đánh giá thay đổi sử dụng đất lên đặc tính thủy văn lưu vực sông dương đông, phú quốc, kiên giang

iv Nghiên cứu được thực hiện để xem xét các đặc tính thủy văn và đánh giá tác động của thay sử dụng đất lên xu hướng dòng chảy lưu vực sông Dương Đông, Phú Quốc Kiên Giang.. Đối với nhữn

i

BỘ MÔN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

NGUYỄN THỊ BÍCH PHƯỢNG, 3113831

ĐÁNH GIÁ THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT LÊN ĐẶC TÍNH

THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG DƯƠNG ĐÔNG,

PHÚ QUỐC, KIÊN GIANG

Giảng viên hướng dẫn Th.s Võ Quốc Thành T.s Văn Phạm Đăng Trí

Cần Thơ, tháng 12/2014

ii

BỘ MÔN QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

NGUYỄN THỊ BÍCH PHƯỢNG, 3113831

ĐÁNH GIÁ THAY ĐỔI SỬ DỤNG ĐẤT LÊN ĐẶC TÍNH

THỦY VĂN LƯU VỰC SÔNG DƯƠNG ĐÔNG,

PHÚ QUỐC, KIÊN GIANG

Giảng viên hướng dẫn Th.s Võ Quốc Thành T.s Văn Phạm Đăng Trí

Cần Thơ, tháng 12/2014

iii

Cô của khoa Môi Trường và Tài Nguyên Thiên Nhiên.Em xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất đến Ths.Võ Quốc Thành với những tư vấn và hỗ trợ rất lớn trong khi xây dựng các phương pháp thực hiện cũng như hướng dẫn trực tiếp luận văn tốt nghiệp.Đặc biệt, em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Văn Phạm Đăng Trí đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi

em trong suốt quá trình thực hiện đề tài Xin chân thành cảm ơn các Anh, Chị trong nhóm nghiên cứu tài nguyên nước “ Phòng Máy Tính”

Rất chân thành gởi lời cảm ơn đến anh Giáp Văn Vinh- Trung Thủy Văn Sông Cửu Long, các Cô, Chú, Anh, Chị cán bộ Trạm Khí Tượng Hải Văn Phú Quốc, Phòng Tài Nguyên Môi Trường huyện Phú Quốc và Sở Tài Nguyên Môi Trường tỉnh Kiên Giang

Tuy em đã rất cố gắng, nhưng do hạn chế về hiểu biết và kinh nghiệm nên không tránh khỏi sai sót rất mong sự đóng góp ý kiến của Quí Thầy, Cô và các Bạn

Kính chúc sức khỏe và thành công

Cần Thơ, ngày 1 tháng 12 năm 2014

iv

Nghiên cứu được thực hiện để xem xét các đặc tính thủy văn và đánh giá tác động của thay sử dụng đất lên xu hướng dòng chảy lưu vực sông Dương Đông, Phú Quốc Kiên Giang Mô hình SWAT (Soil and water Assesment Tool) đã được ứng dụng để mô phỏng hai kịch bản: (i) kịch bản nền xây dựng các thông số chính cho mô hình,(ii) kịch bản đánh giá ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất lên dòng chảy xét trong điều kiện cụ thể hiện trạng năm 2005 và 2010 Nghiên cứu đã đo đạc thủy lực trên sông Dương Đông vào đầu mùa mưa để xây dựng các thông số nền cho mô hình.Thêm vào đó, phân tích độ nhạy được thực hiện để lựa chọn những thông số có ảnh hưởng đáng kể đến lưu vực nghiên cứu Qua đó,hệ số trễ dòng chảy mặt (SUR_LAG), hệ số triết giảm dòng chảy ngầm (APHAL_BF), hệ số dòng chảy mặt (CN2), độ dẫn thủy lực trong dòng chảy chính (CH_K2), hệ số nhám bề mặt (OV_N) và hệ số nhám bề mặt (CH_N2) được lựa chọn hiệu chỉnh mô hình Kết quả hiệu chỉnh với hệ số tương quan R 2 =0,94 và hệ số hiệu quả NS=0,68 Kiểm định mô hình với R 2 =1 và NS=0,99 Bên cạnh đó, mô phỏng dòng chảy dựa trên kịch bản sử dụng đất (SDĐ 2005, SDĐ 2010) cũng cho thấy,dòng chảy bề mặt đối với sự thay đổi hiện trạng sử dụng đất năm 2005 và 2010 có khác biệt không đáng kể

