- HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 ỨNG DỤNG GIS VÀ MÔ HÌNH SWAT MÔ PHỎNG LƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG SREPOK, VIỆT NAM (APPLICATION GIS AND SWAT MODEL FOR SIMULATION WATER DISCHARGE IN SREPOK WATERSHED, CENTRAL HIGHLAND VIET NAM) Nguyễn Thị Ngọc Quyên1, Nguyễn Duy Liêm2, Nguyễn Kim Lợi2 1 Đại học Tây Nguyên 2 Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh Email:
[email protected] Abstract: Srepok watershed has important role in Central Highland in Viet Nam.
- GIỚI THIỆU Trong giai đoạn hiện nay, nhiều lưu vực đang đứng trước nguy cơ suy thoái nghiêm trọng do sự gia tăng dân số và khai thác quá mức nguồn tài nguyên thiên nhiên để phát triển kinh tế.
- Đất và nước là hai nguồn tài nguyên quan trọng đối với đời sống xã hội và cũng là những yếu tố ảnh hưởng đến sự suy thoái hay bền vững của lưu vực.
- Lưu vực sông Srepok có tổng diện tích là 30.900 km2, trong đó phần thuộc Việt Nam là 18.200 km2 và thuộc Campuchia là 12.700 km2.
- Hệ thống sông Srepok trong lãnh thổ Việt Nam bao gồm hai nhánh chính là dòng chính Srepok bắt nguồn từ vùng núi phía Đông Nam và sông Ea H’Leo bắt nguồn từ vùng núi phía Đông Bắc tỉnh Đắk Lắk.
- Sau đó sông Srepok chảy theo hướng Đông Tây nhập với sông Sê San rồi sông Sê Kông đổ vào dòng chính sông Mê Công ở tỉnh Stung Treng, Campuchia.
- Dòng chính Srepok trên địa bàn tỉnh Đắk Lắk có diện tích lưu vực chiếm tới 2/3 diện tích lãnh thổ, do hai nhánh chính là Krông Ana và Krông Knô hợp thành với tổng diện tích lưu vực là 4200 km2, với chiều dài 125 km.
- Lưu vực sông Srepok rất có tiềm năng phát triển thủy điện và hầu hết các nhà máy thủy điện đều được xây dựng hoặc quy hoạch trên lưu vực này.
- Tuy nhiên, trong những năm gần đây, lưu vực sông Srepok đã có nhiều vấn đề nảy sinh như ngập lụt, bồi lắng, xói mòn, phá hủy các công trình thủy điện, công trình thủy lợi vào mùa mưa và thiếu nước tưới, nước sinh hoạt vào mùa khô.
- Vì vậy, việc nghiên cứu đánh giá các yếu tố tác động đến các nguồn tài nguyên thiên nhiên trên lưu vực sông là hết sức cần thiết và cấp bách.
- Trên thế giới đã có nhiều cách tiếp cận khác nhau trong nghiên cứu đánh giá tài nguyên thiên nhiên tại các lưu vực sông, trong đó phương pháp ứng dụng các mô hình đã và đang được nhiều nghiên cứu sử dụng vì khả năng định lượng của nó.
- SWAT cũng là một trong số những mô hình đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như đánh giá chất lượng nước mặt (Cyril O.
- xây dựng hệ thống cảnh báo lũ nhờ vào ưu điểm mô phỏng tốt và chính xác lưu lượng dòng 1 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 chảy (Mohammad K.A, 2006), (Samuel R.
- ngoài ra, cùng với xu hướng nghiên cứu hiện nay, SWAT cũng được ứng dụng để đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước (Samuel Rivera et al, 2007) và vấn đề sử dụng bền vững tài nguyên nước (P.P.
- Xuất phát từ thực tiễn trên, nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại lưu vực và đánh giá mức độ phù hợp khi ứng dụng mô hình SWAT tại lưu vực sông Srepok, từ đó làm tiền đề cho những hướng nghiên cứu tiếp theo.
- PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để ứng dụng mô hình SWAT mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông Srepok, các dữ liệu như bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ địa hình, dữ liệu khí hậu.
- cần được thu thập và xử lý để phù hợp với yêu cầu của mô hình dưới sự hỗ trợ của phần mềm ArcGIS.
