Chỉ số Trị số Đánh giá mức độ mô phỏng
chỉ số Nash Sutcliffe 0,82 Tốt
Kiểm định mơ hình:
Các tham số của mơ hình nhận được từ kết quả hiệu chỉnh được giữ nguyên để thực hiện kiểm định mơ hình. Các số liệu quan trắc từ năm 2002 – 2008 được sử dụng để kiểm định. Kết quả kiểm định cho chỉ số Nash-Sutcliffe là 0,75 và RECQM là 1,17 m3/s , đạt mức độ mô phỏng tốt.
2.2.2. Mơ hình xói mịn lưu vực RUSLE
a) Cơ sở lý thuyết của mơ hình RUSLE
Trong mơ hình GIBSI, q trình xói mịn do mưa và dịng chảy được mơ tả bởi phương trình xói mịn của Wiliams [1] (RUSLE – Revised Universal Soil Loss Equation) có dạng tổng quát như sau:
A = R.K.LS.C.P
Trong đó:
A là khối lượng xói mịn trung bình năm R là hệ số xói mịn do mưa
K là hệ số xói mịn do kết cấu đất LS là hệ số xói mịn do địa hình
C là hệ số xói mịn do thảm phủ thực vật P là hệ số xói mịn do kỹ thuật canh tác.
b) Các thơng số cơ bản của mơ hình RUSLE:
Hệ số xói mịn do mưa (R) được xây dựng theo công thức của Nguyễn Trọng Hà (1996):
R = 0,548257P -59,5
Với R là hệ số xói mịn mưa trung bình năm (J/m2 )
P là lượng mưa trung bình năm (mm/năm). Lượng mưa trung bình năm được tính tốn bằn phương pháp nội suy Natural Neighbor cho phép nội suy giá trị mưa cho tồn lưu vực tương đối chính xác.
Hệ số xói mịn do kết cất đất (K) là hệ số phụ thuộc nhiều vào thành phần cơ lý của đất, quan trọng nhất là kích thước hạt, tương quan giữa các thành phần khác
nhau trong đất cũng như kết cấu đất và khả năng thẩm thấu của nó. Cơng thức tính hệ số K được Wischmeier đưa ra:
K =2,1.10-4.M1,14(12-OS) +(3,25 (A-2) +2,5(D-3))
Trong đó:
K là hệ số xói mịn của đất (T/ acre.1000.foot.tonf.inch.acre-1.h-1)
M là trọng lượng cấp hạt (trọng lượng theo đường kích cấp hạt). M được xác định theo công thức:
(%)M = (%limon + % cát mịn) (100% -% sét)
OS : là hàm lượng chất hữu cơ trong đất (%)
D : là hệ số phụ thuộc và khả năng tiêu thấm của đất
A : là hệ số phục thuộc vào dạng hình, sắp xếp và loại kết cấu đất.
Hệ số địa hình LS
Độ dài và độ nghiêng của sườn dốc ảnh hướng đến q trình xói mịn.Các tham số để tính tốn LSi là : (Li) độ dài của sườn dốc và θ là độ nghiên của sườn dốc trên đơn vị diện tích. Độ dài của sườn (Li) được tính trực tiếp từ GIS, cịn độ nghiêng của sườn thì tính qua mơ hình độ cao (DEM).
Với mỗi đơn vị diện tích, có thể tính tốn giá trị (LS) qua mối quan hệ theo McCool ( 1987 và 1989) là : Với θi< 9% (< 5,1428°): LSi= (l/22,13)m(10,8 sinθi+0,03) ( Và với θi ≥ 9% ( ≥ 5,1428°): LSi=(l/22,13)m(16,8sinθi-0,5) Trong đó:
LSi: yếu tố địa hình trên một đơn vị diện tích l: độ dài của sườn dốc trên một đơn vị diện tích(m)
θ: độ dốc trung bình của sườn trên một đơn vị diện tích (°)
Hệ số xói mịn do thảm phủ thực vật (C)
Giá trị tham số của lớp phủ thực vật được xác định theo loại đất được liệt kê trên mỗi RHHU, với mỗi hệ thống quản lý nông nghiệp và mỗi thời kỳ phát triển của thực vật trong năm. Wischmeier và Smith (1978) đưa ra bảng tương ứng thể hiện giá trị (Cp) trong một số thời kỳ trong năm.