v

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT iv

DANH MỤC BẢNG viii

DANH MỤC HÌNH ix

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2

1.2.1 Mục tiêu tổng quát 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 2

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 2

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

1.4.3 Cấu trúc luận văn 3

CHƯƠNG 2 4

LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 4

2.1 KHU VỰC NGHIÊN CỨU 4

2.1.1 Vị trí khu vực nghiên cứu 4

2.1.2 Đặc điểm tự nhiên và khí hậu 4

2.1.3 Hiện trạng sử dụng nguồn nước ở địa phương 7

2.2 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH THỦY VĂN 8

2.2.1 Khái quát về tính ứng dụng của các mô hình thủy văn 8

2.2.2 Giới thiệu mô hình thủy văn SWAT 10

vi

a Hệ số dòng chảy mặt 154

b Diễn toán dòng chảy trong kênh 15

c Bốc thoát hơi 17

d Quá trình thấm và nước ngầm 17

2.2.5 Khái quát về phương pháp hiệu chỉnh mô hình tự động 17

2.2.6 Các nhóm thông số trong mô hình 19

a Các thông số về đất và nước ngầm 19

b Các thông số trong hệ thống kênh 20

c Các thông số về dòng chảy mặt 20

2.4 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 21 2.4.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 21

2.4.2 Các nghiên cứu trong nước có liên quan 22

CHƯƠNG 3 23

PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1 PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN 23

3.1.1 Sơ đồ nghiên cứu 23

3.1.2 Các yếu tố đầu vào trong mô hình SWAT 24

a Bản đồ sử dụng đất và loại đất 24

b Địa hình (DEM) 25

c Khí tượng 25

d Thủy văn 26

3.1.3 Phương pháp đo đạc thủy văn 26

3.1.4 Hoạt động của con người 27

3.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

3.2.1 Thu thập dữ liệu mô hình SWAT 27

3.2.2 Xử lý số liệu đầu vào 28

3.2.3 Xây dựng kịch bản 28

vii

3.5 Đánh giá kịch bản sử dụng đất 31

CHƯƠNG 4 32

KẾT QUẢ THẢO LUẬN 32

4.1 HIỆU CHỈNH, KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH 32

4.1.1 Phân tích độ nhạy các thông số đầu vào 32

4.1.2 Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 32

4.1.3 Phân tích các yếu tố không chắc chắn 36

4.2 Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất lên lưu vực nghiên cứu 37

4.2.1 Đánh giá ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất lên dòng chảy 37

4.2.2 Phân phối nguồn nước trong lưu vực 38

CHƯƠNG 5 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 40

5.1 Kết Luận 40

5.2 Kiến nghị 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 42

viii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 2 Giá trị dòng chảy bề mặt ( SCS Engineer Division, 1986) 14

Bảng 4 1 Giá trị độ nhạy các thông số hiệu chỉnh và kiểm định mô hình 32

ix

DANH MỤC HÌNH

Hình 2 1 Biểu đồ phân phối lượng mưa đặc trưng giai đoạn 1988-2012

trạm hải văn Phú Quốc- Biển Tây

5

Hình 2 2 Quá trình hình thành hướng dòng chảy (A) hướng dòng chảy, (B)

Mạng lưới dòng chảy

12

Hình 3 4 Tác động của con người lên lưu vực nghiên cứu (Phú Quốc

6/2014)

27

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Phú Quốc là khu vực có nguồn nước mưa dồi dào với lượng mưa trung bình hằng năm trên 3037 mm, mô - đun dòng chảy Mo=52,321l/s/km2 Sông Dương Đông là một trong hai lưu vực lớn trên đảo, đóng vai trò chính cung cấp nguồn nước cho cả lưu vực và gắn liền với sinh kế của một bộ người dân trên đảo (những người dân sống ven sông và khu vực thượng nguồn) Do vậy, hiểu rõ những đặc tính thủy văn và đánh giáđược tác động của thay đổi sử dụng đất lên dòng chảygiúp địa phương xây dựng các kế hoạch quy hoạch sử dụng tài nguyên đất và nước hợp lý Bên cạnh, bảo tồn những giá trị tự nhiên,còn đảm bảo nguồn tài nguyên này được phân phối cân bằng giữa các khu vực cộng đồng

Hình 1 1: DEM và vị trí lưu vực nghiên cứu

( Nguồn: http://srtm.csi.cgiar.org)

1.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

- Thu thập số liệu khí tượng (lượng mưa, nhiệt độ, tốc độ gió, bức xạ mặt trời và độ ẩm) và các loại bản đồ (bản đồ sử dụng đất, bản đồ các loại đất, bản đồ lưu vực sông), kết hợp khảo sát điều tra thực địa

