TỔNG QUAN VỀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU

B. PHẦN NỘI DUNG

3.1. TỔNG QUAN VỀ DỮ LIỆU NGHIÊN CỨU VÀ QUY TRÌNH NGHIÊN CỨU

3.1.1. Tổng quan về dữ liệu nghiên cứu

Dữ liệu đầu vào của SWAT được sắp xếp theo từng cấp độ chi tiết: lưu vực, tiểu lưu vực hay đơn vị thủy văn. Những đối tượng đơn lẻ như: hồ, nguồn điểm có dữ liệu đặc trưng của đối tượng đó, và cũng nằm trong của lưu vực. Phương pháp được lựa chọn để mô hình hóa khả năng bốc hơi trực tiếp và gián tiếp sẽ ứng dụng trên tất cả các đơn vị thủy văn (HRU). Dữ liệu ở mức độ tiểu lưu vực là những số liệu giống nhau trên tất cả HRUs trong tiểu lưu vực đó nếu dữ liệu thuộc một quá trình được mô hình trong HRU. Tương tự với dữ liệu ở cấp HRUs.

42

3.1.1.1. Dữ liệu địa hình

Dữ liệu địa hình được thể hiện bằng bản đồ số mô hình độ cao (DEM – Digital Elevation Model) được trích xuất từ dữ liệu ASTER GDEM (ASTER Global Digital Elevation Model). Dữ liệu DEM của khu vực nghiên cứu nằm trên hai cảnh ảnh đó là N15E107 và N15E108.

• Giá trị độ cao ở dạng số nguyên hoặc số thực cho các giá trị cao.

• Đơn vị đo xác định độ phân giải GRID (X, Y) và độ cao (Z) có thể khác nhau. Ví dụ, độ phân giải GRID có thể là mét trong khi độ cao có thể là feet.

• Độ phân giải GRID được xác định theo một trong các đơn vị sau đây: meters, kilometers, feet, yards, miles, decimal degrees.

• Độ cao được xác định theo một trong các đơn vị sau đây: meters, centimeters, yards, feet, inches.

3.1.1.2. Dữ liệu sử dụng đất

Dữ liệu sử dụng đất trong mô hình SWAT rất quan trọng, thông thường sử dụng đất biến đổi theo thời gian và không cố định. Tùy thuộc vào kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội của địa phương hay vùng thì sử dụng đất lại khác nhau. Hình thức sử dụng đất trong SWAT được phân chia thành hai nhóm chính sau:

Thực vật và các hoạt động canh tác nông nghiệp của con người: đất rừng, đất trồng lúa, đất trồng hoa màu…

Bản đồ sử dụng đất/thảm phủ ở định dạng ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format Danh sách các loại hình sử dụng đất/thảm phủ cần phải được phân loại và biên tập theo cấu trúc dữ liệu đầu vào các loại cây trồng/thảm phủ theo quy định trong SWAT.

Phương pháp: Tạo bảng tra dưới định dạng ASCII (Text Document ) gán các loại hình sử dụng đất/thảm phủ trên bản đồ tương ứng với các loại cây trồng/thảm phủ chứa 4 ký tự mã hóa trong SWAT (có trong bảng crop/urban trong SWAT2012.mdb).

43

44

45

3.1.1.3. Dữ liệu thời tiết

Dữ liệu thời tiết cần thiết cho SWAT bao gồm lượng mưa ngày, nhiệt độ không khí trong ngày lớn nhất; nhỏ nhất, bức xạ Mặt Trời, tốc độ gió và độ ẩm tương đối. Trong đó các thông số lượng mưa hàng ngày, nhiệt độ không khí trong ngày lớn nhất; nhỏ nhất là yêu cầu bắt buộc, các thông số còn lại tùy vào điều kiện có thể có hay không. Những dữ liệu này có thể là dữ liệu thu được từ các trạm khí tượng hoặc dữ liệu mô phỏng. Dựa vào nguồn dữ liệu thu thập được từ VQHTLMN và dữ liệu khí tượng toàn cầu của SWAT.

46

Hình 3.5. Bảng xử lý các thông số thời tiết tại trạm Thành Mỹ

Dữ liệu thời tiết cần thiết cho SWAT bao gồm lượng mưa, nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, năng lượng bức xạ mặt trời, tốc độ gió…

3.1.1.4. Dữ liệu lưu lượng dòng chảy

Dữ liệu lưu lượng dòng chảy thực đo được cung cấp bởi VQHTLMN tại trạm quan trắc thủy văn là Thành Mỹ nằm trên đoạn sông chính của lưu vực sông Bung, được sử dụng để đánh giá kết quả mô phỏng dòng chảy của mô hình SWAT. Yếu tố đo đạc chính gồm mực nước và lưu lượng dòng chảy, dữ liệu từ ngày 01/01/2000 đến 31/12/2015. Có thể tổng hợp theo bản dưới đây.

