Khả năng ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá vai trò của rừng đối với lũ lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

Những năm gần đây, lũ lụt xảy ra trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn với mức độ ngày càng phức tạp và có những dấu hiệu bất thường. Bên cạnh nguyên nhân khách quan do sự biến đổi về khí hậu còn có các nguyên nhân do con người gây ra như lấn chiếm lòng sông, bãi sông gây cản trở dòng chảy, đặc biệt là nạn chặt phá rừng đầu nguồn đã làm giảm đáng kể khả năng tiêu nước phòng hộ ở thượng nguồn... Bài viết này trình bày khả năng ứng dụng của mô hình SWAT để đánh giá sự ảnh hưởng của rừng đến lũ lụt ở khu vực này.

Hình 1: Bản đồ DEM trong mô hình SWAT và Hình 2: Bản đồ các loại đất trong mô hình SWATHình 3: Bản đồ sử dụng đất năm 1993 trong mô hình SWAT và Hình 4: Bản đồ sử dụng đất năm 2005 trong mô hình SWAT+ Số liệu thuộc tính- Vị trí địa lý các trạm đo trên lưu vực- Số liệu khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí (tối cao, tối thấp), tốc độ gió, bức xạ, độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối.- Số liệu thuỷ văn bao gồm lượng mưa trung bình ngày, lưu lượng trung bình ngày và độ đục bình quân ngày.Các số liệu không gian được xử lý bằng phần mềm ARCGIS 9.3. Bản đồ địa hình được đưa vào dưới dạng DEM còn bản đồ sử dụng đất và loại đất được đưa vào mô hình dưới dạng grid file hoặc shape file. Các số liệu thuộc tính được đưa vào dưới dạng database…b. Số liệu khí tượng thuỷ văn(1). Số liệu mưaSố liệu mưa bình quân ngày được dùng trong tính toán, trong đó có các trạm mưa: Thành Mỹ, Nông Sơn, Tam Kỳ, Ái Nghĩa, Câu Lâu, Đà Nẵng, Cẩm Lệ, Hội Khách, Hội An, Khâm Đức, Tiên Phước, Trà My, Trao (Hiên). Các trạm mưa có số liệu tương đối đủ dài, đo mưa từ năm 1976 đến nay. Để đảm bảo tính đồng nhất chuỗi số liệu mưa cho 2 trường hợp tính toán thử nghiệm, kiểm định, đã sử dụng chuỗi số liệu quan trắc dài và đầy đủ của 13 trạm mưa trên.(2). Số liệu khí tượngSố liệu khí tượng cần thiết để chạy mô hình bao gồm các yếu tố sau:- Số giờ nắng- Bức xạ mặt trời- Tốc độ gió- Nhiệt độ trung bình, tối cao, tối thấp- Độ ẩm tương đốiCác số liệu khí tượng bình quân ngày của trạm Nông Sơn, Tam Kỳ và Khâm Đức được dùng để tính toán. Các trạm này đều quan trắc đầy đủ các yếu tố khí hậu trên.(3). Số liệu lưu lượngSố liệu lưu lượng trung bình ngày của trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn, trạm Thành Mỹ trên sông Vu Gia, số liệu lưu lượng có được từ năm 1976 đến năm 2009. Trong chuỗi số liệu đó lấy lưu lượng năm 1993 ứng với số liệu rừng năm 1993 làm số liệu hiệu chỉnh mô hình, và số liệu năm 2005 ứng với số liệu rừng năm 2005 làm số liệu kiểm định mô hình.(4). Số liệu về các loại đất: được phân loại theo tổ chức nông lương thế giới (FAO).(5). Số liệu về thảm phủ thực vậtBản đồ thảm phủ thực vật được thu thập với năm 1993 và 2005. Trong lưu vực nghiên cứu có một số loại hình sử dụng đất như :- Đất có rừng gồm các loại: Rừng giàu, rừng trung bình, rừng thứ sinh nhiệt đới thường xanh cây lá rộng, rừng tre nứa hoặc hồn giao tre nứa, tràng cỏ, trảng cây bụi thường xanh lá rộng,… - Đất trống gồm các loại: đất trống, đất trống có cỏ, đất trống có cây bụi, đất trống có cây bụi rải rác....