL l)
Dữ liệu lớp phủ đưa vào mô hình bao gồm bản đồ lớp phủ (Hình 3.2) và bảng
đò tương ứng các loại lớp phủ có trong cơ sở dữ liệu SWAT Bảng 2.2 Thông tin bảng dò lớp phủ
Mã lớp phủ Mã trong csdl SWAT Mô tả
1 WATR Đât mặt nước
2 SHRB Rừng cây bụi
3 ERST Rừng già
4 CRDY Dat trong
Trang 35Dữ liệu thổ nhưỡng đưa vào mô hình bao gồm bản đồ thô nhưỡng (Hình 3.3) ; Bảng đò các lớp thổ nhưỡng (Bảng 2.3) và cơ sở đữ liệu thô nhưỡng được biên soạn theo khu vực nghiên cứu (nguồn csdi SWAT) chứa 146 thông số mô ta thông tin từng lớp thổ nhưỡng như: độ thấm nước, khả năng trữ nước, khoáng chất đặc trưng, khả
năng rửa trôi
Bảng 2.3 Thông tin bảng dò các lớp thô nhưỡng
Mã csdl SWAT Clay Sand Sandy | Sandy clay | Sandy | Silty water
loam clay loam loam | clay
Mã đất (bản đỗ) 1 2 3 4 5 6 7
Thao tác thiệt lập được tiên hành tuân tự: chọn bản đô lớp phủ > Chon bang đò lớp phủ -> chọn bản đồ thổ nhưỡng -> chọn bản dò thổ nhưỡng > “Read” >
“Create HRUs” đề kết thúc bước này (Hình 2.1 1) Select landuse map .C:/Users/Thang/Desktop/songquao/songquao/Source/Landuse/classificaton.tif 4# Create HRUs _ n
Landuse table songquao |anduses v
Select soil map
C:/Users/Thang/Desktop/songquao/songquao/Source/Soil/soil tif
Soil data
® usersoil STATSGO SSURGO/STATSGO2 Soil table songquao_soils *
Generate FullHRUs shapefile Read choice Read
@ Read from maps
Read from previous run
Set bands for slope (%) Single /Multiple HRUs
Insert >) Dominant landuse, soil, slope
Clear @ Dominant - Set
Trang 36©) Nhập dữ liệu và chạy mô hình
Do các thao tác trong bước này đều liên quan đến nhập/xuất dữ liệu trên cơ sở
dữ liệu SWATT nên trước khi thao tác cần tạo kết nối csdl “Connect to Databases”
Write Input Tables Edit SWAT Input SWAT Simulation Help
SWAT Project Geodatabase
Jers\ Thang \Desktop \songquao \songquao \songquao mdb ñ
SWAT Parameter Geodatabase
|C:-\Users\ Thang \Desktop \songquao \sonaquao\QSWATI SWAT Soils Database (Required for re-writing tables) |CASWAT\SWATEditor\Databases\SWAT_US_ Soils mdt ia io SWAT Executable Folder |C\SWAT\SWATEditor\
Exit Connect to Databases
Hình 2.12 Giao diện điều khiến kết nối cơ sở dữ liệu l1
Để nhập dữ liệu thời tiết vào mô hình, các tập tin dữ liệu thời tiết phải được
chuẩn hóa theo định dạng yêu cầu trong SWAT (Hình 2.4) sau đó thao tác theo tuần tu: “Write Input Tables” > “Weather Stations” Tai méi bang, chọn tập tin tương ứng với tên bảng (ví du: “Rainfall Data” = dữ liệu mua ) Riéng tai bang “Weather Generator Data” sẽ chứa dữ liệu toàn cầu (dữ liệu thời tiết mô phỏng trên toàn cầu) Điểm mạnh của SWAT được thể hiện rõ trong bước này, trong quá trình mô phỏng nếu số liệu quan trắc không đủ mô phỏng, SWAT sẽ tự động lấy thêm dữ liệu toàn cầu
đề điền vào chuỗi số liệu bị thiếu
@ Weather Data Definition — n x
Relative Humidity Data | Solar Radiation Data | Wind Speed Data |
Weather Generator Data | Rainfall Data | Temperature Data |
