Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của rùng đến dòng chảy lưu vực sông srepok

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN HỌ VÀ TÊN NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGUYỄN BÁ HUY TÊN ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA RỪNG ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG SREPOK ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T Ngành: Thủy văn Hà Nội - 2015 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN HỌ VÀ TÊN NGƯỜI THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGUYỄN BÁ HUY TÊN ĐỀ TÀI ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA RỪNG ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG SREPOK ĐỒ ÁN KHÓA ĐH1T Ngành: Thủy văn NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TH.S LÊ VIỆT HÙNG TH.S THI VĂN LÊ KHOA Hà Nội - 2015 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động rừng đến dòng chảy lưu vực sông Srepok” em nhận động viên, khích lệ tạo điều kiện tốt từ gia đình, giúp đõ tận tình thầy hướng dẫn, giúp đỡ từ bạn bè nỗ lực thân Em xin chân thành cảm ơn thầy, cô giáo khoa Khí Tượng Thủy Văn - Trường đại học Tài Nguyên Môi Trường Hà Nội truyền thụ kiến thức cho em suốt trình học tập vừa qua Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Thi Văn Lê Khoa thầy giáo Lê Việt Hùng Đã hướng dẫn, dạy tận tình để em hoàn thành đề tài Tôi xin cảm ơn bạn lớp ĐH1T chia sẻ giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi để hoàn thành nhiệm vụ học tập đề tài Cuối xin gửi lới cảm ơn đến bố mẹ người thân động viên, quan tâm tạo điều kiện tốt giúp hoàn thành đồ án Trong khuôn khổ đề tài, thời gian điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn! Nguyễn Bá Huy MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LƯU VỰC SÔNG SREPOK .3 1.1 Vị trí địa lý .3 1.2 Đặc điểm địa hình 1.3 Đặc điềm địa chất thổ nhưỡng 1.4 Đặc điểm thảm phủ 1.5 Đặc điểm khí tượng thủy văn Kết Luận chương I CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT 11 2.1 Cơ sở lý thuyết mô hình SWAT 11 2.1.1 Lịch sử phát triển 11 2.1.2 Tổng quan mô hình SWAT .13 2.1.3 Chu trình thủy văn pha đất 16 2.1.4 Chu trình thủy văn pha nước 19 2.2 Các ứng dụng mô hình 21 2.2.1 Các nghiên cứu giới .21 2.2.2 Các nghiên cứu Việt Nam 22 Kết luận chương II 22 CHƯƠNG III: SỬ DỤNG MÔ HÌNH SWAT MÔ PHỎNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG SREPOK 24 3.1 Yêu cầu đầu vào mô hình 24 3.1.1 Dữ liệu mô hình số hóa độ cao 24 3.1.2 Dữ liệu thảm phủ 25 3.1.3 Dữ liệu đất 28 3.1.4 Dữ liệu khí tượng 30 3.2 Tiến trình thực mô hình SWAT .32 3.2.1 Phân định lưu vực .32 3.2.2 Phân tích đơn vị thủy văn 34 3.2.3 Ghi chép liệu đầu vào 35 3.3 Hiệu chỉnh kiểm định mô hình 36 3.3.1 Giới thiệu phần mềm SWAT – CUP 37 3.3.2 Hiệu chỉnh 37 3.3.3 Kiểm định 38 3.3.4 Kết hiệu chỉnh kiểm định 39 3.4 Đánh giá tác động rừng đến dòng chảy 41 3.5 Phân tích kết .45 Kết luận chương III .46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Lưới trạm khí tượng đo mưa lưu vực Bảng 3.1: Bảng mã thảm phủ thực vật SWAT Việt Nam 27 Bảng 3.2: Bảng mã liệu đất SWAT Việt Nam 30 Bảng 3.3: Thông tin file liệu thời tiết .31 Bảng 3.4: Mức độ mô mô hình tương ứng số R2 NSI 40 Bảng 3.5: Các số R2 NSI sau hiệu chỉnh kiểm định 40 Bảng 3.6: Mô tả thông số mô hình .41 Bảng 3.7: Thông số r_CN2 sau mô hình SWAT-CUP hiệu chỉnh 41 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Vị trí địa lý tự nhiên lưu