- Bước đầu tiên, mô hình tiến hành định nghĩa lưu vực dựa vào dữ liệu đầu vào là mô hình số độ cao (DEM).
- Sau đó, các đơn vị thủy văn được phân chia dựa vào đặc điểm thổ nhưỡng, độ dốc và lớp thảm phủ của khu vực nghiên cứu.
- Đồng thời dữ liệu thời tiết cũng được biên tập theo yêu cầu của mô hình và tiến hành chạy mô hình SWAT để mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông Srepok.
- Mức độ tin cậy của kết quả mô phỏng được đánh giá dựa vào chỉ số NSI và R2.
- Nếu kết quả đánh giá ở mức độ không được chấp nhận, mô hình cần được hiệu chỉnh và kiểm định để kết quả mô phỏng đạt mức độ tin cậy cao hơn.
- Cuối cùng, từ kết quả nghiên cứu đánh giá sự phù hợp hay không phù hợp khi ứng dụng mô hình SWAT để mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại lưu vực Srepok.
- Ứng dụng SWAT mô phỏng lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Srepok SWAT là công cụ đánh giá nước và đất.
- SWAT được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp (ARS - Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA - United States Department of Agriculture ) (Arnold et al., 1998).
- Mô hình được xây dựng nhằm 2 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 đánh giá và dự đoán các tác động của thực tiễn quản lý đất đai tác động đến nguồn nước, lượng bùn và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên một lưu vực rộng lớn và phức tạp với sự không ổn định về các yếu tố như đất, sử dụng đất và điều kiện quản lý trong một thời gian dài.
- Mô hình là sự tập hợp những phép toán hồi quy để thể hiện mối quan hệ giữa giá trị thông số đầu vào và thông số đầu ra (Nguyễn Kim Lợi, 2009).
- Dữ liệu đầu vào của mô hình SWAT được sắp xếp theo các mức độ chi tiết: lưu vực, tiểu lưu vực, đơn vị thủy văn.
- Trong nghiên cứu này, dữ liệu đầu vào được thu thập bao gồm.
- Các dữ liệu không gian như bản đồ địa hình lưu vực sông Srepok được thể hiện dưới dạng mô hình số độ cao (DEM) (Nguồn: http://www.gdex.cr.usgs.gov), bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Srepok (Nguồn: http://www.waterbase.org/download_mwswat.html), bản đồ hiện trạng sử dụng đất của lưu vực Srepok năm Nguồn: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Đắk Lawsk và Đắk Nông.
- Các dữ liệu thuộc tính bao gồm vị trí địa lý các trạm thủy văn trong và ngoài lưu vực (Nguồn: Trung tâm khí tượng thủy văn và môi trường khu vực Tây Nguyên), số liệu khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí trung bình (tối cao, tối thấp), lượng mưa trung bình ngày (Nguồn: Trung tâm khí tượng thủy văn và môi trường khu vực Tây Nguyên).
- Dữ liệu đầu vào của mô hình SWAT (a).
- Bản đồ hiện trạng sử dụng đất.
- Bản đồ đất Để đánh giá kết quả mô phỏng của SWAT, nghiên cứu sử dụng chỉ tiêu Nash – Sutcliffe (1970) với công thức như sau: 3 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 (1) Trong đó: NSI là chỉ tiêu Nash-Sutcliffe, i là chỉ số, xi là giá trị thực đo, x’i là giá trị mô phỏng, là giá trị thực đo trung bình.
- Chất lượng mô phỏng của mô hình được đánh giá theo các mức độ (D.
- Nếu 0,75 < NSI ≤ 1 : kết quả mô phỏng đạt mức rất tốt.
- Nếu 0,65 < NSI ≤ 0,75: kết quả mô phỏng đạt mức tốt.
- Nếu 0,50 < NSI ≤ 0,65: kết quả mô phỏng ở mức chấp nhận được.
- Nếu NSI < 0,50 : kết quả mô phỏng không được chấp nhận, phải xem xét lại cách hiệu chỉnh, kiểm định cũng như bộ thông số của mô hình.
- Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông Srepok Sau quá trình xử lý, biên tập dữ liệu đầu vào cho SWAT dưới sự hỗ trợ của phần mềm ArcGIS, nghiên cứu đã tiến hành mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông Srepok trong giai đoạn .
- Tiến hành so sánh kết quả mô phỏng của mô hình với các giá trị thực đo tại bốn trạm bao gồm Giang Sơn, Đức Xuyên, Cầu 14 và Buôn Đôn, kết quả cho thấy lưu lượng dòng chảy tại trạm Cầu 14 và Buôn Đôn được mô phỏng tốt hơn hai trạm Giang Sơn và Đức Xuyên do hai trạm này nằm trong địa bàn thành phố Buôn Ma Thuột, trang thiết bị, máy móc phong phú và hiện đại hơn hai trạm còn lại nằm ở 2 xã cách xa trung tâm thành phố.
- Thêm vào đó, trong quá trình phân chia lưu vực, giới hạn của đề tài nghiên cứu nằm trong hai tỉnh Đắk Lắk và Đắk Nông nên dòng chính bắt nguồn từ tỉnh Lâm Đồng chảy qua hai trạm Giang Sơn và Đức Xuyên bị rút ngắn.
- Ngoài ra, các trạm khí tượng trong lưu vực cũng cách xa hai trạm Giang Sơn và Đức Xuyên nên các yếu tố về lượng mưa và nhiệt độ chưa đặc trưng cho việc mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại hai trạm này.
- Do hạn chế về dữ liệu quan trắc và phạm vi không gian, nghiên cứu chỉ lựa chọn đánh giá kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại hai trạm Cầu 14 và Buôn Đôn.
- Kết quả được thể hiện tại Hình 4, 5, 6 và 7.
- So sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng và thực đo tại trạm Cầu HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 Hình 5.
- Mức độ tương quan giữa giá trị mô phỏng với giá trị thực đo trạm Cầu Hình 6.
- So sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng và thực đo tại trạm Buôn Đôn Hình 7.
- Mức độ tương quan giữa giá trị mô phỏng với giá trị thực đo trạm Buôn Đôn Từ các đồ thị cho thấy, kết quả mô phỏng tại trạm Cầu 14 và trạm Buôn Đôn có mức độ tương quan tốt với giá trị thực đo, tuy nhiên chỉ số NSI vẫn ở mức độ không chấp nhận với giá trị lần lượt tại trạm Cầu 14 và Buôn Đôn là 0,49 và 0,41.
- Như vậy, với kết quả mô phỏng như trên, nghiên cứu cần tiến hành hiệu chỉnh, kiểm định mô hình và xem xét lại các thông số trong mô hình để tăng mức độ tin cậy của giá trị mô 5 HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 phỏng.
- Hiệu chỉnh và kiểm định mô hình a, Giai đoạn hiệu chỉnh Sau khi đánh giá, phân tích độ nhạy các thông số của mô hình cho thấy có bốn yếu tố chính tác động đến kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy bao gồm chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (CN2), hệ số triết giảm dòng chảy ngầm (ALPHA_BF), thời gian trễ dòng chảy ngầm (GW_DELAY), ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (GWQMN).
- Kết quả sau 50 lần hiệu chỉnh trong công cụ SWAT CUP đã lựa chọn được các giá trị phù hợp để nâng cao độ chính xác khi mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại trạm Cầu 14 và trạm Buôn Đôn.
- Kết quả được thể hiện tại Bảng 1.
- Kết quả hiệu chỉnh các yếu tố lựa chọn trong SWAT CUP Giá trị hiệu chỉnh Yếu tố Mô tả Giá trị Giá trị Giá trị phù hợp nhỏ nhất lớn nhất R_CN2.
- Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II V_ALPHA_BF Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm V_GW_DELAY Thời gian trễ dòng chảy ngầm V_GWQMN Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm Giá trị của bốn thông số trên được nhập vào hệ thống để mô hình SWAT mô phỏng lại lưu lượng dòng chảy theo tháng tại trạm Cầu 14 và trạm Buôn Đôn.
- Kết quả được thể hiện tại Hình 8, 9, 10 và 11.
- So sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng và thực đo tại trạm Cầu Hình 9.
- Mức độ tương quan giữa giá trị mô phỏng với giá trị thực đo tại trạm Cầu HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 Hình 10.
- So sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng và thực đo tại trạm Buôn Đôn Hình 11.