47

Hình 3.6. Hiển thị phần dữ liệu lưu lượng dòng chảy trạm Thành Mỹ

3.1.2. Quy trình nghiên cứu

Dòng chảy mặt, hay dòng chảy tràn, dòng chảy trong kênh là dòng chảy xuất hiện trên bề mặt lưu vực khi lượng nước trên bề mặt đất vượt quá tỉ lệ thấm. Khi nước chảy trên đất khô, tỉ lệ thấm thường cao. Tuy nhiên, tỉ lệ này sẽ giảm khi đất trở nên ướt hơn. Đến khi lượng nước chảy tràn cao hơn tỉ lệ thấm, bề mặt đất dần trở nên bão hòa, dòng chảy mặt bắt đầu xuất hiện.

48

Trong SWAT, mô hình sẽ cung cấp hai phương pháp ước lượng dòng chảy bề mặt là phương pháp đường cong số (SCS - Soil Conservation Service, 1972 ) và Green – Ampt (Green, W.H. and G.A. Ampt, 1911). Đối với phương pháp đường cong số SCS chỉ cần lượng mưa theo ngày, trong khi đó phương pháp Green – Ampt lại yêu cầu lượng mưa theo giờ.

Sơ đồ mô phỏng LDC trên lưu vực bằng mô hình SWAT.

Tiến trình thực hiện bao gồm các bước chính: phân định lưu vực, phân tích đơn vị thủy văn, ghi chép dữ liệu đầu vào, chạy mô hình và đánh giá mô hình.

Quy trình ứng dụng mô hình SWAT trong mô phỏng LDC mặt vực sông Bung Trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu bao gồm các bước chính sau:

Thu thập và xử lý dữ liệu bao gồm: Bản đồ địa hình (mô hình độ cao số DEM), bản đồ sử dụng đất/ thảm phủ, bản đồ thổ nhưỡng, dữ liệu thời tiết và lưu lượng dòng chảy tại các trạm quan trắc.

• Bản đồ DEM, mạng lưới dòng chảy, các đầu nút cửa xả phục vụ cho quá trình phân chia lưu vực.

• Bản đồ sử dụng đất, bản đồ thổ nhưỡng, độ dốc được đưa vào mô hình. SWAT sẽ tiến hành kết nối các dữ liệu và chồng lớp, phân chia các tiểu lưu vực thành các HRUs.

• Các dữ liệu thời tiết được ghi chép đầu vào cho mô hình SWAT để chạy mô phỏng quá trình hình thành dòng chảy và các tác động của dòng chảy đến các thành phần tự nhiên trong lưu vực.

Sau khi thu thập, xử lý dữ liệu đầu vào của SWAT, tiến hành chạy mô hình trong khoảng thời gian 2000 đến 2015. Và đưa dữ liệu lưu lượng dòng chảy thực đo ở cùng thời kỳ vào để đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng. Nếu chỉ số 2 chỉ số NSE, PBIAS và R2 nằm trong khoảng chấp nhận được thì tiến hành đánh giá lưu lượng dòng chảy, ngược lại không chấp nhận được thì tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

49

50

3.2. TIẾN HÀNH CHẠY MÔ HÌNH SWAT VÀ KẾT QUẢ 3.2.1. Các bước tiến hành chạy mô hình SWAT 3.2.1. Các bước tiến hành chạy mô 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 mô 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 thông 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 dòng chảy và khả năng tích tụ dòng chảy (Flow Direction and Accumulation) sẽ được tính toán 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 thoát 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 mô hình SWAT

Dữ liệu thu thập được cho mô hình SWAT mô phỏng trong giai đoạn 2000-2014. Dữ liệu đầu ra được ghi theo ngày (Daily) và theo tháng (Monthly). Sau khi đã chạy thành công mô 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 mô hình SWAT

Kết quả thu được sau khi chạy hoàn tất mô hình SWAT được dung để phân tích sự thay đổi giữa lớp dòng chảy tại lưu vực sông 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 mô phỏng các kết quả của mô hình SWAT

61

Hình 3.25. Mô phỏng tóm tắt giá trị sử dụng đất

62

Hình 3.27. Tương quan giữa xói mòn đất trên lưu vực sông

3.2.3. Đánh giá - kiểm định mô hình

Để đánh giá mô 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. Ngoài ra, nó cũng hỗ trợ tích hợp dữ liệu quan trắc nhằm đánh giá mô 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.

Mô 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 mô phỏng của mô 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 mô hình SWAT bằng cách so sánh hai quá trình dòng chảy thực đo và tính toán. 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 toán.

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 không thể chấp nhận hoặc độ tin cậy kém. Ngược lại, nếu những giá trị này bằng 1 thì kết quả mô phỏng của mô hình là hoàn 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 mô hình 2000 là R2 = 0.740, mô 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 mô phỏng của mô hình được Khá.

65

3.3. PHÂN TÍCH SỰ THAY ĐỔI LỚP DÒNG CHẢY MẶT LƯU VỰC SÔNG BUNG BUNG

Sông 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 Sông 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 dòng 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 dòng 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