TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG MÔ HÌNH SWAT PHIÊN BẢN 2012

Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên với việc sử dụng các phương trình tương quan, hồi qui để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu và

TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

-   -

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG

MÔ HÌNH SWAT PHIÊN BẢN 2012

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT 2

1.1 Tổng quan về mô hình SWAT 2

1.2 Quá trình phát triển của SWAT 3

1.3 Ứng dụng của mô hình SWAT 6

1.4 Nguyên lý mô phỏng SWAT 9

1.5 Tiến trình mô phỏng SWAT 12

CHƯƠNG 2 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ArcSWAT 14

2.1 Giới thiệu ArcSWAT 14

2.2 Cài đặt ArcSWAT 14

2.2.1 Yêu cầu hệ thống 14

2.2.2 Tiến trình cài đặt ArcSWAT 15

2.2.3 Nội dung bên trong thư mục cài đặt 18

2.3 Biên tập dữ liệu đầu vào cho ArcSWAT 19

2.3.1 Dữ liệu không gian 19

2.3.2 Dữ liệu dạng bảng (table), kí tự (text) 20

2.4 Tiến trình chạy mô hình SWAT trong ArcSWAT 24

2.4.1 Kích hoạt ArcSWAT trong môi trường ArcMap (ArcGIS) 24

2.4.2 Tạo mới đồ án SWAT, thiết lập thư mục làm việc và geodatabases 25 2.4.3 Phân chia lưu vực 26

2.4.4 Phân tích đơn vị thủy văn 31

2.4.5 Ghi chép bảng dữ liệu đầu vào 38

2.4.6 Chỉnh sửa dữ liệu đầu vào của SWAT 40

2.4.7 Thiết lập các tùy chọn và chạy mô hình 40

2.4.8 Đọc kết quả đầu ra, lưu kịch bản chạy mô hình 41

CHƯƠNG 3 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SWAT Plot/Graph 44

3.1 Giới thiệu SWAT Plot/Graph 44

3.2 Cài đặt SWAT Plot/Graph 44

3.3 Trích xuất, hiển thị kết quả đầu ra từ SWAT 47

3.4 So sánh dữ liệu mô phỏng từ SWAT với dữ liệu quan trắc 49

3.5 Hiển thị kết quả đầu ra từ SWAT dưới dạng bản đồ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT

1.1 Tổng quan về mô hình SWAT

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất 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) và giáo sư Srinivasan thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ

SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực

Mô hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng nguồn tài nguyên đất của đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra

từ mất rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên với việc sử dụng các phương trình tương quan, hồi qui để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu vào (Sử dụng đất/thảm thực vật, đất, địa hình và khí hậu) và thông số đầu ra (lưu lượng dòng chảy, bồi lắng, … ), SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực

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 tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ chi tiết mô phỏng về mặt không gian Mô hình SWAT sẽ trực tiếp tính toán các quá trình tự nhiên liên quan tới chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng,… dựa vào các thông số dữ liệu đầu vào Do vậy

mô hình còn có khả năng dự báo thông qua việc thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí

sử dụng đất, khí hậu, thực vật…) đều định lượng được những tác động của sự thay đổi đến dòng chảy ra của các lưu vực hoặc các thông số khác; có hiệu quả cao, có thể tính toán và mô phỏng trên lưu vực 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 không những lưu lượng dòng, đỉnh lũ mà còn đến như sự tích lũy chất ô nhiễm và những ảnh hưởng đến vùng hạ lưu Hiện nay trong nước đã xuất hiện nhiều mô hình thủy văn phân chia, đánh giá tài nguyên nước, tính toán lũ cho các lưu vực như MIKEBASIN, HEC-HMS, ANSWERS, AGNPS nhưng hầu các mô hình thường không đi kèm các công cụ hiệu chỉnh, kiểm định một cách tự động để tăng độ tin cậy SWAT cung cấp công cụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định một cách tự động SWAT-CUP, nhằm rút gọn thời gian nhưng vẫn mang lại tính chính xác và hiệu quả cho người sử dụng

1.2 Quá trình phát triển của SWAT

SWAT tích hợp nhiều mô hình của ARS, nó được phát triển từ mô hình mô phỏng tài nguyên nước lưu vực nông thôn (Simulator for Water Resources in Rural Basins - SWRRB) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990) Những mô hình góp phần vào sự phát triển của SWAT bao gồm: hệ thống quản lí nông nghiệp về hóa chất, rửa trôi và xói mòn (Chemicals, Runoff, and Erosion from Agricultural Management Systems - CREAMS) (Knisel, 1980); mô hình những ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm (GLEAMS - Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems) (Leonard et al., 1987), đây là phần mở rộng của CREAMS bao gồm bốn thành phần: thủy văn, xói mòn/ bồi lắng, sự di chuyển 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)

Hình 1 Sơ đồ phát triển của mô hình SWAT (Nguồn: Philip W.G et al., 2009)

