- Trang Chủ
- Môi trường
- Áp dụng mô hình SWAT để đánh giá chế độ bùn cát trên lưu vực sông Công, Thái Nguyên
Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẾ ĐỘ BÙN CÁT
TRÊN LƯU VỰC SÔNG CÔNG, THÁI NGUYÊN
Nguyễn Việt Anh
Trường Đại học Thủy lợi, email: vietanh_fwrs@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG hiện nhiệm vụ này, mô hình SWAT là mô
hình được sử dụng rộng rãi và thành công
Sông Công bắt nguồn từ vùng Đèo Khế,
trong công tác mô phỏng, đánh giá tài nguyên
tỉnh Thái Nguyên, chảy theo hướng Tây Bắc
đất, nước cho nhiều lưu vực trên thế giới cũng
- Đông Nam và nhập lưu vào sông Cầu tại
như ở Việt Nam. Trong nghiên cứu này, mô
cầu Đa Phúc. Sông có diện tích lưu vực
hình SWAT với bộ thông số thủy văn đã được
khoảng 869km2 và chiều dài khoảng 100km.
hiệu chỉnh và kiểm định thành công trong mô
phỏng chế độ dòng chảy (Anh N. V., 2015) sẽ
Định Hóa
được tiếp tục hiệu chỉnh và kiểm định khả
năng của mô hình trong mô phỏng, đánh giá
Điềm Mạc
chế độ bùn cát trên lưu vực sông Công.
Trạm khí tượng
Trạm thủy văn
Cao độ (m)
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
1576
Sông, suối
Ranh giới lưu vực
2.1. Mô hình SWAT
6
Ranh giới tiểu lưu vực
Mô hình SWAT là mô hình vật lý liên tục
Đại Từ
mô phỏng các quá trình tự nhiên xảy ra trên bề
Thái Nguyên
Tân Cương
mặt lưu vực. Mô hình sử dụng các số liệu phân
Kỳ Phú bố theo không gian như địa hình, thổ nhưỡng,
loại hình sử dụng đất, quản lý và bảo vệ đất,
điều kiện khí hậu để mô phỏng dòng chảy, xói
mòn và vận chuyển bùn cát, hàm lượng dinh
km
dưỡng, hàm lượng thuốc trừ sâu trong phạm vi
lưu vực. Trong mô hình, quá trình xói mòn và
Hình 1. Bản đồ vị trí vùng nghiên cứu vận chuyển bùn cát được mô phỏng cho từng
đơn vị thủy văn theo phương trình mất đất phổ
Trong những năm gần đây cùng với sự phát dụng sửa đổi MUSLE (Williams, 1975). Trong
triển của nền kinh tế và dân số tăng nhanh, các khi phương trình mất đất phổ dụng USLE coi
hoạt động sản xuất bừa bãi, thiếu khoa học mưa là năng lượng gây xói mòn thì MUSLE
cùng với các hoạt động phá rừng ngày càng sử dụng năng lượng của dòng chảy để mô
trở nên phổ biến đã gây ra những tác động tiêu phỏng xói mòn và tải lượng bùn cát. Với sự
cực đến trữ lượng và chất lượng nguồn nước thay đổi này độ chính xác của quá trình mô
mặt trên địa bàn. Trước thực trạng nói trên, phỏng được cải thiện và tải lượng bùn cát
công tác đánh giá tài nguyên đất, nước cần tương ứng với từng trận mưa lớn sẽ được tính
được thực hiện để đề xuất các giải pháp bảo toán. Kết quả mô phỏng tổng lượng dòng chảy
vệ nguồn tài nguyên đất, nước đóng vai trò vô mặt và đỉnh lũ từ quá trình mô phỏng thủy văn
cùng quan trọng đối với sự phát triển bền trên lưu vực sẽ được sử dụng để tính toán năng
vững của vùng. Trong nhiều mô hình thủy lượng gây xói. Trong phương trình này yếu tố
văn, chất lượng nước đã được sử dụng để thực canh tác sẽ được tính toán liên tục theo thời
341
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
đoạn ngày dựa vào khối lượng sinh học và CH_COV1, CH_COV2 và SPEXP được điều
hàm lượng mùn trên bề mặt đất. Một số yếu tố chỉnh giá trị đến cận trên của khoảng giá trị
khác như yếu tố địa hình, bảo vệ đất, tính chất để mô phỏng chính xác quá trình vận chuyển
vật lý của đất sẽ được phân tích, đánh giá theo bùn cát trong hệ thống sông suối.
Wischmeier and Smith (1978).
Bảng 1. Hiệu chỉnh thông số mô hình
2.2. Số liệu đầu vào Giá trị mặc định Phạm vi điều chỉnh
Thông số Hiệu chỉnh
(chưa hiệu chỉnh) Cận dưới Cận trên
Số liệu đầu vào để xây dựng mô hình cho RICE: 0.03 0.01 0.5 RICE: 0.01
vùng nghiên cứu gồm các bản đồ cao độ địa FRSE: 0.001
USLE_C FRST: 0.001
0.001
0.001
0.5
0.5
FRSE: 0.001
FRST: 0.001
hình, sử dụng đất và thổ nhưỡng trên lưu vực RNGB: 0.001
TEAC: 0.001
0.001
0.001
0.5
0.5
RNGB: 0.001
TEAC: 0.001
sông Công ở dạng dữ liệu GIS có độ phân RICE, độ dốc 0-5%: 1.00 0.4 1 RICE, độ dốc 0-5%: 0.4
RICE, độ dốc >5%: 1.00 0.5 1 RICE, độ dốc >5%: 0.5
giải 90m. Để thực hiện quá trình mô phỏng, FRSE: 1.00 0.1 1 FRSE: 0.1
lưu vực được chia thành 10 tiểu lưu vực và USLE_P FRST: 1.00
RNGB: 1.00
0.2
0.3
1
1
FRST: 0.2
RNGB: 0.3
242 HRUs. Chuỗi tài liệu khí tượng cho giai TEAC, độ dốc 0-5%: 1.00
TEAC, độ dốc >5%: 1.00
0.3
0.4
1
1
TEAC, độ dốc 0-5%: 0.3
TEAC, độ dốc >5%: 0.4
đoạn hiệu chỉnh và kiểm định mô hình bao SPCON 0.0001 0.0001 0.01 0.0001
gồm: (1) tài liệu mưa ngày từ 5 trạm khí SPEXP 1 1 1.5 1.2
CH_COV1 0 -0.05 0.6 0.60
tượng; (2) tài liệu nhiệt độ không khí, tốc độ CH_COV2 0 -0.001 1 1.00
gió, độ ẩm không khí tương đối ngày tại và
tài liệu bức xạ mặt trời tháng từ 2 trạm Thái Với cả hai giai đoạn hiệu chỉnh và kiểm
Nguyên và Định Hóa. Số liệu tổng lượng bùn định mô hình, mô hình chưa hiệu chỉnh đều mô
cát hàng năm đo đạc cho giai đoạn từ năm phỏng tổng lượng bùn cát lớn hơn so với số
1961 đến 1975 tại trạm thủy văn Tân Cương liệu đo đạc, trong khi đó mô hình kiểm định có
được sử dụng để hiệu chỉnh, kiểm định khả kết quả mô phỏng tốt hơn. Đánh giá này được
năng mô phỏng chế độ bùn cát trên lưu vực thể hiện ở giá trị NSE = 0,88 và R2 = 0,92 cho
sông Công của mô hình. giai đoạn hiệu chỉnh; NSE = 0,87 và R2 = 0,9
cho giai đoạn kiểm định (hình 2). Tham chiếu
2.3. Đánh giá mô hình với kết quả nghiên cứu của Moriasi, 2007, mô
Các chỉ tiêu thống kê được sử dụng để hình SWAT đã mô phỏng rất tốt tổng lượng
đánh giá khả năng mô phỏng chế độ bùn cát bùn cát năm trên lưu vực sông Công.
của mô hình theo thời đoạn năm gồm có hệ
số hiệu quả mô phỏng Nash-Sutcliffe (NSE)
và hệ số xác định (R2).Giá trị NSE nằm trong
R2 = 0.92
Tổng lượng bùn cát
Mô phỏng (103 ×Tấn)
NSE = 0.88
(103 ×Tấn)
khoảng từ –∞ đến 1 và giá trị của R2 nằm
trong khoảng từ 0 đến 1. Giá trị NSE và R2
càng lớn chứng tỏ rằng mức độ mô phỏng
chính xác của mô hình càng cao. (a) Đo đạc (103 ×Tấn)
Năm
R2 = 0.9
Tổng lượng bùn cát
Mô phỏng (103 ×Tấn)
NSE = 0.87
3. KẾT QUẢ
(103 ×Tấn)
3.1. Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình
Mô hình được hiệu chỉnh với 6 thông số (b) Năm Đo đạc (103 ×Tấn)
liên quan đến quá trình mô phỏng xói mòn
trên bề mặt lưu vực và vận chuyển bùn cát Hình 2. Kết quả (a) hiệu chỉnh
trên sông (Bảng 1). Ngoại trừ thông số và (b) kiểm định mô hình
SPCON, các thông số còn lại đều được hiệu 3.2. Đánh giá xói mòn trên lưu vực
chỉnh giá trị nhằm tăng hiệu quả mô phỏng
bùn cát của mô hình. Thông số USLE_C và Theo Hình 3, tải lượng bùn cát tháng từ
USLE_P được điều chỉnh giá trị đến cận dưới lưu vực có giá trị lớn thường xuất hiện tương
của khoảng giá trị để mô phỏng phù hợp quá ứng với với thời điểm xuất hiện lượng dòng
trình xói mòn trên bề mặt lưu vực. Thông số chảy mặt lớn trong những tháng mùa mưa.
342
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2019. ISBN: 978-604-82-2981-8
Lượng bùn cát Lượng dòng chảy mặt độ xói mòn đất ở mức thấp. Loại hình sử
dụng đất RNGB có tốc độ xói mòn trung bình
Lượng dòng chảy mặt tháng (mm)
ở tất cả các loại thổ nhưỡng và độ dốc địa
Lượng bùn cát tháng (Tấn)
hình lớn. Loại hình sử dụng đất RICE có tốc
độ xói mòn nhẹ đối với hầu hết các loại thổ
nhưỡng và độ dốc thấp. Tuy vậy, loại hình sử
dụng đất này ở độ dốc địa hình lớn hơn 5%
sẽ có tốc độ xói mòn từ trung bình đến mạnh.
Phân bố xói mòn từ 10 tiểu lưu vực của
Tháng
lưu vực sông Công (Hình 4) cho thấy những
tiểu lưu vực thượng lưu có lượng đất xói mòn
Hình 3. Kết quả mô phỏng lượng hay tải lượng bùn cát lớn hơn so với các tiểu
dòng chảy mặt và bùn cát thời đoạn tháng, lưu vực phía hạ lưu bởi vì các tiểu lưu vực
giai đoạn 1966 - 1975 vùng thượng lưu có nhiều diện tích đất nông
nghiệp canh tác trên địa hình dốc kêt hợp các
Tuy nhiên cũng có một số thời điểm mối loại thổ nhưỡng có tính xói cao.
quan hệ này không thể hiện rõ bởi vì giá trị
lượng bùn cát trên lưu vực phụ thuộc vào sự TT
D.tích
(km2)
Tổng lượng Tốc độ
xói mòn xói mòn
biến đổi của dòng chảy mặt theo thời gian và 1 134
(Tấn)
20,189
(Tấn/ha)
1.51
không gian. Ngoài ra, ở phương trình 1
2
3
66
207
4,896
21,924
0.75
1.06
MUSLE, lượng dòng chảy mặt chỉ đóng vai 4
5
70
58
3,403
2,015
0.49
0.35
trò là một trong số các yếu tố ảnh hưởng. 2
6
7
109
107
6,178
7,097
0.57
0.66
Lượng bùn cát hay lượng đất xói mòn của lưu
8 41 2,295 0.55
9 54 3,418 0.64
3
vực còn phụ thuộc vào các đặc điểm khác của
10 23 734 0.32
lưu vực như điều kiện thảm phủ, thổ nhưỡng, 4 5
độ đốc địa hình. Mối quan hệ giữa giá trị tổng 6
0.00 - 0.50
0.51 - 1.00
lượng đất xói mòn trung bình năm được mô 7 1.01 - 1.50
phỏng cho giai đoạn từ 1966 đến 1975 và tốc 9
8 1.51 - 2.00
2.01 - 2.50
độ xói mòn trung bình năm với các yếu tố ảnh 10
2.51 - 3.00
hưởng nói trên thể hiện ở các Bảng 3.
Hình 4. Phân bố xói mòn trên lưu vực
Bảng 3. Tốc độ xói mòn trên lưu vực
Các loại hình sử dụng đất 4. KẾT LUẬN
FRSE FRST RICE TEAC RNGB Khác
0-5 0.003 0.12 1.01 0.03 1.36 0.15 Dựa vào kết quả mô phỏng và các chỉ tiêu
Độ dốc
5-15 0.04 0.14 7.28 0.17 6.17 0.12 đánh giá NSE và R2, nghiên cứu này cho thấy
15-25 0.06 0.19 11.68 0.27 6.86
mô hình SWAT sau khi được hiệu chỉnh các
>25 0.12 0.40 0.50 9.33
FAOACa 0.04 0.09 1.71 0.14 thông số thủy văn và bùn cát đã mô phỏng tốt
FAOACf 0.09 0.29 2.17 0.13 7.86 0.20 chế độ bùn cát thời đoạn năm trên lưu vực
FAOACh 0.15 0.29 3.90 0.14
FAOACu 0.10 0.42 sông Công. Sự phân bố xói mòn trên lưu vực là
FAOFLc
Loại đất FAOFLd 0.02
0.99
0.66 0.13
thông tin hữu ích cho công tác đề xuất các giải
FAOFRr 0.14 5.92 0.14 7.63 pháp bảo vệ và quản lý bền vững trên lưu vực.
FAOGLu 1.51 0.14
FAOACfh
FAOFLdm 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
FAOACal
[1] Anh, N.V., Fukuda, S., Hiramatsu, K.,
Từ kết quả trên và tham chiếu với Tiêu Harada, M. 2015. Sensitivity-based
chuẩn Việt Nam số 5299 : 2009, chất lượng calibration of SWAT for hydrologic cycle
đất và phương pháp xác định mức độ xói simulation in the Cong Watershed,
mòn đất do mưa, các loại hình sử dụng đất là Vietnam. Journal of Water Environment
FRSE, FRST, TEAC và các loại khác có tốc Research, 87(8):735-750.
343
nguon tai.lieu . vn
