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 ĐÁ
Trang 1BỘ 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
Trang 2BỘ 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
Trang 4LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được đồ án “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy lưu vực sông Srepok” em đã nhận được sự động viên, khích lệ và tạo điều kiện tốt từ gia đình, sự giúp đõ tận tình của thầy hướng dẫn,
sự giúp đỡ từ bạn bè và nỗ lực của bản thân
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Khí Tượng Thủy Văn - Trường đại học Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội đã truyền thụ kiến thức cho em trong suốt quá trình học tập vừa qua
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo Thi Văn Lê Khoa và thầy giáo Lê Việt Hùng Đã hướng dẫn, chỉ dạy tận tình để em hoàn thành đề tài này Tôi cũng xin cảm ơn các bạn trong lớp ĐH1T đã chia sẻ giúp đỡ, động viên tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và đề tài này
Cuối cùng con xin được gửi lới cảm ơn đến bố mẹ và những người thân đã động viên, quan tâm và tạo điều kiện tốt giúp con hoàn thành đồ án
Trong khuôn khổ của đề tài, do thời gian và điều kiện hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của các thầy cô và các bạn
Em xin chân thành cảm ơn!
Nguyễn Bá Huy
Trang 5MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU LƯU VỰC SÔNG SREPOK 3
1.1 Vị trí địa lý 3
1.2 Đặc điểm địa hình 4
1.3 Đặc điềm địa chất thổ nhưỡng 4
1.4 Đặc điểm thảm phủ 5
1.5 Đặc điểm khí tượng thủy văn 6
Kết Luận chương I 9
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 trong pha đất 16
2.1.4 Chu trình thủy văn trong pha nước 19
2.2 Các ứng dụng của mô hình 21
2.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới 21
2.2.2 Các nghiên cứu tại 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 của 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 hiện 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 dữ liệu đầu vào 35
3.3 Hiệu chỉnh và 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
Trang 63.3.4 Kết quả hiệu chỉnh kiểm định 39
3.4 Đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy 41
3.5 Phân tích kết quả 45
Kết luận chương III 46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO 51
Trang 7DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Lưới trạm khí tượng và đo mưa trong lưu vực 8
Bảng 3.1: Bảng mã thảm phủ thực vật trong SWAT và Việt Nam 27
Bảng 3.2: Bảng mã dữ liệu đất trong SWAT và Việt Nam 30
Bảng 3.3: Thông tin về file dữ liệu thời tiết 31
Bảng 3.4: Mức độ mô phỏng của mô hình tương ứng chỉ số R2 và NSI 40
Bảng 3.5: Các chỉ số R2 và NSI sau khi hiệu chỉnh kiểm định 40
Bảng 3.6: Mô tả các thông số mô hình 41
Bảng 3.7: Thông số r_CN2 sau khi mô hình SWAT-CUP đã hiệu chỉnh 41
Trang 8DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Vị trí địa lý tự nhiên của lưu vực sông Srepok 3
Hình 2.1: Sơ đồ lịch sử phát triển của mô hình SWAT 11
Hình 2.2: Sơ đồ phương pháp luận mô hình SWAT 15
Hình 2.3: Chu trình thủy văn trong pha đất 16
Hình 2.4: Vòng tính toán HRU/ Lưu vực con 19
Hình 2.5: Các quá trình biến đổi và vận chuyển chất trong lòng sông ngòi được mô phỏng trong SWAT 20
Hình 3.1: Down load bản đồ DEM 24
Hình 3.2: Dữ liệu DEM trong mô hình SWAT 25
Hình 3.3: Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Srepok 26
Hình 3.4: Down load dữ liệu đất 28
Hình 3.5: Bản đồ dữ liệu đất lưu vực sông Srepok 29
Hình 3.6: Trang web dữ liệu khí tượng toàn cầu của SWAT 31