Quá trình phát triển của SWRRB bắt đầu với việc sửa đổi mô hình thủy văn

về lượng mưa ngày của mô hình CREAMS Các thay đổi chính so với mô hình thuỷ văn CREAMS bao gồm: a) mô hình đã được mở rộng để cho phép đồng thời tính toán trên nhiều lưu vực con để dự đoán dòng chảy từ nước mưa; b) bổ sung thêm mô hình về nước ngầm, hay mô hình về dòng chảy hồi lưu; c) bổ sung mô-đun hồ chứa nhằm tính toán tác động của ao hồ nông trại và hồ chứa nước đến chế độ dòng chảy và lưu lượng bùn lắng; d) thêm mô hình mô phỏng

thời tiết chứa đựng các dữ liệu cho lượng mưa, bức xạ mặt trời, và nhiệt độ nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các mô phỏng lâu dài và cung cấp biến động thời tiết theo thời gian và không gian; e) phương pháp dự báo giá trị cực đại của tốc độ dòng chảy mặt đất đã được cải thiện; f) mô hình phát triển cây trồng EPIC đã được bổ sung nhằm mô phỏng tác động của phát triển cây trồng hàng năm; g) bổ sung mô-đun tính truyền lũ; h) bổ sung mô-đun vận chuyển bùn cát nhằm mô phỏng chuyển vận của phù sa bùn cát qua các ao, hồ chứa, dòng sông suối và thung lũng; và i) các tính toán về tổn thất truyền dẫn

Mô hình được chú trọng sử dụng trong cuối những năm 1980 chủ yếu nhằm đánh giá chất lượng nước và sự phát triển của SWRRB đã chứng tỏ điều này Những cải tiến đáng kể của mô hình SWRRB vào thời gian đó bao gồm sự kết hợp với: a) thành phần mô phỏng thuốc trừ sâu trong mô hình GLEAMS; b) phương pháp SCS để tính toán giá trị cực đại của tốc độ dòng chảy mặt đất; và c) phương trình mới được phát triển về bồi lắng Những sửa đổi, bổ sung này đã tăng cường khả năng sử dụng của mô hình trong việc giải quyết nhiều vấn đề về quản lý lưu vực

Vào cuối những năm 1980, Cục các vấn đề về người da đỏ (the Bureau of Indian Affairs) cần một mô hình để ước lượng tác động vào dòng chảy hạ lưu của công tác quản lý nguồn nước trong phạm vi lưu vực khu đất giành cho người

da đỏ ở Arizona và New Mê-hi-cô Trong khi SWRRB đã được sử dụng một cách dễ dàng cho các sông có diện tích lên đến vài trăm km vuông, Cục các vấn

đề về người da đỏ muốn mô phỏng dòng chảy cho lưu vực rộng hàng nghìn km vuông Đối với khu vực rộng lớn như vậy, lưu vực được nghiên cứu cần thiết phải phân chia thành vài trăm lưu vực con SWRRB chỉ cho phép chia lưu vực thành 10 lưu vực con và mô hình tính truyền vận chuyển dòng nước và bùn lắng

ra khỏi lưu vực con trực tiếp đến điểm ra của lưu vực dòng sông Những hạn chế này đã dẫn đến sự phát triển của một mô hình có tên gọi là ROTO (Routing Output To Outlet) (Arnold et al., 1995), trong đó kết quả từ nhiều lần chạy mô hình SWRRB cho các lưu vực con được chuyển theo dòng chảy trong các kênh

và hồ chứa ROTO cung cấp một phương pháp tiếp cận tính toán theo từng đoạn sông và khắc phục được nhược điểm của SWRRB về giới hạn số lưu vực con bằng cách "liên kết" nhiều lần chạy mô hình SWRRB lại với nhau Mặc dù phương pháp tiếp cận này rất hiệu quả, những dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra của nhiều lần chạy SWRRB trở nên cồng kềnh và cần khả năng lưu trữ lớn trong máy tính Ngoài ra, tất cả các lần chạy mô hình SWRRB phải được thực hiện độc lập và sau đó nhập kết quả vào mô hình ROTO để thực hiện bước tính truyền theo các kênh và hồ chứa Để khắc phục được những rắc rối này, mô hình SWRRB và ROTO đã được kết hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là

SWAT Trong khi SWAT cho phép mô phỏng khu vực rất rộng lớn, nó giữ lại tất cả các tính năng đã làm cho mô hình SWRRB có giá trị như một mô hình mô phỏng

Từ khi SWAT được tạo ra vào đầu những năm 1990, nó đã liên tục trải qua nhiều lần được xem xét, đánh giá và cải tiến nhằm mở rộng khả năng mô phỏng Những cải tiến đáng kể nhất của các mô hình theo các phiên bản khác nhau bao gồm:

- SWAT94.2: Bổ sung khái niệm đơn vị thuỷ văn (HRUs)

- SWAT96.2: Phương án tự động bón phân và tưới nước được thêm vào như là những quản lý tùy chọn; tính toán lượng nước do tán lá cây lưu trữ; thành phần mô phỏng CO2 trong mô hình tăng trưởng cây trồng phục vụ các nghiên cứu về biến đổi khí hậu; bổ sung phương trình Penman-Monteith về bốc thoát nước tiềm năng; dòng chảy theo chiều ngang trong đất dựa trên mô hình lưu trữ động thái; bổ sung phương trình chất lượng nước về thành phần dinh dưỡng của dòng chảy từ mô hình QUAL2E; tính truyền vận chuyển thuốc trừ sâu trong dòng chảy sông suối

- SWAT98.1: Cải tiến chương trình con về mô phỏng lượng tuyết tan; cải thiện tính toán chất lượng nước trong dòng sông suối; mở rộng tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng; tác động chăn thả đồng cỏ, tác động cách thức áp dụng phân bón, và thêm phương án tiêu nước sử dụng cày sâu như là một phương thức quản lý, sửa đổi mô hình để có thể áp dụng ở khu vực Nam bán cầu