- Xử lí số liệu, tạo dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT

- Xây dựng kịch bản mô phỏng cho mô hình

- Thực hiện đo đạc dòng chảy thực địa

- Chạy mô hình SWAT, hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

- Đánh giá thay đổi nguồn nước trong điều kiện các kịch bản

- Viết báo cáo tổng hợp

1.4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

1.4.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu nhằm xác định mối tương quan giữa đặc tính thủy văn và điều kiện sử dụng đất thông qua công cụ mô hình toán (công cụ đang được phát triển nhanh và hiệu quả) Khu vực nghiên cứu có những yếu tố khác biệt về thủy văn và địa hình song chưa được nghiên cứu cụ thể Do đó, đề tài giúp hiểu được ảnh hưởng của sử dụng đất đến dòng chảy, cũng như xác định các yếu tố chính có thể làm thay đổi đặc tính dòng chảy

tự nhiên, kinh tế khó khăn.Bên cạnh đó, khu vực nghiên cứu là khu vực quan trọng trong bảo vệ đa dạng sinh học (rừng quốc gia Phú Quốc, Khu bảo tồn Đa Dạng Sinh Học biển Phú Quốc) Do đó, kết quả nghiên cứu hỗ trợ những nhà quy hoạchvà đưa ra quyết định

có cơ sở để đánh giá các phương án quy hoạch và là công cụ để quản lý hiệu quả nguồn tài nguyên nước trên lưu vực Đặc biệt, đối tượng nghiên cứu muốn hướng đến nhiều nhiều nhất là người dân.Bởi hơn ai hết họ chính là đối tượng tác động và bị tác động của nguồn nước trên lưu vực.Bằng những đánh giá, dự đoán dựa trên cơ sở khoa học về các vấn đề tài nguyên nước, để giúp người dân có những nhận thức sơ khởi về tài nguyên nước và tận dụng nguồn tài nguyên này để phát triển kinh tế

1.4.3 Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia ra 4 phần chính

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Lược khảo tài liệu

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

Chương 4: Kết quả thảo luận

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 4

CHƯƠNG 2 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1.1 Vị trí khu vực nghiên cứu

Huyện đảo Phú Quốc nằm trong biển Tây với tổng diện tích tự nhiên 58.923 ha, bao gồm 40 hòn đảo.Trong đó, đảo chính Phú Quốc có diện tích tự nhiên 56.779 ha, bờ phía bắc cách Campuchia khoảng 4km, bờ phía Đông cách Hà Tiên 46 km và cách Rạch Giá 115 km.Diện tích lưu vực 9.935 ha, nằm trong khu vực ba xã Cửa Dương, Dương Đông và Dương Tơ, dòng chính sông Dương Đông với chiều dài 18,5 km,dòng chảy

chính theo hướng Đông Bắc -Tây Nam, đổ ra tại cửa Dương Đông (Thái Thành Lượm et

al., 2012) (Hình1.1)

2.1.2 Đặc điểm tự nhiên và khí hậu

a Điều kiện khí hậu

Mưa và các yếu tố khí tượng điều khiển quá trình cân bằng nước và xác định các mối quan hệ giữa các thành phần trong chutrình tuần hoàn nước (S.L.Neitsch et al., 2011) Khu vực nghiên cứu đặc trưng bởi khí hậu cận xích đạo, nhiệt đới, gió mùa thường xuyên nóng ẩm với hai mùa, 6 tháng mùa khô bắt đầu tháng 12 đến tháng 3, sáu tháng mùa mưa bắt đầu tháng 4-11, cao điểm mùa mưa từ tháng 6 đến tháng 9, lượng mưa đạt cao nhất vào khoảng tháng VII trung bình khoảng 470mm (Hình 2.1) Lượng mưa trung bình năm trên 3.037mm phân bố theo mùa rõ rệt, mùa mưa chiếm hơn 90% tổng lượng mưa cả năm Nhiệt độ trung bình năm khoảng 26– 27oC, vào tháng 4 và tháng 5 nhiệt độ cao nhất đạt 35 0C Gió mùa Tây Nam từ tháng 5 - 10, với tốc độ từ 3,0 tới 5,1m/s

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 5

Hình 2 1: Biểu đồ phân phối lượng mưa đặc trưng giai đoạn 1988-2012 trạm hải văn

Phú Quốc- Biển Tây

Nguồn: Trạm Khí Tượng Hải Văn Phú Quốc

b Đặc điểm địa hình

Địa hìnhlà cơ sở hình thành các lưu vực và chi phối đến các yếu tố cân bằng nước trong hệ thống thủy văn.Với cùng một điều kiện, quá trình thấm ở các lưu vực miền đồng bằng sẽ lớn hơn so với vùng đồi núi Địa hình dốc, thời gian tập trung nước trong lưu vực ngắn, làm giảm khả năng trữ nước mặt trong lưu vực Phú Quốc cơ bản chia ra làm hai vùng địa hình đặc trưng: Bắc Đảo (từ TL 47 trở lên) quy mô diện tích khoảng 40.000 ha Đồi núi chiếm chủ yếu (70%), độ đốc trung bình 25-30o,phần diện tích còn lại bao gồm đồi thấp và các dãy đất tương đối bằng hoặc lượn sóng Hướng địa hình chủ yếu thấp dần

