2.3.1.1. Lý do ch n mô hình
Hi n nay v i khoa h c công ngh phát tri n, n i dung tính toán c a các mô hình toán th ng đ c th c hi n trên máy tính đi n t , vì th mô hình th y v n ngày càng phát tri n và đ c ng d ng r ng rãi so v i các ph ng pháp th công.
Có r t nhi u mô hình th y v n c p đ l u v c đã đ c phát tri n nh ng s s n có c a d li u không gian và th i gian đang là khó kh n chính c n tr vi c chúng ta áp d ng các mô hình này, nh t là các n c đang phát tri n. Tuy nhiên, s phát tri n c a công ngh GIS đã t o nên đ ng l c góp ph n c i thi n, thúc đ y ng d ng các mô hình này trên ph m vi toàn c u. Công ngh GIS h tr các mô hình th y v n d a trên c s v t lý và phân b không gian mô ph ng chính xác các quá trình th y v n di n ra trên l u v c và ph n ánh sát th c t các ch c n ng c a h th ng l u v c sông.
Mô hình SWAT có nhi u u đi m so v i các mô hình ti n thân nh cho phép mô hình hóa các l u v c không có m ng l i quan tr c, mô ph ng tác đ ng c a thay đ i d li u đ u vào nh s d ng đ t, th c hành qu n lý đ t đai và khí h u. Giao di n thích h p trong GIS t o thu n ti n cho vi c đnh ngh a l u v c, c ng nh thao tác x lý các d li u không gian và d li u d ng b ng liên quan. Trong tr ng h p d li u đ u vào h n ch SWAT v n mô ph ng đ c. Ngoài ra v i kh n ng tính toán hi u qu , SWAT có th mô ph ng các l u v c r ng l n v i nhi u d ng th c hành qu n lý đ t đai mà không t n nhi u th i gian và tài nguyên máy tính. Cu i cùng, SWAT là mô hình theo th i gian liên t c nên có th mô ph ng tác đ ng lâu dài c a s d ng đ t, th c hành qu n lý đ t đai và s tích t c a các ch t ô nhi m.
T nh ng u đi m trên và v i m c tiêu mô ph ng dòng ch y trên l u v c sông Sê San, lu n v n l a ch n mô hình SWAT; thêm vào đó, tính hi u qu và đ
tin c y c a mô hình SWAT đã đ c kh ng đnh trong r t nhi u nghiên c u khác nhau trên toàn th gi i c ng nh Vi t Nam.
a. C s lý thuy t c a mô hình SWAT
Mô hình SWAT đ c xây d ng đ mô ph ng nh h ng c a vi c qu n lý s d ng đ t đ n ngu n n c, bùn cát và hàm l ng ch t h u c trong h th ng l u v c sông v i các lo i đ t, v i các đi u ki n s d ng đ t khác nhau và đi u ki n qu n lý t ng ng v i m t kho ng th i gian dài. M t trong nh ng mô-đun chính c a mô hình này là mô ph ng dòng ch y t m a và các đ c tr ng v t lý trên l u v c.
Mô hình đ c xây d ng trên n n các quan h th hi n b n ch t v t lý c a hi n t ng t nhiên. Ngoài vi c s d ng các ph ng trình t ng quan đ mô t m i quan h gi a các bi n vào và ra, SWAT còn yêu c u các s li u v th i ti t, s d ng đ t,
đa hình, th c v t và tình hình qu n lý tài nguyên đ t trong l u v c. Các quá trình t nhiên liên quan t i chuy n đ ng c a n c, l ng đ ng bùn cát, t ng tr ng mùa màng, chu trình ch t dinh d ng,… đ c tính toán tr c ti p b i mô hình t các thông s đ u vào. Vi c mô ph ng cho m t l u v c theo các chi n l c qu n lý khác nhau có th đ c di n ra t ng đ i đ n gi n. Mô hình SWAT d a trên các b n đ
s v đa hình (DEM), sông ngòi, đ ng bao l u v c đ tính toán và chia l u v c ra thành các vùng hay các l u v c nh (sub-basin).