Mơ hình xói mịn đưa ra tính tốn với 5 thời kỳ: cầy cấy, gieo hạt, hình thành, sinh trưởng và phát triển, ra hoa quả và thu hoạch. Sự xác định các ngày và liên kết với những hoạt động nông nghiệp được biểu hiện đồng thời với mơ hình vận chuyển đất ơ nhiễm.
Ngày bắt đầu khoảng thời gian tính(TCp), các giá trị theo ngày của hệ số C (Cji) thì được ước tính từ giá trị Cpi theo cơng thức sau:
Cji= Cpi + FPOS ( C(p+1)i – Cpi)
Với: FPOS = ( JO-TCp)/ (TC(p+1) – TCp) Cji: giá trị ngày của C trên phần tử i
Cpi: giá trị trong một thời kỳ p của C trên phần tử i p: thời kỳ p từ 1 đến 5
JO: số ngày định lượng (1-365)
TCp: ngày bắt đầu khoảng thời gian tính (p)
Ngồi ra hệ số C có thể tính tốn dựa trên chỉ số NDVI của thảm phủ thực vật (Van der Knijff (2000)).
Tính tốn hệ số xói mịn do kỹ thuật canh tác P
Hệ số P được xác định như là tỷ số giữa lượng đất mất từ khu đất có biện pháp canh tác bảo vệ đất với khu đất tương ứng khi khơng có biện pháp bảo vệ (Wischmeier & Smith, 1978). Hệ số P đặc trưng cho mức độ giảm xói mịn do các biện pháp canh tác bảo vệ đất. Rõ ràng với canh tác mà luống được trồng theo hướng đường đồng mức sẽ giảm thiểu xói mịn so với các biện pháp canh tác có luống theo hướng sườn.
Bảng 2.6: Giá trị hệ số xói mịn ( Bernard 1990) Kỹ thuật canh tác (làm đất) Độ dốc <2% <7% <12% >12% Theo sườn dốc 1 1 1 1 Ngang sườn dốc 0.75 0.8 0.9 1
Mỗi giá trị của Pji sẽ phân định mỗi hệ thống quản lý lưu vực.
Điểm đáng chú ý là yếu tố C và P là các yếu tố đặc biệt trong việc mô phỏng kịch bản nông nghiệp và khả năng ảnh hưởng đến sự xói mịn của đất, chủ yếu dựa trên những loại hình canh tác, thời gian hoạt động nơng nghiệp.
Tính tốn lượng xói mịn đất
Xói mịn đất trên tồn lưu vực được tính bằng cách chia lưu vực ra thành nhiều phần nhỏ ( phần tử) và ước tính hệ số xói mịn Ai qua mỗi ngày dựa trên những yếu tố được trình bày trước đây:
Aji =Rji Kji LSji Cji Pji
Lượng đất xói mịn được tạo ra theo ngày trên một phần tử ( đơn vị là tấn) được thể hiện là:
EROSTji= AjiSj
EROSTji: lượng xói mịn theo ngày trên diện tích của phần tử i (t/ha) Aji: tỉ lệ xói đặc thù theo ngày trên một đơn vị diện tích (t/ha/ngày) Si: diện tích bề mặt của phần tử i (ha)
Khả năng vận chuyển
Lượng vật chất do xói mịn có thể được vận chuyển xuống dưới hạ lưu tùy thuộc vào đặc tính của lịng dẫn bề mặt và vật liệu xói mịn. Khi lượng vật chất xói tạo ra từ đất ( EROSTji) vượt qua ngưỡng của lịng dẫn, sẽ có lượng trầm tích bị giữ lại. Nhìn chung, vấn đề là so sánh khả năng vận chuyển của dịng chảy với lượng vật chất xói được tạo ra nhằm xác định cơ chế là vận chuyển hay lắng đọng.