vực sông Srepok Hình 2.1: Sơ đồ lịch sử phát triển mô hình SWAT 11 Hình 2.2: Sơ đồ phương pháp luận mô hình SWAT 15 Hình 2.3: Chu trình thủy văn pha đất 16 Hình 2.4: Vòng tính toán HRU/ Lưu vực 19 Hình 2.5: Các trình biến đổi vận chuyển chất lòng sông ngòi mô SWAT .20 Hình 3.1: Down load đồ DEM 24 Hình 3.2: Dữ liệu DEM mô hình SWAT 25 Hình 3.3: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Srepok 26 Hình 3.4: Down load liệu đất 28 Hình 3.5: Bản đồ liệu đất lưu vực sông Srepok 29 Hình 3.6: Trang web liệu khí tượng toàn cầu SWAT 31 Hình 3.7: Dữ liệu khí tượng SWAT 32 Hình 3.8: Bản đồ phân định lưu vực sông Srepok 33 Hình 3.9: Chồng ghép đồ lưu vực sông Srepok .34 Hình 3.10: Chạy mô hình SWAT từ 1/1/1991 – 31/12/1995 36 Hình 3.11: Đường lưu lượng thực đo mô trạm Bản Đôn lưu vực sông Srepok .38 Hình 3.12: Chỉ số R2 NSI sau hiệu chỉnh 38 Hình 3.13: Đường lưu lượng thực đo mô trạm Bản Đôn lưu vực sông Srepok sau kiểm định 39 Hình 3.15: Bản đồ tiểu lưu vực lưu vực sông Srepok 42 Hình 3.16: Giảm diện tích rừng mô hình SWAT 43 Hình 3.17: So sánh lưu lượng dòng chảy trước sau thay đổi diện tích rừng tiểu lưu vực số 44 Hình 3.18: So sánh lưu lượng dòng chảy trước sau thay đổi diện tích rừng tiểu lưu vực số 44 Hình 3.19: So sánh lưu lượng dòng chảy trước sau thay đổi diện tích rừng tiểu lưu vực số 45 DANH MỤC VIẾT T T DEM: Digital Elevation Model FAO: Food and Agriculture Organization GIS: Geographic Information System HRU: Hydrologic Response Unit SWAT: Soil and Water Assessment Tool USGS: United States Geological Survey SWAT-CUP: SWAT Calibration and Uncertainty Programs GLUE: Generalized Likelihood Uncertainty Estimation SWRRB: Simulator for Water Resources in Rural Basins CREAMS: Chemicals, Runoff and Erosion from Agricultural Management Systems - Knisel GLEAMS: Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems Leonard et al EPIC: Erosion Productivity Impact Calculator – Williams et al USLE: Universal Soil Loss Equation USDA: United States Department of Agriculture MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Với đặc điểm địa hình đồi núi cao, độ dốc sườn lớn, lòng sông đoạn cửa hẹp, khả tập trung lũ cao… nên vào mùa mưa bão lưu vực sông Srepok thường xảy trận lũ lớn Có nhiều nguyên nhân nguyên nhân khách quan biến đổi khí hậu gây mưa lớn bất thường diện rộng có nguyên nhân chủ quan tác động hoạt động người Trong trình phát triển kinh tế - xã hội phát triển sở hạ tầng ven sông dẫn đến ảnh hưởng tiêu cực làm thu hẹp lòng dẫn, tàn phá rừng nguyên sinh đầu nguồn… Rừng phổi xanh giới, nơi trú nhiều loài động thực vật Từ trước đến tiềm thức rừng có ý nghĩa to lớn, làm tăng dòng chảy kiệt làm giảm dòng chảy lũ Đã có nhiều nghiên cứu ảnh hưởng rừng đến lũ dừng lại mức độ đánh giá cách định tính mà chưa có nhiều nghiên cứu đánh giá xác mặt định lượng xem rừng thay đổi dòng chảy thay đổi biến động Việc đánh giá định lượng sử dụng mô hình toán để tính toán Hiện mô hình toán phát triển nhanh Việt Nam dường công cụ thiếu nghiên cứu giải toán qui hoạch…Để đánh giá định lượng ảnh hưởng rừng tới dòng chảy lưu vực sông Srepok nghiên cứu lựa chọn mô hình SWAT để nghiên cứu Đây công cụ mô hình ứng dụng nhiều giới Ở Việt Nam, năm gần đưa vào ứng dụng dừng lại mức độ sử dụng mô hình để tính toán dòng chảy làm đầu vào cho mô hình khác mô hình thủy lực hay phục vụ toán cân nước Bài nghiên cứu giới thiệu khả mô hình theo hướng ứng dụng khác là: “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động rừng đến dòng chảy lưu vực sông Srepok” Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu bao gồm mục tiêu tổng quát mục tiêu cụ thể Mục tiêu tổng quát:  Mô đánh giá ảnh hưởng biến đổi diện tích rừng tới dòng chảy sông Mục tiêu cụ thể:  Khai thác xử lý ảnh viễn thám, đáp ứng yêu cầu đầu vào mô hình SWAT  Thiết lập mô hình SWAT mô dòng chảy lưu vực sông Srepok  Hiệu chỉnh kiểm định thành công, tìm kiếm thông số tốt cho mô hình  Đánh giá mức độ ảnh hưởng rừng đến dòng chảy lưu vực sông Srepok Phạm vi nghiên cứu Đối với khu vực nghiên cứu: Nghiên cứu giới hạn phần lưu vực đoạn sông Srepok chảy qua địa phận Việt Nam, không xét đến phần lưu vực thuộc Vương quốc Campuchia Đối với mô hình SWAT: Trong số nhiều chức mô hình SWAT, nghiên cứu giới hạn khai thác chức mô trình mưa dòng chảy, thông số hiệu chỉnh kiểm định không tập trung cho yếu tố chất lượng nước vận chuyển bùn cát Đối với kịch mô phỏng: Nghiên cứu xét đến thay đổi diện tích rừng, không xét đến ảnh hưởng biến đối khí hậu yếu tố khác gây ảnh hưởng đến dòng chảy Nội dung nghiên cứu  Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Srepok  Giới thiệu mô hình SWAT  Sử dụng mô hình SWAT mô dòng chảy sông Srepok, từ đánh giá tác động rừng đến dòng chảy lưu vực sông Srepok Câu hỏi nghiên cứu Để đạt mục tiêu năm phạm vi nghiên cứu trên, đề tài dự kiến trả lời câu hỏi nghiên cứu chủ đạo sau:  Tại lại chọn lưu vực sông Srepok khu vực nghiên cứu?  Tại lại chọn mô hình SWAT để mô dòng chảy đánh giá tác động rừng đến dòng chảy?  Thiết lập mô hình SWAT nào? Các thông số có độ nhạy cao trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình?  Rừng có tác động đến với dòng chảy tác động mang tính tích cực hay tiêu cực? [...]... viễn thám, đáp ứng yêu cầu đầu vào của mô hình SWAT  Thiết lập mô hình SWAT và mô phỏng được dòng chảy trên lưu vực sông Srepok  Hiệu chỉnh kiểm định thành công, tìm kiếm được thông số tốt nhất cho mô hình  Đánh giá mức độ ảnh hưởng của rừng đến dòng chảy trên lưu vực sông Srepok 3 Phạm vi nghiên cứu Đối với khu vực nghiên cứu: Nghiên cứu này giới hạn phần lưu vực của đoạn sông Srepok chảy qua địa... đến dòng chảy 4 Nội dung nghiên cứu  Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Srepok  Giới thiệu mô hình SWAT  Sử dụng mô hình SWAT mô phỏng dòng chảy sông Srepok, từ đó đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy trên lưu vực sông Srepok 5 Câu hỏi nghiên cứu Để đạt được các mục tiêu năm trong phạm vi nghiên cứu như trên, đề tài dự kiến sẽ trả lời các câu hỏi nghiên cứu chủ đạo sau:  Tại sao lại chọn lưu vực. .. cứu chủ đạo sau:  Tại sao lại chọn lưu vực sông Srepok là khu vực nghiên cứu?  Tại sao lại chọn mô hình SWAT để mô phỏng dòng chảy và đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy?  Thiết lập mô hình SWAT như thế nào? Các thông số nào có độ nhạy cao trong quá trình hiệu chỉnh, kiểm định mô hình?  Rừng có tác động như thế nào đến với dòng chảy và tác động của nó mang tính tích cực hay tiêu cực? ... xét đến phần lưu vực thuộc Vương quốc Campuchia Đối với mô hình SWAT: Trong số rất nhiều chức năng của mô hình SWAT, nghiên cứu chỉ giới hạn khai thác chức năng mô phỏng quá trình mưa dòng chảy, các thông số hiệu chỉnh kiểm định không tập trung cho yếu tố chất lượng nước và vận chuyển bùn cát Đối với kịch bản mô phỏng: Nghiên cứu chỉ xét đến sự thay đổi diện tích rừng, không xét đến ảnh hưởng của biến