Khánh Hồ
Như đã được trình bày trên, lưu vực sơng Cái tính đến trạm Đồng Trăng, vị trí thượng nguồn, có vai trị quan trọng đối với phía dưới hạ lưu đặc biệt là địa bàn Thành phố Nha Trang – khu vực phát triển kinh tế điểm của tỉnh. Chính vì vậy, lưu vực sơng Cái Nha Trang được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu của rất nhiều đề tài.
Bùi Văn Chanh (2013)[2] đã ứng dụng mơ hình thủy lực một và hai chiều kết hợp HDM (Hydro Dynamic Model) xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang. Sản phẩm của đề tài là đã xây dựng bản đồ ngập lụt ứng với tần suất lũ 1%, 3%, 5% và 10% cho vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang. Mô phỏng diễn biến ngập lụt theo thời gian, tạo bản đồ ngập lụt và tích hợp chương trình sử dụng. Kết quả tính tốn dự tính vùng ngập lụt hạ lưu sơng Cái Nha Trang bao gồm hầu hết vùng đồng bằng của Huyện Diên Khánh và ngoại thành Nha Trang. Ngồi ra nhánh sơng Chò còn gây ngập lụt lớn tại thôn Khánh Xuân xã Diên Lâm. Vùng nội thành Nha Trang hầu như không bị ảnh hưởng ngập lụt của lũ sông Cái mà chỉ ảnh hưởng ngập úng do mưa lớn gây ra. Vùng ngập sâu nhất là xã Diên Thạnh, Diên Toàn và Diên Lạc của Huyện Diên Khánh. Diện ngập và độ sâu thay đổi theo các kịch bản với tần suất lũ 1%, 3%, 5% và 10%.
Nguyễn Ý Như (2012)[8] đã đánh giá dòng chảy năm tỉnh Khánh Hòa trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Mơ hình MIKE – NAM được áp dụng đối với tỉnh Khánh Hòa để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với dịng chảy. Biến đổi khí hậu
đoạn 2050 – 2100. Theo kịch bản lượng mưa trung bình năm tăng 0.7 đến 1.7% và nhiệt độ tăng 0.4 – 1oC. Kịch bản biến đổi khí hậu được sử dụng như tác nhân bên ngồi đối với mơ hình mưa dịng chảy NAM, được cài đặt và thực hiện cho 18 tiểu lưu vực. Dịng chảy trung bình năm trên lưu vực dao động trong khoảng 1- 7m3
/s (31 – 45%) khi so sánh kịch bản với giai đoạn nền. Những biến đổi lớn hơn được nhận thấy ở giá trị cực trị. Dòng chảy theo mùa được dự đoán thay đổi với dòng chảy cao hơn đáng kể trong mùa mưa, giảm đáng kể trong dòng chảy mùa kiệt.
Đặng Đình Đức (2012)[4] đã khơi phục số liệu dịng chảy tỉnh Khánh Hòa bằng mơ hình NAM. Lí do bởi các lưu vực sơng thuộc tỉnh Khánh Hịa có nguồn số liệu dịng chảy đo đạc rất hạn chế. Tồn tỉnh chỉ có duy nhất trạm thủy văn Đồng Trăng có số liệu dòng chảy đo đạc (từ năm 1983 tới nay), trong khi đó số trạm đo mưa trong tỉnh tương đối đầy đủ và đồng bộ từ năm 1977 tới nay. Bài toán đặt ra là cần phải khơi phục số liệu dịng chảy từ tài liệu đo mưa. Tác giả đã sử dụng phương pháp mơ hình tốn, cụ thể là ứng dụng mơ hình NAM để khơi phục số liệu dòng chảy các lưu vực sơng thuộc tỉnh Khánh Hịa. Bài báo đã tính tốn lưu lượng trung bình tháng từ 1977-2010 cho 18 tiểu lưu vực thuộc tỉnh Khánh Hòa. Qua số liệu tính tốn được từ mơ hình NAM đã đưa ra được một bức tranh tương đối đầy đủ về tài nguyên nước mặt của tỉnh, sự phân bố theo không gian và thời gian trong năm. Các số liệu dịng chảy tính tốn cùng với số liệu dòng chảy thực đo sẽ là một nguồn tài liệu quý giá, làm đầu vào cho các bài toán khác, đặc biệt là bài toán cân bằng nước, quy hoạch, sử dụng hợp lý tài nguyên nước của tỉnh.
