ứng dụng mô hình SWAT SCONG

ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ SỨC CHỊU TẢI CỦA NGUỒN NƯỚC SÔNG CÔNG – TỈNH THÁI NGUYÊN NGUYỄN MINH LÂN*, BÙI QUANG HƯƠNG Email: Minhlanks@gmail.com Trung tâm Chất lượng Bảo vệ Tài nguyên nước – Trung tâm Quy hoạch Điều tra Tài nguyên nước Quốc Gia – Bộ Tài ngun Mơi trường TĨM TẮT Mục đích báo cáo nhằm trình bày kết phân tích xu hướng biến đổi yếu tố khí tượng (nhiệt độ trung bình tháng, lượng mưa tháng) dòng chảy trung bình tháng thời đoạn 1990 - 2016 phương pháp kiểm nghiệm thống kê phi tham số Mann – Kendall Kết cho thấy: nhiệt độ khơng khí tháng có xu gia tăng toàn lưu vực, đặc biệt vùng thượng lưu lưu vực sơng Kone có xu tăng mạnh Trái lại, lượng mưa lại có xu hướng giảm nhẹ tồn lưu vực, mức độ thay đổi phụ thuộc vào vùng tồn lưu vực Dòng chảy trung bình tháng sơng Kone có xu tăng nhẹ vào tháng đầu mùa khơ (mùa mưa ít) GIỚI THIỆU Thái Ngun tỉnh miền núi phía Bắc, có mật độ sơng, suối dày đặc, có nhiều sơng lớn chảy qua như: Sơng Cơng, sơng Cầu, sơng Thái Bình mệnh danh thành phố công nghiệp lớn thứ miền Bắc (sau Hà Nội Hải Phòng), thành phố gang thép với khu công nghiệp gang thép lớn nước, hàng năm cung cấp triệu thép, chiếm 20% sản lượng thép nước Tổng sản phẩm địa bàn tỉnh (GDP) hàng năm tăng 7,5% gồm hoạt động sản xuất diễn sôi động như: Cơng nghiệp, khai khống, da giầy, sản xuất giấy, chế biến lâm sản, thực phẩm Các hoạt động đem lại nguồn thu nhập lớn cho tỉnh đồng thời lại tạo áp lực cho việc khai thác bảo vệ tài nguyên nước nơi Trong năm gần tỉnh Thái Nguyên đầu tư xây dựng nhiều cơng trình, triển khai nhiều giải pháp nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên nước như: Quan trắc chất lượng nguồn nước địa bàn tỉnh; kiểm soát việc khai thác, sử dụng xả nước thải vào nguồn nước Tính đến năm 2016 tổng số giấy phép xả thải vào nguồn nước cấp cho tổ chức, cá nhân 129 giấy phép, Bộ Tài nguyên Môi trường cấp 02 giấy phép, 71 giấy phép hiệu lực 58 giấy phép hết hiệu lực Tuy việc đầu tư kinh phí cho nhiệm vụ quản lý hoạt động điều tra bản, kiểm kê, đánh giá tài nguyên nước, hoạt động bảo vệ tài nguyên nước, phòng chống suy thối, cạn kiệt tài ngun nước chưa tương xứng với nhiệm vụ yêu cầu; chưa kiểm sốt tồn nguồn thải gây ô nhiễm, suy thoái nguồn nước dẫn đến nhiều nguồn nước dần xảy tượng ô nhiễm cục vào mùa khô Cần thiết đánh giá chi tiết sức chịu tải nguồn nước sông phục vụ công tác quản lý nhà nước tài nguyên nước cách xác, hiệu Hiện nay, có nhiều mơ hình thủy văn cấp độ lưu vực phát triển mơ hình AGNPS, AnnAGNPS, HSPF, MIKE SHE, SWAT sẵn có liệu khơng gian thời gian khó khăn cản trở việc ứng dụng mơ hình này, nước phát triển Tuy nhiên, phát triển cơng nghệ GIS tạo nên động lực góp phần cải thiện, thúc đẩy việc ứng dụng mơ hình phạm vi tồn giới Hệ thống thơng tin địa lý (GIS – Geographic information System) công nghệ du nhập vào Việt Nam thập niên 90 kỉ XIX phát triển năm trở lại GIS cho phép liên kết liệu không gian liệu thuộc tính với cơng cụ phần mềm Việc ứng dụng phần mềm hệ thống thông tin địa lý giúp thu thập, lưu trữ phân tích liệu khơng gian thuộc tính cho ta kết nhu mong muốn Việc ứng dụng GIS vào hoạt động quy hoạch, quản lí giám sát tài ngun mơi trường cần thiết Trong mơ hình đánh giá chất lượng đất nước SWAT (Soil and Water Assessment Tool) phận hệ thống GIS Mơ hình SWAT xây dựng nhằm đánh giá dự báo ảnh hưởng việc quản lí đất tác động đến thành phần nước, địa chất lưu vực rộng lớn khoảng thời gian dài Mặt khác mơ hình mơ hồ chứa tốt Với lí trên, báo cáo lựa chọn mơ hình SWAT tích hợp QSIS Nước yếu tố sinh thái thiếu sống nguồn tự nhiên có khả tái tạo vô quý giá người Nước dùng hoạt động nông nghiệp, công nghiệp, dân dụng, giải trí tạo cảnh quan mơi trường Hầu hết hoạt động cần nước Theo J.A Jonnes, 97,41% thể tích nước Trái Đất nằm biển đại dương, 1,98% băng tuyết hai cực, núi cao, lại 0,61% nằm rải rác khơng khí thuỷ vực mặt, ngầm lục địa [11] Hệ thống sông suối Việt Nam phát triển, phân bố không Mật độ trung bình 0,6 km/km, lớn - km/km châu thổ sơng Hồng - Thái Bình Cửu Long, nhu cầu tiêu thoát nước lớn địa hình phẳng, biên độ triều lớn khả can thiệp người cao [5] Mật độ sông suối lớn tạo thuận lợi cho đối tượng trực tiếp dùng nước, tạo điều kiện phát triển giao thông thủy Cùng với phát triển đất nước theo hướng CNH – HĐH, q trình thị hố diễn mạnh mẽ, mơi trường nói chung mơi trường nước nói riêng bị tác động lớn Chất lượng nước sông bị ô nhiễm nghiêm trọng, đồng thời khả tiếp nhận chất thải chúng bị dần sông Nhuệ, Tô Lịch, sơng Đồng Nai, sơng Sài Gòn,…vùng thượng lưu hạ lưu sông chịu tác động mạnh mẽ từ hoạt động sinh hoạt, y tế, hoạt động sản xuất nông, lâm nghiệp công nghiệp… từ tỉnh lưu vực sông [2] Sông Công chi lưu sông Cầu Sông Công bắt nguồn từ vùng Ba Lá, huyện Định Hóa, chảy theo hướng Tây Bắc-Đơng Nam Mơi trường nước sơng Cơng có biểu bị ô nhiễm nguồn thải từ hoạt động sản xuất nông nghiệp, sản xuất công nghiệp, dịch vụ chủ yếu qua khu vực thị xã sông Cơng Với vai trò việc phát triển kinh tế-xã hội tỉnh Thái Nguyên, việc bảo vệ tổng thể môi trường nước sông Công cần thiết Trước yêu cầu việc bảo vệ môi trường nước sông Công, thực đề tài “Nghiên cứu trạng chất lượng nước sông Công đoạn từ hạ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: với hạn chế mặt kinh phí nên tác giả tập trung đánh giá xu biến động yếu tố khí tượng coi yếu tố nhạy mặt khí tượng gồm lượng mưa (X); nhiệt độ (To) yếu tố thủy văn lưu lượng dòng chảy (Q) Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sơng Kone, tỉnh Bình Định Hình Phạm vi nghiên cứu – lưu vực