CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU
3.2. TIẾN HÀNH CHẠY MƠ HÌNH SWAT VÀ KẾT QUẢ
3.2.1. Các bước tiến hành chạy mơ hình SWAT
Bước 1:
- Khởi động ArcMap, tạo tài liệu trống (Blank Map)
- Trên thanh menu, chọn Customize/Extensions.
- Chọn các phần mở rộng sau:
• SWAT Project Manager,
• SWAT Watershed delineator,
• SWAT HRU Delineator,
• Spatial Analyst
Bước 2:
- Click Customize/Toolbars, chọn ArcSWAT để mở giao diện ArcSWAT.
3.2.1.1. Nhập dữ liệu địa hình DEM, phân định lưu vực Bước 1: Thêm dữ liệu DEM
51
Bản đồ DEM khu vực nghiên cứu sau khi xử lý sẽ được nhập vào mơ hình SWAT, xác định đơn vị (Z-units bằng meter), dữ liệu về vị trí trạm thủy văn trong lưu vực cũng được nhập vào SWAT để tiến hành xác định ranh giới.
Bước 2: Mở chức năng phân chia lưu vực (Watershed Delineation)
Hình 3.10. Chức năng phân chia lưu vực
• Click biểu tượng kiểm tra thơng tin thuộc tính của DEM (đơn vị đo, kích thước, diện tích pixel, hệ tọa độ).
52 • Khai báo đơn vị đo độ cao (Z-Unit) là mét cho DEM.
• Hướng dịng chảy và khả năng tích tụ dịng chảy (Flow Direction and Accumulation) sẽ được tính tốn sau khi click . Định nghĩa sông bao gồm cả mạng lưới sông và của đổ nước ra của tiểu lưu vực.
• Click vào , khi đó chương trình sẽ tự động tạo một hệ thống bao gồm mạng lưới các sông và cửa đổ nước ra của tiểu lưu vực.
Kết thúc bước này sẽ tạo ra mạng lưới sông suối với các điểm liên kết được sử dụng để định nghĩa cửa xả sau này.
Hình 3.11. Bản đồ ranh giới, tiểu lưu vực sông Bung
Bước 3: Chọn cửa xả của lưu vực (Watershed Outlet(s) Selection and Definition)
Cửa xả của tiểu lưu vực là điểm thốt nước cuối cùng của tiểu lưu vực đó. Nó có thể là điểm xả nước của đập thủy điện hoặc trạm quan trắc thủy văn.
• Click biểu tượng để tiến hành chọn cửa xả lưu vực.
• Giữ chuột trái, kéo hình chữ nhật bao phủ cửa xả lưu vực.
53 • Click biểu tượng để phân chia lưu vực thành các tiểu vực.
Hình 3.12. Cửa xả đã chọn
54
3.2.1.2. Phân tích đơn vị thủy văn
Bước 1: Thêm dữ liệu sử dụng đất, thổ nhưỡng
Dữ liệu sử dụng đất, loại đất và độ dốc sau khi nhập vào SWAT sẽ được phân loại lại theo từng tiểu lưu vực và chồng ghép cho ra dữ liệu chung của toàn lưu vực theo các HRUs.
Đối với dữ liệu đất và sử dụng đất, SWAT tiến hành kết nối dữ liệu bản đồ với dữ liệu đất, sử dụng đất của khu vực nghiên cứu (file định dạng *.txt).
Bước 2: Định nghĩa lớp sử dụng đất/thổ nhưỡng/độ dốc (Land Use/Soils/Slope Definition)
Sau khi chồng ghép, chọn Dominant HRUs, ưu thế về giới hạn % diện tích đối với mỗi loại hình sử dụng đất/đất/độ dốc trên diện tích mỗi tiểu lưu vực để xác định độ chi tiết của lưu vực khi hiển thị. Sự chuyển đổi này căn cứ vào tên loại đất, tính chất đất.
• Click HRU Analysis, chọn Land Use/Soils/Slope Definition.
