Xem mẫu
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN
Bài giảng: Chuyên đề SWAT
(Soil and Water Assessment Tool)
KS. Nguyễn Duy Liêm
Điện thoại: 0983.613.551
Email: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 1
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN
BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN
1. Tổng quan về mô hình SWAT
(Soil and Water Assessment Tool)
What is that?
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 2
- Nội dung
Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Thủy văn là gì? Thủy văn học là gì?
Mô hình thủy văn là gì? Phân loại?
Tổng quan về SWAT
Tên gọi, tổ chức phát triển
Mục đích, đặc điểm
Quá trình phát triển
Phạm vi ứng dụng
Nguyên lý mô phỏng SWAT
Tiến trình mô phỏng SWAT
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 3
- Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Thủy văn
Sự vận động, phân bố của nước trên Trái Đất
Thủy văn học
Khoa học nghiên cứu sự vận động và phân bố của nước trên Trái
Đất
Phạm vi thủy văn học
Các tác động của các quá trình vật lý, hóa học, sinh học của nước
trong tự nhiên và môi trường sống
Số lượng, chất lượng của nước.
Mối liên hệ của nước với tự nhiên, môi trường sống.
Cho ví dụ các quá trình vật lý, hóa học, sinh học của nước?
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 4
- Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Nước vận động có tính hệ thống, theo chu trình thủy văn
Theo Dooge (1964), hệ thống là
bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó,
thực hay trừu tượng,
được gắn với bước thời gian nhất định,
liên hệ giữa lượng vào (nguyên nhân, năng lượng, thông tin) với
lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng).
(Đầu vào) (Xử lý) (Đầu ra) (Xử lý)
Hệ thống thuỷ văn là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn)
diễn ra trên thực tế trong một vùng không gian nhất định.
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 5
- Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Chu trình thuỷ văn
Hệ thống gồm các thành phần là bốc hơi, lượng mưa, dòng chảy
và các pha khác nhau của chu trình.
Các thành phần này tập hợp thành các hệ thống con của chu trình
lớn Để phân tích hệ thống toàn cục, có thể phân tích riêng rẽ
các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên
mối quan hệ qua lại giữa chúng.
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 6
- Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Minh hoạ lưu vực như một hệ thống thủy văn
Cấu trúc của hệ thống là tập hợp các đường đi của dòng chảy trên
mặt đất hoặc trong đất,
Bao gồm cả các dòng chảy nhánh, những dòng này cuối cùng sẽ
nhập lưu tại mặt cắt cửa ra,
Cấu trúc của hệ thống chịu ảnh hưởng của các đặc tính lưu vực
như địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, các đặc trưng hình thái lưu
vực và sông.
Biên hệ thống thủy văn có phải luôn
đóng kín? Vì sao?
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 7
- Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Phân loại mô hình thủy văn
Mô hình vật lý biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô
hình thủy lực của đập tràn.
Mô hình tương tự có tính chất tương tự như mô hình nguyên thể,
chẳng hạn một số mô hình điện trong thủy lực.
Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng tập hợp các
phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện quan hệ giữa
các biến và các thông số (đặc trưng số lượng) của mô hình để mô
phỏng hệ thống thủy văn.
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 8
- Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Phân loại mô hình thủy văn theo bản chất
Mô hình ngẫu nhiên Mô hình tất định
Mô hình ngẫu nhiên Mô hình Mô hình Mô hình sóng
– tất định nhận thức hộp đen động học
Mô hình thông số Mô hình thông số
tập trung phân bố
SWAT được xếp vào mô hình nào?
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 9
- Khái quát về thủy văn, thủy văn học
Đặc điểm của mô hình toán thủy văn
Phản ánh gần đúng hệ thống thủy văn có thật.
Các yếu tố đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v...) và sản
phẩm đầu ra (tốc độ dông chảy, mực nước, áp suất v.v...) là các
biến thủy văn đo được.
Ưu điểm của mô hình toán thủy văn
Ứng dụng trên quy mô lớn như quy hoạch thoát lũ, công trình
thủy lợi,… trên cấp độ lưu vực,
Giá thành rẻ hơn, cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý,
Thayđổi phương án trong mô hình thực hiện linh hoạt, nhanh
chóng.
Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 10
- Tổng quan về SWAT
Tên gọi:
SWAT là tên viết tắt của cụm từ “Soil and Water Assessment
Tool”.
Tổ chức phát triển:
Đây là mô hình thủy văn ở cấp độ lưu vực được phát triển bởi
USDA Agricultural Research Service (USDA-ARS) và Texas A&M
AgriLife Research, thuộc Texas A&M University System.
Trang chủ SWAT: http://swat.tamu.edu/
Mục đích:
Mô phỏng chất và lượng tài nguyên nước mặt, nước ngầm,
Dự báo tác động môi trường (đất, nước) của hoạt động sử dụng
đất đai và biến đổi khí hậu.
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 11
- Tổng quan về SWAT
Đặc điểm:
Dựa trên cơ sở các quá trình vật lý
Yêu cầu dữ liệu đầu vào tối thiểu bao gồm: địa hình, quản lý sử dụng
đất/thực phủ, thổ nhưỡng, thời tiết
Có thể mô phỏng cho những lưu vực mà ở đó chưa có dữ liệu quan trắc,
Đánh giá được tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào (thay đổi sử dụng đất,
biến đổi khí hậu) đến tài nguyên đất, nước.
Sử dụng nguồn dữ liệu đầu vào từ GIS
Dữ liệu GIS được thu thập từ nhiều cơ quan khác nhau
Khả năng tính toán tối ưu
Ngay cả đối với các lưu vực rộng lớn với thời gian tính toán ngắn, tốn ít tài
nguyên máy tính
Đánh giá tác động lâu dài
Mô phỏng tác động theo chuỗi thời gian liên tục lâu dài (ngày, tháng, năm,
thế kỉ,…)
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 12
- Tổng quan về SWAT
Giai đoạn hình thành sơ khai
SWAT kết hợp các đặc trưng từ nhiều mô hình của ARS và là kết quả
thừa kế trực tiếp từ mô hình SWRRB (Simulator for Water Resources
in Rural Basins) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990).
Những mô hình góp phần vào sự phát triển của SWAT bao gồm:
CREAMS (Chemicals, Runoff, Erosion from Agricultural Management
Systems) (Knisel et al., 1980),
GLEAMS (Groundwater Loading Effects on Agricultural Management
Systems) (Leonard et al., 1987),
EPIC (Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984), sau đổi
thành Environmental Impact Policy Climate,
ROTO (Routing Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995),
QUAL2E (Enhanced Stream Water Quality Model) (Brown and Barnwell,
1987).
CREAMS EPIC SWRRB SWAT
1970’s 1980’s 1990’s
GLEAMS QUAL2E ROTO
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 13
- Tổng quan về SWAT
Giai đoạn ra đời, bước đầu phát triển
Đầu những năm 1990s, mô hình SWRRB và ROTO đã được kết
hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là SWAT. Sau này
đến phiên bản SWAT96.2, mô hình QUAL2E được thêm vào.
Kể từ thời điểm ra đời, SWAT liên tục trải qua nhiều lần cải tiến
nhằm mở rộng khả năng mô phỏng với nhiều phiên bản khác
nhau bao gồm:
SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2,
SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009, SWAT 2012 (đang xây dựng)
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 14
- Tổng quan về SWAT
Định hướng phát triển hiện tại, tương lai
SWAT tiếp tục được phát triển, tập trung chính vào các mảng sau:
Phạm vi mô phỏng -- Thời gian và không gian
Tính sẵn có và chất lượng của dữ liệu đầu vào -- Thời tiết, thuỷ văn, Thổ
nhưỡng, Hoạt động sản xuất nông nghiệp
Hiệu chỉnh và phân tích tính bất định
Mô phỏng theo thời gian thực
Tích hợp với các mô hình khác -- APEX, SWMM(EPA), ALMANAC, DSSAT
Hợp tác phát triển mô hình -- CGIAR, ISRIC
Đào tạo, truyền thông
Nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT
SWAT 2005, 2009, 2012
ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), QSWAT (QGIS), SWAT-CUP
(Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT
(Output Vizualization)
Tài liệu hướng dẫn đa ngôn ngữ
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 15
- Tổng quan về SWAT
Sơ đồ phát triển của SWAT
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 16
- Tổng quan về SWAT
Phạm vi ứng dụng
SWAT đã được cộng đồng quốc tế công nhận là một mô hình
quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ.
Ứng dụng rộng rãi trong đánh giá chất lượng, tiềm năng nước,
kiểm soát xói mòn đất, theo dõi ô nhiễm, định lượng tác động của
biến đổi khí hậu… ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới.
Ai là người sử dụng SWAT?
> 500 người sử dụng, 30 nhà phát triển
> 100 học viên cao học, nghiên cứu sinh đang sử dụng SWAT
> 1000 bài báo nghiên cứu về SWAT
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 17
- Tổng quan về SWAT
Hội nghị, tập huấn SWAT
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 18
- Tổng quan về SWAT
Ứng dụng SWAT tại Việt Nam
SWAT du nhập vào Việt Nam từ
năm 1998
> 100 nghiên cứu về SWAT (tạp
chí, kỉ yếu hội thảo, luận văn thạc
sĩ, luận án tiến sĩ)
Các chủ đề chính:
Mô phỏng thủy văn,
Đánh giá thay đổi sử dụng đất/biến
đổi khí hậu,
Nghiên cứu xói mòn/bồi lắng,
Mô phỏng chất lượng nước,
Kiểm soát lũ lụt
Một số khó khăn:
Cơ sở dữ liệu đầu vào
Thông số mô hình
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 19
- Nguyên lý mô phỏng SWAT
Chu trình thủy văn và cân bằng nước là động lực chi
phối mọi quá trình diễn ra trong lưu vực.
Hệ thống lưu vực SWAT
Quá trình
trên đất
Quá trình trong dòng chảy
Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 20
nguon tai.lieu . vn