TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Bài giảng: KS Nguyễn Duy Liêm Điện thoại: 0983.613.551 Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH KHOA MƠI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN Tổng quan mơ hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) What is that? Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT Nội dung Khái quát thủy văn, thủy văn học Thủy Mô văn gì? Thủy văn học gì? hình thủy văn gì? Phân loại? Tổng quan SWAT Tên gọi, tổ chức phát triển Mục đích, đặc điểm Quá trình phát triển Phạm vi ứng dụng Ngun lý mơ SWAT Tiến trình mơ SWAT Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chun đề SWAT Khái quát thủy văn, thủy văn học Thủy văn vận động, phân bố nước Trái Đất Sự Thủy văn học Khoa học nghiên cứu vận động phân bố nước Trái Đất Phạm vi thủy văn học tác động q trình vật lý, hóa học, sinh học nước tự nhiên môi trường sống Các Số lượng, chất lượng nước Mối liên hệ nước với tự nhiên, môi trường sống Cho ví dụ q trình vật lý, hóa học, sinh học nước? Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT Khái quát thủy văn, thủy văn học Nước vận động có tính hệ thống, theo chu trình thủy văn Theo Dooge (1964), hệ thống cấu trúc, thiết bị sơ đồ, trình tự đó, thực hay trừu tượng, gắn với bước thời gian định, liên hệ lượng vào (nguyên nhân, lượng, thông tin) với lượng (hệ quả, phản ứng, lượng) (Đầu vào) (Xử lý) (Đầu ra) (Xử lý) Hệ thống thuỷ văn trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) diễn thực tế vùng khơng gian định Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT Khái quát thủy văn, thủy văn học Chu trình thuỷ văn Hệ thống gồm thành phần bốc hơi, lượng mưa, dòng chảy pha khác chu trình thành phần tập hợp thành hệ thống chu trình lớn Để phân tích hệ thống tồn cục, phân tích riêng rẽ hệ thống đơn giản tổng hợp kết dựa mối quan hệ qua lại chúng Các Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT Khái quát thủy văn, thủy văn học Minh hoạ lưu vực hệ thống thủy văn Cấu trúc hệ thống tập hợp đường dòng chảy mặt đất đất, gồm dòng chảy nhánh, dòng cuối nhập lưu mặt cắt cửa ra, Bao Cấu trúc hệ thống chịu ảnh hưởng đặc tính lưu vực địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, đặc trưng hình thái lưu vực sông Biên hệ thống thủy văn có phải ln đóng kín? Vì sao? Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT Khái quát thủy văn, thủy văn học Phân loại mơ hình thủy văn hình vật lý biểu thị hệ thống thật dạng thu nhỏ mơ hình thủy lực đập tràn Mơ hình tương tự có tính chất tương tự mơ hình ngun thể, chẳng hạn số mơ hình điện thủy lực Mơ hình tốn học miêu tả hệ thống dạng tập hợp phương trình tốn học, mệnh đề logic thể quan hệ biến thông số (đặc trưng số lượng) mơ hình để mơ hệ thống thủy văn Mơ Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT Khái quát thủy văn, thủy văn học Phân loại mơ hình thủy văn theo chất Mơ hình ngẫu nhiên Mơ hình ngẫu nhiên – tất định Mơ hình thơng số tập trung Mơ hình tất định Mơ hình nhận thức Mơ hình hộp đen Mơ hình sóng động học Mơ hình thơng số phân bố SWAT xếp vào mơ hình nào? Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT Khái quát thủy văn, thủy văn học Đặc điểm mơ hình tốn thủy văn Phản ánh gần hệ thống thủy văn có thật yếu tố đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v ) sản phẩm đầu (tốc độ dông chảy, mực nước, áp suất v.v ) biến thủy văn đo Các Ưu điểm mơ hình tốn thủy văn Ứng dụng quy mô lớn quy hoạch lũ, cơng trình thủy lợi,… cấp độ lưu vực, Giá thành rẻ hơn, cho kết nhanh mơ hình vật lý, đổi phương án mơ hình thực linh hoạt, nhanh chóng Thay Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 10 Tổng quan SWAT Đặc điểm: Dựa sở trình vật lý Yêu cầu liệu đầu vào tối thiểu bao gồm: địa hình, quản lý sử dụng đất/thực phủ, thổ nhưỡng, thời tiết Có thể mơ cho lưu vực mà chưa có liệu quan trắc, Đánh giá tác động thay đổi liệu đầu vào (thay đổi sử dụng đất, biến đổi khí hậu) đến tài nguyên đất, nước Sử dụng nguồn liệu đầu vào từ GIS Dữ liệu GIS thu thập từ nhiều quan khác Khả tính tốn tối ưu Ngay lưu vực rộng lớn với thời gian tính tốn ngắn, tốn tài nguyên máy tính Đánh giá tác động lâu dài Mô tác động theo chuỗi thời gian liên tục lâu dài (ngày, tháng, năm, kỉ,…) Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 12 Tổng quan SWAT Giai đoạn hình thành sơ khai SWAT kết hợp đặc trưng từ nhiều mơ hình ARS kết thừa kế trực tiếp từ mơ hình SWRRB (Simulator for Water Resources in Rural Basins) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990) Những mơ hình góp phần vào phát triển SWAT bao gồm: CREAMS (Chemicals, Runoff, Erosion from Agricultural Management Systems) (Knisel et al., 1980), GLEAMS (Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems) (Leonard et al., 1987), EPIC (Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984), sau đổi thành Environmental Impact Policy Climate, ROTO (Routing Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995), QUAL2E (Enhanced Stream Water Quality Model) (Brown and Barnwell, 1987) CREAMS 1970’s EPIC SWRRB 1980’s GLEAMS QUAL2E Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn SWAT 1990’s ROTO Chuyên đề SWAT 13 Tổng quan SWAT Giai đoạn đời, bước đầu phát triển Đầu năm 1990s, mơ hình SWRRB ROTO kết hợp thành mơ hình nhất, có tên gọi SWAT Sau đến phiên SWAT96.2, mô hình QUAL2E thêm vào Kể từ thời điểm đời, SWAT liên tục trải qua nhiều lần cải tiến nhằm mở rộng khả mô với nhiều phiên khác bao gồm: SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2, SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009, SWAT 2012 (đang xây dựng) Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 14 Tổng quan SWAT Định hướng phát triển tại, tương lai SWAT tiếp tục phát triển, tập trung vào mảng sau: Phạm vi mơ Thời gian khơng gian Tính sẵn có chất lượng liệu đầu vào Thời tiết, thuỷ văn, Thổ nhưỡng, Hoạt động sản xuất nơng nghiệp Hiệu chỉnh phân tích tính bất định Mơ theo thời gian thực Tích hợp với mơ hình khác APEX, SWMM(EPA), ALMANAC, DSSAT Hợp tác phát triển mô hình CGIAR, ISRIC Đào tạo, truyền thơng Nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT SWAT 2005, 2009, 2012 ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), QSWAT (QGIS), SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT (Output Vizualization) Tài liệu hướng dẫn đa ngôn ngữ Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 15 Tổng quan SWAT Sơ đồ phát triển SWAT Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 16 Tổng quan SWAT Phạm vi ứng dụng SWAT cộng đồng quốc tế công nhận mơ hình quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ Ứng dụng rộng rãi đánh giá chất lượng, tiềm nước, kiểm sốt xói mòn đất, theo dõi ô nhiễm, định lượng tác động biến đổi khí hậu… nhiều lưu vực khác giới Ai người sử dụng SWAT? > 500 người sử dụng, 30 nhà phát triển > 100 học viên cao học, nghiên cứu sinh sử dụng SWAT > 1000 báo nghiên cứu SWAT Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 17 Tổng quan SWAT Hội nghị, tập huấn SWAT Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 18 Tổng quan SWAT Ứng dụng SWAT Việt Nam SWAT du nhập vào Việt Nam từ năm 1998 > 100 nghiên cứu SWAT (tạp chí, kỉ yếu hội thảo, luận văn thạc sĩ, luận án tiến sĩ) Các chủ đề chính: Mơ thủy văn, Đánh giá thay đổi sử dụng đất/biến đổi khí hậu, Nghiên cứu xói mòn/bồi lắng, Mơ chất lượng nước, Kiểm sốt lũ lụt Một số khó khăn: Cơ sở liệu đầu vào Thông số mơ hình Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chun đề SWAT 19 Ngun lý mơ SWAT Chu trình thủy văn cân nước động lực chi phối trình diễn lưu vực Hệ thống lưu vực SWAT Quá trình đất Quá trình dòng chảy Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chun đề SWAT 20 Ngun lý mơ SWAT Mơ hình thủy học lưu vực phân chia thành hai nhóm (Susan L.N et al., 2009): đất chu trình thủy văn: kiểm soát lượng nước, phù sa, dinh dưỡng thuốc trừ sâu từ tiểu lưu vực đổ sơng Pha nước chu trình thủy văn: kiểm sốt q trình di chuyển dòng nước, q trình bồi lắng, v.v…diễn thơng qua hệ thống sơng ngòi lưu vực đến cửa xả Pha Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 21 Sơ đồ chu trình thủy văn pha đất t SWt = SWo + Bốc thoát nước (R day − Qsurf − Ea − wseep − Qgw ) i=1 Ea Mưa Rday Qsurf Tầng rễ Thấm/Rễ hút nước, Nước đất Tầng khơng ngầm nơng SWt Dòng chảy trễ wseep bão hòa Tầng nước Dòng chảy mặt Thấm ngược từ tầng nước ngậm nông Thấm vào tầng nước ngậm nơng Qgw Dòng chảy hồi quy Tầng ngăn Tầng nước Thấm vào tầng nước Dòng chảy khỏi lưu vực Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn ngầm sâu ngậm sâu Chuyên đề SWAT 22 Sơ đồ trình diễn dòng chảy Quang phân Thủy phân Bay vào Phân hủy sinh học khí Nồng độ sinh học huyền phù Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 23 Tiến trình mơ SWAT Dữ liệu đầu vào DEM Tiến trình, Hiển thị Phân định lưu vực Thủy văn Định nghĩa HRUs Sử dụng đất Thổ nhưỡng Thời tiết Cơ sở liệu SWAT Tham số hóa Chạy Hiệu chỉnh, kiểm tra Trạm thời tiết Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Mơ hình SWAT Kiểm định Thơng số đầu Chuyên đề SWAT 24 Câu hỏi ôn tập Quá trình hình thành, phát triển SWAT Đặc điểm mơ hình SWAT Mơ tả phương trình cân nước SWAT Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 25 Câu hỏi kiểm tra Trên lớp bày vai trò máy tính đến phát triển mơ hình tốn thủy văn nói chung, mơ hình SWAT nói riêng? Trình Phân tích mối liên hệ GIS mơ hình SWAT? Về nhà xác định liệu có phải liệu GIS hay khơng? Cho ví dụ minh họa tương ứng cho trường hợp: liệu GIS, liệu GIS? Làm Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 26