từ Bắc xuống Nam, từ Đông sang Tây Phía Bắc có dãy núi Bãi Đại (cao 200m so với mực nước biển), dãy núi Hàm Rồng (365m), núi Chảo (382m) Phía Đông, dãy núi Hàm Ninh tạo thành hình cánh cung kéo dài hơn 30 km theo hướng Bắc-Nam, đỉnh núi Chúa cao 565m, sườn phía Đông dốc, phía Tây thoải thấp dần về phía Dương Đông-Cửa Cạn Phía Tây núi thấp dần không tạo thành dãy, một số chỉnh cao 100-200m Phía Nam có dãy Dương Đông và Suối Đá với các đỉnh cao 100-150m.Vùng Nam Đảo, diện tích không lớn khoảng 16.700ha, bao gồm núi thấp xen kẽ các dãy đất tương đối bằng phẳng, thấp dần theo hướng từ Đông –Bắc xuống Tây –Nam với độ dốc nhỏ hơn 15%

c Khái quát về đất và sử dụng đất

Theo phân loại WRB-FAO (98) đất ở Phú Quốc có thể phân ra làm năm nhóm chính (Huỳnh Văn Định, 2010, Phòng Tài Nguyên Môi Trường Huyện Phú Quốc, 2006)

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 6

- Nhóm đất Arenosol bao gồm ba nhóm chính Ferralic Arenosols có thành phần cơ giới thô thay đổi từ cát đến cát pha Nhóm Gleyic Arenosols có thành phần cơ giới mịn Hypoluvic Arenosols còn gọi là đất cồn cát trắng vàng thành phần cơ giới thô, tổng diện tích của nhóm đất này khoảng 11.044 ha

Gleyic Fluvisols- đất phù sa gley, đất có thành phần giới mịn, từ thịt nhẹ đến thịt trung bình, diện tích khoảng 1.177 ha

- Nhóm Acrisols bao gồm hai nhóm, Arenic Acrisols –đất xám có tầng trên dày hơn 100cm, tầng dưới mỏng lẫn nhiều đá, thành phần cơ giới thô Nhóm Gleyic Acrisols chủ yếu là sản phẩm phân hóa từ đá cát,tầng mặt giàu mùn

- Nhóm Acrisols với hai nhóm phụ Skeletic Acrisols và Arenic Acrisols, nhóm đất phân

bố ở các độ dốc khác nhau Thành phần cơ giới nhẹ từ thịt nhẹ đến thịt trung bình, tổng diện tích nhóm này khoảng 36.685 ha

Đối với những lưu vực nhỏ, yếu tố mặt đệm có ảnh hưởng đáng kể đến chế độ dòng chảy sông (Nguyễn Thanh Sơn, 2003).Khu vực nghiên cứu được bao phủ gần 75% bởi rừng, phần diện tích còn lại là các khu dân cư và hệ thống công trình công cộng phát triển với quy mô nhỏ.Đất sản xuất nông nghiệp bao gồm vườn trồng tiêu, điều và cây rau

củ ngắn ngày.Diện tích mặt nước chủ yếu bao gồm các hệ thống sông nhánh và sông chính, suối và hồ chứa nước.Các khu đầm lầy nhỏ ven sông chiếm diện tích không đáng kể(Phòng Tài Nguyên Mô Trường Huyện Phú Quốc,2010).Bảng 2.1 thể hiện các loại sử dụng đất chínhở Phú Quốc

Bảng 2 1: Một số loại sử dụng đất chính trong lưu vực

1 Rừng đặc dụng(rừng tự nhiên lá rộng thường xanh,

rừng trồng trưởng thành)

FRSE/FOEB

2 Rừng phòng hộ(rừng tự nhiên hỗn hợp xen với cây bụi) FRST

3 Đất dân cư và các công trình công cộng vùng ven đô

thị và các khu dân nông thôn

URMD

6 Đất nương rẫy xen lẫn dân cư ở nông thôn, đất trồng

cây công nghiệp

AGRL

8 Đất công trình đô thị, cơ quan, khu vui chơi,công trình UCOM

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 7

văn hóa, các khu sản xuất

d Khái quát về dòng chảy và thủy triều

Chế độ thủy văn ở Phú Quốc có quan hệ chặt chẽ với đặc điểm khí tượng, điều kiện địa hình và chế độ triều Với hệ thống sông, rạch khá phát triển mật độ khoảng 0.42 km/km2, Phú Quốc được đánh giá có tiềm năng dòng chảy bề mặt khá cao vớimô đun dòng chảy trung bình hằng năm ước tính khoảng 52,321(l/s/km2).Tuy nhiên, phần lớn lưu dòng chảy này chỉ tập trung vào các tháng cao điểm mùa mưa, các rạch lớn trên đảo thường ngắn và dốc nên khả năng giữ nước vào mùa mưa hạn chế, điển hình như Rạch Cửa Cạn (28,7km), rạch Dương Đông (18,5km), rạch Đầm (14,8 km)

