Ứng dụng mô hình PCPF-1@SWAT mô phỏng quá trình phân hủy và lan truyền thuốc trừ cỏ lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn

Nội dung bài viết ứng dụng mô hình PCPF-1@SWAT mô phỏng quá trình phân hủy và lan truyền thuốc trừ cỏ lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn. Mời các bạn tham khảo!

K t qu nghiên c u KHCN Ứng dụng mô hình PCPF-1@SWAT mơ q trình phân hủy lan truyền thuốc trừ cỏ lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn Nguy n Thi n S
n , Vũ Huy Ch
ng , Tr n Th Mai Lan , Nguy n Duy Quang , Nguy n Thi n H
ng Vi n N
c, T
i tiêu Mơi tr
ng Phịng Qu n lý th huy n Đăk Mil Tr
ng Đ i h c Th y L i TÓM TẮT ục tiêu nghiên cứu sử dụng mơ hình PCPF1@SWAT để mơ q trình phân hủy lan truyền hoạt chất trừ cỏ cho lúa có tên Mefenacet (MF) lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn để từ thấy mức độ nhiễm nguồn nước thời gian gieo trồng vụ xuân (Đông Xuân) Trên sở đó, phân tích tiềm áp dụng mơ hình vào điều kiện thực tế Việt Nam M MỞ ĐẦU Hệ thống sông Vũ Gia-Thu Bồn hệ thống sông lớn vùng duyên hải Miền Trung Sông bắt nguồn từ địa bàn tỉnh Kon Tum chảy qua tỉnh Quảng Nam, thành phố Đà Nẵng đổ biển Đơng Diện tích tồn lưu vực sơng Vũ Gia-Thu Bồn tính từ thượng nguồn đến cửa sơng 10.350km2, tổng lượng nước bình qn hàng năm khoảng 20,22 tỷ m3[1] Các sông lưu vực cung cấp lượng nước lớn phục vụ cho sản xuất nông nghiệp, đặc biệt cung cấp nguồn nước tưới cho lúa Việc canh tác lúa, yêu cầu lượng nước tưới nghiêm ngặt đòi hỏi phải diệt trừ loài cỏ dại để lúa sinh trưởng phát triển tốt cho suất, sản lượng cao Trong lưu vực có diện tích gieo trồng lúa lớn, nên dẫn đến lượng lớn thuốc trừ cỏ sử dụng Sau phun rải, thuốc trừ cỏ phân tán đất, tầng lan truyền từ ruộng lúa ngồi mơi trường sơng suối nhiều đường khác tháo nước khỏi ruộng lúa, thấm ngang qua bờ ruộng, thấm đứng vào tầng nước ngầm nông sâu tới sinh vật thủy sinh khác tôm, cua, cá làm giảm chất lượng nguồn nước mặt, nước ngầm Trước thực trạng đó, nhóm nghiên cứu ứng dụng mơ hình PCPF-1@SWAT việc tính tốn lan truyền thuốc trừ cỏ từ ruộng lúa ngồi hệ thống sơng nhằm đánh giá trạng chất lượng nước lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn, đồng thời mở hướng nghiên cứu ứng dụng để đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Việt Nam Trong hầu hết nghiên cứu trước đây, thuốc trừ cỏ thất thoát từ ruộng lúa lên tới 50% lượng áp dụng phụ thuộc vào biện pháp quản lý nước Vì vậy, việc sử dụng thuốc trừ cỏ nông nghiệp bên cạnh tiêu diệt lồi cỏ dại có hại, bảo vệ trồng dùng liều lượng có ảnh hưởng lớn 2.1.1 H th ng thông tin đ a lý (GIS) PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ TIẾN TRÌNH MƠ PHỎNG LAN TRUYỀN THUỐC TRỪ CỎ 2.1 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng phần mềm ArcGIS, ArcSWAT PCPF-1@SWAT để tính tốn phân chia lưu vực, xây dựng đồ sử dụng đất, đồ loại đất tính tốn lan truyền thuốc trừ cỏ lưu vực sơng Vũ Gia-Thu Bồn [2,7] Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 77 K t qu nghiên c u KHCN tr 2.1.2 Ph