sông Kone 2.2 Phương pháp nghiên cứu Sử dụng kiểm nghiệm phi tham số Mann – Kendall [5] để xác định xu biến động chuỗi số liệu (tập mẫu) xếp theo trình tự thời gian dựa vào độ dốc Theil-Sen (Kostas Voudouris & Dimitra Voutsa, 2012) Phương pháp so sánh độ lớn tương đối phần tử chuỗi không xét giá trị phần tử Điều giúp tránh xu giả tạo vài giá trị cực trị cục gây sử dụng phương pháp tính tốn xu tuyến tính phương pháp bình phương tối thiểu thơng thường Một ưu điểm phương pháp không cần quan tâm việc tập hợp mẫu tuân theo luật phân bố Các cơng thức tính tốn với phương pháp mà áp dụng mô tả ngắn đây: Giả sử có chuỗi trình tự thời gian ( x 1, x2,…., xn) với xi biểu diễn số liệu thời điểm i Giá trị thống kê Mann-Kendall (S) định nghĩa: n −1 Sk = ∑ n ∑ sign( x k =1 j = k +1 j − xk ) Trong đó:  x j − xk >  sign( x j − xk ) =  x j − xk = −1 x − x < j k  Giá trị ban đầu thống kê Mann-Kendall S tương ứng với không tồn xu hướng; giá trị Sk>0 (dương) số cho xu hướng tăng; giá trị S k 0 S k = sk + S k < var( sk ) Hàm xác suất mật độ có cơng thức sau: − z2 f ( z) = e 2π Xu hướng biến đổi kết luận tăng (hay giảm) số Mann-KandallZ nhỏ (lớn giá trị Z O ) với xác xuất tính lớn mức ý nghĩa (thường 95%) Nếu xác xuất tính nhỏ mức ý nghĩa xu khơng tồn Đối với chuỗi liệu xác định có xu hướng biến đổi, cần phải phát điểm thay đổi Để xác định chúng tơi làm sau: Thứ nhất, tính thống kê sau: UFk = Sk − E [ Sk ] Var [ S k ] ( k = 1, 2,3 , n ) E(Sk) Var(Sk) đại điện cho giá trị trung bình độ lệch chuẩn S k Sau đó, chuỗi số liệu đảo ngược trình lặp lặp lại để tính tốn biến thống kê theo cơng thức UBk = -UFk Cuối vẽ đường UBk VÀ UFk đồ thị đường giao cắt điểm U giá trị thời điểm nằm giới hạn U < 1,96 điểm coi điểm thay đổi với độ tin cậy 0,05 Do kinh phí nghiên cứu có hạn, chúng tơi tiến hành thu thập số liệu trung bình năm thời đoạn 1990-2016 (27 năm số liệu) đánh giá xu biến đổi yếu tố khí tượng coi yếu tố nhạy để đánh giá khí hậu gồm lượng mưa (X) nhiệt độ (To) trạm khí tượng lân cận lưu vực sông Kone yếu tố thủy văn lưu lượng dòng chảy (Q) trạm Bình Tường (còn gọi Cây Muồng) Riêng trạm Bình Tường đến năm 2010 trạm hạ cấp đo mực nước (H) (bảng 1, hình 1) TT Bảng 1: Danh mục trạm khí tượng, thủy văn phục vụ nghiên cứu Yếu tố Thời gian Tên trạm X Y nghiên cứu thu thập 0 Quy Nhơn 109 13’ 13 46’ X, T 1990-2016 0 Hoài Nhơn 109 02’ 14 31’ X, T 1990-2016 o o Ba Tơ 108 44' 14 46' X, T 1990-2016 X 1990-2016 Bình Tường 108o52' 13o56' Q 1990-2010 X- Lượng mưa To-Nhiệt độ Q- Lưu lượng KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nhiệt độ khơng khí lưu vực sơng Kone có phân hóa theo độ cao địa hình mùa năm Phần thượng lưu lưu vực sông Kone, nhiệt độ trung bình 26,1 oC trạm Hồi Nhơn hạ lưu lưu vực giáp biển, nhiệt độ trung bình hàng năm khoảng 27 oC trạm