Lũ thường xuất hiện vào tháng VIII-IX, sau những đợt mưa thường kéo dài hàng tuần, lượng mưa lớn,cùng với điều kiện địa hình dốc thời gian tập trung dòng chảy ngắn, cửa sông rạch hẹp và thường xuyên bị bồi lấp gây tình trạng ngập cục bộ ở một số vị trí

hạ lưu sông và các khu vực trũng trong nội địa như khu vực ấp Cây Bến, Đồng Tràm Cửa Cạn, khu đồng trũng Lung Ba Gà Thời gian ngập duy trì từ 2-4 ngày, tùy thuộc mưa và chế độ triều.Trái lại, các tháng mùa khô, lượng mưa thường không đáng kể, lượng mưa trong từ tháng XII đến tháng III chưa đến 5mm gây hạn nghiêm trọng ở một số khu vực, đặc biệt các vùng giáp biển.Theo số liệu thống kê địa phương cứ 3-4 năm chu kì hạn lặp lại một lần.Phú Quốc nằm trong vùng biển thuộc vịnh Thái Lan, chế độ thủy triều vừa bị ảnh hưởng của chế độ nhật triều không điều từ Vịnh Thái Lan vừa bị chi phối bởi địa hình

và chế độ mưa trong khu vực Vào mùa khô triều xâm nhập sâu, trong khi mùa mưa ảnh hưởng của triều hạn chế hơn, cùng với yếu tố địa hình nên tác động của triều lên hệ thống sông,suối không xa,biên độ giao động triều 0,7-1,2m

2.1.3 Hiện trạng sử dụng nguồn nước ở địa phương

Phú Quốc tuy có lượng mưa lớn và trữ lượng dòng chảy cao nhưng địa hình chia cắt, dòng chảy trên các hệ thống sông suối ngắn nên phần lớn lượng mưa trên lưu vực nhanh chóng chảy ra biển lượng nước trữ lại trong các đầm lầy và sông suối không đáng

kể dẫn đến chênh lệch nguồn nước giữa hai mùa rất cao Nước ngầm tầng sâu khá khan

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 8

hiếm, quan trắc tại hai điểm khoan sâu 30-40m ở khu vực Bắc Đảo (Gành Dầu) hầu như không có nước(Phân Viện QH & TKNN, 2006).Tuy vậy, nước ngầm tầng nông lại có mặt khắp đảo, đây là lượng nước cung cấp chính cho người dân trên đảo trong các tháng mùa khô

2.2 KHÁI QUÁT VỀ MÔ HÌNH THỦY VĂN

2.2.1 Khái quát về tính ứng dụng của các mô hình thủy văn

Các quá trình thủy văn của lưu vực ngoài thực địa là những quá trình phức tạp, để quản lý tốt cần nắm rõ các quá trình thủy văn diễn ra trong đó.Sự ra đời của các công cụ thủy văn đáp ứng phần nào yêu cầu này.Đến nay công cụ này đã phát triển qua ba giai đoạn:

- Quan sát hiện tượng, mô tả ghi chép thời điểm xuất hiện

- Thực nghiệm: lặp lại nhiều lần các hiện tượng tự nhiên với quy mô nhỏ

- Giải thích hiện tượng, phân tích rút ra quy luật, kiểm tra mức độ phù hợp so với thực

tế, ứng dụng thực tiễn

Phương pháp đánh giá thông qua quan sát và mô tả hiện tượng tuy không quá phức tạp nhưng đòi hỏi thời gian quan trắc đủ dài và cần khái quát hết các hiện tượng có thể ảnh hưởng đến đối tượng nghiên cứu Phương pháp mô phỏng các hiện tượng tự nhiên bằng cách xây dựng các mô hình vật lý đòi hỏi chi phí xây dựng lớn Tuy nhiên, đối với các hiện tượng tự nhiên thường có quy mô và tầm tác động lớn việc mô hình hóa kiểu này thực sự gặp khó khăn, thu nhỏ hay chọn tỷ lệ biến dạng làm giảm mức độ chắc chắn và

chính xác kết quả tính toán (Lê Văn Nghinh et al., 2006)

Sự phát triển của các mô hình thủy văn ở giai đoạn hiện nay khắc phục được hạn chế của các phương pháp trước đó Với phạm vi ứng dụng rông rãi, đa dạng loại hình giúp lựa chọn phù hợp với từng điều kiện nghiên cứu Chi phí xây dựng không cao và để dàng thay đổi phương án thực hiện Tuy vậy, mô hình toán thủy văn không thể thay thế hoàn toàn mô hình vật lý Do đó, cần có sự tồn tại song song giữa hai mô hình kết hợp, hỗ trợ

để xem xét đầy đủ các đặc tính thủy văn trong lưu vực

Với sự phát triển hơn 30 năm, đến ngày nay, mô hình toán được xem như một công

cụ hiệu quả giải quyết các vấn đề cơ bản về thực hành quản lý trong lưu vực, nhiều mô hình toán thủy văn được xây dựng từ các mô phỏng đơn thuần đến các mô hình phức tạp,