ng pháp tính tốn cân b ng kh i l
ng thu c c Phương trình quản trị cân khối lượng thuốc trừ cỏ ruộng lúa thể phương trình sau [6]: tính tốn mơ mạng lưới sơng ngịi lưu vực, tính tốn tiểu lưu vực cửa xả tiểu lưu vực b Dữ liệu đồ sử dụng đất đồ loại đất (Hình 1,2) Bản đồ trạng sử dụng đất đồ loại đất thu thập từ website quản lý thông tin sở liệu hệ thống lưu vực sơng Vũ Gia-Thu Bồn thuộc dự án LUCCI Trong đó: - Cpw nồng độ thuốc trừ cỏ lớp nước lúa (mg/L) - hpw độ sâu lớp nước lúa (cm) - kDISS số tốc độ phản ứng bậc thuốc trừ cỏ phân giải nước (1/ngày) - CSLB khả hòa tan thuốc trừ cỏ nước (mg/L) - dPSL độ sâu lớp đất lúa (cm) - ρb–PSL trọng lượng riêng lớp đất lúa (g/cm3) - kDES số tốc độ phản ứng bậc thuốc trừ cỏ phân giải từ lớp đất lúa (1/ngày) - CS-PLS nồng độ thuốc trừ cỏ đất lớp đất lúa (mg/kg sở đất khô) - IRR hệ số cung cấp nước tưới (cm/ngày) - Cw-IRR nồng độ thuốc trừ cỏ nước tưới (mg/L) - KL-A hệ số chuyển hóa khối lượng thuốc trừ cỏ từ lớp nước lúa vào khơng khí (cm/ngày) 2.2 Tiến trình mơ lan truyền thuốc trừ cỏ mơ hình PCPF-1@SWAT 2.2.1 D li u đ u vào c a mơ hình a Dữ liệu đồ DEM Dữ liệu đồ DEM trích xuất từ ASTER GDEM (ASTER Global Digital Elevation Model) độ phân giải không gian 30m Từ sở liệu độ cao địa hình từ đồ DEM, phần mềm ArcSWAT 78 Trên sở liệu ban đầu đồ sử dụng đất năm 2013 với 12 loại hình sử dụng đất lưu vực, đồ biên tập phân loại thành nhóm sử dụng đất mơ hình SWAT, nhóm đất nơng nghiệp (7,92%), đất rừng (56,86%), đất cỏ (12,36%), đất trồng lúa (8,21%), đất khu quan cơng trình nghiệp (0,3%), đất thổ cư (14,02%), đất mặt nước (0,33%) Dữ liệu ban đầu chia loại đất lưu vực thành nhóm đất với nhiều loại đất khác nhau, nhóm nghiên cứu biên tập phân loại thành nhóm để sử dụng mơ hình SWAT, nhóm đất đỏ vàng (76,31%), đất phù sa (4,86%), đất cát (3,22%), dốc tụ (0,88%), đất xám bạc màu (3,84%), đất mặn (1,27%), đất đen (0,04%), đất xói mịn trơ sỏi đá (0,52%) c Dữ liệu khí hậu, thời tiết lưu lượng dòng chảy Dữ liệu sử dụng mơ hình tính tốn bao gồm số liệu thời tiết lượng mưa, nhiệt độ độ ẩm, tốc độ gió, Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN Hình 1: B n đ s d ng đ t l
u v c sông Vũ Gia-Thu B n Hình 2: B n đ lo i đ t l
u v c sông Vũ Gia-Thu B n xạ mặt trời số liệu thủy văn mực nước, lưu lượng dòng chảy ghi trạm quan trắc địa bàn tỉnh Quảng Nam, Kom Tum Đà Nẵng vòng 38 năm (19762013) d Dữ liệu thuốc trừ cỏ Theo khảo sát thực tế vài hộ nông dân gieo trồng lúa lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn địa bàn tỉnh Quảng Nam, Kom Tum Đà Nẵng, có loại thuốc trừ cỏ người dân thường sử dụng Sofit 300EC (hoạt chất Pretilachlor), Acenidex 17WP (hoạt chất Bensulfuron-Methyl), Fezocet 40WP (hoạt chất Mefenacet) Quissa 10SC (hoạt chất Imazonsulfuron) Trong nghiên cứu này, chúng tơi tiến hành tính tốn mô lan truyền hoạt chất Mefenacet Hình 3: M ng l
i tr m quan tr c l
u v c lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn Thuốc trừ cỏ sông Vũ Gia-Thu B n thường người dân phun sau cấy từ 5-7 ngày Liều lượng sử dụng diện tích lúa phun thuốc trừ cỏ lưu vực tính tốn dựa nghiên cứu trường hợp huyện Duy Xuyên, Đại Lộc, Quế Sơn, Điện Bàn niên giám thống kê tỉnh Quảng Nam Các thông số sử dụng mô hình PCPF-1 để mơ q trình phân hủy lan truyền thuốc trừ cỏ từ ruộng lúa ngồi hệ thống kênh sơng Các tính chất lý hóa thuốc trừ cỏ giả định giống tiểu lưu vực toàn lưu vực Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 79 K t qu nghiên c u KHCN e Quản lý nước mặt ruộng Quản lý nước mặt ruộng thời gian sử dụng thuốc trừ cỏ có ảnh hưởng lớn tới phân hủy lan truyền thuốc trừ cỏ môi trường nước Khi chạy mơ hình PCPF1@SWAT, giả định rằng: (i) lượng nước tiêu mặt ruộng tuân theo biện pháp giữ nước ngập vòng ngày sau phun thuốc trừ cỏ; (ii) tốc độ thấm ngang qua kênh tiêu 0,12cm/ngày (iii) tốc độ thấm đứng 1,0cm/ngày (Boulange, 2014) 2.2.2 Ti n trình xây d ng mơ hình PCPF-1@SWAT tính tốn lan truy n thu c tr c Mơ hình PCPF-1@SWAT Boulange đồng nghiệp phát triển Nhật Bản (2014) dựa tảng mơ hình PCPF-1 mơ hình SWAT Mơ hình PCPF1@SWAT cải thiện độ xác việc mơ tác động phương án quản lý đến nguồn tài nguyên nước, vận chuyển bùn cát lan truyền hóa chất nơng nghiệp điều kiện thực tế khu vực Châu Á, nơi có lưu vực mà trạng sử dụng đất gồm cánh đồng lúa Mơ hình PCPF-1@SWAT bao gồm thuật tốn chính: (1) Thuật tốn PCPF-1 để tính tốn mơ thuốc trừ sâu (nói chung) lan truyền cấp độ ruộng tổ hợp vài ruộng; (2) Thuật tốn SWAT để tính tốn mơ thuốc trừ sâu (nói chung) lan truyền cấp độ lưu vực sơng với tổ hợp loại hình sử dụng đất (bao gồm cánh đồng lúa) (Boulange, 2014) Cả hai thuật toán dựa nguyên lý cân nước khắp lưu vực sơng Thuật tốn mơ hình PCPF-1@SWAT trình bày Hình Mơ hình PCPF-1@SWAT chạy tảng phần mềm Microsoft Visual Studio (MVS), phiên năm 2015 phần mềm Intel Fortran Compiler XE (IFCXE), phiên năm 2015 Trước chạy, cần thiết lập điều kiện sau: (i) thiết lập liệu đầu vào để chạy phần mềm ArcSWAT phiên 2009.93.7b bao gồm liệu DEM, đồ sử dụng đất, đồ loại đất, đồ hệ thống sơng ngịi liệu khí tượng, thời tiết; Sau đó, (ii) thiết lập thơng số Hình 4: Thu t tốn mơ hình PCPF-1@SWAT (Boulange, 2014) 80 Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN thư mục TxtInOut chỉnh sửa file basin, file pothole kịch quản lý nước thuốc trừ cỏ; Cuối cùng, (iii) chạy mơ hình PCPF-1@SWAT với mã Fortran code phát triển Boulange đồng nghiệp (2014) Tiến trình chạy mơ hình PCPF-1@SWAT trình bày Hình KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết mơ lưu lượng dịng chảy (xem Hình 6,7,8) Các thông số thống kê sử dụng để đánh giá tính xác mơ hình bao gồm hệ số xác định (R2) số hiệu Nash-Sutcliffe (ENS) Giá trị R2 tiến tới gần giá trị kết mơ lưu lượng dòng chảy nồng độ thuốc trừ cỏ xác Mặt khác, giá trị lớn 0,5 chấp nhận kết mơ Cách tính tốn số thống kê thể phương trình 1-1 1-2: (1-1) (1-2) Trong đó: giá trị trung bình liệu quan trắc suốt thời gian mô phỏng, giá trị trung bình liệu mơ suốt thời gian mơ phỏng, Hình 5: Ti n trình ch y mơ hình PCPF-1@SWAT Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 81 K t qu nghiên c u KHCN Xsi giá trị mô ngày thứ i, Xoi giá trị quan trắc ngày thứ i, n số năm quan trắc Hình 6:Mơ ph ng l