Tác giả Finkner (1989) đưa ra phương pháp đơn giản đánh giá khả năng vận chuyển từ việc thay đổi phương trình vận chuyển của Yalin (1963). Phương pháp được đưa ra dựa trên lực ma sát giữa lòng dẫn bề mặt với vật liệu xói mịn. Khả năng vận chuyển trong ngày của phần tử I được tính theo phương trình:
Tji = Kt 5 , 1 1000 tan pgQji i
Kt là hệ số vận chuyển phụ thuộc lịng dẫn và loại đất. Khối lượng trầm tích ( tấn ) có thể vận chuyển là:
CTSji = TjiWri( ) = TjiWri(86,4) CTSji: lượng vận chuyển theo ngày trên phần tử I ( tấn/ ngày) Tji: lượng vận chuyển theo ngày trên phần tử (kg/m s)
Wri: độ rộng của lòng dẫn trên phần tử (m)
Độ rộng của lòng dẫn liên quan tới độ rộng của lịng sơng giả định trên một phần tử. với cách này cho chúng ta thấy mối quan hệ thủy động lực lịng sơng (Ferguson 1986). Phương trình dưới đây ước tính độ rộng của lịng dẫn:
Wri = n(QJO)j°
QJOi: lưu lượng trung bình theo ngày trên phân tử i (m3 /s) Wri: độ rộng của lòng dẫn đến phân tử i (m)
n, o: hệ số điều chỉnh
Leclerc và Lapointe(1994) đã thực nghiệm hình thái thủy độnglực của dịng chảy tại vị trí xác định ở vùng Bois-Francs phía nam Quebec và chỉ ra mối quan hệ đầu vào của lưu lượng trung bình năm (Qm) và độ rộng lòng dẫn (W) từ việc đo thực nghiệm tại một số điểm quan trắc. Mối quan hệ này thể hiện dưới công thức sau:
W= 15,42Qm0,51, r2=91,8% (2.41) Với hệ số n= 15,42 và o= 0,51.
Tiếp theo, khả năng vận chuyển (CTSji) được so sánh với lượng vật liệu xói nhằm xác định lượng vận chuyển vật liệu xuống hạ lưu ( PSOLji):
Nếu EROSTji ≥ CTSji thì PSOLji = CTSji Nếu EROSTji ≤ CTSji thì PSOLji = EROSTji
2.2.3. Mơ hình ơ nhiễm nơng nghiệp SWAT và EPIC
a) Cơ sở lý thuyết của mơ hình SWAT và EPIC
GIBSI sử dụng phối hợp các mơ hình trong SWAT và EPIC để tính tốn ơ nhiễm nguồn nước do các hoạt động nông nghiệp. Mô phỏng về ô nhiễm do hoạt động nơng nghiệp trong lưu vực có thể được tách ra thành hai phần chính: các q trình diễn ra trong đất và phần diễn toán các chất dinh dưỡng và thuốc trừ sâu trong lưu vực.
Trong trận mưa, lớp nước chảy trên bề mặt có thể được hình thành và kéo theo là các q trình hóa lý sẽ xảy ra trên bề mặt đất. Một phần nước mưa sẽ thấm xuống đất và một phần khác thì chảy trên bề mặt. Phần thấm sâu xuống đất và một phần phản ứng với lớp đất mỏng trên mặt trước khi tham gia dòng chảy trên bề mặt. Bề dày lớp đất tương tác với nước mưa dày khoảng 10 – 25mm. Nước mưa tương tác với lớp đất có thể kéo theo các chất dinh dương và TBVTV trong lỗ rỗng của đất bằng các làm tan các thành phần tan được và lấy đi một phần chất dinh dưỡng và TBVTV đã bị đất hấp thu.
Dưới tác động của các giọt mưa, một số hạt đất sẽ bị rời ra. Một phần các hoạt đó được vận chuyển theo dịng mặt trong khi một phần lại bị lắng đọng dọc theo sườn dốc. Phân bố kích thước của các hạt bị xói được đặc trưng bởi các thành phần của đất, các chất hữu cơ cũng như các hạt khác có trong đất. Một vài dạng nitơ, phốt pho và TBVTV có ái lực lớn với đất sét, vì vậy lượng nitơ, phơt pho, TBVTV trong phần vật chất bị xói mịn thường lớn hơn phần ở trên mặt đất. Nồng độ nitơ, phốt pho và TBVTV hòa tan trong lớp nước mặt phụ thuộc vào cân bằng hóa học giữa các chất đó với các chất bị hấp thụ bởi các hạt bị xói.
b) Các thơng số cơ bản của mơ hình SWAT và EPIC
Mơ hình ô nhiễm nông nghiệp được xây dựng trên cơ sở các số liệu sau : - Bản đồ thảm phủ lưu vực.
- Số lượng vật nuôi
- Số liệu về thời vụ, luân canh cây trồng, hàm lượng nitơ và phot pho trong đất trồng, nhu cầu phân bón cho các loại cây trồng
Mơ hình ơ nhiễm nơng nghiệp được hiệu chỉnh và kiểm định căn cứ vào nồng độ các chất N và P được đo tại 03 trạm trên sông Cầu (Gia Bảy, Thần Sa, Thác Riềng). Do số liệu về chất lượng nước rất hạn chế, không liên tục, chỉ thu được trong một số đợt khảo sát hàng năm. Ngồi ra chất lượng nước là một tham số có tính khơng ổn định cao, phụ thuộc vào các điều kiện tức thời và lân cận (lượng thải tức thời, mưa cục bộ, ...), do đó việc hiệu chỉnh mơ hình một cách hệ thống là rất khó khăn. Ở đây mơ hình được hiệu chỉnh dựa trên phương pháp thử sai và kết quả phân tích độ nhạy các tham số. Kết quả hiệu chỉnh thu được các tham số liên quan đến chu trình Nitơ và Phốt pho bao gồm:
- Hệ số oxi hóa amoniac CoNH3Oxy = 0.5 [1/ngày] - Hệ số oxi hóa nitrit CoNO2Oxy = 1 [1/ngày]
- Hệ số ức chế nitrat hóa CoNH2Inh = 10 (phi thứ nguyên) - Tốc độ chìm lắng Phốt pho hữu cơ TePOrgDep = 10 [m/ngày]
Kết quả hiệu chỉnh cho các năm 2004 – 2006 tại Gia Bảy, quá trình lựa chọn các phương án được căn cứ vào sự phù hợp tốt nhất giữa q trình mơ phỏng và các số liệu thực đo. Quá trình kiểm định được thực hiện cho năm 2007 – 2008, kết quả cho thấy sự phù hợp tương đối giữa nồng độ thực đo và kết quả mơ phỏng.
2.2.4. Mơ hình chất lượng nước QUAL2E
a) Cơ sở lý thuyết của mơ hình QUAL2E
Phần mềm Qual2E được xây dựng trên cơ sở phương trình vi phân bậc nhất do Steeter-Phelps lập ra, mơ phỏng dịng chảy 1 chiều trong hệ thống kênh sông . Mơ hình đang được sử dụng rộng rãi tại Mỹ và nhiều nước trên thế giới phục vụ nghiên cứu ảnh hưởng của những chất ô nhiễm thơng thường đến chất lượng nước sơng( ví dụ: mơ hình hóa chất lượng nước sông San Juan, bang Utah, Mỹ...)
QUAL2E là mơ hình 1 chiều đơn giản mơ phỏng các q trình vận chuyển và xáo trộn cơ bản trong sơng. Mơ hình rất thích hợp để mơ phỏng các điều kiện thủy văn và chất lượng nước của sơng suối nhỏ. Mơ hình này được sử dụng rộng rãi để dự đoán hàm lượng tải trọng của các chất thải cho phép thải vào sơng. Mơ hình cho phép mô phỏng 15 thành phần thông số chất lượng nước sông bao gồm nhiệt độ,
BOD5,DO, tảo dưới dạng chlorophyl, nitơ hữu cơ (Norg), nitrit ( N-NO2), nitrat (N- NO3-), phốt pho hữu cơ (Porg), phốt pho hoà tan, coliform và 3 thơng số khác ít biến đổi trong nước.
QUAL2E được xây dựng dựa trên ngơn ngữ lập trình fortran và ứng dụng Vba tích hợp trên Microsoft Excel.
Cơ sở của phương pháp là hệ phương trình thủy lực, ổn định một chiều. Hệ phương trình thủy lực Saint – Venant một chiều từ hệ phương trình tính được cân bằng thủy lực. Hệ phương trình phát tán ( . ) ( . ) j j j j j C
div u C div D gradC R
t
Từ đó ta tìm được phương trình cơ bản của mơ hình:
( . ) ( . ) j j x j L j C C u C D R t x x x
Trong mơ hình, hệ thống sơng được phân chia thành các đoạn sơng có cùng những đặc trưng thuỷ lực như: độ dốc, độ rộng đáy v.v. Các đoạn sông được đánh số theo thứ tự tăng dần bắt đầu từ đầu nguồn của sơng chính. Các điểm nguồn và điểm rút nước có thể ở bất kỳ vị trí nào trên sơng (Hình 2.6)
Hình 2.8: Cách phân đoạn của QUAL2E cho sông đơn
Đối với sơng có các nhánh nhập lưu, các đoạn sơng được đánh số như trong hình 2.7.
Hình 2.9: Cách phân đoạn của QUAL2E cho sơng có nhánh
1 2 3 4 5 6 8 7
Rút nước phi điểm Nguồn điểm
Nguồn điểm Điểm rút nước
Điểm rút nước
Nguồn điểm Nguồn phi điểm
19 18 17 16 19 18 17 16 1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 20 28 27 26 21 29 20 28 27 26 21 29 12 15 14 13 12 15 14 13 8 7 6 8 7 6 9 11 10 9 11 10 24 23 22 25 HW#1 HW#2 HW#3 HW#4 Sơng chính Trib 1 Trib 2 Trib 3 Biên thượng lưu
Mỗi đoạn sông lại được phân chia thành các phần tử tính tốn có độ dài bằng nhau (Hình 2.9). Tất cả các đoạn sơng phải bao gồm số phần tử tính tốn phải là một số nguyên.
Có 7 loại khác nhau của phần tử tính tốn. Phần tử đầu nguồn (1) phần tử chuẩn (2) phần tử ngược dòng từ một chỗ nối (3) phần tử nối (4) phần tử cuối trong hệ thống (5) phần tử vào (6) phần tử ra.
Tính chất thủy lực, hằng số tốc độ phản ứng, điều kiện ban đầu và dữ liệu để tính tốn các phần tử cũng giống như trong một đoạn sơng.
Hình 2.10: Chia đoạn sơng thành các phần tử.
Phương trình cân bằng dịng chảy cho mỗi đoạn sơng trong mơ hình:
i out i in i i Q Q Q Q 1 , , Trong đó
Qi là lượng chảy ra từ đoạn i vào đoạn i + 1 [m3/d]
Qi–1 là lượng chảy vào từ đoạn i – 1 [m3/d]
Qin,i là tổng lượng chảy vào đoạn i từ nguồn điểm và nguồn phi điểm [m3/d]
n = 4 n = 4
Qout,I là tổng lượng chảy ra từ phần tử đó đến điểm rút nước [m3/d].
Vì vậy, lượng chảy ra từ đoạn i chỉ là sự chênh lệch giữa lượng vào và nguồn nước tăng thêm trừ đi lượng chảy ra mất mát.
Hình 2.11: Cân bằng dòng chảy
Tất cả các nguồn vào, nguồn ra của các biến được mơ tả như hình dưới đây:
Hình 2.12: Các quá trình động học và chuyển tải của các biến trong mơ hình
b) Các thơng số cơ bản của mơ hình QUAL2E
Ngồi các số liệu đầu vào như điều kiện ban đầu, điều kiện biên, các nguồn thải điểm, các dữ liệu đầu vào của mơ hình QUAL-GIBSI được liệt kê ở bảng sau: