2.4.1. Các số liệu đầu vào của mơ hình
Yêu cầu số liệu đầu vào của mơ hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu không gian và số liệu thuộc tính.
- Bản đồ địa hình lưu vực. Dùng mơ hình số hố độ cao bằng phần mềm ARCGIS để chuyển bản đồ địa hình thành dạng DEM.
- Bản đồ sử dụng đất - Bản đồ loại đất
- Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực
* Số liệu thuộc tính dƣới dạng Database
- Số liệu về khí tượng bao gồm nhiệt độ khơng khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa, .... - Số liệu về thuỷ văn bao gồm dòng chảy, bùn cát, hồ chứa...
- Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện đất... - Số liệu về loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng...
- Số liệu về loại phân bón trên lưu vực canh tác....
2.4.2. Kết quả của mơ hình
- Đánh giá cả về lượng và về chất của nguồn nước - Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực
- Đánh giá q trình canh tác đất thơng qua module chu trình chất dinh dưỡng - Đánh giá công tác quản lý lưu vực
2.5. Các thơng số của mơ hình
2.5.1. Các thơng số tính q trình hình thành dịng chảy mặt Các thơng số tính lƣợng mƣa hiệu quả
a. Phƣơng pháp đƣờng cong SCS (1972) thấm tính lƣợng mƣa hiệu quả
CN2 : Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (trong file *.mgt)
b. Phƣơng pháp thấm Green & Ampt tính tổng lƣợng dịng chảy
SOL_K : Ksat : Độ dẫn thuỷ lực ở trường hợp bão hòa (trong file *.sol)
SOL_BD : b : Mật độ khối của đất (mg/m3
) (trong file *.sol) CLAY : mc : % đất sét (trong file *.sol)
SAND : ms : % đất cát (trong file *.sol
Các thơng số tính lƣu lƣợng đỉnh lũ
CH_N(1) : n : Hệ số nhám kênh dẫn (trong file *.sub)
Các thơng số tính hệ số trễ dịng chảy mặt
SURLAG : hệ số trễ dòng chảy mặt (trong file *.bsn)
Thơng số tính tổn thất dọc đường
CH_K(1) : Kch : Độ dẫn thuỷ lực của kênh dẫn (trong file *.sub)
Thơng số tính tổn thất do bốc hơi
CANMX : canmx : Lượng trữ lớn nhất của tán cây (trong file *.hru) ESCO : esco : Hệ số bốc hơi của đất (trong file *.sub)
2.5.2. Các thơng số tính tốn dịng chảy ngầm
GWQMN : aqshthr,q : Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (mm) (trong file *.gw) ALPHA_BF : gw : Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm (trong file *.gw)
REVAPMN : aqsthr,rvp : Ngưỡng sinh dòng thấm xuống tầng ngậm nước sâu (mm) (trong file *.gw)
2.5.3. Các thơng số diễn tốn dòng chảy trong kênh
CH_N(2) : n: Hệ số nhám của kênh chính (trong file *.rte)
MSK_X : X : Hệ số trọng số trong phương pháp Muskingum (trong file *.bsn)
MSK_CO1 : coef1 : Hệ số C1 trong phương pháp Muskingum (trong file *.bsn)
MSK_CO2 : coef2 : Hệ số C2 trong phương pháp Muskingum (trong file *.bsn)
CH_K(2) : Độ dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/giờ) (trong file *.bsn) EVRCH :coefev : Hệ số hiệu chỉnh bốc hơi của kênh chính (trong file *.bsn)
GW_REVAP :rev : Hệ số Revap (trong file *.gw) ALPHA_BNK : hệ số tỷ lệ bờ kênh (trong file *.rte)
2.6. Đánh giá mơ hình
Mơ hình SWAT dùng chỉ tiêu của Nash – Sutcliffe (1970) để đánh giá mơ hình. Chỉ tiêu đó được viết như sau:
n 1 i 2 i n 1 i n 1 i 2 i ' i 2 i 2 ) x x ( ) x x ( ) x x ( R (2.77) Trong đó:
R2 : Hệ số hiệu dụng của mơ hình i : Chỉ số
xi : Giá trị đo đạc
x’i : Giá trị tính tốn theo mơ hình x : Giá trị thực đo trung bình
Hệ số hiệu dụng của mơ hình thường nhỏ hơn 1 và lớn hơn 0. Nếu R2 lớn hơn 0,9 và nhỏ hơn 1,0 thì mơ hình cho kết quả tốt. Nếu R2 lớn hơn 0,7 và nhỏ hơn 0,9 thì mơ hình cho kết quả khá. Nếu R2
lớn hơn 0,5 và nhỏ hơn 0,7 thì mơ hình cho kết quả trung bình. Nếu R2 lớn hơn 0,3 và nhỏ hơn 0,5 thì mơ hình cho kết quả kém, lúc đó phải xem xét lại cách hiệu chỉnh các thơng số của mơ hình cũng như số liệu đầu vào.