u l
ng dịng ch y sơng t i tr m Nơng S
n năm 2013 Hình 7: Mơ ph ng l
u l
ng dịng ch y sơng t i tr m Nơng S
n năm 2014 Hình 8: Mơ ph ng l
u l
ng dịng ch y sơng t i tr m Nơng S
n năm 2015 Hình 9: Mơ ph ng l
u l
ng dịng ch y t i tr m Nông S
n tháng đ u năm 2016 82 Qua Bảng 1, ta thấy kết mô lưu lượng dịng chảy đạt độ xác cao Ngồi ra, nhìn chung lưu lượng dịng chảy ổn định suốt tháng đầu năm với giá trị trung bình tương ứng 158,33(m3/s) năm 2013; năm 2014; 123,5(m 3/s) 148,69(m 3/s) năm 2015 256,79(m3/s) năm 2016 Vào tháng cuối năm, lưu lượng dòng chảy tăng đột biến xuất trận lũ từ trận mưa tập trung với cường độ lớn Giá trị lưu lượng lớn đạt mức vào ngày 6800(m 3/s) 7/11/2013; 6570(m 3/s) vào ngày 16/11/2014; 6730(m3/s) vào ngày 7/11/2015 Không thế, lưu lượng dịng chảy lượng mưa cịn có tương quan chặt chẽ với nhau, đặc biệt ngày xuất lưu lượng lớn tương ứng với ngày có cường độ mưa lớn 3.2 Kết mô nồng độ thuốc trừ cỏ nước sông lưu vực Vũ Gia Thu Bồn (Xem Hình 10 đến Hình 17) Các kết mơ cho thấy, nhìn chung, nồng độ thuốc trừ cỏ Mefenacet nước sông vụ Đông Xuân tăng dần kể từ ngày gieo sạ (cấy) đạt nồng độ cao Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN B ng 1: B ng th ng kê đánh giá đ xác mơ ph ng l
u l
ng dịng ch y Năm R2 ENS Độ xác 2013 0,83 0,82 Cao 2014 0,70 0,70 Khaù 2015 0,63 0,61 Khaù 2016 0,72 0,92 Cao mô Hình 10: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2013 tr m Nông S
n Hình 11: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2014 tr m Nông S
n sau khoảng đến tuần (khoảng cuối tháng 1, đầu tháng 2), sau đó, nồng độ thuốc trừ cỏ giảm dần cuối tháng Tại trạm Nông Sơn, nồng độ Mefenacet đạt giá trị cao 2,68µg/L năm 2013; 1,79µg/L năm 2014; 1,15µg/L năm 2015 0,94µg/L năm 2016 Tuy nhiên, xi dọc phía hạ lưu, nơi tập trung dân cư đông đúc, nồng độ Mefenacet nước sông cao, đạt giá trị lớn 4µg/L năm 2013; 2,81µg/L năm 2014; 1,84µg/L năm 2015 1,57µg/L năm 2016 Thuốc trừ cỏ Mefenacet thuộc nhóm độc 3, nhóm độc trung bình, người dân sử dụng phổ biến lưu vực để trừ loại cỏ tiền hậu nảy mầm, giúp lúa sinh trưởng tốt Tuy nhiên, việc lạm dụng thuốc trừ cỏ chứa hoạt chất Mefenacet lưu vực người dân khiến động vật thủy sinh tôm, cá bị ảnh hưởng mà ảnh hưởng tới chất lượng nước mặt phục vụ cho tưới tiêu, cấp nước cho công nghiệp, sinh hoạt, Theo kết mô phỏng, ta thấy nồng độ Mefenacet tập trung cao khoảng từ 19 tháng đầu tháng 3, vậy, khoảng thời gian này, người dân cần hạn chế sử dụng nguồn nước mặt sông Vũ Gia - Thu Bồn phía hạ lưu để tránh bị ngộ độc tránh tác hại từ nguồn nước chứa Mefenacet Sau khoảng thời gian trên, Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 1,2&3-2016 83 K t qu nghiên c u KHCN thuốc trừ cỏ Mefenacet phân hủy lắng đọng hết nên nước sơng khơng cịn nhiễm thuốc trừ cỏ Mefenacet, người dân sử dụng nước bình thường KẾT LUẬN Hình 12: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2015 tr m Nơng S