Lại Thị Hương (2012)[13] đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước mặt tỉnh Khánh Hoà của thời kỳ 2000-2009 so giai đoạn 1980-1999 với việc sử dụng phương pháp thống kê. Kết quả của nghiên cứu đưa ra kết luận: Biến đổi khí hậu tác động đến tài nguyên nước thông qua việc làm thay đổi lượng mưa và phân bố mưa giữa các vùng trên địa bàn. Nhiệt độ tăng sẽ làm lượng nước bốc hơi nhiều hơn kết hợp với địa hình đặc thù tỉnh Khánh Hoà dẫn đến lượng mưa nhiều hơn. Một hậu quả của BĐKH là thay đổi về thời gian mùa mưa. Trong khoảng 5 năm trở lại đây, mùa mưa lũ trên các sông trong tỉnh đến sớm và cũng kết
thúc sớm hơn so với TBNN khoảng gần 01 tháng, thường bắt đầu từ tháng IX và kết thúc vào giữa tháng XI.
Như vậy, các nghiên cứu thực hiện trên lưu vực sông Cái Nha Trang mặc dù đã sử dụng mơ hình thơng số tập trung để đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến dịng chảy mặt trên địa bàn tỉnh Khánh Hoà, tuy nhiên vấn đề cấp thiết đặt ra ở đây là cần cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu bản mới nhất hiện nay cũng như sử dụng mơ hình thơng số phân bố trong việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dịng chảy mới mang ý nghĩa cho thực tiễn. Trong những năm gần đây, Việt Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu đánh giá tác động của BĐKH đến lũ lụt cũng như chứng minh hiệu quả của SWAT trên nhiều lưu vực[6, 7, 8, 9, 10, 11, 20]. Chính vì vậy, để giải quyết bài tốn này mơ hình SWAT được lựa chọn là cơng cụ chính. Hơn thế nữa, mơ hình đánh giá được thay đổi thuỷ văn trong lưu vực sông Cái Nha Trang dưới tác động của BĐKH và phản ánh đuợc những thay đổi các đặc trưng mùa lũ như: dòng chảy mùa lũ, dòng chảy 5 ngày lớn nhất. Thời gian gần đây, nó đã mơ phỏng được khá tốt cho dịng chảy ngày và giờ [15, 18, 19, 21, 22] là điều kiện tốt cho việc tính tốn dịng chảy mùa lũ và dòng chảy 5 ngày lớn nhất dưới tác động của biến đổi khí hậu theo các kịch bản.
CHƢƠNG 2 - GIỚI THIỆU MƠ HÌNH SWAT 2.1. Xuất xứ của mơ hình SWAT
Mơ hình “Cơng cụ đánh giá đất và nước“ SWAT (Soil and Water Assement Tools) là một mơ hình vật lý được xây dựng từ những năm 90 do tiến sỹ Jeff Arnold thuộc trung tâm nghiên cứu đất nông nghiệp USDA- Agricultural Research Service (ARS) xây dựng nên. Mơ hình này được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong đất trên hệ thống lưu vực sơng trong một khoảng thời gian nào đó. Tiền thân của mơ hình SWAT là mơ hình SWRRB ((Simulator for Water Resources in Rural Basins) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990)) và mơ hình ROTO ((Routing Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995)).
Các phiên bản của mơ hình SWAT là:
+ SWAT94.2: Mơ phỏng đường lưu lượng đơn vị
+ SWAT96.2: Trong phiên bản này được cập nhật thêm phần quản lý về hàm lượng chất hữu cơ trong đất, trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu tới sự phát triển của cây trồng. Phương trình chất lượng nước từ mơ hình QUAL2E được sử dụng đến
+ SWAT98.1: Trong phiên bản này thêm phần diễn tốn dịng chảy do tuyết tan, chất lượng nước trong sông
+ SWAT99.2: Phiên bản này cập nhật thêm diễn toán chất lượng nước cho hồ chứa, phần thuỷ văn đơ thị được cập nhật từ mơ hình SWMM.
+ SWAT2000: Cập nhật thêm phương trình thấm của Green & Ampt, cập nhật thêm các yếu tố khí tượng thời tiết như bức xạ mặt trời, tố độ gió..., cho phép giá trị bốc thoát hơi tiềm năng của lưu vực được lấy từ giá trị đầu vào của mơ hình hoặc được tính tốn theo phương trình.... Đặc biệt trong phiên bản này có sử dụng mơi trường ARCVIEW là môi trường giao diện.
+SWAT2012: Đặc biệt trong phiên bản này có sử dụng mơi trường ARCGIS là mơi trường giao diện. Trong luận văn này đã sử dụng phiên bản SWAT 2012 để tính tốn.