- Đất nông nghiệp gồm các loại: đất trồng lúa, màu, đất trồng cây công nghiệp, đất vườn ươm...- Đất thổ cư, khu công nghiệp,- Đất sông suối, hồ tự nhiên2. Xác định bộ thông số của mô hình SWAT cho lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn2.1. Các bước chạy mô hình Hình 5: Các lưu vực nhỏ được chia trong SWATBảng 1: Đặc trưng các lưu vực con

Lưu vực Diện tích (ha) Chiều dài lưu vực (m) Độ dốc lưu vực (o/oo) Độ cao trung bình (m) 1 19108 35743 51.58 231.9 2 44199 54932 42.52 160.0 3 36737 56519 45.61 217.6 4 66888 58045 42.37 550.0 5 146064 107812 51.26 425.0 6 75458 88744 51.32 885.0 7 100688 81025 38.14 380.0 8 120347 71188 36.20 29.1 9 56513 55281 26.86 60.0 10 162802 92626 45.49 310.0 11 43343 57639 15.61 10.3 12 45048 48584 18.71 4.2 13 1752 7497 0.04 3.0 14 49609 45610 14.39 90.0 2.2. Hiệu chỉnh mô hìnhTrong lưu vực nghiên cứu để xác định bộ thông số của mô hình lấy trạm lưu lượng thực đo Nông Sơn và Thành Mỹ từ ngày 1/I/1993 đến 31/XII/1993 để tính toán so sánh với giá trị tính toán.*Xác định các thông số của mô hìnhCác thông số hiệu chỉnh mô hình được xác định theo phương pháp dò tìm thông số Rosenbrok. Các thông số được chia làm các nhóm thông số sau:- Thông số tính quá trình hình thành dòng chảy mặt bao gồm: tính lượng mưa hiệu quả, tính lưu lượng đỉnh lũ, tính hệ số trễ dòng chảy mặt- Thông số tính toán dòng chảy ngầm- Thông số diễn toán trong kênhĐể so sánh giá trị tính toán với giá trị thực đo, đồ án dùng chỉ số NASH làm hàm mục tiêu. NASH càng tiến đến 1 thì kết quả tính toán càng chính xác. Công thức như sau:Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình, ngoài việc hiệu chỉnh các thông số sao cho đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán phù hợp, ta cần phải chú ý tới đường quá trình tổng lượng tích luỹ bởi đây là bài toán cân bằng nước nên cần quan tâm đến vấn đề này nhiều hơn.Với việc lấy trạm khống chế lưu vực tại Ái Nghĩa, lưu vực nghiên cứu được chia làm 21 lưu vực con với các đặc trưng của lưu vực như diện tích, độ dốc lưu vực, độ cao trung bình lưu vực, chiều dài kênh chínhMô hình SWAT có rất nhiều thông số nên việc xác định những thông số nào ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình dòng chảy rất khó khăn. Trong đó, chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (CN2) và thời gian trễ dòng chảy mặt LATTIME có ảnh hưởng đến sự thay đổi dòng chảy nhiều nhất, những thông số khác ảnh hưởng rất ít hoặc không đáng kể.Kết quả so sánh giữa giá trị thực đo và tính toán tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ được thể hiện như trong hình 6 và 7. Lấy chỉ tiêu để so sánh là hệ số NASH. Hệ số NASH tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ lần lượt là R = 0,8 và R = 0.76. Với điều kiện mô phỏng diện tích lưu vực rất lớn và chuỗi số liệu là 1 năm tính toán theo thời đoạn ngày thì kết quả mô phỏng có thể chấp nhận được. Do đó có thể dùng bộ thông số này để kiểm định lại cho năm 2005.2.3. Kiểm định mô hìnhSau khi đã hiệu chỉnh mô hình cho kết quả có thể chấp nhận đuợc, ta lấy bộ thông số đó tính toán kiểm định cho chuỗi số liệu từ 1/1/2005 đến 31/12/2005 ứng với số liệu rừng năm 2005. Kết quả tính toán kiểm định được thể hiện như trong hình 8 và 9. Kết quả so sánh giữa lưu lượng thực đo và tính toán tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ bằng chỉ số NASH lần lượt là R = 0.83 và R = 0.79. Với hệ số NASH trong hai trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại Nông Sơn và Thành Mỹ đều lớn hơn 0,7, đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tương đối phù hợp thì kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình có thể chấp nhận được. Vì vậy có thể sử dụng mô hình SWAT để tính toán thử nghiệm số liệu mưa năm 2009 ứng với sự thay đổi của rừng của năm 1993 và 2005.Bảng 2: Bộ thông số của mô hình sau khi hiệu chỉnh mô hình Thông số Nhóm thông số Quá trình hình thành dòng chảy mặt Dòng chảy ngầm Diễn toán trong kênh CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II CN2=45 SOL_AWC: Khả năng trữ nước của đất SOL_AWC= 0,2 SOL_K: Ksat độ dẫn thuỷ lực ở trường hợp bão hoà SOL_K1= 160 SOL_K2 = 200 OV_N: Hệ số nhám Manning cho dòng chảy mặt OV_N = 10 CH_K(1): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn CH_K(1) = 0, 1 CH_N(1): Hệ số nhám kênh dẫn (mm/h) CH_N(1) = 0,014 Lattime: Thời gian trễ dòng chảy mặt LATTIME =30 ESCO: Hệ số bốc hơi của đất ESCO=0.5 GWQMN: Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm GWQMN = 100 ALPHA_BF: Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm ALPHA_BF = 0,05 GW_DELAY: Thời gian trữ nước tầng ngầm (ngày) GW_DELAY= 20 CH_N(2): Hệ số nhám của kênh chính CH_N(2) = 0,1 CH_K(2): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/h) CH_K(2) = 0,2 3. Đánh giá tác động của thảm phủ rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia - Thu BồnNhằm đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn, sử dụng số liệu khí tượng thủy văn đo đạc tại các trạm trên lưu vực mô phỏng dòng chảy trên lưu vực tại 2 trạm thủy văn Nông Sơn và trạm Thành Mỹ ứng với hai kịch bản rừng năm 1993 và 2005 trong điều kiện địa hình và các loại đất không thay đổi.Hình 10: Đường quá trình lưu lượng tại Nông Sơn và Hình 11: Đường quá trình lưu lượng tại Thành Mỹ Bảng 3: Lưu lượng lớn nhất tại các vị trí ứng với các loại rừng Vị trí Qmax thực đo (m3/s) Qmax ứng với rừng 1993 (m3/s) Qmax ứng với rừng 2005 (m3/s) Chênh lệch Qmax của rừng 2005 so với rừng 1993 (m3/s) Qmax tăng lên của rừng 2005 so với rừng năm 1993 (%) Nông Sơn 7030 6454.3 6636.5 182.2 2.8 Thành Mỹ 4540 4121.6 4340 218.4 5.3 TÀI LIỆU THAM KHẢO[1]. Đào Văn Khương, “Điều tra, đánh giá về lũ lớn khu vực miền Trung và Tây Nguyên”, Phòng thí nghiệm trọng điểm QG về động lực học sông biển, 2011.[2]. SWAT 2005 User’s manual and Theoretical documentation. Tác giả: ThS. Đào Văn Khương, ThS. Nguyễn Mạnh Linh Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển