(Niên giám thống kê các tỉnh năm 2010)
STT Tổng hợp chung Tổng cộng (ha) Nuôi trong ruộng (ha) Nuôi nước ngọt (ha) Nuôi trong ruộng (%) Nuôi nước ngọt (%) 1 Hà Nội 1.568 202 1.568 13 100 2 Vĩnh Phúc 3.728 850 3.728 23 100
3 Bắc Ninh 1.967 185 1.967 9 100
4 Bac Kạn 626 59 626 9 100
5 Thái Nguyên 2.796 47 2.796 2 100
6 Bắc Giang 2.002 86 2.002 4 100
Tổng cộng 12.687 1.428 12.687 11 100
Quá trình khai thác sử dụng đất thể hiện rõ nhất quan điểm phát triển của người quản lý. Đây cũng chính là nguồn gây ơ nhiễm chính cho tài nguyên nước trong lưu vực, những thông số về hiện trạng sử dụng đất sẽ là dữ liệu đầu vào quan trọng trong quá trình mơ phỏng các quá trình lan truyền ô nhiễm của mô hình SWAT.
3.1.2. Tình hình khai thác sử dụng tài nguyên nước lưu vực sông Cầu
Rất nhiều kế hoạch phát triển về kinh tế xã hội quan trọng đang được dự định tiến hành cho lưu vực sông Cầu. Tuy vậy, việc sử dụng tài nguyên nước trên khu vực này vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề:
- Phương thức khai thác, sử dụng và quản lý tài nguyên nước chưa hiệu quả, thiếu đồng bộ. Việc phân bổ tài nguyên nước chưa hợp lý, chưa đáp ứng được nhu cầu của các hộ dùng nước.
- Mâu thuẫn giữa nhu cầu dùng nước và lượng nước đến. Nhu cầu dùng nước ngày một tăng lên trong khi lượng nước đến khơng tăng mà cịn có xu hướng suy giảm về chất và lượng do sự khai thác không đi cùng với việc bảo vệ và phát triển bền vững tài nguyên nước.
- Tài nguyên đất đang được khai thác và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như phát triển công nghiệp, dịch vụ, thủy sản, chuyển đổi giống cây trồng và vật nuôi... cũng gây tác động rất lớn đến nguồn nước.
Vì vậy vấn đề nghiên cứu và đánh giá hiện trạng chất lượng nước là cấp bách. Tuy nhiên với quy mô nghiên cứu của luận văn Thạc sỹ, dữ liệu hạn chế nên Học viên tập trung nghiên cứu cho vùng thượng lưu thuộc tỉnh Bắc Kạn. Đây cũng là khu vực quan trọng vì nó cung cấp nước cho tồn bộ các hoạt động sinh hoạt cũng như kinh tế xã hội vùng hạ lưu.
3.2. Quy trình nghiên cứu
Hai chức năng chính của SWAT là: đánh giá chất lượng nước và đất tại khu vực nghiên cứu từ dữ liệu thực để thể hiện chất lượng môi trường của khu vực tương ứng với điều kiện địa hình, khí hậu và hiện trạng sử dụng đất tại thời điểm nghiên cứu, người ra quyết định sẽ có thơng tin để hỗ trợ cho việc xem xét, đánh giá và xây dựng các phương án quy hoạch sử dụng đất đó nhằm có sự cân đối, lựa chọn phương án quy hoạch tốt nhất.
Hình 3. 2. Sơ đồ quy trình nghiên cứu
Tài nguyên nước lưu vực sông Cầu là đối tượng nghiên cứu của đề tài, mục tiêu nghiên cứu sẽ xoay quanh việc đánh giá chất lượng nước của lưu vực với quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước mặt QCVN 08: 2008/BTNMT. Đầu vào của
mơ hình SWAT là DEM, thổ nhưỡng, hiện trạng sử dụng đất, điều kiện khí hậu, mơ hình sẽ xây dựng các điểm đầu ra, phân chia tiểu lưu vực, mô phỏng các q trình lan truyển chất ơ nhiễm và cho kết quả. Tiếp theo đó Học viên sẽ tiến hành đánh giá sự thích hợp và tin cậy của kết quả mơ hình với số đo thực tế và đưa ra những kết luận về hiện trạng chất lượng nước lưu vực nếu kết quả có độ tin cậy cao.
