ựược xây dựng do các nhà khoa học nông nghiệp Mỹ xây dựng nhằm dự ựoán xói mòn và sự di chuyển các chất dinh dưỡng, hóa chất từ những lưu vực nông nghiệp. Mô hình sẽ chạy cho từng trận mưa ựơn lẻ. Lưu vực ựược chia ra thành những tiểu lưu vực và lưới ô vuông có kắch thước bằng nhaụ Mô hình bao gồm 3 mô hình con, ựó là:
Mô hình xói mòn dựa trên phương trình tắnh toán xói mòn mất ựất phổ dụng USLẸ
Mô hình nước dựa trên kỹ thuật thiết kế các ựường thủy toán (SCS) mà mỗi giá trị ựại diện cho một chế ựộ ựất, cây trồng, hệ số dẫn nước, hệ số dòng chảy khác nhaụ
Quá trình vận chuyển các chất dinh dưỡng ựất và hóa chất ựược mô hình hóa dựa trên các ựặc tắnh của ựất, lượng các chất bón vào ựất và khả năng vận chuyển của dòng chảỵ
Bản ựồ ựịa hình Bản ựồ ựất Bản ựồ hiện trạng Bản ựồ ựộ dốc Bản ựồ xói mòn Bản ựồ mưa Bản ựồ hệ số cây trồng Bản ựồ Vecter Bản ựồ Raster
Mô hình làm việc trên cơ sở hệ thống lưới ô vuông. Các ô vuông là những ô có diện tắch ựồng nhất bằng nhau ựể chia nhỏ một lưu vực. Sự phân chia này cho phép ta phân tắch mọi diện tắch trong lưu vực. Các hợp phần chắnh trong mô hình là phần thủy lực, xói mòn ựất, vận chuyển sediment và vận chuyển các chất dinh dưỡng cây trồng như ựạm, lân và các chất hóa học. Trong phần thủy lực mô hình tắnh toán chủ yếu là thể tắch dòng chảy mặt và dòng lũ, ựỉnh lũ. Tống số xói mòn trên ựất dốc, xói mòn rãnh ựược tắnh toán trên 5 nhóm cấp hạt là sét, thịt, hạt kết nhỏ, hạt kết lớn và cát. Vận chuyển sediment cũng ựược tắnh cho cả 5 cấp hạt cho từng ô vuông. Phần vận chuyển chất ô nhiễm ựược chia nhỏ thành một phần tắnh toán các chất ô nhiễm gắn liền với sediment.
Việc dự báo xói mòn ựất dốc ựược tắnh bằng phương trình USLE cải tiến cho từng trận mưa (Wischmeier and Smith 1978).
E=EI*Ks*Lf*Sf*Cf*Pf*SSF [tấn/acre] (3.70)
Trong ựó:
E: lượng ựất mất tấn/acre
EI: năng lượng của mưa (100 foot-ton inch/acre hour) Ks: hệ số xói mòn ựất (tấn-acre hr/hundred- acre foot-ton inches) Lf: hệ số chiều dài sườn dốc
Sf: hệ số ựộ dốc
Cf: hệ số quản lý cây trồng Pf: hệ số bảo vệ ựất
SSF: tắnh toán cho ựiều chỉnh bề mặt dốc lồi hoặc lõm.
Thể tắch dòng chảy mặt từ mỗi ô vuông ựược xác ựịnh bằng phương pháp ựường thủy toán của Cục Nông nghiệp và Bảo vệ ựất (1972). Phương trình tắnh toán như sau:
RF= 2 (RL - 0.2*S) RL + 0.8*S [inch] (3.71) Trong ựó: RF: thể tắch dòng chảy (inch) RL: lượng mưa inch, và
S: hệ số giữ nước inch, S = 1000
CN - 10, CN ựường cong thủy toán.
Phương trình cơ bản ựể dự báo xói hàm lượng ựạm và lân (Frere et al, 1980; trong mô hình CREAMS) trong dòng chảy là
ROỜ = C*EXKỜ2*RO*0.01 [ppm] (3.72) ROỜ: n hoặc P hàm lượng ựạm và lân trong dòng chảy
C: hàm lượng trung bình của phần chất lỏng của dinh dưỡng trong bề mặt ựất trong quá trình chảy
EXKỜ: hệ số công phá ựể chất ựó ựi vào dòng chảy RO: tổng lượng dòng chảy theo mm.