Hình 6: S đ t ng quan ho t đ ng c a mô hình SWAT
Trong quá trình tính toán dòng ch y, mô hình đã s d ng ph ng pháp tính b c h i (theo Penman-Monteith, Priestley-Taylor, Hardgreve ho c đ c t file), di n
toán dòng ch y theo ph ng pháp Muskingum, các ph ng pháp di n toán ch t l ng n c. Xét v toàn l u v c thì mô hình SWAT là m t mô hình phân b . Mô hình này chia dòng ch y thành 3 pha: pha m t đ t, pha d i m t đ t (sát m t, ng m) và pha trong sông. Vi c mô t các quá trình thu v n đ c chia làm hai ph n chính: Ph n th nh t là pha l u v c v i chu trình thu v n dùng đ ki m soát kh i l ng n c, bùn cát, ch t h u c và đ c chuy n t i t i các lòng d n chính c a m i l u v c. Ph n th hai là di n toán dòng ch y, bùn cát, hàm l ng các ch t h u c trong h th ng lòng d n và t i m t c t c a ra c a l u v c. Chu trình thu v n đ c mô t trong mô hình SWAT d a trên ph ng trình cân b ng n c t ng quát nh sau [12]:
) Q W E Q R ( SW SW surf a seep gw t 1 i day 0 t = +∑ − − − − = Trong đó: SWt : T ng l ng n c t i cu i th i đo n tính toán (mm) SWo : T ng l ng n c ban đ u t i ngày th i (mm) t : Th i gian (ngày)
Rday : T ng l ng mua t i ngày th i (mm) Qsurf : T ng l ng n c m t c a ngày th i (mm) Ea : L ng b c thoát h i t i ngày th i (mm)
Wseep : L ng n c đi vào t ng ng m t i ngày th i (mm) Qgw : L ng n c h i quy t i ngày th i (mm)
Mô hình SWAT cho phép ng i dùng đnh ngh a các ho t đ ng qu n lý đ i v i m t vùng trong m i đ n v th y v n. Ng i dùng có th đnh ngh a s b t đ u và k t thúc c a mùa v , đ c bi t là th i gian và l ng phân bón, thu c sâu và các th i k t i c ng nh kho ng th i gian v n hành c a đ t tr ng. T i cu i mùa v , kh i l ng sinh kh i có th đ c r a trôi t đ n v th y v n gi ng nh ph n c n bã còn l i trên b m t sau khi đã sinh hoa l i.
Thêm vào đó, đ i v i các ho t đ ng qu n lý c b n, các v n hành nh : s ch n th , các ngu n phân bón t nhiên, các ng d ng n c và s h p nh t c a m i s l a ch n qu n lý có th nh n th c đ c đ i v i s d ng n c là có th . S c i thi n lâu nh t đ i v i qu n lý đ t là s h p nh t c a các chu trình đ tính toán bùn cát là ch t dinh d ng tích t t các di n tích b m t đô th .
Hai d ng s d ng ph bi n c a n c là n c s d ng cho ho t đ ng nông nghi p ho c s d ng nh m t c p n c c a đô th . Mô hình SWAT cho phép áp d ng trên m t đ n v th y v n t b t k ngu n n c nào trong ph m vi đ n v th y v n đó ho c ngoài l u v c. N c c ng có th đ c chuy n đ i gi a các h ch a, các đo n sông và các ti u l u v c t t nh s tháo n c ra t l u v c.
Mô hình SWAT xác đnh s tích t c a n c, bùn cát, các ch t dinh d ng và thu c tr sâu đ i v i kênh d n chính. Các s tích t này đ c di n toán thông qua h th ng kênh d n c a l u v c s d ng m t công trình đi u khi n t ng t nh HYMO (Williams and Hann, 1972). Thêm vào đó đ gi h ng c a kh i dòng ch y trong kênh d n, mô hình SWAT tính toán chuy n đ i các đ c tr ng hóa h c trong kênh d n và đáy kênh. Các quá trình dòng ch y trong kênh d n khác nhau đ c tính toán trong mô hình SWAT (hình 9).
Hình 8: Các quá trình dòng ch y trong kênh d n đ c tính toán trong mô hình
+ Di n toán dòng ch y: Gi ng nh n c ch y xu ng h du, m t ph n dòng ch y có th t n th t thông qua b c h i và th m xu ng d i thông qua đáy kênh. M t t n th t ti m n khác đó là s v n chuy n n c t các kênh d n trong nông nghi p ho c trong các s d ng c a n c c a con ng i. Dòng ch y có th đ c b sungthêm b i l ng m a tr c ti p trên b m t kênh d n ho c t các ngu n đi m ch y ra. Dòng ch y đ c di n toán thông qua kênh d n s d ng m t ph ng pháp h s t ngl ng thay đ i đ c xây d ng b i Williams (1969) ho c ph ng pháp di n toán Muskingum.
+ Di n toán bùn cát: S v n chuy n c a bùn cát trogn kênh d n đ c kh ng ch b i v n hành đ ng th i c a hai quá trình l ng đ ng và tan rã. Các phiên b n tr c c a mô hình SWAT s d ng n ng l ng dòng ch y đ c l ng s l ng
đ ng/ tan rã trong các kênh d n (Arnold et al, 1995). Bagnold (1977) đnh ngh a n ng l ng dòng ch y là tích s c a l p n c, t l dòng ch y và đ d c m t n c. Williams (1980) s d ng đnh ngh a n ng l ng dòng ch y c a Bagnold đ xây d ng m t ph ng pháp xác đnh s tan rã nh m t hàm c a đ d c kênh d n và t c
đ dòng ch y.
Trong phiên b n SWAT này, các ph ng trình đ c đ n gi n hóa và l ng bùn cát l n nh t mà có th v n chuy n đ c t m t đo n kênh d n là m t hàm c a t c đ dòng ch y đnh. S thay đ i n ng l ng dòng ch y đ c s d ng liên quan
trong s r i ra và l ng xu ng c a h t v t li u cho đ n khi t t c các h t v t li u đ c r a trôi. S v t quá n ng l ng gi i h n là nguyên nhân tan rã đáy. Tan rã đáy
đ c đi u ch nh đ i v i s bao ph và xói mòn đáy kênh.
+ Di n toán ch t h u c : Các bi n đ i c a ch t h u c trong kênh d n đ c kh ng ch b thành ph n s l ng n c trong kênh d n trong mô hình. Trong kênh d n ph ng trình đ ng h c s d ng trong mô hình SWAT đ i v i di n toán ch t dinh d ng đ c mô ph ng t mô hình QUAL2E (Brown and Barnwell, 1987). Mô hình tích đ ng ch t dinh d ng tan rã trong kênh d n và các ch t dinh d ng bám vào các h t bùn cát đ c cho phép đ tích đ ng t nhiên cùng v i bùn cát đáy c a kênh d n.
+ Di n toán thu c tr sâu trên kênh d n: Trong khi m t s l ng l n quá m c c a thu c tr sâu có th đ c s d ng đ i v i m t đ n v th y v n, ch m t lo i thu c tr sâu có th đ c di n toán thông qua h th ng kênh d n c a l u v c đ phù h p v i tính ph c t p c a các quá trình đ c mô ph ng. C ng gi ng nh các ch t dinh d ng, t ng thu c tr sâu đ c tích t trong kênh d n đ c phân chia đ phân h y và bùn cát g n bó các thành ph n đó l i. Trong khi s phân h y thu c sâu đ c v n chuy n cùng v i n c, thu c tr sâu g n k t vào bùn cát b nh h ng b i quá trình v n chuy n bùn cát và các quá trình l ng đ ng. Các bi n đ i thu c sâu trong quá trình phân h y và các giai đo n th m hút b chi ph i b i các m i quan h phân rã đ u tiên. Các quá trình chính đ c mô t trong mô hình là s l ng xu ng, chìm xu ng, ch t huy n phù, s bay h i, s khu ch tán và bi n đ i.
b. Kh n ng c a mô hình
- ánh giá v s l ng và v ch t l ng c a tài nguyên n c trong l u v c; - ánh giá l ng bùn cát v n chuy n trên l u v c;
- ánh giá nh h ng c a các đi u ki n t nhiên nh hi n tr ng r ng, đ t, s d ng đ t t i dòng ch y, bùn cát, xói mòn, ch t dinh d ng…
- ánh giá hi u qu trong công tác qu n lý l u v c. c. S li u đ u vào c a mô hình SWAT
- S li u đ u vào cho mô hình bao g m s li u không gian là các b n đ và s li u thu c tính. -Các b n d đ c dùng đ tính toán bao g m: + B n đ đa hình l u v c sông: s d ng b n đ DEM. + B n đ s d ng đ t. + B n đ lo i đ t. + B n đ m ng l i sông su i và các tr m th y v n. -Các s li u thu c tính g m:
+ S li u v khí t ng: nhi t đ không khí, b c x , t c đ gió, m a… + S li u th y v n: dòng ch y, bùn cát, h ch a…
+ S li u v đ t, bao g m: lo i đ t, đ c tính đ t...
+ S li u v các lo i cây tr ng trên l u v c: đ t ng tr ng c a cây tr ng…
+ S li u v phân bón trên di n tích đ t canh tác… d. K t qu c a mô hình
- ánh giá v l ng và v ch t c a tài nguyên n c trong l u v c; - ánh giá l ng bùn cát v n chuy n trên l u v c;
- ánh giá nh h ng c a các đi u ki n t nhiên(đ t, s d ng đ t) t i dòng ch y;
- ánh giá hi u qu trong công tác qu n lý l u v c. e. ánh giá k t qu đ u ra c a mô hình
ánh giá vi c th c hi n mô hình là m t b c quan tr ng trong mô hình, b i nó cho bi t m c đ chính xác và đ tin c y c a k t qu đ u ra mô hình. Theo khuy n cáo c a Hi p H i M , hi u su t c a mô hình đ c đánh giá b ng cách so sánh hình nh đ ng quá trình dòng ch y th c đo và mô ph ng. Vi c so sánh cho ng i s d ng cái nhìn t ng quan v hi u su t c a mô hình, đ bi t đ c m c đ tin c y là bao nhiêu % ng i dùng ti n hành đánh giá sai s th ng kê b ng vi c áp d ng tiêu chí là ch s hi u qu NASH.
2 1 ) ( 1 2 ) ( ) ( 2 1 ) ( ) ( ) ( ) ( ∑ ∑ ∑ = = = − − − − = n i td i td n i i tt i td n i td i td Q Q Q Q Q Q NASH Trong đó: Qtd(i): L u l ng th c đo t i th i đi m i (m3/s); Qtt(i): L u l ng tính toán t i th i đi m i (m3/s); td Q : L u l ng bình quân (m3/s); n: S đi m th c đo c a quá trình l u l ng. Ch s NASH ch y t -∞đ n 1, đo l ng s phù h p gi a giá tr th c đo và giá tr mô ph ng trên đ ng th ng 1:1. N u NASH nh h n ho c g n b ng 0, khi đó k t qu đ c xem là không th ch p nh n ho c đ tin c y kém. Ng c l i, n u NASH b ng 1, thì k t qu mô ph ng c a mô hình là hoàn h o. B thông s c a mô hình thay đ i ph thu c vào đ c đi m m a và các y u t m t đ m, ph i đ c ch n sao cho sai s gi a tính toán và th c đo c a đ c tr ng dòng ch y ph i n m trong