Dựa vào phương hướng phát triển kinh tế, đất nông nghiệp tăng chủ yếu do khai thác quỹ đất chưa sử dụng đưa vào sản xuất cây hàng năm và cây lâu năm, trồng và khoanh nuôi phục hồi rừng, kịch bản 1 được xây dựng với sự thay đổi diện tích từng loại thực vật với phân bố theo không gian như hình 3.5.
Phân bố loại cây trồng theo không gian trong kịch bản này dựa trên đặc tính của đất, địa hình và loại hình sử dụng đất như sau:
Nhóm đất phù sa địa hình bằng và thấp: thích hợp trồng lúa hoặc luân canh với cây trồng ngắn ngày.
Đất glay sử dụng trồng lúa nước.
Đất xám feralit ở địa hình có các cấp độ khác nhau. Đất có độ dốc thấp thích hợp trồng cây lương thực ngắn ngày. Đất có độ dốc trung bình thích hợp với
55
cây công nghiệp lâu năm và cây ăn quả. Đối với đất có độ dốc cao chủ yếu cho cây rừng hoặc nông lâm kết hợp.
Nhóm đất đỏ ưu thế trồng cây lâu năm, đặc biệt là đất đỏ bazan cần ưu tiên trồng các loại cây công nghiệp dài ngày
Xây dựng bản đồ sử dụng đất
Trên cơ sở đã nêu ở trên, kết hợp bản đồ địa hình, bản đồ đất và bản đồ sử dụng đất năm 2000. Xây dựng bản đồ sử dụng đất dựa vào phần mềm Mapinfo. Cụ thể: Diện tích đất xám feralit ở độ cao thấp trồng rau màu và cây công nghiệp ngắn ngày. Đối với độ cao trung bình dưới 100m, chuyển thành đất trồng cây công nghiệp. Vùng núi cao chuyển thành đất trồng rừng. Vùng đất glay chuyển thành vựa lúa. Phân bố sử dụng đất theo không gian và tỉ lệ thay đổi diện tích như hình 3.5.
Hình 3.5. Thay đổi diện tích sử dụng đất của kịch bản 1 so với bản đồ năm 2000 3.3.2. Kịch bản 2.
Sự thay đổi sử dụng đất cực đoan được giả thiết trong kịch bản 2 (Bảng 16). Trường hợp này có thể hỗ trợ trong việc đánh giá tài nguyên nước lưu vực trong các điều kiện sử dụng đất cực đoan đó.
3.3.3. Kịch bản 3.
Kịch bản này đưa ra sự thay đổi sử dụng đất theo chiều hướng tốt nhất để có thể hiểu được những tác động tích cực, và khả năng của nó đối với việc làm hạn chế các tác động không mong muốn (Bảng 3.1).
Bảng 3.1. Các kịch bản biến đổi sử dụng đất
Kịch bản 1 Đất đồng cỏ chuyển sang đất trồng rừng, một phần chuyển thành đất nông nghiệp, đất trồng cây công nghiệp lâu năm
Kịch bản 2 Toàn bộ đất trong lưu vực bị hoang mạc hóa
Kịch bản 3 Toàn bộ diện tích cây bụi và cỏ trong vùng được phục hồi thành đất trồng rừng 0% 50% 100% ban đầu kịch bản 11,6 30,5 26,3 30,1 5,8 10,8 41,1 4,4 12,8 21,7 rau màu và CN ngắn ngày lúa công nghiệp
56
3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU
3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu
Dựa vào các đặc điểm về tình hình phát triển kinh tế, dân số, mức độ quan tâm đến môi trường của tỉnh Quảng Trị nói chung và của lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng, luận văn này đã lựa chọn 2 kịch bản để đánh giá mức độ tác động của biến đổi khí hậu đối với dòng chảy là: kịch bản phát thải cao (A2) và kịch bản phát thải trung bình (B2) từ báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” của Bộ Tài Nguyên và Môi trường (2012). Đây là các kịch bản chú trọng đến các giải pháp cục bộ cho vấn đề bền vững về mặt môi trường, kinh tế và xã hội. Trong đó kịch bản B2 mô phỏng dân số toàn cầu vẫn tiếp tục gia tăng nhưng ở mức độ thấp hơn so với kịch bản A2, phát triển kinh tế ở mức cơ bản cùng với sự thay đổi của khoa học kỹ thuật ở mức vừa phải. Kịch bản A2 dựa trên mức độ tăng cao của dân số toàn cầu và sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật. [1, 2]
Chi tiết hóa các kịch bản toàn cầu từ mô hình GCM cho khu vực nghiên cứu, nhưng với khuôn khổ của một luận văn việc tìm hiểu và chi tiết hóa không thể thực hiện vì yêu cầu về khối lượng dữ liệu và thời gian tính toán kéo dài đến vài tháng. Vì thế trong luận văn này sử dụng kết quả đã chi tiết hóa từ báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” của Bộ Tài Nguyên và Môi trường (2012) làm đầu vào kịch bản biến đổi khí hậu cho lưu vực sông Thạch Hãn.
Cụ thể trong kịch bản B2 và A2 mưa và nhiệt độ biến đổi theo thời gian như bảng sau:
Bảng 3.2. Gia tăng nhiệt độ theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2)
Kịch bản Thời đoạn 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 A2 XII - II 0.6 0.9 1.2 1.6 1.8 2.2 2.7 3.2 3.7 III - V 0.8 1.0 1.3 1.9 2.1 2.5 3.0 3.5 4.1 VI - VIII 0.5 0.7 1.0 1.3 1.6 2.0 2.5 2.9 3.3 IX - XI 0.6 0.8 1.1 1.4 1.7 2.1 2.5 2.9 3.4 B2 XII - II 0.6 0.9 1.3 1.6 2.0 2.3 2.6 2.9 3.1 III - V 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.5 2.8 3.1 3.4 VI - VIII 0.6 0.9 1.3 1.7 2.0 2.4 2.7 2.9 3.2 IX - XI 0.6 0.9 1.3 1.7 2.1 2.4 2.7 3.0 3.2
57
Bảng 3.3. Biến đổi % lượng mưa theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2)
Kịch bản đoạn Thời 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100 A2 XII - II 0.6 0.9 1.1 1.5 1.9 2.4 2.8 3.4 3.8 III - V -2.1 -2.9 -3.5 -4.9 -6.2 -7.7 -9.2 -10.9 -12.6 VI - VIII 3.0 4.6 5.6 7.3 9.1 11.3 13.6 15.9 18.5 IX - XI 1.5 2.5 3.3 4.3 5.4 6.5 7.9 9.4 10.8 B2 XII - II 0.7 1.0 1.4 1.8 2.2 2.5 2.9 3.2 3.5 III - V -2.3 -3.4 -4.8 -6.2 -7.5 -8.8 -9.9 -10.9 -11.8 VI - VIII 2.7 4.0 5.6 7.2 8.9 10.3 11.5 12.7 13.8 IX - XI 2.1 3.2 4.4 5.7 6.9 8.1 9.1 10.0 10.9
3.4.2 Lựa chọn kịch bản thay đổi mặt đệm
Tiến hành đánh giá tác động của thay đổi thảm phủ theo cả 3 kịch bản, với những xu hướng cực đoan hay tốt nhất để thấy rõ tác động của thay đổi sử dụng đất đối với dòng chảy.
3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất
Những thay đổi dù là nhỏ nhất, khi tác động những điều kiện cực đoan hoặc tốt nhất sẽ làm cho sự biến đổi đó diễn ra mạnh hơn, điều này sẽ giúp chúng ta có cái nhìn chính xác hơn trong các vấn đề. Chính vì thế khóa luận đã lựa chọn kết hợp các kịch bản biến đổi khí hậu với điều kiện thảm phủ theo kịch bản 3.
58
CHƯƠNG 4
ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN ĐÃ LỰA CHỌN
4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN SÔNG THẠCH HÃN
4.1.1 Số liệu đầu vào
Số liệu đầu vào mô hình bao gồm số liệu không gian và số liệu thuộc tính. Các bản đồ được dùng để tính toán bao gồm:
Bản đồ DEM lưu vực sông Thạch Hãn.
Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn: trong tính toán sẽ sử dụng bản đồ sử dụng đất năm 2000 của tỉnh Quảng Trị.
Bản đồ thảm phủ thực vật lưu vực sông Thạch Hãn: trong tính toán sẽ sử dụng bản đồ lớp phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị.
Bản đồ mạng lưới sông suối .
Bản đồ hệ thống lưới trạm đo khí tượng, thuỷ văn . Các số liệu thuộc tính bao gồm:
Vị trí địa lý các trạm đo trên lưu vực
Số liệu khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí tối cao và nhiệt độ không khí tối thấp.
Số liệu thuỷ văn bao gồm lượng mưa trung bình ngày và lưu lượng trung bình ngày.
Số liệu khí tượng và thủy văn lấy từ trung tâm tư liệu quốc gia cho các trạm đo trong và xung quanh khu vực nghiên cứu.
Bản đồ địa hình được đưa vào dưới dạng DEM, còn bản đồ sử dụng đất và loại đất được đưa vào mô hình dưới dạng shape file.
4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn
Để tính toán được mô hình cần có đầy đủ các dữ liệu vào của mô hình đã nêu ở trên. Sau khi nhập vào số liệu bản đồ độ cao số hóa DEM, DEM được sử dụng để phác họa các đặc điểm địa hình của lưu vực và xác định các thông số thủy
59
văn của lưu vực như là: độ dốc lưu vực, tích lũy dòng chảy, hướng dòng chảy, mạng lưới sông.
Mô hình SWAT, giao diện ArcView được sử dụng để phác họa lưu vực. Để thể hiện được tính không đồng nhất về tính chất vật lý, bản đồ DEM của lưu vực sông Thạch Hãn (sau khi kết hợp với bản đồ hệ thống sông suối) được phân chia thành 04 lưu vực cơ sở và mỗi lưu vực cơ sở được coi như là một đơn vị thủy văn mà có sự đồng nhất về sử dụng đất, loại đất, và chế độ quản lý (Hình 4.1).
Hình 4.1. Lưu vực sông Thạch Hãn được chia thành 04 lưu vực cơ sở
Sau khi tính toán các tham số của lưu vực con, tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị để tính toán phần trăm từng diện tích sử dụng đất và phần trăm từng loại đất trên các lưu vực con đó (Hình 4.2). Đặc tính thổ nhưỡng bao gồm thành phần, độ dày mỗi lớp, độ dẫn thấm thủy lực được nhận diện ở các mẫu được tập hợp ở các lớp khác nhau. [26]
Tiếp theo, nhập các số liệu về khí tượng, thủy văn, cài đặt khoảng thời gian tính toán (thời gian bắt đầu và kết thúc), lựa chọn phương pháp tính bốc hơi, phương pháp diễn toán, bước thời gian tính toán....
Sau khi có đầy đủ các thông tin trên, tiến hành chạy chương trình. Nếu kết quả giữa tính toán và thực đo chưa phù hợp, tiến hành hiệu chỉnh.
60
Hình 4.2. Tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị
Tuy nhiên, vì tỉnh Quảng Trị chỉ có trạm thủy văn Gia Vòng đo lưu lượng dòng chảy của cửa ra cho lưu vực sông Bến Hải mà không có số liệu thực đo của của ra cho lưu vực sông Thạch Hãn, nên áp dụng lý thuyết lưu vực tương tự, trong luận văn này sẽ sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh của lưu vực sông Bến Hải để tính toán cho lưu vực sông Thạch Hãn. Bộ thông số này được xác định bằng cách áp dụng mô hình SWAT tính toán cho các dữ liệu đầu vào của lưu vực sông Bến Hải: các bản đồ lưu vực, bản đồ DEM, bản đồ sử dụng đất, bản đồ thảm phủ thực vật, bản đồ hệ thống sông suối, hệ thống trạm đo khí tượng – thủy văn và các số liệu khí tượng – thủy văn tương ứng với lưu vực sông Bến Hải. Kết quả tính toán sẽ được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu dòng chảy thực đo tại trạm Gia Vòng.