3.3. Xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào
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.
Ví dụ: phương pháp được lựa chọn để mơ hình khả năng bốc hơi trực tiếp và gián tiếp sẽ ứng dụng trên tất cả các đơn vị thủy văn. 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 mơ hình trong HRU. Tương tự với dữ liệu ở cấp HRUs.
3.3.1. Dữ liệu địa hình
Dữ liệu địa hình thể hiện bằng bản đồ số mơ hình độ cao (DEM - Digital Elevation Model). DEM là bản đồ dạng raster, được xác định dựa trên bản đồ đường đồng mức lấy từ bản đồ địa hình tỉ lệ 1:50 000.
Hình 3. 4. Mơ hình số độ cao lưu vực sông Cầu
3.3.2. Phân chia tiểu lưu vực
Mơ hình SWAT sử dụng dữ liệu đầu vào là DEM đế xác định các tiểu lưu vực. Dịng chảy của bề mặt ln đi theo hướng dốc mạnh nhất, khi đó ta có thể xác định được hướng dịng chảy của mỗi Pixel thơng qua việc so sánh giá trị của nó với 8 Pixel xung quanh.
Thơng tin này có thể được sử dụng để xác định ranh giới đầu nguồn và mạng lưới dòng chảy. Sơ đồ dưới đây cho thấy q trình xác định thơng tin thủy văn, chẳng hạn như ranh giới đầu nguồn và mạng lưới dịng, từ một mơ hình số độ cao.
Hình 3. 5. Quy trình phân chia tiểu lưu vực từ DEM
Trong quy trình này, mơ hình số độ cao được sử dụng để xác định hướng dịng chảy.
Hình 3. 6. Cách xác định hướng dòng chảy từ DEM
Để xác định phạm vi lưu vực sông, cần phải xác định điểm đầu ra. Thông thường, các điểm đầu ra là của sông, suối hoặc các điểm thuỷ văn quan tâm đặc biệt, chẳng hạn như là trạm đo. Sử dụng chức năng phân tích thủy văn, ta có thể chỉ định các điểm đổ, có thể sử dụng mạng lưới dòng chảy như các điểm đổ. Điều này sẽ tạo ra các lưu vực sông cho từng phân khúc dòng giữa các mối nối dòng. Để tạo ra mạng lưới dịng, trước tiên phải tính tốn dịng chảy tích luỹ cho mỗi Pixel.
Hình 3. 8. Tính tốn dịng chảy tích luỹ
Sau khi xác định dịng chảy tích lũy mơ hình sẽ xây dựng mạng lưới sông suối thông qua việc xác định ngưỡng giá trị của dịng chảy tích lũy. Cuối cùng xác định ranh giới lưu vực thông qua mạng lưới sông suối và xác định điểm đầu ra của lưu vực.
Hình 3. 9. Bản đồ phân chia tiểu lưu vực
3.3.3. Dữ liệu đất
(1) Các thông số đầu vào của đất trong mơ hình SWAT
Dữ liệu đất sử dụng trong SWAT được chia thành hai nhóm: đặc điểm vật lí và đặc điểm hóa học của đất.
Đặc điểm vật lí của đất sẽ ảnh hưởng đến q trình di chuyển của nước và khơng khí và có tác động đáng kể đến chu trình nước trong HRU. Đặc điểm hóa học đất được sử dụng để thiết lập ban đầu của hóa học đất. Trong khi, các thơng số về vật lí là điều bắt buộc thì các thơng số hóa học cho phép tùy ý có hoặc khơng. File dữ liệu đầu vào của đất chứa các đặc trưng vật lí đối với toàn bộ các lớp trong đất, tổng cộng có 19 thơng số.
Bảng 3. 4. Thơng số đầu vào của đất trong mơ hình SWAT, nguồn: [16]
Thơng số Mơ tả
TITLE/TEXT Dịng đầu tiên của file .sol là những ghi chú của người dùng. Động
rộng của chuỗi kí tự cho phép tối đa là 80 spaces.
SNAM Tên đất
HYDGRP Nhóm thủy văn đất (Soil hydrologic group): A, B, C, D.
SOL_ZMX Độ sâu cực đại của lớp đất trong phạm vi khảo sát (mm).
ANION_EXCL Hầu hết các chất khoáng trong đất đều mang điện tích âm ở pH trung tính và có sự tương tác giữa lớp điện tích ngồi cùng với các anion cùng dấu, đó là lực đẩy bề mặt của các hạt khống. Nếu khơng có số liệu thì mặc định giá trị ANION_EXCL là 0.5 (Neitsch et al., 2002a).
SOL_CRK Tỷ lệ thể tích lớn nhất khi bị nén/ tổng thể tích ban đầu
TEXTURE Kết cấu đất
SOL_Z(layer #) Độ dày của từng lớp đất (mm)
SOL_BD(layer #) Dung trọng của lớp đất (g/cm3)
SOL_AWC(layer #) Phạm vi nước hữu hiệu của đất (mm H2O/mm soil)
SOL_Ksat(layer #) Tốc độ dẫn nước bão hòa (mm/hr)
SOL_CBN(layer #) Hàm lượng Carbon hữu cơ (%)
CLAY(layer #) % thành phần sét (% theo khối lượng)
SILT(layer #) % thành phần thịt (% theo khối lượng)
SAND(layer #) % thành phần cát (% theo khối lượng)
ROCK(layer #) % thành phần đá (% theo khối lượng)
SOL_ALB(layer #) Suất phản chiếu (khơng có số liệu)
USLE_K(layer #) Hệ số xói mịn đất
SOL_EC(layer #) Độ dẫn điện (dS/m)
(a) Nhóm thủy văn đất (Soil hydrologic group - HYDGRP)
Trung tâm bảo vệ tài nguyên thiên nhiên Hoa Kỳ (U.S. Natural Resource Conservation Service - NRCS) dựa vào đặc điểm thấm hút của đất đã phân loại thành bốn nhóm theo thủy văn. Trong đề tài nghiên cứu đất của NRCS, Staff (1996) đã định nghĩa một nhóm theo thủy văn là một nhóm đất có sự tương đồng về khả năng xói mịn khi cùng chịu sự tác động từ thiên nhiên: bão lụt…trong cùng
điều kiện che phủ. Những ảnh hưởng của khả năng xói mịn phụ thuộc vào tốc độ thấm cực tiểu của đất trống chưa có che phủ sau thời gian đất bị ẩm ướt và đông băng kéo dài. Những đặc điểm của đất bao gồm: độ cao của mực nước ngầm, độ dẫn nước bão hịa, và độ sâu lớp đất có khả năng dẫn nước kém nhất. Cụ thể như sau:
Bảng 3. 5. Bảng ký hiệu nhóm thủy văn đất, nguồn: [16]
(b)Phân loại đất theo thành phần cơ giới - Kết cấu đất (TEXTURE)
Bảng 3. 6. Bảng kí hiệu kết cấu đất, nguồn: [16]
Nhóm STT Tên TEXTURE
Fine 1 Clay C
2 Sandy Clay SC
3 Silty Clay SiC
Medium 4 Clay Loam CL
5 Silty Clay Loam SiCL
6 Sandy Clay Loam SCL
7 Silt Si
8 Silty Loam SiL
Coarse 9 Loam L
10 Sandy Loam SL
11 Loamy Sand LS
12 Sand S
Loại đất Mô tả
A Loại đất có tốc độ thấm hút cao kể cả khi nó ở trạng thái ẩm ướt. Thường là những loại đất có hàm lượng cát, sỏi cao có khả năng xói mịn thấm.
B Loại đất có tốc độ thấm hút trung bình khi nó ở trạng thái ẩm ướt. Thường là những loại đất có hàm lượng hạt mịn và thơ cân bằng nhau.
C Loại đất có tốc độ thấm hút thấp khi nó ở trạng thái ẩm ướt. Là những loại đất có
hàm lượng hạt mịn nhiều có khả năng xói mịn cao.
D
Loại đất có tốc độ thấm hút rất thấp khi nó ở trạng thái ẩm ướt. Thường là những loại
đất có hàm lượng sét rất lớn, mực nước ngầm tĩnh thường xuyên cao, đó là đất thung
Hiện nay, có ba phương pháp phân loại: phương pháp của Mỹ cùng các nước phương Tây, phương pháp của Nga (Katrinski – Liên Xô cũ) và phương pháp cải biên của Việt Nam. Phương pháp phân loại theo Mỹ và các nước phương Tây trình bày dựa trên hình tam giác đều gồm 12 loại; 3 nhóm cấp hạt: sét, limon, cát được biểu thị ở 3 cạnh. Đỉnh tam giác tương ứng 100%. Từ đáy tam giác đến đỉnh được chia thành 10 hàng; mỗi hàng tương ứng 10%. Hàm lượng của 3 nhóm cấp hạt được biểu thị ở 3 đường thẳng song song với đáy tam giác. Theo điểm giao nhau của 3 đường thẳng trong tam giác sẽ biết được loại đất cần tìm.
Hình 3. 10. Phân loại thành phần cơ giới theo tam giác đều [19] Bảng 3. 7. Bảng phân loại về kích thước của thành phần cơ giới đất [16]
Tên gọi Kích thước nguyên tố cơ học (mm)
Sỏi (ROCK) > 2 Cát (SAND) Thơ Trung bình Mịn Limon - cát 2.0 – 0.5 0.5 – 0.2 0.2 – 0.05 0.05 – 0.02
Limon (SILT) Thô
Mịn
0.02 – 0.002
(c) Dung trọng của lớp đất (SOL_BD)
Trong một khối hoặc một phân tố đất gồm có 3 pha: rắn, lỏng, khí, 3 pha này trộn lẫn với nhau một cách tự nhiên.
Hình 3. 11. Sơ đồ 3 pha
Dung trọng đất được biểu diễn thông qua cơng thức sau: VMsb=ρ
Trong đó: ρ
b : dung trọng của đất (g/cm3) M
s : khối lượng pha rắn (g) V : tổng thể tích phân tố đất (cm 3 ) V = V a + V w + V s
(d) Phạm vi nước hữu hiệu của đất (SOL_AWC) (mm H2O/mm soil)
Nước trong đất trên giới hạn độ cây héo sẽ đáp ứng nhu cầu phát triển của cây trồng, đồng thời hàm lượng khơng khí trong đất tối thiểu phải đạt 10% so với thể tích đất. Hàm lượng nước trong đất từ giới hạn độ cây héo đến độ trữ ẩm cực đại gọi là phạm vi nước hữu hiệu của đất. Phạm vi nước hữu hiệu càng rộng, càng tạo điều kiện thuận lợi cho cây trồng phát triển.
