Để tính toán đƣợc mô hình cần có đầy đủ các dữ liệu vào của mô hình đã nêu ở trên. Sau khi vào số liệu bản đồ độ cao số hóa DEM, DEM đƣợc sử dụng để phác họa các đặc điểm địa hình của lƣu vực và xác định các thông số thủy văn của lƣu vực nhƣ là: độ dốc lƣu vực, tích lũy dòng chảy, hƣớng dòng chảy, mạng lƣới sông.
60
AVSWAT, giao diện ArcView đƣợc sử dụng để phác họa lƣu vực. Để thể hiện đƣợc tính không đồng nhất về tính chất vật lý, lƣu vực đƣợc phân chia thành 4 lƣu vực cơ sở và mỗi lƣu vực cơ sở đƣợc coi nhƣ là một đơn vị thủy văn mà có sự đồng nhất về sử dụng đất, loại đất, và chế độ quản lý.
Sau khi tính toán các tham số của lƣu vực con, tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất và bản đồ đất để tính toán phần trăm từng diện tích sử dụng đất và phần trăm từng loại đất trên các lƣu vực con đó. Đặc tính thổ nhƣỡng bao gồm thành phần, độ dày mỗi lớp, độ dẫn thấm thủy lực đƣợc nhận diện ở các mẫu đƣợc tập hợp ở các lớp khác nhau. Nhập các số liệu về khí tƣợng, thủy văn và tiến hành chạy mô hình.
Cài đặt khoảng thời gian tính toán (thời gian bắt đầu và kết thúc), lựa chọn phƣơng pháp tính bốc hơi, phƣơng pháp diễn toán, bƣớc thời gian tính toán....
Sau khi có đầy đủ các thông tin trên, tiến hành chạy chƣơng trình. Nếu kết quả giữa tính toán và thực đo chƣa phù hợp, tiến hành hiệu chỉnh. Giao diện kết quả của chƣơng trình đƣợc thể hiện trên hình ...
Hình 8. Giao diện kết quả khi chạy chƣơng trình SWAT 4.1.3 Kêt quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình
Số liệu lƣu lƣợng theo chuỗi thời gian ở cửa ra là số liệu quan trọng nhất để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Số liệu dòng chảy theo ngày từ 1978 đến 2006 lấy từ trung tâm tƣ liệu quốc gia đƣợc đo ở trạm Gia Vòng cửa ra của lƣu vực số 1.
61
Bộ số liệu này đƣợc phân chia thành 2 giai đoạn 1978-1997 và 1998-2006 hiệu chỉnh và kiểm định tƣơng ứng.
Các thông số hiệu chỉnh mô hình đƣợc xác định theo phƣơng pháp dò tìm thông số Rosenbrok. Các thông số đƣợc chia làm các nhóm thông số sau:
Nhóm thông số tính toán dòng chảy mặt
Nhóm thông số tính toán dòng chảy ngầm
Thông số diễn toán dòng chảy trong lòng dẫn
Kết quả hiệu chỉnh các thông số mô hình đƣợc thống kê trong bảng 19. Đƣờng quá trình tính toán và thực đo tại tại trạm thuỷ văn Gia Vòng, và quan hệ tƣơng quan giữa chúng đƣợc thể hiện trong hình 9, hình 10 tƣơng ứng.