55
Hình 3.15. Kết quả dữ liệu Land Use Data
56
Hình 3.17. Kết quả Soil Data
57
Hình 3.19. Kết quả bản đồ dữ liệu Slope 3.2.1.3. Nhập dữ liệu khí tượng
Dữ liệu thời tiết bao gồm: lượng mưa theo ngày (rainfall), nhiệt độ (temperature), trạm khí tượng tổng quát (weather simulation)... Chọn mục “Custom Database” đối với dữ liệu thời tiết do người dùng thiết lập, tiếp tục đối với các cửa sổ còn lại và nhấn OK. Các dữ liệu thời tiết đã được cập nhật vào trong SWAT.
58
3.2.1.4. Tiến hành chạy mơ hình SWAT
Dữ liệu thu thập được cho mơ hình SWAT mơ phỏng trong giai đoạn 2000-2014. Dữ liệu đầu ra được ghi theo ngày (Daily) và theo tháng (Monthly). Sau khi đã chạy thành cơng mơ hình thì cần phải lưu trữ kết quả kịch bản lại, để tổng hợp thống kê.
59
Hình 3.22. Bắt đầu chạy SWAT
3.2.2. Kết quả đầu ra của mơ hình SWAT
Kết quả thu được sau khi chạy hồn tất mơ hình SWAT được dung để phân tích sự thay đổi giữa lớp dịng chảy tại lưu vực sơng Bung. Đồng thời chúng ta có thể phân tích những kết quả liên quan đên công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước trên lưu vực.
60
Hình 3.23. Hộp thoại mơ phỏng các kết quả của mơ hình SWAT
61
Hình 3.25. Mơ phỏng tóm tắt giá trị sử dụng đất
62
Hình 3.27. Tương quan giữa xói mịn đất trên lưu vực sông
3.2.3. Đánh giá - kiểm định mơ hình
Để đánh giá mơ hình, đề tài sử dụng SWAT Plot. Người sử dụng có thể trích xuất dữ liệu đầu ra theo đối tượng sông suối (reach), tiểu lưu vực (subbasin), HRU, ao, hồ chứa trong cùng kịch bản hay khác kịch bản chạy SWAT. Ngồi ra, nó cũng hỗ trợ tích hợp dữ liệu quan trắc nhằm đánh giá mơ hình. Kết quả trích xuất dữ liệu từ SWAT Plot cho ra định dạng tập tin *.csv.
SWAT Graph được thiết kế để hiển thị trực quan dữ liệu lấy từ SWAT Plot dưới dạng đồ thị.
Mơ hình sử dụng hai chỉ tiêu kiểm định kết quả là R2 và NSI:
• Giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, hệ số xác định (R2) (P. Krause et al., 2005).
𝑹𝟐 = ( ∑𝒏 (𝑶𝒊 − 𝑶̅)×(𝑷𝒊 − 𝑷̅) 𝒊=𝟏 √∑𝒏 (𝑶𝒊 − 𝑶̅)𝟐 𝒊=𝟏 √∑𝒏 (𝑷𝒊 − 𝑷̅)𝟐 𝒊=𝟏 ) 𝟐
63
Giá trị R2 nằm trong khoảng từ 0 - 1, thể hiện mối tương quan giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng.
Bảng 2.12. Mức độ mơ phỏng của mơ hình tương ứng chỉ số R2
R2 0.9 - 1 0.7 – 0.9 0.5 - 0.7 0.3 – 0.5
Mức độ mô phỏng Tốt Khá Trung bình Kém
Chỉ số Nash - Sutcliffe (NSI) (Nash, J.E. and J.V. Sutcliffe, 1970) cũng được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của mơ hình SWAT bằng cách so sánh hai q trình dịng chảy thực đo và tính tốn. 𝑵𝑺𝑰 = 𝟏 −∑𝒏𝒊=𝟏(𝑶𝒊 − 𝑷𝒊)𝟐 ∑𝒏 (𝑶𝒊 − 𝑶̅)𝟐 𝒊=𝟏 Trong đó: O: giá trị thực đo (m3/s);
: giá trị thực đo trung bình (m3/s); : giá trị mô phỏng (m3/s);
n : số lượng giá trị tính tốn.
Chỉ số NSI chạy từ -∞ đến 1, đo lường sự phù hợp giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng trên đường thẳng 1:1.
Nếu R2, NSI nhỏ hơn hoặc gần bằng 0, khi đó kết quả được xem là khơng thể chấp nhận hoặc độ tin cậy kém. Ngược lại, nếu những giá trị này bằng 1 thì kết quả mơ phỏng của mơ hình là hồn hảo.
64
Hình 3.28. SWAT Graph hiển thị kết quả trích xuất dưới dạng đồ thị
Hình 3.29. SWAT Graph hiển thị kết quả so sánh hệ số tương quan R2
Qua hai trên ta có độ lệch kết quả mơ hình 2000 là R2 = 0.740, mơ hình của 2015 R2 = 0.741. Vậy giá trị trung bình của R2= 0.7405. Gía trị trung bình nằm trong khoảng 0.7 – 0.9, mức độ mơ phỏng của mơ hình được Khá.
65
3.3. PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI LỚP DÒNG CHẢY MẶT LƯU VỰC SƠNG BUNG
Sơng Bung được phân làm 13 tiểu lưu vực trên tổng diện tích 98058.7 ha. Lưu vực 13 nằm trên 2 địa xã Đắc Prê và Đắc Pring có diện tích lớn nhất 19034 ha chiếm 10.94% tổng diện tích lưu vực. Lưu vực số 3 có diện tích 3729.1 ha chiếm 3.80% tổng diện tích nằm trên địa phận xã Ta Po.
Bảng 3.1. Bảng thống kê diện tích các tiểu lưu vực trong Sơng Bung
TIỂU LƯU VỰC DIỆN TÍCH (ha) DIỆN TÍCH (%)
1 4650.8 4.74 2 5850.3 5.97 3 3729.1 3.80 4 4345.3 4.43 5 4873.6 4.97 6 7821.7 7.98 7 7369.9 7.52 8 4530.7 4.62 9 8328.7 8.49 10 9240.8 9.42 11 7556.8 7.71 12 10727 10.94 13 19034 19.41 Tổng Cộng 98058.7 100.00
66
67
3.3.1. Mô phỏng diễn biến lớp dòng chảy mặt từ 2000 – 2015
3.3.1.1. Theo kịch bản 1 dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000
a. Mô phỏng theo thời gian 2000 - 2015
Bảng 3.2. Thống kê giá trị lớp dòng chảy mặt từ năm 2000 – 2015 trên lưu vực
(đơn vị mm)
Dựa trên số liệu bảng 3.2 có thể thấy rằng giá trị lớn nhất lớp dịng chảy mặt cao nhất vào các năm 2007, 2008, 2011 và 2013 dao động trong khoảng 392mm xuống 318mm. Đặc biệt năm 2009 giá trị lớn nhất lớp dòng chảy mặt đạt đỉnh là 689.19 mm. Mức giá trị lớn nhất của lớp dòng chảy mặt khoảng thấp nhất được ghi nhận là 80.86mm vào năm 2006.
Bảng 3.3. Thống kê giá trị lớp dòng chảy mặt trong 12 tháng từ 2000-2015
68
Hình 3.31. Biểu đồ thể hiện giá trị lớp dòng chảy mặt trong 12 tháng từ 2000-2015
(đơn vị: mm)
Theo số liệu ghi nhận từ bảng 3.3 và biểu đồ hình 3.41 từ 2000 – 2015 giá trị lớp dịng chảy mặt qua 12 tháng của từng năm có sự chênh lệch nhất định. Số liệu sẽ lần lượt được thống kê tổng hợp và biểu diễn theo hai bảng phụ dưới đây.