AWC = FC – WP V : tổng thể tích phân tố đất V a : thể tích khí V w: thể tích nước V s : thể tích rắn
M : tổng khối lượng phân tố đất M
a : khối lượng khí M
w: khối lượng nước M
Trong đó:
AWC: phạm vi nước hữu hiệu (mmH
2O/mm soil) FC: độ trữ ẩm cực đại đồng ruộng
WP: độ ẩm cây héo
Độ trữ ẩm cực đại đồng ruộng: dạng nước này có nhiều tên gọi khác nhau: “Độ trữ ẩm bé nhất” (Rode, 1952, 1963, 1969); “Độ trữ ẩm giới hạn” (Rozov, 1963; Astapov, 1943); “Độ trữ ẩm đồng ruộng” (Bleney, Taylor 1932); “Độ trữ ẩm chung” (Katrinski, 1970); “Độ trữ ẩm giới hạn đồng ruộng” (Ulaxevic). Có nhiều tác giả gọi là “Độ trữ ẩm mao quản” hay “Sức chứa nước tối đa”…Tuy bằng nhiều tên gọi khác nhau nhưng bản chất của chúng là một. Đó là lượng nước lớn nhất mà đất giữ lại được (trong trường hợp đất được bão hòa nước) sau khi nước trọng lực đã rút chảy, khơng có hiện tượng bốc hơi và khơng có hiện tượng dâng mao quản từ dưới mạch nước ngầm lên.
Ở đây, cần phân biệt 2 khái niệm “độ trữ ẩm” và “độ ẩm”. Độ trữ ẩm là sức chứa nước thể hiện khả năng giữ (chứa) nước của đất. Các loại đất khác nhau, khả năng giữ (chứa) ẩm sẽ khác nhau. Độ trữ ẩm là một hằng số nước, còn độ ẩm là một biến số, trị số này thay đổi phụ thuộc vào thời tiết, thời gian…
(e) Tốc độ dẫn nước bão hòa (SOL_K
sat)
Tốc độ dẫn nước bão hòa liên quan đến tốc độ dòng chảy của nước trong đất và gradient dòng chảy và được đo bằng sự di chuyển tự do của nước xuyên qua đất. K
sat là sự tương quan giữa khả năng chống thấm của tầng đá mẹ và dòng nước.
(f) Hệ số xói mịn đất (USLE_K)
K là yếu tố xói mịn của đất được tính tốn dựa trên nghiên cứu của Wischmeier, Johnson và Cross vào năm 1971. K là thước đo độ xói mịn đất trong điều kiện tiêu chuẩn trên một đơn vị thửa đất có chiều dài là 72.6 ft (22.13 m) có độ dốc 9% (50), có cách làm đất canh tác giống nhau.
Hình 3. 12. Bảng tra hệ số xói mịn của đất (Wischmeier, Johnson 1971)
Yếu tố K thể hiện cả sự nhạy cảm ở xói mịn đất do mưa và dòng chảy bề mặt, khi đo đạc dưới điều kiện đơn vị thửa đất chuẩn. Những tính chất đất chính ảnh hưởng đến nhân tố K: sa cấu đất, chất hữu cơ, cấu trúc và độ thấm của phẫu diện đất. Kết quả khảo sát từ mảnh đất chuẩn cho thấy những đất có hàm lượng sét cao thì có giá trị K thấp, khoảng 0.05 – 0.15, bởi khả năng kháng cao, những loại đất có cấu trúc thơ như đất cát cũng có giá trị K thấp khoảng 0.05 - 0.2 bởi dòng chảy mặt thấp dù là chúng có độ kháng tách yếu. Những đất có cấu trúc trung bình như đất thịt có giá trị K trung bình khoảng 0.25 - 0.4, những đất có hàm lượng bột cao dễ bị xói mịn hơn, bởi chúng có khả năng kháng xói thấp, hạt đất dễ bị tách khỏi mặt đất và có chiều hướng hình thành lớp vỏ cứng, giá trị K lên đến 0.4.
Chất hữu cơ làm hạn chế khả năng xói mịn nhờ tính thấm, tính kết dính các hạt đất và hấp thụ cao của chúng. Do đó, sự thêm vào đất chất hữu cơ thông qua thảm mục tự nhiên hoặc bón phân hữu cơ góp phần hạn chế xói mịn.
(2) Qui trình xử lí số liệu đất diễn ra như sau:
Hình 3. 14. Bản đồ đất