Bảng 19. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lƣu vực sông Bến Hải
Thông số Nhóm thông số Quá trình hình thành dòng chảy mặt Dòng chảy ngầm
Diễn toán trong kênh CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II CN2=61
SOL_AWC: Khả năng trữ nƣớc của đất SOL_AWC=0.10 SOL_K: Ksat độ dẫn thuỷ lực ở trƣờng hợp
bão hoà
SOL_K=10 OV_N: Hệ số nhám Manning cho dòng chảy
mặt
OV_N=0.2 CH_K(1): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn CH_K(1)=0.5 CH_N(1): Hệ số nhám kênh dẫn (mm/giờ) CH_N(1)=0.025 SURLAG: Hệ số trễ dòng chảy mặt SURLAG=0.5 ESCO: Hệ số bốc hơi của đất ESCO=0.5
GWQMN: Ngƣỡng sinh dòng chảy ngầm GWQMN=5
ALPHA_BF: Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm ALPHA_BF=0.05 GW_DELAY: Thời gian trữ nƣớc tầng ngầm
(ngày)
GW_DELAY= 31
CH_N(2): Hệ số nhám của kênh chính CH_N(2)=0.01
CH_K(2): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/giờ)
62
Hình 9 : Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng
Hình 10. Quan hệ tƣơng quan giữa lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng
Nhận xét
Từ kết quả tính toán đƣợc thể hiện trong hình 9 cho thấy dạng đƣờng quá trình dòng chảy tính toán và thực đo có sự phù hợp tƣơng đối tốt. Nói chung mô hình có khả năng mô phỏng đƣợc biến động theo thời gian của dòng chảy ngày nhƣng đối với các đỉnh lũ thì mức độ chính xác chƣa cao.
63
Kết quả tính toán giữa lƣu lƣợng thực đo và lƣu lƣợng tính toán cho hệ số tƣơng quan theo chỉ tiêu của Nash là F2
= 0.713. Theo phƣơng pháp đánh giá sai số thì kết quả hiệu chỉnh mô hình đạt loại khá.
4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình
Từ các thông số đã đƣợc hiệu chỉnh ở phần trên tiến hành kiểm nghiệm bộ thông số mô hình. Chuỗi thời gian đƣợc sử dụng để kiểm nghiệm mô hình là quá trình lƣu lƣợng tháng thực đo từ 1/1/1998 đến 31/12/2006 tại trạm Gia Vòng. Kết quả kiểm định của mô hình đƣợc thể hiện trong hình 11.
Hình 11. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng
Nhận xét
Kết quả kiểm nghiệm mô hình cho thấy hệ số tƣơng quan giữa lƣu lƣợng tính toán và thực đo theo chỉ tiêu của Nash là F2 = 0.72, đạt kết quả khá tốt.
Nhƣ vậy với bộ thông số trong bảng 19 đã đƣợc kiểm nghiệm và có thể sử dụng để tính toán quá trình dòng chảy phục vụ các bài toán khác trên lƣu vực sông Bến Hải.
Kết quả kiểm định với các phƣơng pháp tính lƣợng bốc thoát hơi bằng các phƣơng pháp khác nhau không chênh lệch đáng kể, dao động xung quanh giá trị
64
0.72. Nhƣng kết quả kiểm định khi sử dụng phƣơng pháp diễn toán Muskingum thay cho diễn toán lƣợng trữ lại chênh lệch khá lớn, chỉ đạt có 0.55.
4.1.5 Nhận xét chung
Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình cho lƣu vực sông Bến Hải với vị trí kiểm định đƣợc lấy từ lƣu lƣợng thực đo tại trạm Gia Vòng. Kết quả xác định bộ thông số của mô hình nhƣ đã trình bày trong bảng 19. Bộ thông số này đã đƣợc kiểm định và đƣợc đánh giá khá. Kết quả đánh giá sai số lƣu lƣợng tính toán và thực đo theo chỉ số Nash đều đạt trên 0.7
4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÕNG CHẢY Định lƣợng dòng chảy trên lƣu vực sông đề đánh giá tác động của thay đổi Định lƣợng dòng chảy trên lƣu vực sông đề đánh giá tác động của thay đổi
hàm lƣợng khí CO2 trong khí quyển và biến đổi khí hậu là điều cần thiết cho quản
lý hệ thống sinh thái trong tự nhiên. Mục tiêu chính của phần này là đánh giá tác động của biến đổi khí hậu toàn cầu theo kịch bản đã lựa chọn gắn với sự thay đổi
hàm lƣợng khí CO2 trong khí quyển tƣơng ứng theo kết quả thông báo của IPCC từ
mức 330ppm đến 950 ppm. Nhƣng vì giới hạn của mô hình chỉ tính đƣợc mức tối đa là 800ppm vì thế khóa luận chỉ đánh giá với hàm lƣợng CO2 giao động đến mức 800ppm.
