Phương pháp mơ phỏng lưu lượng dịng chảy lưu vực sơng Cái Nha Trang bằng mơ hình SWAT được thể hiện như Hình 3.1. Theo đó, tiến trình thực hiện bao gồm các bước chính là phân chia tiểu lưu vực, phân tích đơn vị thủy văn HRU, nhập dữ liệu thời tiết, mô phỏng kết quả.
Hình 3.1. Tiến trình chạy trong SWAT
Cụ thể các bước đã thực hiện như sau:
Bƣớc 1: Phân chia tiểu lƣu vực
Sử dụng dữ liệu DEM lưu vực sông Cái với độ phân giải 30m*30m đưa vào SWAT (Hình 3.1) đưa sang hệ tọa độ UTM WGS84 49N tương ứng với vị trí của
lưu vực sơng Cái kết hợp với mạng lưới sơng ngịi thực tế (từ Atlas 2009 Việt Nam) đưa vào mơ hình để phân chia các tiểu lưu vực cho khu vực nghiên cứu. Dựa trên
bản đồ DEM, mơ hình sẽ xác định hướng dịng chảy và tích lũy dịng chảy để sử dụng vào mục đích xác định mạng lưới sơng ngịi và ranh giới lưu vực.
Bước tiếp theo là xác định diện tích giới hạn với mục đích xác định nguồn nước của sơng ngịi. Dựa trên mạng lưới dịng chảy đã mô phỏng, phải chọn điểm đầu ra (cửa xả) của toàn bộ lưu vực. Trạm Đồng Trăng được chọn là cửa xả của lưu vực. Cuối cùng mơ hình sẽ tính tốn thơng số các lưu vực con và các đoạn sơng suối.
Hình 3.2. Bản đồ DEM lƣu vực sông Cái Nha Trang, trạm Đồng Trăng
Kết quả ở bước này, khu vực nghiên cứu được chia ra 41 tiểu lưu vực được đánh số từ 1 đến 41. Tiểu lưu vực lớn nhất là tiểu lưu vực 14 với diện tích là 7752ha chiếm 11.89% diện tích tồn lưu vực. Tiểu lưu vực nhỏ nhất là tiểu lưu vực 25 với diện tích là 27ha chiếm 0.04% diện tích tồn lưu vực.
tính đến trạm Đồng Trăng Tiểu lƣu vực Diện tích
(ha) % Diện tích Tiểu lƣu vực Diện tích
(ha) % Diện tích 1 1567 2.40 22 1396 2.14 2 1128 1.73 23 1479 2.27 3 1312 2.01 24 147 0.23 4 2504 3.84 25 27 0.04 5 2350 3.61 26 616 0.95 6 1375 2.11 27 591 0.91 7 1110 1.70 28 1011 1.55 8 1459 2.24 29 2547 3.91 9 1332 2.04 30 2935 4.50 10 2331 3.58 31 784 1.20 11 498 0.76 32 1325 2.03 12 258 0.40 33 315 0.48 13 1041 1.60 34 555 0.85 14 7752 11.89 35 1696 2.60 15 227 0.35 36 2450 3.76 16 1028 1.58 37 1377 2.11 17 1127 1.73 38 2086 3.20 18 1107 1.70 39 2238 3.43 19 1386 2.13 40 3135 4.81 20 289 0.44 41 7217 11.07 21 71 0.11
Hình 3.3. Phân chia tiểu lƣu vực khu vực nghiên cứu Bƣớc 2: Phân tích đơn vị thủy văn HRU
Sau khi phân chia tiểu lưu vực thành cơng, bản đồ thổ nhưỡng (Hình 3.4) và bản đồ thảm phủ (Hình 3.5) được đưa vào SWAT. Giá trị mã số của từng loại hình sử dụng đất được gán theo bảng mã của SWAT và giá trị mã số các loại đất phân chia lại theo mã loại đất của FAO74 tương ứng trong cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng của SWAT. Tiếp theo, độ dốc lưu vực sẽ được định nghĩa dựa trên đặc điểm địa hình thực tế làm cơ sở cho bước định nghĩa đơn vị thủy văn HRU.