Hàm lượng ựạm hòa tan N ựược dự báo theo phương trình sau:
( XKFN1*EFI) ( XKFN1*EFI XKFN2*RO)
0.892*(CZERON CHECKN)*(e e ) RON RN*RO COEFF EFRAIN − − − − − = + [lbs/acre] (3.73) Trong ựó:
- RON: lượng ựạm hòa tan trong dòng chảy, pounds/acre - CZERON: hàm lượng ựạm dễ tiêu cây trồng trong ựất, kg/ha - CHECKN: lượng ựạm dễ tiêu cây trồng trong nước mưa, kg/ha - XKFN1: tốc ựộ di chuyển ổn ựịnh của ựạm trong phẫu diện ựất
- EFI: tổng lượng thấm sâu trong trận mưa, mm
- XKFN2: hằng số tốc ựộ di chuyển của ựạm trong phẫu diện ựất - RO: tổng dòng chảy của các trận mưa, mm
- COEFF: hệ số ựộ rỗng
- RN: n bổ sung từ nước mưa, kg/ha - EFRAIN: hiệu quả của mưa, mm
Phương trình dự báo lân hòa tan trong dòng chảy mặt là
( XKFP1*EFI) ( XKFP1*EFI XKFP2*RO)
0.892*(CZEROP CHECKP)*(e e ) ROP CHECKP*XKFP2*RO COEFF COEFF − − − − − = + lbs./acre] (3.74) Trong ựó:
ROP: lân hòa tan trong dòng chảy mặt, lbs./acre CZEROP: lân dễ tiêu từ tự nhiên và từ phân bón, kg/ha CHECKP: lân dễ tiêu trong ựất tại thời ựiểm ban ựầu, kg/ha XKFP1: hằng số tốc ựộ di chuyển lân trong phẫu diện ựất XKFP2: hằng số tốc ựộ di chuyển trong dòng chảy mặt
Trong trường hợp này không tắnh ựến ảnh hưởng của mưạ Trong trường hợp lượng lân trong nước mưa rất nhỏ thì có thể bỏ quạ
đạm dễ tiêu cây trồng trong ựất ựược tắnh toán theo lượng ựạm hữu cơ, phân ựạm và ựộ rỗng của ựất.
CZERON = (SOLN + FN(X)* FĂX))*COEFF [kg/ha] (3.75)
Lân hòa tan dễ tiêu trong ựất ựược tắnh toán như sau:
CZEROP = (SOLP + FP(X)*FĂX))*COEFF [kg/ha] (3.76)
Trong ựó:
SOLN (SOLP) là lượng ựạm và lân hòa tan trong centimet ựất mặt, kg/ha
FN(X): lượng phân ựạm bón cho ô thứ X, kg/ha FP(X): lượng lân bón cho ô thứ X, kg/ha
FĂX): phần của lượng bón này tồn tại trên lớp ựất mặt mỏng. Lượng ựạm hòa tan ban ựầu trên lớp ựất mặt mỏng ựược ước tắnh như sau:
SOLN = 0.10*CSN*POR (3.77a)
SOLP = 0.10*CSP*POR (3.77b)
Trong ựó:
CSN: hàm lượng ựạm trong nước khe hở của lớp ựất mỏng bề mặt, ppm
CSP: hàm lượng lân trong nước khe hở của lớp ựất mỏng bề mặt, ppm.
độ rỗng của ựất ựược xác ựịnh bởi POR = 1-Dungtrong
2.65 (Frere et al 1980) (3.78) Hệ số ựộ xốp CODEFF ựược giải bằng cách sử dụng phương trình COEFF = 0.00001/POR
Lượng ựạm dễ tiêu cây trồng cung cấp từ nguồn nước mưa ựược tắnh như sau:
CHECKN = RCN*10-6 [mg/l] (3.79)
Trong ựó: RCN là hàm lượng ựạm dễ tiêu trong nước mưa (0.8 mg/l) Lượng lân dễ tiêu trong ựất ban ựầu ựược tắnh là
CHECKP = SOLP*COEFF [kg/ha] (3.80)
Phương trình tắnh hằng số tốc ựộ di chuyển trong phẫu diện ựất của ựạm và lân ựược tắnh như sau
XKFN1 = EXKN1
10*POR [-] (3.81)
XKFP1 = EXKP1
10 * POR [-] (3.82) Trong ựó: EXKN1, EXKP1 là hệ số công phá ựối với sự di chuyển của ựạm và lân xuống phẫu diện ựất N, P
Hiệu quả của thấm sâu ựược mô tả như sau:
EFI = EFRAIN = RO [mm]
Trong ựó:
RO: tổng lượng dòng chảy mặt, mm
Hiệu quả của mưa: EFRAIN = R - (10*POR) [mm] Trong ựó: R: lượng mưa của 1 trận, mm
Hằng số tốc ựộ di chuyển của ựạm và lân hòa tan vào dòng chảy mặt là:
XKFN2 = EXKN2
10 * POR [-] (3.83)
XKFP2 = EXKP2
10 * POR [-](3.84)
Trong ựó: EXKN2, EXKP2: hệ số chiết ựạm và lân vào dòng chảy mặt.
Lượng ựạm ựược mưa cung cấp là:
RN = RCN*R*0.01 (3.85)
Phương pháp sử dụng cho ựường di chuyển của sediment liên quan ựến phương trình vận chuyển và lắng ựọng của sediment ựược Foster et al. (1981) và Lane (1982) mô tả. Phương trình này ựược phát triển từ phương trình dòng chảy liên tục ổn ựịnh.
Qs(x) = Qs(0) + Qs1 x Lr ∆ - x 0 D(x) ∫ *W*dx [lbs./s] (3.86) Trong ựó:
Qs(x): lưu lượng chảy sediment ở cuối nguồn của dòng kênh, lbs./s Qs(0): lưu lượng chảy sediment ở ựầu nguồn của dòng kênh, lbs./s Qs1: tốc ựộ dòng chảy ngang của sediment, lbs./s
X: khoảng cách ựến cuối nguồn, feet Lr: chiều dài ựạt ựược, feet
D(x): tốc ựộ lắng ựọng tại ựiểm x, lbs/s-ft2 W: chiều rộng, feet
Phương trình sử dụng cho việc xác ựịnh tốc ựộ dòng chảy cao nhất (Smith and Williams, 1980) và ựã ựược sử dụng trong SCREAMS 0.0166 0.7 0.159 (0.824*A ) Qp 8.84 * A= *Sc * RF ) * 0.187 2 Lc A* 43560 − [ft 3 /s] (3.87) Trong ựó: Qp: ựỉnh lũ, ft3/s A: diện tắch của vùng
Sc: ựộ dốc của kênh mương, ft/ft RF: thể tắch dòng chảy (inch) Lc: chiều dài của kênh, feet.
Ứng dụng GIS và phân tắch không gian, chúng ta có thể tạo nhiều bản ựồ chuyên ựề như ựịa hình, hướng dòng chảy, ựộ dốc, chiều dài sườn dốc, kiểu dốc, sông suối, sử dụng ựất và phân bón
ựể thông qua mô hình, các số liệu ựầu vào ựược nạp vào và mô hình tắnh toán, xử lý rồi xuất ra các loại bản ựồ xói mòn, ô nhiễm và cảnh báo sự mất ựi của các loại chất dinh dưỡng cây trồng.
Số liệu ựầu vào cho mô hình gồm 22 chỉ tiêu về ựặc tắnh, ựộ dốc, hướng dốc, ựặc tắnh lý hóa ựất, cây trồng và lượng các chất hóa học bón vào ựất của lưu vực, của từng ô ựơn vị, lượng mưa và kiểu mưạ
Hình 3.22: Mô hình AGNPS chạy kết hợp với phần mềm GIS mô phỏng các quá trình nước và di chuyển của hóa chất
Số liệu ựầu ra của mô hình gồm 13 chỉ tiêu về nước như tốc ựộ dòng chảy, ựỉnh lũ, tổng lượng dòng chảy, hàm lượng cặn, khối lượng ựất bị xói mòn. Tiếp theo là 11 chỉ tiêu về dinh dưỡng và hóa chất như lượng ựạm, lân, thuốc sâu mất ựi trong cặn ựất và trong nước chảy tràn bề mặt. Mô hình mô phỏng về không gian nên luôn cần sự hỗ trợ của các phần mềm GIS (vắ dụ hình 3.22) ựể tắnh toán các yếu tố ựịa hình và phân bố không gian của các ựơn vị ựất
ựaị Ngày nay mô hình ựược phát triển lên hiện ựại hơn với mô hình mới là Annual AGNPS, cơ bản dựa trên mô hình AGNPS kết hợp với phần mềm GIS AcrView.
Mô hình không những mô phỏng cho từng trận mưa ựơn lẻ mà còn mô phỏng theo năm có tắnh ựến các yếu tố cân bằng nước bao gồm: mưa, bốc thoát hơi nước, cây hút, chảy tràn và thấm sâụ Vì thế ựộng thái biến ựổi của ựộ ẩm ựất là yếu tố quan trọng ảnh hưởng ựến khả năng sinh dòng chảy cho mỗi trận mưa ựược tắnh toán một cách khoa học.
3.3.3. Mô hình xói mòn LISEM