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 9

kết hợp nhiều yếu tố Trong đó, riêng nhóm mô hình thủy văn tất định phát triển với hai

xu hướng: mô hình hộp đen và và mô hình nhận thức Mô hình hộp đen coi lưu vực là hệ thống động lực không biết trước chủ yếu sử dụng giả thuyết về tính dừng và tính logic của chuỗi giá trị nghiên cứu Tuy vậy, mô hình còn tồn tại một số hạn chế do chưa xác định được những tác động cụ thể của tự nhiên hay con người Mô hình nhận thức xác định xuất phát từ những hiểu biết các qúa trình vật lý diễn ra trong lưu vực và xác định các mối quan hệ giữa các biến này, mô phỏng lại các yếu tố trong hợp phần thủy văn, bao gồm các yếu tố tự nhiên và nhân tạo.Loại mô hình này giúp khái quát được nhiều yếu tố lên thủy văn lưu vực.Khó khăn lớn nhất khi sử dụng mô hình là đòi hỏi người sử dụng phải rất am tường khu vực nghiên cứu và số liệu đầu vào rất lớn

Mô hình nhận thức tuy chưa đủ sức để đánh giá toàn bộ quá trình thủy văn trong lưu vực nhưng đã được minh chứng là khả thi để đánh giá và dự báo xu hướng cho lưu vực ở nhiều nghiên cứu Một số mô hình hộp đen điển hình như: HEC_HMS, NAM, TANK, SWAT

Mô hình HEC-HMS được nâng cấp từ HEC-1 công bố vào năm 2000.HEC-HMS

sử dụng tài liệu mưa để tính toán quá trình mưa rào - dòng chảy trên một lưu vực cụ thể Chức năng các thành phần mô hình lựa trên các mối quan hệ toán học đơn giản mà các quan hệ này có xu hướng biểu thị các quá trình khí tượng, thuỷ văn, thuỷ lực bao gồm quá trình mưa rào -dòng chảy Những quá trình này được phân ra thành mưa, tích đọng, thấm, chuyển lượng mưa hiệu quả thành dòng chảy của lưu vực, cung cấp nước cho dòng chảy

cơ bản và diễn toán lũ Kết quả tính toán dùng cho dự báo lũ hoặc đầu vào cho mô hình thuỷ lực

Mô hình HMS là mô hình có ít tham số và dể sử dụng, không yêu cầu cao về tài liệu địa hình lưu vực, độ chính xác của mô hình cũng đã được kiểm nghiệm đối với các lưu vực từ 15 đến 1500km2 Mô hình thủy văn HEC-HMS là mô hình thông số tập trung

do vậy khi áp dụng cần phân chia lưu vực thành các lưu vực nhỏ và có lương mưa đồng đều.Tuy nhiên trên thực tế khó để sát định ranh giới mưa trong một khu vực do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình.Tuy nhiên, mô hình HEC-HMS tồn tại một số nhược điểm:trong 2 phương pháp diễn toán hồ chứa (Outflow Curve và Specified Release) không đưa được một số thành phần vào để tính cân bằng hồ chứa Trong các phương pháp diễn toán dòng chảy trong sông không xử lý được các nhiễm động ở hạ lưu truyền lên (như ảnh hưởng của nước vật), không dự đoán chính xác quá trình lưu lượng

Mô hình TANK là mô hình mô phỏng lưu vực bằng chuỗi các bể chứa xếp tầng và cột phù hợp với hình dạng lưu vực, cấu trúc thổ nhưỡng, địa chất.Mưa trên lưu vực được xem như lượng mưa của bể trên cùng, mỗi bể chứa có một cửa ra ở đáy Mô hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn: 4 bể trên một cột phù hợp cho các khu vực nhỏ có độ

ẩm cao Mô hình phức tạp hơn là mô hình TANK kép gồm một số cột bể mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trên lưu vực và các bể mô tả quá trình truyền sống lũ trên sông Mô hình ứng dụng tốt cho các lưu vực vừa và nhỏ Khả năng mô phỏng dòng chảy tháng, dòng chảy ngày và dòng chảy lũ Tuy nhiên, nhiều thông số nhưng không rõ ý nghĩa vật lý nên khó xác định trực tiếp Việc thiết lập cấu trúc và các thông số hóa mô hình chỉ có thể thực hiện sau nhiều lần thử sai, đòi hỏi người thực hiện phải có nhiều kinh nghiệm và am hiểu mô hình

2.2.2 Giới thiệu mô hình thủy văn SWAT

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá đất và nước 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 quá trình quản lí, sử dụng đất và nước 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 Mô hình sử dụng bản đồ nền DEM để mô phỏng hướng dòng chảy trên lưu vực Kết hợp với sử dụng bản đồ sử dụng đất và loại đất để cho ra đơn

vị cơ bản thủy văn tương đồng về đặc điểm sử dụng đất và tính chất đất trên lưu vực Tuy vậy, SWAT đòi hỏi một số lượng lớn dữ liệu cũng như thông số đầu vào khổng lồ trong

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 11

khi nguồn số liệu này không phải luôn sẵn có, SWAT cũng chưa đề cập hết các yếu tố tác động của con người lên dòng chảy của lưu vực, các yếu tố này cần được đánh giá thêm thông qua phân tích tính chắc chắn của mô hình cần đánh giá thêm tính chắc chắn của mô phỏng.SWAT tính toán lưu lượng nước dựa trên phương trình cân bằng nước - công cụ rất hữu hiệu để đánh giá tài nguyên nước và phân tích tính toán dòng chảy sông ngòi

(2 1)

Trong đó

: Tổng lượng nước còn lại sau khi cân bằng

:Lượng nước ban đầu có trong ngày thứ i (mm )

: lượng mưa khu vực nhận được trong ngày thứ i (mm )

: tổng lượng nước mặt trong ngày thứ i (mm )

:lượng bốc thoát hơi nước trong ngày thứ i (mm)

lượng nước đi vào tầng ngầm ở ngày thứ i

: là lượng nước hồi quy ở ngày thứ i

2.2.3 Cơ sở hình thành lưu vực và mô phỏng dòng chảy trên lưu vực

Xác định lưu vực là bước cần thiết để đánh giá các đặc tính thủy văn.SWAT sử dụng bản đồ cao độ số (DEM) trên cơ sở phần mềm GIS để mô phỏng lưu vực từ đó có thể chia thành nhiều tiểu lưu vực nhỏ Trên mỗi diện tích đất đai của tiểu lưu vực mang những yếu tố đồng nhất về loại đất, kiểu sử dụng đất hay phương thức quản lý có thể

chia thành một đơn vị thủy văn (HRU) nhất định (Arnold et al., 2011)mô hình hóa theo

tiểu lưu vực mang lại lợi ích khi những vùng khác nhau có những tương đồng về đặc điểm

sử dụng đất và tính chất đất có thể áp dụng áp dụng cho nghiên cứu ở khu vực

khác(Nguyễn Kim Lợi et al.,).Giới hạn số lượng HRU trong một tiểu lưu vực thường

được phân thành từ 1-10 đơn vị, tùy vào tính phức tạp của tiểu lưu vực

DEM mô phỏng dòng chảy trên nguyên tắc dòng chảy được chảy giá trị pixcel lớn hơn theo tám hướng về các giá trị pixcel nhỏ hơnmô phỏng quá trình hình thành dòng chảy trong lưu vựcHình 2.2.Để phân định dòng chảy được xác thực với thực tế, độ phân giải

Hình 2 3: Quá trình tập trung dòng chảy trong các nhánh sông chính

(Nguồn: http://www.crwr.utexas.edu/gis/gishydro00/ArcGIS/chapter4.pdf)

2.2.4 Các quá trình cân bằng nước trong lưu vực

SWAT giả định lượng mưa được phân phối điều trên toàn lưu vực, dòng chảy bề mặt sinh ra từ các tiểu lưu vực thông qua hệ thống điểm thoát nước tập trung vào các hệ thống sông suối Phương pháp đường cong SCS chức năng tính ước tính tiềm năng dòng chảy

Tham số duy trì thay đổi theođặc tính loại đất, loại sử dụng đất, độ dốc và thời gian

Hình 2 4: Quan hệ mưa và dòng chảy trong đường cong CN

( Nguồn : Neitsch et al., 2009)

SCS Engineering Disvision (1986) đã thực hiện phân chia giá trị CN đựa trên đặc điểm nhóm đất, loại hình sử dụng đất ở điều kiện ẩm II và độ dốc trung bình 5% Theo đó, CN nằm trong khoảng từ 35-98.Bảng 2.2 thể hiện giá trị CN ở các nhóm đất thủy văn và điều

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 14

kiện lớp phủ khác nhau Nhóm đất thủy văn cơ bản chia làm bốn nhóm chính và ba nhóm trung gian thể hiện khả năng thấm giữ nước của đất bao gồm nhóm:

- Nhóm A có tiềm năng thâm giữ tốt do đó hạn chế sản sinh dòng chảy mặt

- Nhóm B thấm trung bình do đó tổn thất dòng chảy trung bình

- Nhóm C khả năng thấm chậm , tổn thất dòng chảy mặt ít hơn

- Nhóm D khả năng thấm rất thấp, tổn thất dòng chảy mặt thấp do đó khả năng sinh dòng chảy mặt rất cao