4.2.1 Kịch bản B2
Đánh giá tác động của điều kiện biến đổi khí hậu theo kịch bản này cho thế kỷ XXI. Vì giai đoạn 1990-1999 là mốc bắt đầu xuất hiện những biến đổi một cách rõ rệt về khí hậu nên nó đƣợc chọn làm thời đoạn nền phục vụ cho đánh giá biến đổi.
Từ kết quả tính toán cho thấy với điều kiện khí hậu biến đổi theo xu thế của kịch bản này thì dòng chảy tháng tăng có thể lên đến 2-3 lần so với giai đoạn nền, và dao động với khoảng lớn. Dòng chảy trung bình tháng tăng thấp nhất là 2.2% cho đến cao nhất là 41.6%.
Dòng chảy vào các tháng lũ tăng mạnh, trong cả 4 tháng từ tháng 8 đến tháng 11, dòng chảy đều tăng trên 20% và tăng mạnh nhất vào tháng 10. Dòng chảy kiệt tuy có tăng nhƣng rất ít, chỉ dao động từ 2 đến 8%.
Một cách trực quan ta có thể thấy biến đổi dòng chảy nhƣ hình 13 (hình chỉ mang tính chất minh họa)
65
Hình 12. Thay đổi dòng chảy tháng trong nửa đầu thập kỷ so với thời đoạn nền theo kịch bản B2
Hình13. Biến đổi dòng chảy do tác động của biến đổi khí hậu theo kịch bản B2
Trong khi dao động tháng khá mạnh, dòng chảy năm cũng tăng lên rất lớn, tăng 19% so với dòng chảy của thời đoạn nền tính toán.
Bảng 20. Thay đổi dòng chảy năm theo các kịch bản biên đổi khí hậu
A1FI_1 A1FI2 B2 Giai đoạn nền
21.68843 24.70103 24.00292 11.25
66
4.2.2 Kịch bản A1FI
Tƣơng tự kịch bản B2, đối với kịch ban này là cũng đánh giá biến đồi theo thời đoạn nền là giai đoạn từ 1990-1999.
Hình 14. Biến đổi dòng chảy theo mùa đến cuối thế kỷ XXI tƣơng ứng với kịch bản A1FI so với giai đoạn nền
Hình 15. Thay đổi dòng chảy năm của các kịch bản
Quan sát trên hình ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh của dòng chảy. Theo xu hƣớng biến đổi của kịch bản A1FI: dòng chảy tháng tăng mạnh vào mùa lũ, đồng thời giảm mạnh vào mùa kiệt. Khác với kịch bản B2 xu hƣớng này vẫn tiếp diễn ở nửa sau của thế kỷ XXI. Xu hƣớng xảy ra hiện tƣợng cực đoan tăng lên rõ rệt.
67
Dòng chảy theo tháng trong các tháng mùa lũ tăng từ 2 đến xấp xỉ 7 lần so với giai đoạn nền. Trong khi đó dòng chảy kiệt giảm từ 13 đến 65%, vào tháng 6 và giảm đến 76.5% vào nửa cuối thế kỷ.
Cũng tƣơng tự với kịch bản B2, dòng chảy năm của kịch bản này cũng tăng rất lớn 4,6 đến 5 lần tƣơng ứng với 2 giai đoạn nửa đầu và nửa cuối thế kỷ XXI.
4.2.3 Kịch bản biến đổi hàm lƣợng CO2 trong khí quyển
Theo các kịch bản biến đổi khí hậu của IPCC, hàm lƣợng khí CO2 có thể tăng lên 770ppm vào cuối thế kỷ XXI.