2.7. Tiến trình mơ phỏng SWAT
Mơ hình SWAT đòi hỏi rất nhiều dữ liệu đầu vào khác nhau. Tuy nhiên, không phải tất cả dữ liệu đầu vào đều bắt buộc mà tùy thuộc vào từng nghiên cứu cụ thể, có thể bỏ qua một số dữ liệu khơng cần thiết. Nhìn chung, q trình thiết lập mơ hình SWAT cho bất kỳ ứng dụng nào đều có dạng như Hình 2.4, bao gồm sáu
bước: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) phân định lưu vực, (3) định nghĩa đơn vị thủy văn, (4) nhập dữ liệu đầu vào, (5) chạy mơ hình, (6) hiệu chỉnh, kiểm định mơ hình [16].
CHƢƠNG 3 - ỨNG DỤNG MƠ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DỊNG CHẢY LŨ TRẠM ĐỒNG TRĂNG, SƠNG CÁI NHA TRANG, TỈNH KHÁNH HÒA
3.1. Cơ sở dữ liệu 3.1.1. Số liệu mặt đệm 3.1.1. Số liệu mặt đệm
Số liệu bao gồm:
- Bản đồ DEM toàn khu vực nghiên cứu có độ phân giải 30m/pixel lấy từ trang web www.usgs.gov;
- Bản đồ thổ nhưỡng năm 2005 của tỉnh Khánh Hòa tỷ lệ 1:50.000 xuất bản bởi Chi cục Kiểm Lâm tỉnh Khánh Hòa;
- Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2005 của tỉnh Khánh Hòa tỷ lệ 1:50.000 xuất bản bởi Liên đoàn Quy hoạch điều tra Tài nguyên nước;
- Bản đồ mạng lưới sông lấy từ Atlas Việt Nam;
Dữ liệu về bản đồ thu thập trên đều được số hoá và chỉnh lý sử dụng phần mềm MAPINFO và có thể truy xuất dễ dàng qua các phần mềm GIS thơng dụng.
3.1.2. Số liệu khí tƣợng thủy văn
3.1.2.1. Số liệu mưa
- Luận văn đã thu thập số liệu mưa thời đoạn 1 ngày tại trạm thuỷ văn Đồng Trăng và trạm đo mưa Khánh Vĩnh thời đoạn ngày mùa lũ năm 2003 (bắt đầu từ 1/IX đến 31/XII năm 2003) và năm 2009 (bắt đầu từ 1/IX đến 31/XII năm 2009);
- Luận văn đã thu thập số liệu mưa ốp 6 giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng và trạm đo mưa Khánh Vĩnh trận lũ tháng XI năm 2009 và trận lũ tháng XII năm 2016.
Tất cả các tài liệu này do Đài Khí tượng Thủy Văn Nam Trung Bộ cung cấp.
3.1.2.2. Số liệu dòng chảy thực đo
- Số liệu lưu lượng dòng chảy theo ngày tại trạm Đồng Trăng năm từ ngày 1/IX/2003 đến 31/XII/2003 và từ ngày 1/IX/2009 đến 31/XII/2009 được cung cấp bởi Đài Khí tượng Thủy văn Nam Trung Bộ;
- Số liệu lưu lượng dòng chảy theo giờ tại trạm Đồng Trăng từ ngày 1/ XI/2009 đến 4/XI/2009 và từ ngày 12/XII/2016 đến 21/XII/2016, tương ứng với
thời gian xuất hiện lũ và được cung cấp bởi Đài Khí tượng Thủy văn Nam Trung Bộ.
3.2. Thiết lập mơ hình SWAT
Phương pháp mơ phỏng lưu lượng dịng chảy lưu vực sông 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, mơ 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 dòng 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 thông 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 sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng
Bảng 3.2. Phân loại đất lƣu vực sơng 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 sơng Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng
Bảng 3.3. Phân loại các loại thảm phủ lƣu vực sơng 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 q 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 mô 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 mô 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 thơng 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 thông 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 mơ 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)
Thông 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