Hình 3.7: Dữ liệu khí tượng trong SWAT 32
Hình 3.8: Bản đồ phân định lưu vực sông Srepok 33
Hình 3.9: Chồng ghép bản 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 và mô phỏng tại trạm Bản Đôn trên lưu vực sông Srepok 38
Hình 3.12: Chỉ số R2 và NSI sau khi hiệu chỉnh 38
Hình 3.13: Đường lưu lượng thực đo và mô phỏng tại trạm Bản Đôn trên lưu vực sông Srepok sau khi kiểm định 39
Hình 3.15: Bản đồ các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Srepok 42
Hình 3.16: Giảm diện tích rừng trong mô hình SWAT 43
Hình 3.17: So sánh lưu lượng dòng chảy trước và sau khi thay đổi diện tích rừng tại tiểu lưu vực số 2 44
Hình 3.18: So sánh lưu lượng dòng chảy trước và sau khi thay đổi diện tích rừng tại tiểu lưu vực số 3 44
Hình 3.19: So sánh lưu lượng dòng chảy trước và sau khi thay đổi diện tích rừng tại tiểu lưu vực số 5 45
Trang 9DANH 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
Trang 101
MỞ ĐẦU
1 Đặt vấn đề
Với đặc điểm địa hình đồi núi cao, độ dốc sườn khá lớn, lòng sông đoạn cửa ra hẹp, khả năng tập trung lũ cao… nên vào mùa mưa bão trên lưu vực sông Srepok thường xảy ra các trận lũ lớn
Có rất nhiều nguyên nhân trong đó nguyên nhân khách quan do sự biến đổi khí hậu đã gây ra mưa lớn bất thường hơn trên diện rộng còn có những nguyên nhân chủ quan do sự tác động của các hoạt động của chính con người Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội như phát triển cơ sở hạ tầng ven sông đã dẫn đến những ảnh hưởng tiêu cực như làm thu hẹp lòng dẫn, sự tàn phá rừng nguyên sinh đầu nguồn…
Rừng là lá phổi xanh của thế giới, là nơi cứ trú của rất nhiều loài động thực vật Từ trước đến nay trong tiềm thức của chúng ta rừng có ý nghĩa rất to lớn, nó làm tăng dòng chảy kiệt và làm giảm dòng chảy lũ Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của rừng đến lũ nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ đánh giá một cách định tính mà chưa có nhiều nghiên cứu nào đánh giá chính xác về mặt định lượng xem nếu rừng thay đổi thì dòng chảy thay đổi biến động như thế nào Việc đánh giá định lượng đó có thể sử dụng mô hình toán để tính toán
Hiện nay mô hình toán phát triển rất nhanh và ở Việt Nam nó dường như là công cụ không thể thiếu trong các nghiên cứu cũng như giải quyết các bài toán qui hoạch…Để đánh giá định lượng ảnh hưởng của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Srepok thì nghiên cứu đã lựa chọn mô hình SWAT để nghiên cứu Đây là công cụ mô hình đã ứng dụng nhiều trên thế giới Ở Việt Nam, những năm gần đây nó cũng được đưa vào ứng dụng nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ sử dụng
mô hình để tính toán dòng chảy làm đầu vào cho các mô hình khác như mô hình thủy lực hay phục vụ bài toán cân bằng nước Bài nghiên cứu này giới thiệu khả năng của mô hình đi theo một hướng ứng dụng khác là: “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của rừng đến dòng chảy trên lưu vực sông Srepok”
2 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu bao gồm mục tiêu tổng quát và mục tiêu cụ thể
Mục tiêu tổng quát:
Mô phỏng và đánh giá được ảnh hưởng của biến đổi diện tích rừng tới dòng chảy sông
Mục tiêu cụ thể:
Trang 112
Khai thác và xử lý ảnh 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 phận Việt Nam, không 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 đối khí hậu và những yếu tố khác có thể gây ảnh hưởng 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 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?