Quy Nhơn; Diễn biến nhiệt độ khơng khí thấp toàn lưu vực cho thấy, thời kỳ lạnh năm diễn vào mùa Đông từ tháng 12 đến tháng tháng năm sau, nhiệt độ thấp toàn lưu vực lớn 15 oC Vào tháng mùa hè nhiệt độ thấp toàn lưu vực lớn 23oC; Các tháng 6,7,8 thời kỳ nóng năm Vào tháng mùa Đơng, nhiệt độ khơng khí lớn lớn 25 oC; vào tháng mùa hè nhiệt độ khơng khí cao tồn lưu vực lớn 30oC Tại trạm Hoài Nhơn Quy Nhơn đạt 37 oC vào tháng 7; Qua tính tốn theo phương pháp Mann-Kendall thấy, đặc trưng nhiệt độ phía thượng lưu lưu vực sơng Kone có xu hướng gia tăng mạnh vào tháng 10&11, năm 2000 kéo dài đến năm 2010 ( thể bảng 2; bảng hình 2; hình ) Bảng Đặc trưng nhiệt độ trạm Ba Tơ theo pương pháp Mann-Kendall Tháng -0.33 -0.006 Phương trình xu y=-0,006x+21,63 Tháng 1.31 0.019 Phương trình xu y=0,019x+27,95 Tháng -0.04 -0.001 y=-0,001x+22,66 Tháng 0.65 0.013 y=0,013x+27,85 Tháng 0.29 0.014 y=-0,014x+24,56 Tháng 1.77 0.019 + y=0,019x+26,43 Tháng 0.63 0.010 y=-0,01x+26,82 Tháng 10 2.59 0.043 ** y=0,043x+24,77 ** y=0,064x+23,23 Tháng Test Z Slope Significant Tháng Test Z Slope Significant Tháng 2.00 0.047 * y=-0,047x+27,39 Tháng 11 2.71 0.064 Tháng 1.98 0.024 * y=-0,024x+28,20 Tháng 12 1.13 0.028 y=0,028x+21,72 Hình 2: Xu hướng biến đổi nhiệt độ trung bình tháng trạm Ba Tơ Bảng Đặc trưng nhiệt độ trạm Hoài Nhơn theo phương pháp Mann-Kendall Phương trình xu Tháng Tháng -1.04 -0.021 y=-0,021x+22,65 Tháng 0.00 0.001 y=0,001x+28,96 Tháng -0.63 -0.018 y=-0,018x+23,48 Tháng -0.04 -0.001 y=-0,001x+28,93 Tháng -0.33 -0.006 y=-0,006x+25,11 Tháng 0.00 0.001 y=0,001x+27,20 Tháng 0.33 0.006 y=0,006x+27,15 Tháng 10 1.08 0.011 y=0,011x+25,78 Tháng 1.33 0.031 y=-0,031x+28,16 Tháng 11 2.48 0.045 Tháng 1.31 0.019 y=-0,019x+28,96 Tháng 12 0.50 0.014 Tháng Test Z Slope Significant Test Z Slope Significant * Phương trình xu y=0,045x+24,31 y=0,014x+22,87 Hình 3: Xu hướng biến đổi nhiệt độ trung bình tháng trạm Hồi Nhơn Lượng mưa trung bình nhiều năm lưu vực sơng Kone có quan hệ chặt chẽ đến hoạt động gió mùa, địa hình khu vực Với án ngữ dải Trường Sơn phía Tây mặt đệm địa hình núi cao, đồi trọc, thung lũng hẹp đem lại cho lưu vực chế độ mưa mang tính chất đặc thù khu vực Nam Trung Bộ Chế độ mưa lưu vực hoàn toàn lệch hẳn so với khu vực khác Tổng lượng mưa năm lớn trạm Ba Tơ đại diện cho vùng núi cao thượng nguồn sông Kone 3.830mm giảm dần theo độ cao địa hình đồng ven biển trạm Hồi Nhơn 1.948mm, trạm Bình Tường 1.85,5mm, trạm Quy Nhơn 1.750mm Nhìn chung, lượng mưa tăng dần theo độ cao địa hình, sườn đón gió lượng mưa lớn thung lũng khuất gió; Trong năm phân làm mùa: mùa mưa từ tháng 1-8 có đỉnh vào tháng 5-7 với tổng lượng mưa khoảng 1.064 mm chiếm 27.8% tổng lượng mưa năm; mùa mưa nhiều có tháng từ tháng – 12 có đỉnh mưa vào tháng 10- 11 tổng lượng mưa lớn khoảng 2.766 mm chiếm 72,2% tổng lượng mưa năm; Sự phân bố lượng mưa lớn tháng xuất hai đỉnh cao Đỉnh thứ rơi vào tháng 5&6 ( mùa mưa) đỉnh cao thứ hai rơi vào tháng 11&12 ( mùa mưa nhiều) với giá trị cao nhiều Giá trị lượng mưa lớn trạm Ba Tơ 2.546,1mm, trạm Hồi Nhơn 1.526mm, trạm Bình Tường 993mm, trạm Quy Nhơn 1.143mm Lượng mưa nhỏ tháng hầu hết rơi vào tháng II năm Giá trị lượng mưa nhỏ trạm Ba Tơ 0,8mm, trạm Hồi Nhơn mm, trạm Bình Tường mm, trạm Quy Nhơn mm; Xu hướng biến đổi lượng mưa tháng trung bình nhiều năm cho tồn lưu vực thể rõ vào tháng 10, tháng 11 (của mùa mưa nhiều) trạm Ba Tơ, trạm Bình Tường, trạm Quy Nhơn Cụ thể sau: Bảng Đặc trưng lượng mưa trạm Ba Tơ theo phương pháp Mann-Kendall Phương trình xu Tháng y=4,111x+88,90 Tháng y=0,762x+45,33 Tháng y=1,318x+39,42 Tháng Tháng 0.33 0.58 y=0,586x+38,96 Tháng 10 Tháng 0.56 0.13 y=0,562x+177,89 Tháng 11 Tháng 0.92 0.33 y=0,925x+152,20 Tháng 12 Tháng Test Z Slo pe Significa nt Tháng 1.71 4.11 1 Tháng 0.40 0.67 2 Tháng 1.00 1.31 Test Z Slop e 3.75 6.404 0.04 0.067 1.08 2.17 3.695 25.09 1.00 14.40 0.50 2.200 Significa nt Phương trình xu y=6,404x+45,84 y=-0,067x+169,43 y=3,695x+284,07 ** y=25,093x+1097,98 *** y=14,408x+774,66 y=-2,20x+499,9 Hình 4: Xu hướng biến đổi lượng mưa trung bình tháng trạm Ba Tơ Bảng Đặc trưng lượng mưa trạm Quy Nhơn theo phương pháp Mann-Kendall Test Z Slo pe Tháng 0.96 0.94 0.20 0.19 0.00 Tháng Tháng 0.46 Tháng 0.33 Tháng 0.02 Significa nt Phương trình xu Tháng Test Z Slop e Significa nt y=0,945x+39.86 Tháng 1.29 1.462 y=1,462x+15,25 y=0,2x+11,90 Tháng 1.33 2.531 y=2,531x+44,98 y=0,195x+16,20 Tháng y=0,00x+23,40 Tháng 10 0.63 2.75 2.041 16.93 y=2,041x+251,16 y=- ** Phương trình xu Test Z Tháng - Tháng 0.54 - Tháng 1.52 Slo pe Significa nt 0.86 1.10 Phương trình xu Tháng Test Z Slop e Significa nt Phương trình xu 16,938x+818,06 y=-0,861x+86,03 Tháng 11 1.04 6.386 y=6,386x+315,8 y=-1,10x+61,90 Tháng 12 0.67 3.110 y=-3,11x+205,41 Hình 5: Xu hướng biến đổi lượng mưa trung bình tháng trạm Quy Nhơn Bảng Đặc trưng lượng mưa trạm Bình Tường theo phương pháp Mann-Kendall Test Z Slo pe Tháng 1.61 1.15 0.11 0.35 0.25 1.72 0.98 Tháng Tháng 0.54 Tháng 0.96 Tháng 0.31 Tháng 0.67 Tháng 0.75 Significa nt Phương trình xu Tháng Test Z Slop e Significa nt Phương trình xu y=1,61x+33,16 Tháng 0.04 0.225 y=-0,225x+13,50 y=0,114x+22,80 Tháng 0.40 0.673 y=0,673x+13,30 y=0,358x+13,89 Tháng 0.42 y=-0,25x+11,20 Tháng 10 2.54 0.585 12.93 y=-1,723x+16,29 Tháng 11 1.33 12.01 y=12,012x+180,6 y=-0,98x+19,29 Tháng 12 0.21 0.775 y=-0,775x+107,2 y=0,585x+16,92 * y=12,938x+204,92 Hình 6: Xu hướng biến đổi lượng mưa trung bình tháng trạm Bình Tường Đặc trưng dòng chảy năm trạm Thủy Văn Bình Tường sơng Kone với lưu lượng dòng chảy trung bình nhiều năm đạt 64 m 3/s, modul dòng chảy