n Hình 13: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2016 tr m Nơng S
n Hình 14: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2013 tr m H i An 84 Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng mơ hình PCPF-1@SWAT, mơ hình cấp độ lưu vực, để mô phân hủy lan truyền hoạt chất trừ cỏ Mefenacet từ ruộng lúa ngồi mơi trường lưu vực hệ thống sơng Vũ Gia Thu Bồn Tiến trình ứng dụng mơ hình bao gồm nhiều bước nghiên cứu khoa học tra cứu tài liệu liên quan Ở Việt Nam nay, việc sử dụng thuốc trừ cỏ canh tác nông nghiệp phổ biến nhằm tiết kiệm công lao động Tuy nhiên, việc lạm dụng tràn lan, khơng kiểm sốt chặt chẽ loại thuốc trừ cỏ gây mối nguy hại, làm ô nhiễm môi trường nước mặt nước ngầm ảnh hưởng đến môi trường thủy sinh sức khỏe người Vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng biện pháp mơ q trình phân hủy lan truyền thuốc trừ cỏ nói riêng thuốc trừ sâu nói chung hướng cần thiết giúp cho quan quản lý có sở khoa học để quản lý loại hóa chất Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Số 4,5&6-2016 K t qu nghiên c u KHCN TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Chu Hồi, Đào Trọng Tứ, Bùi Thị Thu Hiền (2014), Quản lý tổng hợp lưu vực sông Vũ Gia - Thu Bồn vùng bờ biển Đà Nẵng Quảng Nam, Việt Nam“Một cách tiếp cận từ nguồn xuống biển” Hình 15: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2014 tr m H i An [2] Trần Thị Băng Tâm (2006), Hệ thống thông tin địa lý, Nhà xuất Nông nghiệp [3] Cục thống kê tỉnh Quảng Nam, Niên giám thống kê 2015, Nhà xuất Thống kê [4] Cục thống kê tỉnh Kon Tum, Niên giám thống kê 2015, Nhà xuất Thống kê Hình 15: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2015 tr m H i An [5] Cục thống kê Thành phố Đà Nẵng, Niên giám thống kê 2015, Nhà xuất Thống kê [6] Holvoet K, Van Griensven A, Seuntjens P, Vanrolleghem PA Sensitivity analysis for hydrology and pesticide supply towards the river in SWAT Physics and Chemistry of the Earth 2005a; 30: 518-526 [7] S.L Neitsch, J.G.Arnold, J.R.Kinir (2006), Soil and water assessment tool theoretical documentation Hình 17: N ng đ Mefenacet n
c sông v Đông Xuân 2016 tr m H i An Tạp chí Hoạt động KHCN An toàn - Sức khỏe & Môi trường lao động, Soá 4,5&6-2016 85 ... PCPF-1@SWAT, mơ hình cấp độ lưu vực, để mô phân hủy lan truyền hoạt chất trừ cỏ Mefenacet từ ruộng lúa môi trường lưu vực hệ thống sông Vũ Gia Thu Bồn Tiến trình ứng dụng mơ hình bao gồm nhiều... mơ lan truyền hoạt chất Mefenacet Hình 3: M ng l
i tr m quan tr c l
u v c lưu vực sông Vũ Gia-Thu Bồn Thuốc trừ cỏ sông Vũ Gia-Thu B n thường người dân phun sau cấy từ 5-7 ngày Liều lượng sử dụng. .. mặt nước ngầm ảnh hưởng đến môi trường thủy sinh sức khỏe người Vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng biện pháp mô trình phân hủy lan truyền thuốc trừ cỏ nói riêng thuốc trừ sâu nói chung hướng cần