Bảng 2 2: Giá trị dòng chảy bề mặt ( SCS Engineer Division, 1986)

văn A Nhóm đất thủy văn B C D Đồng cỏ

Vùng xây dựng các trang trại và hệ

thống đường giao thông

a Hệ số trễ dòng chảy mặt

Với những lưu vực lớn có thời gian tập trung nước lớn hơn 1 ngày, chỉ một phần lưu lượng dòng chảy bề mặt sẽ đóng góp cho kênh chính tại mặt cắt xác định trong ngày, phần còn lại sẽ đến vào những ngày sau đó SWAT sử dụng hệ số trễ dòng chảy bề mặt

để mô tả phần dòng chảy không đóng góp cho kênh chính trong ngày.Lưu lượng dòng chảy mặt được tính toán theo phương pháp chỉ số CN và hàm thấm Green và Ampt, lượng dòng chảy không đóng góp cho kênh chính được tính toán theo phương trình:

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 15

Trong đó:

Qsurf : lớp dòng chảy tới kênh chính trong một ngày (mm)

: lớp dòng chảy sinh ra trên lưu vực trong một ngày (mm)

Qstor,i - 1 : lượng trữ của ngày hôm trước (mm)

surlag : hệ số trễ

tconc : thời gian tập trung (giờ)

b Diễn toán dòng chảy trong kênh

Dòng chảy được hình thành từ quá trình chảy tiếp nối qua các tiểu lưu vực, mỗi tiểu lưu vực giả định như một bể chứa nước.Trong đó, lượng nước có tại một thời điểm bao gồm lượng nước trữ ở thời điểm trước đó, lượng nước chảy đến từ tiểu lưu vực trên

đó và lượng nước mưa sinh ra tại thời điểm hiện tại Tổng lượng nước này sau khi trừ đi phần tổn thất do thấm, bốc hơi, hấp thu thực vật hình thành dòng chảy mặt cùng với một phần dòng chảy ngầm đóng góp cho dòng chảy trên sông Dòng sông được mô phỏng theo từng đoạn nằm trong các tiểu lưu vực, SWAT giả định mặt cắt ướt trong kênh giả định có dạng hình thang

Trong đó, depth là độ sâu mực nước trong sông (m), W là chiều rộng đỉnh sông ứng với

độ sâu mực nước (m), Wbtm là chiều rộng đáy sông (m), zch là giá trị nghịch đảo của độ dốc sông (theo giả thiết trong SWAT, zch = 2)

Chiều rộng đáy sông được tính toán theo công thức (S.L Neitsch et al., 2005):

Nguyễn Thị Bích Phượng (3113831) 16

Trong đó, Wbnkfull là chiều rộng đỉnh sông khi đầy nước (m), depthbnkfull là độ sâu mực nước trong sông khi đạt đến đỉnh sông (m) Bởi vì giả thiết zch = 2, nên có thể chiều rộng đáy sông tính theo phương trình 3.6 nhỏ hơn hoặc bằng 0 Nếu trường hợp này xuất hiện, mô hình đặt Wbtm = (0,5 Wbnkfull) và tính toán lại giá trị zch theo phương trình:

(2 7)

Phương trình Manning cho dòng chảy đồng nhất được dùng để tính toán lưu lượng

và vận tốc dòng chảy tại từng đoạn sông ứng với thời gian bước nhảy cho trước (S.L

Bán kính thủy lực của sông Rch (m) được tính bởi công thức:

(2 11)

Trong đó, Pch (m) là tham số ẩm của sông được tính theo công thức ( Neitschet al., 2005):

d Quá trình thấm và nước ngầm

Sự hình thành lớp nước ngầm tầng nông và tầng sâu là yếu tố chi phối trữ lượng dòng chảy mặt.Quá trình này gồm: thu nhận nước từ quá trình thấm trong đất, chu chuyển dòng chảy nước ngầm và cung cấp của nước ngầm cho dòng chảy mặt Trong vai trò này, lớp phủ thực vật bề mặt và loại đất là yếu tố chi phối không thể tách rời.Với cùng một diện tích khả năng trữ nước ở các khu vực có rừng cao hơn so với khu vực khác.Đánh giá tiềm năng thấm của các loại sử dụng đất theo các mức độ sau: đất rừng > đất trồng chuối,

gỗ > đồng cỏ(Zimmermann et al., 2006) Tuy còn nhiều quan điểm về khả năng trữ nước

ngầm của lớp phủ bề mặt song khó phủ nhận vai trò điều hòa dòng chảy của nó

2.2.5 Khái quát về phương pháp hiệu chỉnh mô hình tự động

Kết quả mô phỏng từ mô hình chứa đựng yếu tố không chắc chắn do sai xót trong

trình đo đạc, ghi chép và chỉnh lý kết quả (Abbaspour et al., 2004) Do vậy, hiệu chỉnh

mô hình giúp kết quả mô phỏng gần với điều kiện thực tế của lưu vực Việc sử dụng phương pháp tự động để hiệu chỉnh mô hình, tuy mất nhiều thời gian nhưng được chứng