Bảng 3.3.1. Biểu diễn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất lớp dòng chảy trong các tháng và
năm của tháng đó ( đơn vị : mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 mm
69
Bảng 3.3.2. Biểu diễn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất lớp dòng chảy mặt trong từng năm
và tháng của năm đó (đơn vị: mm)
b. Mô phỏng theo không gian (theo các tiểu lưu vực)
Bảng 3.4. Thống kê giá trị lớp dịng chảy của 13 tiểu lưu vực Sơng Bung từ 2000-
2015 (đơn vị: mm)
Dựa trên giá trị bảng số liệu 3.4 ta xây dựng được biểu đồ mô phỏng lớp dòng chảy mặt ở 13 tiểu lưu vực như sau
70
Hình 3.32. Biểu đồ thể hiện sự tương quan về giá trị lớp dòng chảy mặt của 13 tiểu
lưu vực từ năm 2000-2015 (đơn vị: mm)
Phỏng theo số liệu thống kê giá trị lớp dòng chảy mặt theo 13 tiểu lưu vực từ bản 3.4 và biểu đồ 3.32, ta có thể đưa ra nhận xét như sau: theo 2 bảng phụ 3.4.1 và bảng phụ 3.4.2. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 mm
71
Bảng 3.4.1. Tiểu Lưu vực có giá trị lớp dịng chảy mặt (đơn vị: mm) lớn nhất và nhỏ
nhất từ 2000- 2015 của sơng Bung.
Bảng 3.4.2. Năm có giá trị lớp dịng chảy mặt lớn nhất và nhỏ nhất (đơn vị: mm) của
13 tiểu lưu vực sông Bung từ 2000-2015.
Dựa trên số liệu tổng hợp được thành lập bản đồ thể hiện lớp dòng chảy mặt trong các giai đoạn 2000-2015 theo hiện trạng sử dụng đất 2000.
72
73
3.3.1.2. Theo kịch bản 2 dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2015
a. Mô phỏng theo thời gian 2000 - 2015
Bảng 3.5. Thông kê giá trị lớp dòng chảy mặt từ 2000 – 2015 trên lưu vực sông Bung
(đơn vị: mm)
Trên bảng số liệu 3.5 giá trị lớn nhất lớp dòng chảy mặt cao nhất vào các năm 2007, 2008, 2011 và 2013 dao động trong khoảng 428 mm trở xuống đến 340 mm. Ở năm 2009 giá trị lớn nhất lớp dòng chảy mặt lên 709.99 mm. Mức thấp của giá trị lớn nhất lớp dòng chảy mặt đạt được là 91.53 mm ghi nhận vào năm 2006.
74
Hình 3.34. Biểu đồ thể hiện giá trị lớp dòng chảy mặt trong 12 tháng từ 2000-2015
(đơn vị: mm)
Từ bảng 3.6 và biểu đồ hình 3.44 từ 2000-2015 giá trị lớp dòng chảy mặt của 12 tháng qua từng năm có sự tương quan. Tổng quát số liệu trên được nhận xét và biểu diễn qua hai bảng phụ dưới đây.
Bảng 3.6.1. Biểu diễn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất lớp dòng chảy trong các tháng và
năm của tháng đó (đơn vị: mm)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 mm
75
Bảng 3.6.2. Biểu diễn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất lớp dòng chảy mặt trong từng năm
và tháng của năm đó (đơn vị: mm)
b. Mô phỏng theo không gian (theo các tiểu lưu vực sông Bung)
Bảng 3.7. Thống kê giá trị lớp dịng chảy của 13 tiểu lưu vực sơng Bung từ 2000-2015
76
Biểu diễn số liệu bảng trên bằng biểu đồ mơ phỏng giá trị lớp dịng chảy mặt ở 13 tiểu lưu vực như sau
Hình 3.35. Biểu đồ thể hiện sự tương quan về giá trị lớp dòng chảy mặt của 13 tiểu
lưu vực từ 2000-2015 (đơn vị: mm)
Theo số liệu thống kê giá trị lớp dòng chảy mặt theo 13 tiểu lưu vực từ bảng 3.7 và biểu đồ hình 3.45, có thể đưa ra nhận xét sau: theo 2 bảng phụ 3.7.1 và 3.7.2
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 mm
77
Bảng 3.7.1. Tiểu lưu vực có giá trị lớp dịng chảy mặt (đơn vị: mm) lớn nhất và nhỏ
nhất từ 2000-2015 của sơng Bung
Bảng 3.7.2. Năm có giá trị lớp dịng chảy mặt lớn nhất và nhỏ nhất (đơn vị:mm) của
13 tiểu lưu vực sông Bung từ 2000-2015
Số liệu tổng hợp được dùng để thành lập bản đồ thể hiện lớp dòng chảy mặt trong các giai đoạn 2000-2015, theo hiện trạng sử dụng đất 2015 trên 13 tiểu lưu vực của sông Bung.