Trang 37Sau đó tiếp tục thực hiện ghi dữ liệu từ các tập tin dữ liệu đơn lẻ vào csdl bằng
cách thao tác theo tan tu: “Write Input Tables” > “Write SWAT Input Tables” >
“Select All” > “Create Tables” Qua trinh nay chi hoan thanh khi tat cả đều thơng báo hồn tat “Completed”, néu bat ctr dong nao théng bao “Not Completed” thì phải kiểm
tra lại toàn bộ dữ liệu khí tượng
@ Write SWAT Database Tables — oO x
Select Tabels to Write
Completed [¥ Confirguration File (.Fig)
Completed [V Soil Data (.Sol)
Completed [¥ Weather Generator Data (.Wan) Completed [¥ Subbasin/Snow Data (.Sub/.Sno) Completed j# HRU/Drainage Data (.Hru/.Sdr) Completed |¥ Main Channel Data (.Rte) Completed [¥ Groundwater Data (.Gw) Completed [|W Water Use Data (.\Wus)
Completed j# Management Data (.Mat)
Completed [¥ Soil Chemical Data (.Chm) Completed [¥ Pond Data (.Pnd)
Completed |¥ Stream Water Quality Data (.Swa) Completed [¥ Septic Data (.Sep)
Completed [¥ Operations Data (.Ops) Completed [VW Watershed Data (.Bsn/.\wwa) Completed [¥ Master Watershed File (.Cio)
Select All| Cancel |[ Create Tables |
Ready
Hình 2.14 Ghi dữ liệu vào cơ sở dữ liệu SWAT
Tới đây quá trình nhập dữ liệu coi như đã hồn tất, để chạy mơ hình thao tác
theo tuần tự: “SWAT Simulation” - “Run SWAT” > Thao tác thiết lập thông tin mô phỏng bao gồm: ngày bắt đầu và kết thúc mô phỏng; mô phỏng theo ngày (Daily), tháng (Monthly) hay năm (Yearly); Số năm làm ấm mô hình (chỉ chạy mà không cho ra bất cứ dữ liệu nào - NYSKIP); Chọn các bộ thông số đầu ra cần lấy (ví dụ: Thông tin chất lượng nước — “Print Water Quality Output”) -> “Setup SWAT Run” > “Run
SWAT” (Hinh 2.15)
Trang 38
@ Setup and Run SWAT Model Simulation — n x
Period of Simulation
Starting Date : 1/1/1987 El Ending Date 12/31/2015 l
Min Date = 1/1/1977 Max Date = 12/31/2015
Printout Settings
Timestep: [>] Minutes © Daily © Yearly [V PrntLogFlow Print Pesticide Output
© Monthly NYSKIP: [3 [~ PrintHourly Output [7 Print Soil Storage
Rainfall Distribution [~ Print Soil Nutrient I¥ Route Headwaters [” Print Binary Output
(© Skewed normal JZ Print Water Quality Output!” Print Snow Output | Print Vel./Depth Output
( Mixed exponential 1.3 l¥ Print MGT Output I Print WTR Output = [~
SWAT exe Version Output File Variables] All v
@ 32-bit, debug 32-bit, release Pee
~ ~ mi
— Setup SWAT Run Run SWAT Cancel
€ Custom (swatUser.exe in TxtInOut folder) CPU ID: Hình 2.15 Thiết lập thông tin mô phồng Ee C:\Windows\system32\cmd.exe ~ R x Hình 2.16 Bắt đầu mô phỏng
2.3.2 Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình
Quá trình hiệu chỉnh kiêm định SWAT được thực hiện trên phần mềm SWAT-
CUP với thuật toan Sufi-2 (Karim C Abbaspour, 2011), qua trinh thiết lập hiệu chỉnh cần thay đổi thông tin trên các tập tin (Hình 2.17): Par inftxt, SUFI2_swEdit.def, Observed_rch.txt, Var file rch.txt và SUFI2_extract_rch.def