4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình
Số liệu lưu lượng 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 tư liệu quốc gia được đo ở trạm Gia Vòng cửa ra của lưu vực sông Bến Hải. Bộ số liệu này được phân chia thành 2 giai đoạn 1978-1997 và 1998-2006 hiệu chỉnh và kiểm định tương ứng.
61
Các thông số hiệu chỉnh mô hình được xác định theo phương pháp dò tìm thông số Rosenbrok. Các thông số được 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 được thống kê trong bảng 4.1. Đường quá trình tính toán và thực đo tại tại trạm thuỷ văn Gia Vòng, và quan hệ tương quan giữa chúng được thể hiện trong hình 4.3, hình 4.4 tương ứng.
Bảng 4.1. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Thạch Hãn
Thông số Nhóm thông số Quá trình hình thành dòng chảy mặt Dòng chảy
ngầm trong kênh Diễn toán CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II 63.5
SOL_AWC: Khả năng trữ nước của đất 0.21
OV_N: Hệ số nhám Manning cho dòng chảy mặt
2.6
CH_K(1): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn 0.18
CH_N(1): Hệ số nhám kênh dẫn (mm/giờ) 0.013
SURLAG: Hệ số trễ dòng chảy mặt 0.5
ALPHA_BF: Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm 0.06
CH_N(2): Hệ số nhám của kênh chính 0.005
CH_K(2): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/giờ)
62
Hình 4.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng
Hình 4.4. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng
Nhận xét
Từ kết quả tính toán được thể hiện trong hình 4.3 cho thấy dạng đường quá trình dòng chảy tính toán và thực đo có sự phù hợp tương đối tốt. Nói chung mô hình có khả năng mô phỏng được biến động theo thời gian của dòng chảy ngày nhưng đối với các đỉnh lũ thì mức độ chính xác chưa cao.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 11/14/1984 8/11/1987 5/7/1990 1/31/1993 10/28/1995 7/24/1998 Q ( m 3/s) t (ngày)
Q thuc do Q tinh toan
y = 0,7415x - 2,4481 R² = 0,7135 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Q tín h to án (m 3 /s) Q thực đo (m3/s)
63
Kết quả tính toán giữa lưu lượng thực đo và lưu lượng tính toán cho hệ số tương quan theo chỉ tiêu của Nash là F2
= 0.713.
4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình
Từ các thông số đã được hiệu chỉnh ở phần trên tiến hành kiểm nghiệm bộ thông số mô hình. Chuỗi thời gian được sử dụng để kiểm nghiệm mô hình là quá trình lưu lượng tháng thực đo từ 1/1/1998 đến 31/12/2006 tại trạm Gia Vòng. Kết quả kiểm định của mô hình được thể hiện trong hình 4.5.
Hình 4.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ vănGia Vòng
Nhận xét
Kết quả kiểm nghiệm mô hình cho thấy hệ số tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo theo chỉ tiêu của Nash là F2
= 0.73, đạt kết quả khá tốt.
4.1.5 Nhận xét chung
Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình cho lưu vực sông Bến Hải với vị trí kiểm định được lấy từ lưu lượng thực đo tại trạm Gia Vòng. Kết quả xác định bộ thông số của mô hình như đã trình bày trong bảng 4.1. Bộ thông số này đã được kiểm định và được đánh giá khá. Kết quả đánh giá sai số lưu lượng tính toán và thực đo theo chỉ số Nash đều đạt trên 0.7.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 3/11/97 7/24/98 12/6/99 4/19/01 9/1/02 1/14/04 5/28/05 10/10/06 2/22/08 Q ( m 3/s) t (ngày) Q thuc do Q tinh
64
Từ đây, luận văn sẽ sử dụng bộ thông số trong bảng 4.1 đã được kiểm nghiệm để áp dụng tính toán cho lưu vực sông Thạch Hãn với các kịch bản đã lựa chọn.
4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY Giai đoạn 1980-1999 là mốc bắt đầu xuất hiện những biến đổi một cách rõ Giai đoạn 1980-1999 là mốc bắt đầu xuất hiện những biến đổi một cách rõ rệt về khí hậu, là thập kỷ nóng nhất trong thiên niên kỷ qua, nên nó được chọn làm