Hình16. Biến đổi dòng chảy tháng do hàm lƣợng khí CO2 thay đổi
Theo kết quả tính toán cho thấy dòng chảy tăng lên từ 8 đến 24%. Khác với dự đoán, dòng chảy lại có xu hƣớng tăng mạnh vào mùa kiệt, và tăng ít hơn vào mùa lũ. Trong 3 tháng mùa lũ chỉ tăng 8-9%, trong khi các tháng kiệt, dòng chảy tăng từ 12 – 24 %.
Hơn nữa, sự tăng lên nồng độ CO2 trong khí quyển gây tác động làm giảm
lƣợng bốc thoát hơi từ thảm phủ, đóng góp vào sự tăng dòng chảy.
Theo kết quả tính toán cho thấy sự thay đổi mạnh của dòng chảy năm có thể tăng gấp đôi so với giai đoạn tính toán chuẩn ban đầu.
Tác động của biến đổi khí hậu đối với dòng chảy tƣơng tự trong các mùa khác nhau, mặc dù khác về cƣờng độ. Tác động lớn nhất vào các tháng mùa lũ, và nhỏ hơn vào các tháng mùa khô.
68
4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÕNG CHẢY TRÊN LƢU VỰC TRÊN LƢU VỰC
4.3.1 Kịch bản 1
Tác động của thay đổi thảm phủ đối với dòng chảy và lƣu lƣợng ra của lƣu vực đƣợc lấy từ kết quả so sánh giữa chạy với bản đồ sử dụng đất đã xây dựng với điều kiện khí hậu giữ nguyên và kết quả của thời đoạn từ 1978 đến 2006 với sử
dụng bản đồ thảm phủ năm 2000 (tính toán điều kiện).
Sự thay đổi dòng chảy tính toán với kịch bản sử dụng đất so với hiện trạng sử dụng đất năm 2000 mô tả tác động của thay đổi thảm phủ đối với dòng chảy của lƣu vực. Kết quả biến đổi của dòng chảy đƣợc thể hiện trong bảng 21.
Bảng 21. Thay đổi dòng chảy theo mùa theo kịch bản 1.
Thay đổi dòng chảy năm (%)
Thay đổi dòng chảy theo tháng (%)
Tháng 12 đến 3 Tháng 4 - 6 Tháng 7 Tháng 8 đến 11 + 4.11 + 22.6 -23.07 + 4.68 -19.64
Biến đổi lớp phủ theo kịch bản này làm tăng dòng chảy kiệt và dòng chảy lũ giảm mạnh. Sự giảm dòng chảy do thay đổi thảm phủ diễn ra mạnh nhất vào tháng 4 và tháng 9, mức độ giảm nhẹ hơn ở các tháng 5, 6, 8, 10, 11.
Có sự tăng khá mạnh của dòng chảy mùa kiệt từ tháng 12 đến tháng 2 và thay đổi không đáng kể vào tháng 3, 7.
69
Những thay đổi này trong dòng chảy năm và theo mùa chỉ ra những tác động của thay đổi sử dụng đất đối với biến đổi dòng chảy mặt trên lƣu vực. Kết quả cho ta thấy đƣợc khả năng điều tiết của thảm thực vật. Với xu hƣớng phát triển theo kịch bản vừa đáp ứng đƣợc yêu cầu về kinh tế, vừa thỏa mãn yêu cầu môi trƣờng sinh thái, khả năng điều tiết của lƣu vực lớn, hạn chế đƣợc dòng chảy lũ, đồng thời tăng dòng chảy kiệt.
4.3.2 Kịch bản 2
Hình 18. Dao động dòng chảy năm tƣơng ứng với kịch bản diện tích rừng bị thành đồng cỏ
Theo kết quả tính toán kịch bản này, với sự thay đổi thảm phủ theo kịch bản 2 - một phần đất rừng chuyển thành đất cỏ, hầu nhƣ không làm thay đổi dòng chảy năm, kết quả chỉ thay đổi rất nhỏ, nhƣng vẫn có xu hƣớng tăng. Xu hƣớng thay đổi nhƣ thế này gắn với cỏ tiêu thụ ít nƣớc hơn các loại cây trồng khác.
Trung bình 30 năm dòng chảy chỉ thay đổi 1.94% với tăng lớn nhất là 9.3%, giảm nhiều nhất là 4.78%. Nhƣng phần lớn các năm có xu hƣớng tăng, chỉ có 4 năm trong 30 năm là có xu hƣớng giảm.
Kết quả cho thấy sự tăng lên dòng chảy vào thời kỳ kiệt từ tháng 1 đến tháng 3, 6,7 11,12. Dòng chảy tăng vào thời đoạn tháng 4, 5 và giai đoạn từ tháng 8 đến tháng 10. Dòng chảy tăng vào mùa kiệt là do dòng chảy bên tăng, giảm lƣợng bốc thoát hơi bề mặt và tăng tổn thất nƣớc.
70
Hình 19. Thay đổi dòng chảy theo mùa khi thay đổi thảm phủ 4.3.3 Kịch bản 3
Rừng bị phá, dòng chảy năm tăng không đáng kể, dòng chảy tăng lớn nhất vào mùa lũ, đặc biệt giảm rất mạnh vào tháng 2 (Hình 21). Sự thay đổi này là do dòng chảy mặt tăng, dòng nhập lƣu nhỏ, dòng chảy bên giảm vì thiếu độ ẩm đất.
71
Hình 21. Thay đổi dòng chảy tháng so với tính toán điều kiện
4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÕNG CHẢY LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÕNG CHẢY
Kiểm tra tác động đối với dòng chảy từ thay đổi tổng hợp của biến đổi khí hậu và thảm thực vật. Để đánh giá tác động này, khóa luận đã kết hợp vào mô hình với những thay đổi khác nhau cả về khí hậu và thảm thực vật.
Vì điều kiện khí hậu và thảm phủ đƣợc chỉ ra độc lập đối với dòng chảy, tác động đầy đủ qua lại giữa thảm phủ và biến đổi khí hậu đối với dòng chảy là không thể thể hiện đƣợc trong mô hình này. Tuy nhiên việc so sánh sự khác biệt giữa các kịch bản này với thời đoạn chuẩn và sự khác biệt với 2 nhóm trƣớc có thể dẫn đến tác động đối với dòng chảy từ những thay đổi kết hợp.
Hình 21. Thay đổi dòng chảy năm tƣơng ứng với kết hợp điều kiện khí hậu khác nhau với bản đồ sử dụng đất theo kịch bản 1.
72
Mỗi nhóm chỉ ra sự thay đổi lƣu lƣợng cùng một kịch bản sử dụng đất nhƣng thay đổi kịch bản biến đổi khí hậu. Trong mỗi nhóm, lƣu lƣợng năm từ 2 kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau đƣợc chỉ ra.
Từ hình ta đã tìm thấy sự khác biệt lớn trong dòng chảy lƣu vực giữa các nhóm Bảng thể hiện dòng chảy dòng chảy lƣu vực với các trƣờng hợp.
So sánh với các kịch bản đơn (chỉ thay đổi một yếu tố) chỉ ra tác động của kịch bản kết hợp làm tăng dòng chảy lƣu vực trong kịch bản A1FI, chi tiết xem bảng 22. Tăng 7,1% và 6% tƣơng ứng với 2 giai đoạn so với kịch bản A1FI. Nhƣng đối với kịch bản B2 có sự khác biệt, khi kết hợp với kịch bản thảm phủ thì dòng chảy năm của nó giảm khá lớn 9.8%.
Bảng 22. Thay đổi dòng chảy năm giữa kịch bản kết hợp so với kịch bản đơn (m3/s)
A1FI_1 A1FI_1 đơn A1FI_2 A1FI_2 đơn B2 kết hợp B2
23.23 21.68843 26.18 24.70103 21.63 24