Trang 39Project Explorer CỔ Rch @@ HRU _ @6 Sub Par _inf.txt SUFI2_swEdit.def File.Cio Absolute_SWAT_Values txt A : Observation oe Observed_rch.txt Cy "I8 San) Jf Extraction oe Var_file_rch txt sỏ œ ce SUFI2_extract_rch.def e - sề
Hình 2.17 Vị trí các tập tin cần chỉnh sửa trong SWAT-CUP
Trên tập tin Par inftxt chứa thông tin về số lần hiệu chỉnh (number of simulation)
_Ì Par infbet %
») Par_inf.txt
Contains input parameters to be optimized After a complete iteration, review the suggested new parameters in the "Calibration Outputs \new_pars.txt", (change if necessary) and copy
4 :-Number-of Parameters: (the program only reads-the first -4-parameters-or-any-number-indicated-here) | 500 -:-number-of- simulations Ô z_ CN2.mgc ~0.2 0.2 v ALPHA_BF.gw 0.0 1.0 v GW_DELAY.gw 30.0 450.0 v GWQMN gw 0.0 2.0 Hình 2.18 Thiết lập số lần hiệu chỉnh
Thông tin số năm mô phỏng trong bộ đữ liệu đầu ra SWAT (đã trừ đi 3 năm làm ấm mô hình) được thê hiện trong SUFI2_swEdit.def
-Ì SUFI2_swEditdef x
| SUFI2_swEdit.def
Contains the beginning and the ending simulations
al 2° starting: simulation: number
26 : ending: simulation: number
Hình 2.19 Thời gian mô phỏng
Trang 40Tập tin Observed_rch.txt chứa thông tin dữ liệu thực đo dùng để hiệu chỉnh, trong d6 “FLOW_OUT_22” 1a vị trí lưu vực chứa trạm quan trắc lưu lượng nước,
“3152” là số dòng dữ liệu dùng để hiệu chỉnh
Gh Observed_rchibxt x
s Observed_rch.txt
This file contains observation data from output.rch file In the observed data, the first column is a sequential number starting from 1, where 1 indicates the first time step (day, month, or
1 ::nunber' o£' observed: variables
FLOW_OUT_22- -':'this i5: the name'of'the'variable' and: the: subbasin' number'to- be: included: in: the: objective' funcrion 3152: - -:' number- o£- data' points: for: this: variable' as' it: fo11ows: below - Fizst- coLumn 15: a- sequentia1- nunber : from: beginning
:°Of the’ simulation, : second: column ' 1s: variable' name - and: date: (format'arbitrary), ' third' column 1s: variab1e 'value Ê35'FLOW_OUT_14_4 1992`0.216814815
Hình 2.20 Nhập dữ liệu thực đo vào SWAT-CUP
Tập tin “SUFI2_extract_rch.def? chứa thông tin biến dữ liệu dùng hiệu chỉnh
(9 SUFI2_extract_rchdef x
SUFI2_extract_rch.def
TP tis fle defines how variables should be extracted from the output.rch fl output.rch i) swat output: file name
1 : :numbez : of -:variables : to : get
: :variable : colunn : numbez (3) -in : the - swat :output -file- (as :many -as : the - above : numbez)
ơi Oo ‡ :total - number : of : reaches- (subbasins) : in - the -project
Hình 2.21 Tập tin SUFI2_extract_rch.def
Sau khi hoàn tất chỉnh sửa các tập tin, tiến hành hiệu chỉnh mô hình bằng cách
thực hiện theo tuần tự: từ Menu chính của phần mềm > “Calibrate” > “Execute All”
> Quá trình hiệu chỉnh bất dau m Process #1 Process #2 Process #3 Process #4
Running — Total Time: 00:01:33
Hinh 2.22 Qua trinh hiéu chinh bat dau