78
79
3.3.2. Phân tích sự thay đổi lớp dịng chảy mặt tại lưu vực sơng Bung do tác động của hoạt động phát triển kinh tế tại địa phương
Theo mơ hình SWAT mơ phỏng lớp dịng chảy mặt qua 13 tiểu lưu vực của sơng Bung với 2 kịch bản, kịch bản 1 (KB1) sử dụng bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000, kịch bản 2 (KB2) sử dụng bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2015. Hai kịch bản được xây dựng nên chỉ khác nhau ở dữ liệu hiện trạng sử dụng đất, còn lại các dữ liệu khác tất cả đều giống nhau bao gồm thổ nhưỡng, dữ liệu thời tiết và DEM. Sau khi chạy xong mơ hình SWAT mơ phỏng lớp dịng chảy mặt sẽ được đem ra so sánh và phân tích theo các kịch bản. Ta có thể sử dụng dữ liệu hiện trạng sử dụng đất ở năm 2000 kèm theo dữ liệu thời tiết giai đoạn 2000 - 2015, nhờ đó đánh giá sự thay đổi lớp dịng chảy mặt cũng như sự ảnh hưởng của lớp dòng chảy mặt đến khu vực nghiên cứu. Để phân tích được sự thay đổi lớp dịng chảy mặt tại lưu vực sơng Bung, ta bắt đầu tiến hành so sánh giá trị lớp dòng chảy mặt ở 2 thời điểm 2000 và 2015 theo hai kịch bản đã xây dựng khác nhau.
3.3.2.1. Sự thay đổi lớp dịng chảy mặt năm 2000 tại lưu vực sơng Bung
Dưới đây là bảng tổng hợp biến động lớp dòng chảy mặt trong 12 tháng dựa trên bản đồ hiện trạng năm 2000 theo hai kịch bản lớp dòng chảy.
Số liệu lớp dòng chảy mặt kịch bản 1 (SURQ_KB1) theo năm 2000 trích xuất từ bản đồ hiện trạng năm 2000. Số liệu lớp dòng chảy mặt kịch bản 2 (SURQ_KB2) theo năm 2000 trích xuất xử lý từ dữ liệu bản đồ hiện trạng năm 2015.
Bảng 3.8. Bảng biến động lớp dòng chảy mặt năm 2000 theo hai kịch bản
(Đơn vị: mm)
THÁNG SURQ_KB1 SURQ_KB2 BIẾN ĐỘNG
1 319.11 297.59 -21.52 2 102.32 93.70 -8.62 3 0.85 1.02 0.17 4 1274.78 1213.76 -61.02 5 2238.69 2153.36 -85.33 6 1182.57 1085.69 -96.88 7 478.52 434.75 -43.77 8 488.90 448.14 -40.76 9 378.71 345.45 -33.26 10 2302.28 2219.63 -82.65 11 1702.83 1645.89 -56.94 12 981.83 935.14 -46.69 TRUNG BÌNH 954.28 906.18 -48.10
80
Dựa trên bảng biến động lớp dòng chảy mặt trên có thể nhận ra rõ ràng sự tương