- Mức độ tương quan giữa giá trị mô phỏng với giá trị thực đo tại trạm Buôn Đôn Kết quả mô phỏng và kết quả thực đo về lưu lượng dòng chảy tại trạm Cầu 14 và trạm Buôn Đôn sau hiệu chỉnh đã có sự cải thiện đáng kể, lưu lượng dòng chảy mô phỏng có xu hướng tiến gần đến giá trị lưu lượng dòng chảy thực đo với chỉ số NSI, R2 tương ứng là 0,63 và 0,64 tại trạm Cầu 14, tại trạm Buôn Đôn là 0,68 và 0,77 (Bảng 2).
- b, Giai đoạn kiểm định Dùng bộ thông số thu được trong quá trình hiệu chỉnh mô hình và chuỗi thời gian được sử dụng từ năm để kiểm định mô hình.
- Kết quả thể hiện tại Bảng 3 và Hình .
- Giá trị NSI và R2 trước, sau khi hiệu chỉnh vả kiểm định Giá trị Thời Giai đoạn R2 NSI gian Cầu 14 Buôn Đôn Cầu 14 Buôn Đôn Trước hiệu chỉnh tháng Sau khi hiệu chỉnh tháng Kết quả kiểm định tháng HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 Hình 12.
- So sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng và thực đo kiểm định tại trạm Cầu Hình 13.
- Mức độ tương quan giữa giá trị mô phỏng với giá trị thực đo kiểm định tại trạm Cầu Hình 14.
- So sánh lưu lượng dòng chảy mô phỏng và thực đo kiểm định tại trạm Buôn Đôn Hình 15.
- Mức độ tương quan giữa giá trị mô phỏng với giá trị thực đo kiểm định tại trạm Buôn Đôn HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2013 Từ Bảng 3 cho thấy, chỉ số NSI tại trạm Cầu 14 và Buôn Đôn từ mức không đạt ở giai đoạn đầu tiên (0,49.
- 0,41) đã chuyển sang mức trung bình sau khi được hiệu chỉnh (0,63.
- 0,68) và đạt mức độ tốt 0,74 (trạm Cầu 14), mức độ rất tốt 0,77 (trạm Buôn Đôn) ở giai đoạn kiểm định.
- Thêm vào đó, R2 đều đạt mức độ tốt ở cả hai trạm với giá trị thấp nhất là 0,6 và cao nhất là 0,82.
- Với kết quả đạt được như trên và thể hiện trên các đồ thị so sánh kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy của mô hình và giá trị thực đo cho thấy mô hình SWAT là phù hợp khi được áp dụng mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại lưu vực sông Srepok.
- KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ Nghiên cứu sử dụng mô hình SWAT tiến hành mô phỏng lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông Srepok trong giai đoạn 2003 đến 2012.
- Kết quả cho thấy lưu lượng dòng chảy được mô phỏng tại hai trạm Cầu 14 và Buôn Đôn tốt hơn trạm Giang Sơn và Đức Xuyên.
- Sau quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình, kết quả tại hai trạm Cầu 14 và Buôn Đôn đã đạt mức độ tốt với chỉ số NSI từ mức độ không đạt (0,49) chuyển sang mức độ trung bình (0,63) ở giai đoạn hiệu chỉnh và đạt mức tốt ở giai đoạn kiểm định (0,74).
- Tương tự, tại trạm Buôn Đôn, chỉ số NSI sau quá trình hiệu chỉnh và kiểm định cũng tăng lên từ 0,41 (không đạt) đến 0, 77 (mức rất tốt).
- Ngoài ra, chỉ số R2 cũng đạt giá trị trên 0,75 ở cả hai trạm.
- Như vậy, mô hình SWAT có khả năng ứng dụng tốt để mô phỏng lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông Srepok.
- Với sự giới hạn về số liệu thực đo nên đề tài còn nhiều hạn chế cần khắc phục.
- Do đó, cần có những nghiên cứu tiếp theo để có thể hiệu chỉnh và kiểm định kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy tại các trạm thủy văn Giang Sơn và Đức Xuyên trong lưu vực.
- Từ đó làm căn cứ cho các hướng nghiên cứu tiếp theo về đánh giá lượng xói mòn, bồi lắng và đánh giá được tác động của biến đổi khí hậu lên các nguồn tài nguyên trong lưu vực sông Srepok