- SWAT99.2: Cải tiến tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, cải tiến tính toán ruộng lúa/đầm lầy, bổ sung phần ước tính lượng tổn thất chất dinh dưỡng do quá trình bồi lắng trong hồ chứa/ao/đầm lầy; bổ sung lượng nước chứa được do bờ sông, bổ sung tính truyền kim loại theo thứ tự các đoạn sông suối; tất cả các năm tài liệu tham khảo trong mô hình đã thay đổi biểu thị từ 2 chữ số thành 4 chữ số, bổ sung phương trình ảnh hưởng các khu đô thị lên dòng chảy từ

mô hình SWMM theo phương trình quan hệ của Cơ quan Thăm dò Địa chất (USGS)

- SWAT2000: Bổ sung tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy;

bổ sung phương trình thấm Green & Ampt, cải thiện mô hình mô phỏng thời tiết, cho phép đọc vào hoặc mô phỏng dữ liệu bức xạ mặt trời hàng ngày, độ ẩm tương đối, và tốc độ gió; cho phép đọc vào hoặc ước tính các giá trị bốc thoát nước tiềm năng ET cho lưu vực; xem xét lại tất cả các phương pháp ước tính ET tiềm năng; cải thiện quá trình liên quan đến độ cao của bờ sông; cho phép mô phỏng không giới hạn số lượng hồ chứa; bổ sung phương pháp tính truyền

Muskingum; sửa đổi tính toán mô phỏng trạng thái ngưng hoạt động sống (ngủ đông) cho phù hợp với các khu vực nhiệt đới

- SWAT2005: Cải thiện tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy; thêm kịch bản dự báo thời tiết; bổ sung phần mô phỏng lượng mưa rơi; thông số lưu trữ nước trong tính toán giá trị CN hàng ngày có thể là hàm số của lượng nước trong đất (độ ẩm đất) hay của lượng bốc thoát hơi nước từ cây cối

Phiên bản hiện tại đang được phát triển là SWAT2012 Ngoài những thay đổi đã được liệt kê ở trên, giao diện cho các mô hình đã được phát triển cho môi trường hệ điều hành Windows (Visual Basic), GRASS, và ArcView Theo định hướng phát triển trong thời gian sắp tới, SWAT sẽ tiếp tục được phát triển, tập trung chính vào các mảng sau:

- Mở rộng phạm vi mô phỏng gồm cả thời gian và không gian

- Cung cấp nguồn dữ liệu đầu vào sẵn có, miễn phí và đảm bảo chất lượng như thời tiết, thuỷ văn, thổ nhưỡng, hoạt động sản xuất nông nghiệp

- Hiệu chỉnh, phân tích tính bất định của mô hình

- Mô phỏng theo thời gian thực

- Tích hợp với các mô hình khác như APEX, SWMM(EPA), ALMANAC, DSSAT

- Hợp tác phát triển mô hình với các tổ chức như CGIAR, ISRIC,…

- Tăng cường đào tạo, truyền thông về SWAT

- Xây dựng nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT về các phiên bản sử dụng (SWAT 2005, 2009, 2012), các phần mềm hỗ trợ như ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT (Output Vizualization), các tài liệu hướng dẫn đa ngôn ngữ

1.3 Ứng dụng của mô hình SWAT

Mô hình SWAT đã được cộng đồng quốc tế công nhận là một mô hình quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ Nó được ứng dụng rộng rãi trong đánh giá chất lượng, tiềm năng nước, kiểm soát xói mòn đất, theo dõi ô nhiễm, định lượng tác động của biến đổi khí hậu… ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới Theo thống kê chưa đầy đủ, đến nay đã có trên 500 người sử dụng, 30 nhà phát triển, trên 100 học viên cao học, nghiên cứu sinh đang sử dụng SWAT và hơn 1.000 bài báo nghiên cứu về SWAT Mỗi năm có hàng chục hội nghị, tập huấn

về mô hình SWAT được tổ chức ở khắp nơi trên thế giới

Liên quan đến cảnh báo lũ, mô hình SWAT đã được ứng dụng thành công trong nhiều nghiên cứu khác nhau trên thế giới:

- Mohammad K.A (2006) đã phát triển mô hình dự báo lũ trước 3 ngày tại cửa xả của lưu vực sông Hằng, Bangladesh dựa trên dữ liệu ảnh viễn thám miễn phí của NASA, USGS, FAO, USDA, ISRIC,…, mô hình SWAT và ANN Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng SWAT để mô phỏng các quá trình vật lý diễn ra trên lưu vực

- Samuel R et al (2007) tiến hành nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn xác định các khu vực dễ bị ngập khi xảy ra mưa lớn trong lưu vực sông Aguán, miền Trung Honduras Trong nghiên cứu này, mô hình SWAT đã được sử dụng

để dự đoán lưu lượng dòng chảy từ dữ liệu đầu vào bao gồm DEM, sử dụng đất, thổ nhưỡng của lưu vực Sau đó, giá trị lưu lượng cùng với DEM được xử lý trong mô hình HEC-RAS để dự đoán những khu vực có nguy cơ lũ lụt ở vùng đồng bằng Aguán