Kết quả ở bước này, trên khu vực nghiên cứu có 3 loại đất khác nhau thể hiện ở Hình 3.4 và Bảng 3.1.
Hình 3.4. Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực sơng Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng
Bảng 3.2. Phân loại đất lƣu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng theo mơ hình SWAT
STT Tên loại đất Kí hiệu % diện tích
1 Đất Ferarit Fr 36.29
2 Đất nâu xám Fa 63.54
3 Đất nâu đỏ Ao 0.16
Ngoài ra trên khu vực nghiên cứu, SWAT phân chia thảm phủ thành 5 loại khác nhau cụ thể trong Hình 3.5 và Bảng 3.2.
Hình 3.5. Bản đồ thảm phủ lƣu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng
Bảng 3.3. Phân loại các loại thảm phủ lƣu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng theo mơ hình SWAT
STT Tên thảm phủ Kí hiệu Diện tích [ha] % diện tích
1 Đất khác SWCH 7854.9 11.7
2 Đất trống BROS 1231.9 1.8
3 Rừng giàu FRSE 9352.1 13.9
4 Rừng hỗn giao FRST 24909.0 37.1
Bước cuối cùng trong phân tích đơn vị thủy văn HRU là định nghĩa HRUs. SWAT giả định rằng khơng có sự tác động lẫn nhau giữa các đơn vị thủy văn trong tiểu lưu vực. Các quá trình thủy văn sẽ được tính tốn độc lập trên mỗi đơn vị HRU. trên cơ sở đó sẽ cộng lại trên tồn bộ tiểu lưu vực. Lợi ích khi dùng đơn vị thủy văn là làm tăng độ chính xác dự báo của các q trình. Có ba cách xác định HRUs. (1) gán chỉ một HRU cho mỗi tiểu lưu vực quan tâm đến % diện tích sử dụng đất; đất; độ dốc vượt trội; (2) gán một HRU đại diện cho tiểu lưu vực quan tâm đến % diện tích phủ chiếm ưu thế của yếu tố sử dụng đất, loại đất, độ dốc và (3) gán nhiều HRU cho mỗi tiểu lưu vực quan tâm đến độ nhạy của quá trình thủy văn dựa trên giá trị ngưỡng cho sự kết hợp sử dụng đất, đất, độ dốc. Trong khuôn khổ luận văn, phương pháp (3) được lựa chọn là phù hợp[16].
Bƣớc 4: Nhập dữ liệu thời tiết (khí tƣợng)
Số liệu thời tiết trước khi đưa vào mơ hình SWAT được biên tập thành các tập tin thời tiết tổng quát dạng chuỗi (chứa đựng các thông số thống kê thời tiết theo ngày, giờ) làm đầu vào cho mơ hình vận hành thời tiết WXEN trong SWAT tiến hành mô phỏng thời tiết. Dữ liệu thời tiết cần thiết cho mơ hình SWAT bao gồm lượng mưa, nhiệt độ khơng khí lớn nhất; nhỏ nhất, bức xạ Mặt Trời, tốc độ gió và độ ẩm tương đối. Trong luận văn, sử dụng số liệu mưa thời đoạn ngày từ ngày 1/IX đến 31/XII năm 2003) và từ ngày 1/IX đến 31/XII năm 2009 phục vụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy.Thời gian cụ thể như trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4. Số liệu mƣa đầu vào mơ hình SWAT
STT Thời gian Sử dụng mơ phỏng
1 1/IX -31/XII /2003 Hiệu chỉnh bộ thông số mơ phỏng dịng chảy
2 1/IX -31/XII /2009 Kiểm định bộ thơng số mơ phỏng dịng chảy
Bƣớc 4: Chạy mơ hình
Kết quả mơ phỏng lưu lượng cụ thể như Hình 3.6.
Hình 3.6. Hình ảnh kết quả mơ phỏng dịng chảy mùa lũ 3.3. Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình 3.3. Hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình
Q trình mơ phỏng dịng chảy trong SWAT được tính tốn theo các phương trình tốn lý, bộ thông số mà SWAT tự động thiết lập chỉ mang tính chất tương đối vậy để mơ hình có thể mơ phỏng đúng với thực tiễn trên lưu vực thì cần phải có một bộ thơng số được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu thực đo. Việc hiệu chỉnh thơng số mơ hình được tiến hành theo phương pháp thử sai nghĩa là triển khai các giả thiết rồi lần lượt loại bỏ dần các giả thuyết không đúng và chọn ra giả thiết phù hợp nhất.
Để đánh giá kết quả mơ phỏng lưu lượng dịng chảy trong SWAT, nghiên cứu sử dụng số liệu quan trắc lưu lượng tại trạm Đồng Trăng và đo mưa tại trạm Khánh
Vĩnh và Đồng Trăng.
3.3.1. Đánh giá mơ hình
Luận văn lựa chọn chỉ tiêu Nash-Sutcliffe để đánh giá mức độ tin cậy của mơ hình.
Mức độ mô phỏng tương ứng với chỉ số Nash được miêu tả trong Bảng 3.5
Bảng 3.5. Mức độ mô phỏng tƣơng ứng với chỉ số Nash
Nash >0.85 0.65-0.85 0.4-0.6 <0.4 Mức độ mô
phỏng
Tốt Khá Đạt Chưa đạt
3.3.2. Các thơng số mơ hình
Trong mơ hình SWAT có 27 thơng số để hiệu chỉnh kết quả mô phỏng. Trong khuôn khổ của luận văn chỉ xét đến các thông số cụ thể như sau:
Sử dụng phương pháp SCS
SOL_K Ksat: Độ dẫn thấm thủy lực bão hòa (mm/giờ) CN2 CN2: Chỉ số CN ứng vơi điều kiện ẩm II SOL_BD b: Mật độ khối của lớp đất (Mg/m3) CLAY mc: % đất sét
SAND ms: % đất sét
Thơng số tính tốn lưu lượng đỉnh lũ
OV_N n: Hệ số nhám sườn dốc
CH_N(1) n: Hệ số nhám kênh dẫn Thơng số tính hệ số trễ dịng chảy mặt
SURLAG surlag: Hệ số trễ dịng chảy mặt Thơng số tính tốn dịng chảy ngầm
ALPHA_BF gw: Hệ số triết giảm
REVAPMN aqshthr.rvp: Ngưỡng sinh dòng thấm xuống tầng nước sâu (mm)
Thơng số diễn tốn dịng chảy trong kênh chính Phương pháp lượng trữ
CH_N(2) n: Hệ số nhám của kênh chính
3.3.3. Kết quả hiệu chỉnh
Mơ hình đã thiết lập được hiệu chỉnh với số liệu mưa ngày tại trạm Khánh Vĩnh và lưu lượng ngày trạm Đồng Trăng từ 1/IX đến 31/XII/2003. Kết quả biểu diễn trên Hình 3.7, cho thấy đường q trình lưu lượng tính tốn có sự phù hợp với đường q trình dịng chảy thực đo, độ hữu hiệu của mơ hình theo chỉ tiêu Nash đạt 78% với sai số về tổng lượng chỉ khoảng 3.5%. Theo chỉ tiêu của WMO[17], mơ hình được đánh giá vào loại khá. Giá trị đỉnh lũ lớn nhất đã thể hiện khá tốt nhưng còn vài đỉnh lũ nhỏ chưa phù hợp nhất là giai đoạn cuối mùa.
Hình 3.7. Dịng chảy bình qn ngày tính tốn và thực đo trạm Đồng Trăng từ ngày 1/ IX đến 31/XII năm 2003
Mơ hình SWAT mơ phỏng dịng chảy lưu vực sơng Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng với mùa lũ từ ngày 1/IX/2009 - 31/XII/2009. Kết quả mơ phỏng dịng chảy so với giá trị lưu lượng thực đo (m3/s) được trình bày ở Hình 3.8.
3.3.4. Kiểm định mơ hình
Giữ ngun bộ thơng số, tiến hành kiểm định mơ hình với số liệu giai đoạn từ ngày 1/IX đến 31/XII/2009. Kết quả Hình 3.8 cho thấy kết quả mô phỏng cơ bản đã phù hợp với thực đo, chỉ tiêu Nash đạt 73%, sai số về tổng lượng khoảng 4.0%. thuộc loại khá.
Hình 3.8. Dịng chảy bình qn ngày tính tốn và thực đo trạm Đồng Trăng từ ngày 1/IX đến 31/XII năm 2009
Nhận xét
Khi tăng giá trị của thông số chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (CN2) lên thì đỉnh lũ tăng, q trình lũ lên khơng tăng, trong khi đó q trình lũ xuống giảm. Điều đó chứng tỏ lớp dịng chảy mặt phụ thuộc vào điều kiện thảm phủ và sử dụng đất cũng như độ ẩm của đất trên lưu vực. Nếu tăng hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn (CH_K(1)) thì đỉnh lũ giảm, trong khi đó q trình lũ lên và lũ xuống khơng đổi. Nếu tăng hoặc giảm giá trị của thông số khả năng trữ nước của đất (SOL_AWC) cũng như giá trị của thông số độ dẫn thuỷ lực ở trường hợp bão hồ (SOL_K) thì lưu lượng đỉnh lũ cũng thay đổi. Qua đó thấy rằng, lưu lượng đỉnh lũ trên lưu vực phụ thuộc rõ rệt vào lớp phủ rừng và điều kiện ẩm của đất.
Bảng 3.6. Kết quả bộ thơng số khi hiệu chỉnh mơ hình SWAT với thời đoạn tính tốn là ngày với thời đoạn tính tốn là ngày
Thông số Ý nghĩa Ngƣỡng giá
trị Giá trị I. Các thơng số tính q trình hình thành dịng chảy mặt 1 CN2 Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II 35 - 98 86 ( rừng giàu, rừng hỗn giáo, rừng trung bình) 89 ( đất khác, đất trống)
2 OV_N Hệ số nhám Manning cho
dòng chảy mặt 0.01 – 0.5 0.5 (rừng giàu, rừng hỗn giáo, rừng trung bình) 0.4 ( đất khác, đất trống) 3 SOL_K Độ dẫn thấm thủy lực bão
hòa (mm/giờ) 0 - 2000 1.6-1.74
4 SOL_BD Mật độ khối của lớp đất
(g/cm3) 0.9 - 2.5 1.1 5 CH_K(1) Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn 0 - 300 0.5 6 CH_N(1) Hệ số nhám kênh dẫn (mm/giờ) 0.01 - 30 0.014 7 SURLAG Hệ số trễ dòng chảy mặt (ngày) 0 - 24 0.25
8 HRU_SLP Độ dốc trong tiểu lưu vực 0-0.6 0.4-0.6
II. Các thơng số diễn tốn dịng chảy trong sơng
8 CH_N(2) Hệ số nhám của kênh chính 0.01 - 30 0.6
9 CH_K(2) Hệ số dẫn thuỷ lực của
III. Các thơng số tính tốn dịng chảy ngầm
10 GWQMIN Ngưỡng sinh dòng chảy
ngầm (mm) 0 - 5000 5
11 ALPHA_B
F
Hệ số triết giảm dòng chảy
ngầm 0 - 1 0.4
3.4. Ứng dụng mơ hình SWAT đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dịng chảy mùa lũ trạm Đồng Trăng sơng Cái Nha Trang
Trong nghiên cứu này, kết quả được sử dụng làm đầu vào kịch bản biến đổi cho khu vực sông Cái Nha Trang chiết xuất từ Báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam” của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2016)[2] (Bảng 3.7)
Bảng 3.7. % Thay đổi lƣợng mƣa theo mùa theo các kịch bản so với giai đoạn nền (1986-2005)
(Đơn vị: %)
Thời đoạn Mùa Đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu
RCP4.5 Giữa thế kỷ 21.1 9.1 -8.5 12.8 Cuối thế kỷ 37.0 -2.8 13.0 8.5 RCP8.5 Giữa thế kỷ 30.0 4.7 7.0 1.9 Cuối thế kỷ 55.6 -45.9 6.7 16.9
Hình 3.9. % Thay đổi lƣợng mƣa theo mùa theo kịch bản RCP 4.5 so với giai đoạn nền (1986-2005)
Hình 3.10. % Thay đổi lƣợng mƣa theo mùa theo kịch bản RCP 8.5 so với giai đoạn nền (1986-2005)
Sự thay đổi này được dùng để xây dựng kịch bản mưa ngày đầu vào cho thời kỳ giữa thế kỷ và cuối thế kỷ cho khu vực nghiên cứu dựa trên cơ sở lượng mưa ngày trung bình cho giai đoạn nền thời kỳ 1986 – 2005 được xác định dựa trên công thức sau: 21.1% 9.1% -8.5% 12.8% 37% -2.8% 13% 8.5% -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Mùa Đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu
% T h ay đ ổi lƣợng m ƣa Giữa thế kỷ Cuối thế kỷ 30% 4.7% 7% 1.9% 55.6% -45.9% 6.7% 16.9% -50 -30 -10 10 30 50 70
Mùa Đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu
% T h ay đ ổi lƣợng m ƣa Giữa thế kỷ Cuối thế kỷ
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅
̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ (3.1)
trong đó: Rtương lai = Thay đổi của lượng mưa trong tương lai so với thời kỳ cơ sở (%), R*
tương lai = Lượng mưa trong tương lai (mm), ̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ = Lượng mưa trung bình của thời kỳ cơ sở (1986-2005) (mm).
Công thức này được thừa hưởng từ đơn vị tham gia xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng năm 2016 – Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi Khí hậu.
Từ lượng mưa trung bình ngày của mùa lũ (từ ngày 1/IX đến 31/XII) cho giai đoạn nền thời kỳ 1986 – 2005 được dùng để mơ phỏng dịng chảy mùa lũ cho giai đoạn nền đó. Kết quả này dùng làm cơ sở để so sánh sự biến đổi của dòng chảy mùa lũ trong tương lai dưới tác động của biến đổi khí hậu theo kịch bản RCP 4.5 và RCP 8.5 như đã chọn.
Các kết quả mô phỏng theo các kịch bản so sánh với hiện trạng dòng chảy lũ trong thời kỳ nền (Hình 3.11, Hình 3.12) cho thấy: dịng chảy mùa lũ trạm Đồng Trăng trong tương lai đều có xu hướng tăng ở cả hai kịch bản RCP 4.5 và RCP 8.5 trong suốt thế kỷ XXI.
Cụ thể, theo kịch bản RCP 4.5, mùa lũ bắt đầu từ tháng IX và kết thúc tháng XII không thay đổi so với giai đoạn nền. Vào giữa thế kỷ, tổng lượng dòng chảy mùa lũ tăng khoảng 15.3% và tăng khoảng 14.8% ở cuối thế kỷ. Thời gian xuất hiện tháng lũ lớn nhất không thay đổi so với giai đoạn nền (vào tháng XII).
Hình 3.11. Thay đổi dịng chảy trung bình các tháng mùa lũ vào giữa thế kỷ, cuối thế kỷ so với giai đoạn nền theo kịch bản RCP 4.5
Theo kịch bản RCP 8.5, dịng chảy mùa lũ có xu hướng đều tăng, tổng lượng lũ tăng khoảng 19.6% vào giữa thế kỷ và đến khoảng 27.2% vào cuối thế kỷ. Mùa lũ cũng bắt đầu từ tháng IX và kết thúc tháng XII không thay đổi so với giai đoạn nền. Thời gian tháng lũ lớn nhất xuất hiện trùng giai đoạn nền (vào tháng