2.2. Cấu trúc của mơ hình
Mơ hình SWAT mơ phỏng q trình thuỷ văn diễn ra trên lưu vực.
Mơ hình chia dịng chảy thành ba pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và pha trong sông.
Pha mặt đất diễn tả các thành phần dịng chảy mặt, phần xói mịn.
Pha sát mặt diễn tả các thành phần dòng chảy sát mặt, dòng chảy ngầm.
Pha trong sông diễn tả diễn tốn lượng dịng chảy tới mặt cắt cửa ra của lưu vực.
2.2.1. Pha đất của chu trình thuỷ văn
Chu trình thuỷ văn được mơ tả trong mơ hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước như sau:
) Q W E Q R ( SW SW surf a seep gw t 1 i day 0 t (2.1) trong đó:
SWt là tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính tốn (mm) SWo là tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm) T là thời gian (ngày)
Rday là tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm) Qsurf là tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm) Ea là lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm)
Wseep là lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm) Qgw là lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)
1. Các yếu tố khí hậu
Các yếu tố khí hậu của lưu vực cung cấp số liệu đầu vào của mơ hình để kiểm sốt cân bằng nước và xác định mối liên quan giữa các thành phần khác nhau trong chu trình thuỷ văn. Các biến khí hậu được sử dụng trong mơ hình SWAT là mưa, nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp, độ ẩm, vận tốc gió, bức xạ. Các số liệu này được lấy ở những trạm đo khí tượng và trạm đo mưa.
2. Các yếu tố thuỷ văn
Khi lượng mưa rơi xuống, nó có thể bị chặn trong tầng lá cây hoặc rơi xuống bề mặt đất. Nước trên bề mặt đất sẽ thấm vào trong đất hoặc chảy tràn trên bề mặt lưu vực. Nước di chuyển một cách tương đối nhanh chóng về phía kênh dẫn tạo ra dòng chảy trực tiếp. Lượng nước thấm vào trong đất sẽ đóng góp cho dịng chảy ngầm. Tính tốn thuỷ văn trong mơ hình bao gồm các thành phần sau :
- Diễn tốn dịng chảy ngầm - Tính các tổn thất
- Diễn tốn dịng chảy mặt - Diễn toán trong hồ chứa - Diễn toán trong kênh dẫn
2.2.2. Pha diễn tốn của chu trình thuỷ văn
Mơ hình SWAT có thể xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng, những chất dinh dưỡng và những thuốc bảo vệ thực vật tới kênh chính, rồi diễn tốn theo mạng lưới sơng suối trên lưu vực. Ngồi việc tính tốn lưu lượng nước, mơ hình cịn mơ tả sự biến đổi của các hoá chất trong kênh.
1. Diễn tốn trong sơng
Việc diễn tốn trong sơng có thể được chia thành bốn thành phần: Nước, chất bồi lắng, những chất dinh dưỡng và hoá chất hữu cơ.
2. Diễn toán qua hồ chứa
Sự cân bằng nước cho những kho chứa bao gồm dòng chảy đến, dòng chảy ra, mưa trên bề mặt, bốc thoát hơi, thấm qua đáy hồ và những cơng trình phân nước.
2.3. Các q trình thành phần trong mơ hình SWAT 2.3.1. Quá trình hình thành dịng chảy mặt 2.3.1. Quá trình hình thành dịng chảy mặt
2.3.1.1. Tính lƣợng mƣa hiệu quả
Phương pháp đường cong thấm SCS tính lượng mưa hiệu quả
Trong mơ hình SWAT, tác giả đã dùng hai phương pháp đường cong thấm SCS (1972) và phương trình thấm Green & Ampt (1911) để xác định lượng mưa hiệu quả. Phương trình dịng chảy SCS là phương trình thực nghiệm, nó được xây
dựng từ những năm 1950, dùng để xác định lượng dòng chảy mặt dưới điều kiện khác nhau về sử dụng đất và loại đất. Phương trình đường cong SCS được viết như sau: ) S I R ( ) I R ( Q a day 2 a day surf (2.2) trong đó:
Qsurf là lượng dòng chảy mặt hay lượng mưa hiệu quả (mm) Rday là lượng mưa ngày (mm)
Ia là tổn thất thấm ban đầu (mm)
S là lượng thấm cho phép tối đa có thể trữ trong đất (mm)