- Mehmet C.D et al (2009) tiến hành dự báo dòng chảy trên lưu vực Pracana ở Bồ Đào Nha bằng cách sử dụng mô hình SWAT và ANN Kết quả cho thấy mô hình ANN dự báo đỉnh lũ tốt hơn SWAT Tuy nhiên, nếu xét về giá trị sai số bình phương trung bình (mean squared error), SWAT lại cho kết quả tốt hơn Từ đó, tác giả kết luận ANN là công cụ mạnh mẽ trong dự báo dòng chảy hàng ngày

- Malutta S and Kobiyama M (2011) thực hiện nghiên cứu ứng dụng SWAT phân tích lũ ở lưu vực sông Negrinho, Brazil Trong nghiên cứu này, tác giả đã phân tích những trên lũ lớn gần đây ở mức độ lưu vực bằng cách áp dụng

mô hình SWAT để cho thấy rằng mô hình SWAT là công cụ hữu ích trong phân tích lũ

- Winai W and Kobkiat P (2011) tích hợp mô hình thủy văn SWAT và mô hình thủy lực ISIS đánh giá nguy cơ lũ lụt trên lưu vực Nam Loei, Thái Lan Kết quả nghiên cứu đã chứng minh việc tích hợp mô hình thủy văn và thủy lực là một phương pháp hữu ích trong đánh giá lũ lụt, hỗ trợ các nhà quản lý lập kế hoạch và phát triển các dự án giảm thiểu lũ lụt

Tại Việt Nam, SWAT bắt đầu du nhập từ năm 1998 Ngay từ thời điểm đó,

mô hình SWAT đã nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học Từ những nghiên cứu nhỏ lẻ, rải rác ở một số khu vực của Việt Nam, 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 Theo ước tính sơ bộ, tính đến tháng 11/2012 đã có khoảng 34 nghiên cứu ứng dụng SWAT được công bố chính thức trên các tạp chí, kỉ yếu hội nghị, trong các luận văn đại

học-cao học-tiến sĩ Bên cạnh đó, còn rất nhiều những nghiên cứu khác chưa được công bố chính thức nên chưa thể thống kê đầy đủ Những chủ đề được quan tâm trong các nghiên cứu ứng dụng SWAT có thể được chia thành các danh mục như sau: mô phỏng dòng chảy; đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất, biến đổi khí hậu; xói mòn và bồi lắng; chất lượng nước

Đối tượng nghiên cứu, sử dụng mô hình SWAT ở Việt Nam rất đa dạng, từ các nhà nghiên cứu trong các trường Đại học, Viện nghiên cứu đến các cơ quan quản lý Nhà nước, từ những nhà khoa học trong nước đến các nhà khoa học ngoài nước Ở miền Bắc, có thể kể đến Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học Quốc Gia Hà Nội, Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, Đại học Thủy lợi, Đại học Kinh tế Quốc dân, Đại học Nông nghiệp Hà Nội, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam Ở miền Trung và Nam, có thể kế đến Đại học Huế, Đại học Bách khoa TPHCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, Đại học Nông Lâm TPHCM, Đại học Cần Thơ, Đại học Tài nguyên và Môi trường TPHCM, Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam,…

Với phạm vi ứng dụng rộng khắp các lưu vực trên lãnh thổ Việt Nam, cho thấy tính phù hợp khi ứng dụng mô hình SWAT trong nghiên cứu thủy văn tại Việt Nam Số lượng nghiên cứu ngày càng nhiều với các chủ đề ngày càng phong phú qua từng năm (từ 2005 đến nay) chứng tỏ mức độ quan tâm ngày càng lớn của các nhà khoa học, nhà quản lý dành cho mô hình SWAT Điều này hứa hẹn triển vọng phát triển mạnh mẽ của SWAT tại Việt Nam trong thời gian sắp tới Tuy nhiên, do SWAT là mô hình được phát triển tại Hoa Kỳ nên khi áp dụng tại Việt Nam cũng đã gây không ít khó khăn cho các nhà nghiên cứu Cơ

sở dữ liệu sẵn có của chương trình chưa đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tiễn của từng khu vực nên cần thiết phải bổ sung, biên tập, chỉnh sửa lại Mặt khác SWAT là mô hình đòi hỏi số lượng dữ liệu đầu vào rất lớn, trong khi đặc thù ở Việt Nam là cơ sở dữ liệu nền còn rất thiếu và yếu, lại nằm rải rác, không thống nhất, tính hợp tác, chia sẻ dữ liệu còn kém nên đã trở thành một trở ngại lớn khi ứng dụng SWAT Bên cạnh đó, do khả năng dữ liệu hạn chế nên chỉ có một số ít nghiên cứu tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình

Một số nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT ở nước ta trong các lĩnh vực quản lý lưu vực sông có thể kể đến như:

- Đánh giá việc bồi lắng trong hồ chứa nước của dự án thủy điện sông Hinh của Trương Hoài Thế Tuyên (2005)

- Ứng dụng mô hình thông số phân bố SWAT để đánh giá ảnh hưởng của việc sử dụng đất đến bồi lắng hồ chứa nước hồ Đại Lải của Phạm Thị Hương Lan (2005)

- Năm 2005, nhóm tác giả Vũ Tấn Phương, Phạm Thị Hương Lan và Nguyễn Thị Hải đã tập trung nghiên cứu đánh giá tác động của che phủ rừng tới dòng chảy và xói mòn tại các lưu vực sông Chảy, sông Bồ và sông Ba Thông qua việc tiếp cận lưu vực, nghiên cứu sử dụng công cụ đánh giá đất và nước (SWAT) để xác định tác động của che phủ rừng tới dòng chảy và xói mòn trên toànlưu vực Kết quả cho thấy, mật độ biến động về dòng chảy và xói mòn được xác định là chịu ảnh hưởng của các yếu tố địa hình,địa chất, lượng mưa, che phủ rừng và kỹ thuật canh tác

- Năm 2005, Dự án GTZ nghiên cứu thiết lập bộ thông tin dữ liệu phục vụ quản lý tài nguyên thiên nhiên ở phía Nam lưu vực sông Krông Ana Kết quả là

bộ Atlas được xây dựng trên hệ thống GIS, bằng phần mềm ArcGIS 9.1, bộ atlas bao gồm các số liệu về an sinh kinh tế, khí tượng thủy văn, nông lâm nghiệp Đây là bộ dữ liệu giúp cho các tổ chức quản lý lưu vực sông có hiệu quả hơn

- Nhóm tác giả Nguyễn Thị Bích, Nguyễn Kiên Dũng nghiên cứu ứng dụng

mô hình SWAT tính toán dòng chảy và bùn cát lưu vực sông Sê San (2006)

- Năm 2006, Phạm Tấn Hà đã nghiên cứu tài nguyên nước Tây Nguyên và vấn đề khai thác sử dụng hiệu quả, từ đó đưa ra các giải pháp quản lý nguồn nước trong lưu vực

- Năm 2008, nhóm tác giả Nguyễn Kim Lợi, Nguyễn Hà Trang đã thành công trong việc ứng dụng mô hình SWAT đánh giá lưu lượng dòng chảy và bồi lắng tại lưu vực sông La Ngà

- Năm 2010, Nguyễn Kim Lợi, Huỳnh Thị Thanh Hạnh đã thành công trong việc Tích hợp GIS và SWAT trong đánh giá tài nguyên nước cho lưu vực sông Srepok

1.4 Nguyên lý mô phỏng SWAT

Cho dù nghiên cứu vấn đề gì trong SWAT thì cân bằng nước vẫn là lực chi phối phía sau tất cả những thứ xuất hiện trong lưu vực Để dự báo chính xác sự

di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và dưỡng chất thì chu trình thủy văn được

mô phỏng bởi SWAT cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong lưu vực

Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính (Susan L.N et al., 2009):

- Pha đất của chu trình thủy văn (Hình 2): kiểm soát lượng nước, phù sa, dinh dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính

Hình 2 Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất

(Nguồn: Susan L.N et al., 2009)

- Pha nước của chu trình thủy văn (Hình 3): kiểm soát quá trình di chuyển của dòng nước, quá trình bồi lắng, v.v…diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa xả

Hình 3 Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy

(Nguồn: Susan L.N et al., 2009)

Pha đất của chu trình thủy văn SWAT mô hình hóa chu trình nước dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nước sau (Susan L.N et al., 2009):

Trong đó,

- SWt : lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O)

- SWo : lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm

H2O)

- t : thời gian (ngày)

- Rday : lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm H2O)

- Qsurf : lượng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i (mm H2O)

- Ea : lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H2O)

- wseep : lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm

H2O)

- Qgw : lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H2O)

Quá trình chia nhỏ lưu vực thành các tiểu lưu vực và HRUs làm cho việc

mô tả cân bằng nước thêm độ chính xác và tốt hơn

Trình tự các bước SWAT mô phỏng chu trình thủy văn trong pha đất được thể hiện trong Hình 4 Các dữ liệu đầu vào và tiến trình liên quan đến pha đất của chu trình thủy văn bao gồm: khí hậu, thủy văn, thực phủ/ sự phát triển cây trồng, xói mòn, dưỡng chất, thuốc trừ sâu, quản lý

Pha nước của chu trình thủy văn SWAT xác định quá trình di chuyển

nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi của lưu vực bằng cách sử dụng cấu trúc lệnh (Williams and Hann, 1972 trích dẫn trong Susan L.N et al., 2009, p.20) Thêm vào đó, để thể hiện dòng di chuyển của hóa chất, SWAT mô phỏng sự biến đổi của hóa chất trong kênh, rạch và sông chính

Hình 4 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực (Phỏng theo Susan L.N et al., 2009)

1.5 Tiến trình mô phỏng SWAT

Mô hình SWAT đòi hỏi rất nhiều dữ liệu đầu vào khác nhau Tuy nhiên, không phải tất cả dữ liệu đầu vào đều bắt buộc mà tùy thuộc vào từng nghiên cứu cụ thể, có thể bỏ qua một số dữ liệu không cần thiết Nhìn chung, quá trình thiết lập mô hình SWAT cho bất kỳ ứng dụng nào đều có dạng như Hình 5, bao gồm sáu bước: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) phân định lưu vực, (3) định nghĩa đơn vị thủy văn, (4) nhập dữ liệu đầu vào, (5) chạy mô hình, (6) hiệu chỉnh, kiểm định

mô hình

Trong khuôn khổ của khóa tập huấn này, tiến trình mô phỏng dòng chảy trong SWAT được thực hiện dưới sự hỗ trợ của phần mở rộng ArcSWAT 2012 chạy trên phần mềm ArcGIS 10.0/10.1

Hình 5 Tiến trình mô phỏng của SWAT

CHƯƠNG 2 HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ArcSWAT

2.1 Giới thiệu ArcSWAT

ArcSWAT là phần mở rộng của ArcGIS hỗ trợ giao diện tương tác với mô hình SWAT Nó được phát triển với phiên bản đầu tiên là AVSWAT2000 trong ArcView (Di Luzio et al., 2001) Phiên bản mới nhất hiện tại là ArcSWAT 2012 tương ứng với SWAT 2012 chạy trên nền ArcGIS 10.0/10.1

Giao diện tương tác ArcSWAT hỗ trợ các thao tác liên quan đến xử lý dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT như địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng, thời tiết, quản lý đất đai, sử dụng nước, nguồn điểm/phân tán ô nhiễm,…cho đến việc thiết lập các thông số của mô hình và kích hoạt chạy SWAT

Các quy trình chính trong ArcSWAT bao gồm:

- Tạo mới đồ án SWAT

- Phân chia lưu vực

- Phân tích đơn vị thủy văn

- Ghi chép bảng dữ liệu đầu vào

- (Optional) Biên tập cơ sở dữ liệu

- Thiết lập các tùy chọn và chạy mô hình

- Đọc kết quả đầu ra, lưu kịch bản chạy mô hình

- (Optional) Phân tích, hiển thị kết quả đầu ra

- (Optional) Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

2.2 Cài đặt ArcSWAT

2.2.1 Yêu cầu hệ thống

ArcSWAT 2012 yêu cầu cấu hình hệ thống:

- Phần cứng:

+ Tốc độ xử lý 2GHz hoặc nhanh hơn

+ RAM tối thiểu 2GB

+ Ổ cứng còn trống tối thiểu 1GB nếu cài bản tối thiểu (có thể lên tới 2GB nếu cài bản đầy đủ- bao gồm tập dữ liệu mẫu và dữ liệu thổ nhưỡng của Mỹ)

- Phần mềm (ArcSWAT chạy trên nền ArcGIS 10.0/10.1):

+ Hệ điều hành Microsoft Windows (XP, Windows 7, Server 2008) + Microsoft Net Framework 3.5

+ Adobe Acrobat Reader phiên bản 8 hoặc cao hơn

+ ArcGIS: ArcView 10.0 Service Pack 5 (Build 4400) hoặc ArcView (Basic) 10.1

+ Phần mở rộng ArcGIS Spatial Analyst (ArcGIS 10.0/10.1)

2.2.2 Tiến trình cài đặt ArcSWAT

ArcSWAT 2012 được cài đặt mặc định trong thư mục C:\SWAT\ArcSWAT\

hoặc trong một thư mục khác do người sử dụng chỉ định Lưu ý nên cài đặt

ArcSWAT trong thư mục chứa quyền truy cập đầy đủ (full permissions) cho tất

cả tài khoản người sử dụng

1 Trước khi cài đặt, cần chắc chắn rằng:

a) Bạn đã gỡ bỏ phiên bản trước của ArcSWAT sử dụng "Add or Remove Programs"

b) Bạn có phiên bản ArcGIS phù hợp với phiên bản ArcSWAT 2012

2 Tải phiên bản ArcSWAT 2012 dưới dạng file nén tại địa chỉ:

http://swat.tamu.edu/software/arcswat/ Sau khi hoàn tất, tiến hành giản nén

3 Trong thư mục "ArcSWAT_Install”, nhấp đúp chuột vào "setup.exe", xuất

hiện hộp thoại:

Click “OK”, xuất hiện hộp thoại tiếp theo:

4 Click “Next”, chọn “I Agree”, tiếp tục click “Next”

5 Click “Next”, sau đó chọn thư mục cài đặt Thư mục mặc định là

“C:\SWAT\ArcSWAT\” Có thể chọn thư mục khác nếu bạn muốn Chọn

“Everyone”, hoặc “Just Me”

Click “Next”

6 Click “Next”

7 Khi hoàn tất cài đặt, sẽ hiện ra thông báo sau:

8 Click “Close” để hoàn tất cài đặt

2.2.3 Nội dung bên trong thư mục cài đặt

Thư mục ArcSWAT được tạo ra sau khi cài đặt chứa chương trình SWAT2012.exe, các thư viện mã nguồn được sử dụng bởi giao diện ArcSWAT, các thư mục con chứa các tài liệu hướng dẫn ArcSWAT, cơ sở dữ liệu, và các tập tin ArcMap để hiển thị các lớp bản đồ trong giao diện

Cấp cao nhất của thư mục cài đặt có dạng như sau:

Thư mục ArcSWATHelp chứa 3 tài liệu:

- ArcSWAT_Documentation_2012.pdf: Tài liệu hướng dẫn sử dụng ArcSWAT

- ArcSWAT_FAQ.pdf: Các câu trả lời cho những câu hỏi thường gặp nhất

về cài đặt, định dạng dữ liệu đầu vào, lỗi…

- ArcSWAT_VersionX.X_ReleaseNotes.pdf: Tài liệu mô tả những cập nhật trong phiên bản hiện hành

Thư mục Databases chứa:

- Thư mục Example Dat: Thư mục “Example1”, “Example2”, và các tập

dữ liệu đầu vào mẫu cho SWAT

- ExInputs: Thư mục chứa dữ liệu mẫu đầu vào liên quan đến thời tiết, nguồn điểm ô nhiễm, hồ chứa, sử dụng đất/thổ nhưỡng, bảng tra dBase, text và định dạng geodatabase

- ArcSWAT_WeatherDatabase.mdb: Cơ sở dữ liệu chứa các bảng thống kê thời tiết theo tháng cho các trạm khí tượng COOP trong nước Mỹ