Lượng thấm cho phép tối đa phụ thuộc vào đặc tính đất, sử dụng đất và độ ẩm đất tại thời điểm bắt đầu mưa và được xác định như sau:
10 CN 1000 4 , 25 S (2.3)
trong đó CN chỉ số đường cong đại biểu cho đặc tính đất tính cho ngày. Hệ số tổn thất thấm ban đầu Ia = 0,2 S ứng với những trận mưa có cường độ mưa lớn. Khi đó phương trình (2.2) được viết thành như sau:
) S 8 , 0 R ( ) S 2 , 0 R ( Q day 2 day surf (2.4)
Dòng chảy mặt chỉ xuất hiện khi Rday >Ia . Hệ số CN được tra trong tài liệu của SCS (1972). Hệ số CN phụ thuộc vào vấn đề sử dụng đất và lớp độ ẩm đất. Lớp độ ẩm đất được phân làm 3 loại: lớp loại I biểu thị cho đất có độ ẩm ít hay cịn gọi lớp đất khơ, lớp loại II biểu thị cho đất có độ ẩm vừa, lớp III biểu thị cho đất có độ ẩm cao. Đất lại được phân làm 4 loại A,B,C,D. Mỗi một nhóm đất lại ứng với một chỉ số CN khác nhau. Đường cong CN tính theo điều kiện độ ẩm loại I và III được tính như sau: 2,533 0,0636 (100 CN ) exp CN 100 ( ) CN 100 ( 20 CN CN 2 2 2 1 (2.5)
0,00673 (100 CN ) exp
CN
CN3 2 2 (2.6)
Giá trị đường cong CN trong phương trình (2.3) được viết lại như sau:
) 254 S ( 25400 CN (2.7)
Trong đó CN là chỉ số đường cong tính cho ngày và S là thơng số diễn tốn tính hàm lượng ẩm của đất trong ngày. Điều kiện độ ẩm loại II theo phương pháp trên là tính cho đất có độ dốc 5%. William (1995) đã phát triển mơ hình trên và tính chỉ số CN cho các loại độ dốc khác nhau với điều kiện độ ẩm loại hai như sau:
2 2 3 s 2 1 2 exp( 13,86 slp) CN 3 ) CN CN ( CN (2.8)
trong đó CN2s là số đường cong thuộc điều kiện độ ẩm II thích hợp với độ dốc cho trước, CN3 là chỉ số đường cong thuộc điều kiện độ ẩm III cho đất dốc 5% và CN2 là chỉ số đường cong thuộc điều kiện độ ẩm III cho đất dốc 5% và slp là độ dốc trung bình của lưu vực tính bằng %. Trong mơ hình SWAT khơng sửa lại số đường cong theo độ dốc. Nếu người sử dụng muốn chỉnh lại số đường cong theo độ dốc, thì khi hiệu chỉnh trước hết cần phải đưa số đường cong đó vào file quản lý dữ liệu vào input.
Phương pháp thấm Green & Ampt tính tổng lượng dịng chảy
Phương trình Green & Ampt (Green & Ampt, 1911) được xây dựng để xác định lượng dòng chảy trên bề mặt sau khi đã khấu trừ tổn thất thấm tại mọi thời điểm. Phương trình giả thiết các tầng đất là đồng nhất và độ ẩm kỳ trước phân bố đều trong đất. Khi nước thấm vào trong đất, giả thiết đất ở tầng trên sau khi đã bão hòa sẽ tạo thành một bề mặt phân cách.
Hình 2.1. Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mơ phỏng theo phƣơng trình Green và Ampt và trong thực tế
Mein and Larson (1973) đã xây dựng một phương pháp xác định thời gian giữ nước dựa trên phương trình thấm Green & Ampt. Phương pháp xác định lượng mưa hiệu quả của Mein and Larson (1973) được dùng trong mơ hình SWAT để xác định dòng chảy mặt.
Tốc độ thấm theo Mein and Larson (1973) được xác định như sau:
t inf, v wf e t inf, F 1 K f (2.9) Trong đó:
finf là tỷ lệ thấm tại thời điểm t (mm/giờ) Ke là hệ số thấm thuỷ lực (mm/giờ)
wf là tiềm năng tại bề mặt phân cách (mm)
v là sự thay đổi thể tích ẩm qua bề mặt phân cách (mm/mm) Finf là lượng thấm luỹ tích tại thời điểm t (mm)
Khi cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm, tất cả lượng nước mưa rơi xuống sẽ bị thấm trong suốt quãng thời gian đó và lượng thấm trong thời đoạn này sẽ được tính như sau: t 1 t inf, t inf, F R F (2.10) trong đó:
Finf,t là lượng thấm luỹ tích tại bước thời gian tính tốn (mm)
Finf,t-1 là lượng thấm luỹ tích tại bước thời gian tính tốn trước (mm) Rt là lượng mưa trong bước thời gian tính tốn (mm)