- SWAT2012.mdb: Tập tin geodatabase chứa tất các bảng dữ liệu của SWAT 2012, bao gồm cơ sở dữ liệu cây trồng, tưới tiêu, thổ nhưỡng,…

- SWATOutput.mdb: Khung nền cơ sở dữ liệu mẫu chứa kết quả đầu ra tạo bởi ArcSWAT

- SWAT_US_Soils.mdb: Tập tin geodatabase chứa các thông số thổ nhưỡng STATSGO trong nước Mỹ

- SWAT_US_Soils.idb: Thư mục chứa lớp raster thổ nhưỡng US STATSGO cho phép kết nối với cơ sở dữ liệu SWAT_US_Soils.mdb

- SWAT Text Database Files: Lưu cơ sở dữ liệu đuôi “.dat”

Thư mục LayerFiles chứa các tập tin được ArcSWAT sử dụng trong quá

trình phân chia lưu vực

2.3 Biên tập dữ liệu đầu vào cho ArcSWAT

Bộ dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT có thể tồn tại ở nhiều định dạng khác nhau như raster (GRID), vector (shapefile, feature classes), tập tin cơ sở dữ liệu (MS Access) quản trị thông tin về lưu vực Những dữ liệu này cần thiết phải được chuẩn bị trước khi tiến hành chạy mô hình

2.3.1 Dữ liệu không gian

Mô hình độ cao số (Digital Elevation Model, DEM): ESRI GRID Format

Giá trị độ cao ở dạng số nguyên hoặc số thực cho các giá trị cao

Đơn vị đo xác định độ phân giải GRID (X, Y) và độ cao (Z) có thể khác nhau Ví dụ, độ phân giải GRID có thể là mét trong khi độ cao có thể là feet

Độ phân giải GRID được xác định theo một trong các đơn vị sau đây: meters, kilometers, feet, yards, miles, decimal degrees

Độ cao được xác định theo một trong các đơn vị sau đây: meters, centimeters, yards, feet, inches.

Bản đồ sử dụng đất/thực phủ: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format

Danh mục các loại hình sử dụng đất/thực phủ cần phải được phân loại lại theo các loại cây trồng/thực phủ quy định trong SWAT

Phương pháp: Tạo bảng tra gán các loại hình sử dụng đất/thực phủ trên bản

đồ tương ứng với các loại cây trồng/thực phủ chứa 4 ký tự mã hóa trong SWAT (có trong bảng crop/urban trong SWAT2012.mdb) (chi tiết xem 2.3.2)

Bản đồ thổ nhưỡng: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format

Danh mục các loại đất trong bản đồ thổ nhưỡng cần phải được kết nối với

cơ sở dữ liệu đất của Mỹ thông qua giao diện hoặc cơ sở dữ liệu đất tùy biến cho các loại đất không có trong cơ sở dữ liệu đất của Mỹ

Phương pháp: Bổ sung các loại đất mới (kèm các thuộc tính) vào trong bảng usersoil (SWAT2012.mdb) Sau đó, tạo bảng tra gán các loại đất

trong bản đồ tương ứng với các loại đất vừa mới thêm vào trong bảng trên (chi tiết xem 2.3.2)

Mặt nạ DEM: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format

Mặt nạ DEM chứa 2 giá trị: 0 (không có dữ liệu) và giá trị lớn hơn 0

Nếu dữ liệu DEM có mặt nạ chồng lên mang giá trị 0 thì khu vực đó sẽ không được xử lý trong quá trình phân chia lưu vực

2.3.2 Dữ liệu dạng bảng (table), kí tự (text)

Bảng tra sử dụng đất/thực phủ (dBase, ASCII)

Bảng tra này có thể ở định dạng bảng dBase (*.dbf) hoặc bảng ký tự phân định bằng dấu phẩy (*.txt)

dBase Table Format (2 cột)

- VALUE: dạng chuỗi (string), mã danh mục sử dụng đất/thực phủ

- LANDUSE: dạng chuỗi 4 ký tự (string 4 chars), mã loại cây trồng/thực phủ trong SWAT

ASCII (.txt) Table Format

Bảng tra thổ nhưỡng (dBase, ASCII)

Bảng tra này có thể ở định dạng bảng dBase (*.dbf) hoặc bảng ký tự phân định bằng dấu phẩy (*.txt)

dBase Table Format: Name option (2 cột)

- VALUE: dạng chuỗi (string), mã danh mục đất

- NAME: dạng chuỗi 30 ký tự (string 30 chars), tên loại đất trong bảng usersoil (SWAT2012.mdb) (không chứa kí tự “_”)

ASCII (.txt) Table Format

Bảng tọa độ trạm đo mưa (ASCII)

Bảng tra này cung cấp thông tin vị trí của các trạm đo mưa

Phiên bản SWAT 2012 chỉ chấp nhận bảng ở định dạng ký tự phân định bằng dấu phẩy (*.txt).

ASCII Table Format: (5 cột)

Mã số (số nguyên), Tên (tối đa 8 ký tự),

Vĩ độ, Kinh độ (độ thập phân) Cao độ (m)

Bảng dữ liệu mưa theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu lượng mưa ngày quan trắc tại từng trạm đo (mm)

Tên của bảng dữ liệu mưa có dạng “name.txt” với name là tên trạm đo

tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo mưa

Phiên bản SWAT 2012 chỉ chấp nhận bảng ở định dạng ký tự phân định bằng dấu phẩy (*.txt).

ASCII Table Format

YYYYMMDD (năm, tháng, ngày bắt đầu của chuỗi số liệu) Lượng mưa ngày 1

Lượng mưa ngày n

Bảng tọa độ trạm đo nhiệt độ không khí (ASCII)  tương tự Bảng tọa độ trạm đo mưa

Bảng dữ liệu nhiệt độ không khí theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu nhiệt độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất ngày

Tên của bảng dữ liệu nhiệt độ không khí có dạng “name.txt” với name là

tên trạm đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo nhiệt độ không khí

Phiên bản SWAT 2012 chỉ chấp nhận bảng ở định dạng ký tự phân định bằng dấu phẩy (*.txt).

ASCII Table Format

YYYYMMDD (năm, tháng, ngày bắt đầu của chuỗi số liệu) Nhiệt độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất ngày 1

Nhiệt độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất ngày n

Bảng tọa độ trạm đo bức xạ Mặt Trời, tốc độ gió, độ ẩm không khí tương đối (ASCII)  tương tự Bảng tọa độ trạm đo mưa

Bảng dữ liệu bức xạ Mặt Trời theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ tổng lượng bức xạ Mặt Trời ngày quan trắc tại từng

/day)

Tên của bảng dữ liệu bức xạ Mặt Trời có dạng “name.txt” với name là tên

trạm đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo bức xạ Mặt Trời

Phiên bản SWAT 2012 chỉ chấp nhận bảng ở định dạng ký tự phân định

bằng dấu phẩy (*.txt).

ASCII Table Format

YYYYMMDD (năm, tháng, ngày bắt đầu của chuỗi số liệu) Lượng bức xạ Mặt Trời ngày 1

Lượng bức xạ Mặt Trời ngày n

Bảng dữ liệu tốc độ gió theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu tốc độ gió trung bình ngày quan trắc tại từng trạm đo (m/s)

Tên của bảng dữ liệu tốc độ gió có dạng “name.txt” với name là tên trạm

đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo tốc độ gió

Phiên bản SWAT 2012 chỉ chấp nhận bảng ở định dạng ký tự phân định bằng dấu phẩy (*.txt).

ASCII Table Format

YYYYMMDD (năm, tháng, ngày bắt đầu của chuỗi số liệu) Tốc độ gió trung bình ngày 1

Tốc độ gió trung bình ngày n

Bảng dữ liệu độ ẩm không khí tương đối theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu độ ẩm không khí tương đối ngày quan trắc tại từng trạm đo (số thập phân)

Tên của bảng dữ liệu độ ẩm không khí tương đối có dạng “name.txt” với

name là tên trạm đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo độ

ẩm không khí tương đối

Phiên bản SWAT 2012 chỉ chấp nhận bảng ở định dạng ký tự phân định bằng dấu phẩy (*.txt).

ASCII Table Format

YYYYMMDD (năm, tháng, ngày bắt đầu của chuỗi số liệu)

Độ ẩm không khí tương đối ngày 1

Độ ẩm không khí tương đối ngày n

2.4 Tiến trình chạy mô hình SWAT trong ArcSWAT

2.4.1 Kích hoạt ArcSWAT trong môi trường ArcMap (ArcGIS)

+ SWAT Project Manager,

+ SWAT Watershed delineator,

+ SWAT HRU Delineator,

2.4.2 Tạo mới đồ án SWAT, thiết lập thư mục làm việc và geodatabases

Bước 1 Tạo mới đồ án SWAT

- Click SWAT Project Setup, chọn

New SWAT Project

- Xuất hiện hộp thoại, chọn No

Bước 2 Thiết lập thư mục làm việc và geodatabases

- Trong cửa sổ Project Setup, khai báo các thông tin sau:

+ Project Directory: Thư mục lưu trữ đồ án SWAT

+ SWAT Project Geodatabase: Tập tin quản trị của đồ án SWAT

+ Raster Storage: Tập tin lưu trữ raster của đồ án SWAT

+ SWAT Parameter Geodatabase: Tập tin chứa các tham số của SWAT

Quy tắc đặt tên thư mục, tập tin:

- Thư mục lưu trữ đồ án SWAT không nên quá 3 cấp thư mục (vd: E:\WORKING\ SWATDakBla )

- Không nên sử dụng các ký tự sau khi đặt tên và lưu đồ án SWAT: khoảng trắng, dấu phẩy, -, _, *, &, ^, %, $, ?, #, @, ~, ', ", :, ;, /, \, |

- Độ dài tập tin và thư mục không quá 8 ký tự

- Tên tập tin nên bắt đầu bằng kí tự, KHÔNG dùng số (vd: project1 thay vì 1project)

- Click OK

- Khi đó, đồ án SWAT được tạo ra trong thư mục lưu trữ Cấu trúc của thư mục này bao gồm 2 thư mục, 3 geodatabases, và 1 tập tin <Project Directory>.mxd (chính là tập tin ArcMap đang được sử dụng)

2.4.3 Phân chia lưu vực

Bước 1 Thêm dữ liệu DEM

- Click biểu tượng Add Data trên thanh

công cụ

- Click chọn dữ liệu DEM trong thư mục

lưu trữ và click Add

- Khi đó trong cửa sổ Table Of Content,

xuất hiện lớp dữ liệu DEM của lưu vực