nguyỄn quang bẢo Ứng dỤng mÔ hÌnh swat khẢo sÁt … · hình 3.5. thay đổi diện...
TRANSCRIPT
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------
NGUYỄN QUANG BẢO
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT KHẢO SÁT BIẾN ĐỔI
DÒNG CHẢY DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ SỬ DỤNG ĐẤT
CHO LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------
NGUYỄN QUANG BẢO
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT KHẢO SÁT BIẾN ĐỔI
DÒNG CHẢY DO BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ SỬ DỤNG ĐẤT
CHO LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN
Chuyên ngành: Thủy văn học
Mã số: 60440224
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THANH SƠN
Hà Nội - 2013
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 1
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ 3
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 5
CHƯƠNG 1...................................................................................................... 8
ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN ....................... 8
1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN ........................................................................... 8
1.1.1. Vị trí địa lý .......................................................................................................... 8
1.1.2. Địa hình, địa mạo ................................................................................................ 8
1.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng ........................................................................................... 9
1.1.4. Thảm thực vật ................................................................................................... 10
1.1.5 Khí hậu ............................................................................................................... 11
1.1.6. Thủy văn ........................................................................................................... 15
1.2. HIỆN TRẠNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN KINH TẾ ........................ 19
1.2.1. Hiện trạng phát triển kinh tế .............................................................................. 19
1.2.1.1. Những hạn chế trong phát triển kinh tế xã hội ........................................... 19
1.2.1.2. Những thuận lợi trong phát triển kinh tế xã hội ......................................... 19
1.2.2. Chiến lược phát triển kinh tế xã hội tỉnh Quảng Trị ......................................... 20
1.2.2.1. Tình hình phát triển dân số, nguồn nhân lực .............................................. 21
1.2.2.2. Xu thế phát triển kinh tế - xã hội ................................................................ 21
1.2.2.3. Quy hoạch sử dụng đất và chuyển đổi cơ cấu cây trồng tới năm 2010 ...... 23
1.3. CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT CỰC ĐOAN ...................................................... 24
1.3.1. Tình trạng hạn hán ............................................................................................ 24
1.3.2. Tình trạng úng lụt .............................................................................................. 25
1.3.3. Tình trạng lũ quét .............................................................................................. 25
CHƯƠNG 2.................................................................................................... 26
MÔ HÌNH SWAT ......................................................................................... 26
2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MƯA – DÒNG CHẢY LƯU VỰC ......................... 26
2.1.1 Cấu trúc của mô hình mưa - dòng chảy lưu vực ................................................ 26
2.1.2. Giới thiệu một số mô hình mưa – dòng chảy lưu vực ....................................... 28
2.1.2.1. MIKE – SHE .............................................................................................. 28
2.1.2.2. HEC-HMS .................................................................................................. 29
2.1.2.3. NASIM ....................................................................................................... 29
2.1.2.4. SAC – SMA (Sacramento) ......................................................................... 30
2.1.2.5. HBV ........................................................................................................... 31
2.1.2.6. Mô hình NAM ............................................................................................ 31
2.1.2.7. Mô hình SCS .............................................................................................. 32
2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT ............................. 33
2.2.1 Lịch sử phát triển ............................................................................................... 33
2.2.2 Tổng quan mô hình SWAT ................................................................................ 35
2.2.3. Các ứng dụng mô hình SWAT trong nước và thế giới ..................................... 36
2.2.3.1. Thế giới ...................................................................................................... 36
2.2.3.2. Việt Nam .................................................................................................... 37
2.3 CẤU TRÚC MÔ HÌNH SWAT ................................................................................ 37
2.3.1. Mô hình lưu vực ................................................................................................ 37
2.3.2. Mô hình diễn toán ............................................................................................. 38
2.4 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH SWAT ...................................... 39
2.4.1. Dòng chảy mặt .................................................................................................. 39
2.4.1.1. Phương pháp chỉ số đường cong SCS ........................................................ 39
2.4.1.2. Phương pháp thấm Green và Ampt ............................................................ 40
2.4.1.3. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ .............................................................................. 41
2.4.1.4. Hệ số trễ dòng chảy mặt ............................................................................. 41
2.4.1.5. Tổn thất dọc đường .................................................................................... 42
2.4.2. Bốc thoát hơi ..................................................................................................... 42
2.4.2.1. Vòm cây ..................................................................................................... 42
2.4.2.2. Bốc thoát hơi tiềm năng ............................................................................. 43
2.4.2.3. Bốc thoát hơi thực tế .................................................................................. 43
2.4.3. Chuyển động của nước trong đất ...................................................................... 45
2.4.4. Nước ngầm ........................................................................................................ 45
2.4.4.1. Tầng ngậm nước nông ................................................................................ 46
2.4.4.2. Tầng ngậm nước sâu .................................................................................. 46
2.4.5. Diễn toán dòng chảy trong sông ........................................................................ 46
2.4.6. Diễn toán trong hồ chứa .................................................................................... 47
2.5. THÔNG SỐ MÔ HÌNH ........................................................................................... 47
2.5.1. Thông số tính toán dòng chảy trực tiếp ............................................................. 47
2.5.2. Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ ................................................................ 48
2.5.3. Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt ............................................................. 48
2.5.4. Thông số tính toán tổn thất dọc đường .............................................................. 48
2.5.5. Thông số tính toán tổn thất bốc hơi ................................................................... 48
2.5.6. Thông số tính toán dòng chảy ngầm ................................................................. 48
2.5.7. Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính .............................................. 48
2.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH .......................................................................... 48
CHƯƠNG 3.................................................................................................... 50
KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ SỬ DỤNG ĐẤT ........................... 50
3.1 KHÁI NIỆM KỊCH BẢN ......................................................................................... 50
3.2 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ........................................................................... 51
3.2.1 Sơ lược tình hình biến đổi khí hậu hiện nay ...................................................... 51
3.2.2. Dao động các đặc trưng khí hậu của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua. ............... 52
3.2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu ........................................................................... 53
3.3 KỊCH BẢN SỬ DỤNG ĐẤT ................................................................................... 55
3.3.1. Kịch bản 1 ......................................................................................................... 55
3.3.2. Kịch bản 2 ......................................................................................................... 56
3.3.3. Kịch bản 3 ......................................................................................................... 56
3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU................... 57
3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu ................................................................... 57
3.4.2 Lựa chọn kịch bản sử dụng đất .......................................................................... 58
3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất .............. 58
CHƯƠNG 4.................................................................................................... 59
ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN
ĐÃ LỰA CHỌN ............................................................................................ 59
4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG
THẠCH HÃN .............................................................................................................................. 59
4.1.1 Số liệu đầu vào ................................................................................................... 59
4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn ........... 59
4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình ..................................................... 61
4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình ................................................................................ 64
4.1.5 Nhận xét chung .................................................................................................. 65
4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY ... 65
4.2.1 Kịch bản B2: ...................................................................................................... 65
4.2.2 Kịch bản A2 ....................................................................................................... 67
4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY
TRÊN LƯU VỰC ........................................................................................................................ 69
4.3.1 Kịch bản 1: ......................................................................................................... 69
4.3.2 Kịch bản 2 .......................................................................................................... 70
4.3.3 Kịch bản 3 .......................................................................................................... 71
4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỚP
PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY ........................................................................................ 72
KẾT LUẬN .................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 78
1
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Bản đồ lưu vực sông Thạch Hãn ................................................................. 8
Hình 1.2. Sơ đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực
sông Thạch Hãn ......................................................................................................... 15
Hình 2.1. Cấu trúc chung của mô hình thủy văn ....................................................... 27
Hình 2.2. Sơ đồ lịch sử phát triển của mô hình SWAT ............................................ 33
Hình 2.3. Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo
phương trình Green và Ampt và trong thực tế .......................................................... 40
Hình 3.1. Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu (IPCC, 2007) .............. 51
Hình 3.2. Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng trên thế giới (IPCC, 2007) ........... 52
Hình 3.3. Xu thế biến đổi nhiệt độ của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua theo số liệu
của trạm Đông Hà ..................................................................................................... 53
Hình 3.4. Dao động tổng lượng mưa năm theo số liệu trạm Gia Vòng trong 3 thập
niên qua ..................................................................................................................... 53
Hình 3.5. Thay đổi diện tích sử dụng đất của kịch bản 1 so với bản đồ năm 2000 .. 56
Hình 4.1. Lưu vực sông Thạch Hãn được chia thành 04 lưu vực cơ sở ................... 60
Hình 4.2. Tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ
thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị ...................................................................... 61
Hình 4.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia
Vòng (NASH = 0,713) .............................................................................................. 63
Hình 4.4. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia
Vòng (NASH = 0,713) .............................................................................................. 63
Hình 4.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia
Vòng (NASH = 0,73) ................................................................................................ 64
Hình 4.5a. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia
Vòng (NASH = 0,73) ................................................................................................ 64
Hình 4.6. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn
nền 1980-1999 theo kịch bản B2 .............................................................................. 66
2
Hình 4.7. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời
đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 ...................................................................... 66
Hình 4.8. Thay đổi dòng chảy năm của các kịch bản biến đổi khí hậu .................... 67
Hình 4.9. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn
nền 1980-1999 theo kịch bản A2 .............................................................................. 68
Hình 4.10. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với
thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 .............................................................. 68
Hình 4.11. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 1 ............................ 70
Hình 4.12. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 2 ............................ 71
Hình 4.13. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 3 ............................ 72
Hình 4.14. Thay đổi dòng chảy năm tương ứng với kết hợp điều kiện khí hậu khác
nhau và bản đồ sử dụng đất theo kịch bản 3 ............................................................. 73
Hình 4.15. Thay đổi dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu-sử
dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu ........................................................... 74
Hình 4.16. Biến đổi % dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu A2 –
sử dụng đất 3 so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu A2 ............................................. 74
3
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Diễn biến tài nguyên rừng ở Quảng Trị và hiệu quả ................................ 11
Bảng 1.2. Chuẩn mưa năm và sai số quân phương tương đối tính chuẩn mưa năm
của các trạm trên lưu vực sông Thạch Hãn ............................................................... 11
Bảng 1.3. Các cực trị của lượng mưa năm trong thời kỳ quan trắc (1977 – 2004) .. 12
Bảng 1.4. Kết quả phân mùa mưa - khô trong tỉnh Quảng Trị ................................. 12
Bảng 1.5. Phân phối mưa năm theo tháng tại các trạm đo mưa trên lưu vực sông
Thạch Hãn ................................................................................................................. 13
Bảng 1.6. Nhiệt độ bình quân tháng tại trạm ĐôngHà .............................................. 13
Bảng 1.7. Độ ẩm tương đối trạm Đông Hà (%) ........................................................ 13
Bảng 1.8. Bốc hơi bình quân tháng trạm Đông Hà ................................................... 14
Bảng 1.9. Số giờ nắng trạm Đông Hà ....................................................................... 14
Bảng 1.10. Đặc trưng hình thái sông trong vùng nghiên cứu ................................... 16
Bảng 1.11. Kết quả phân mùa dòng chảy lưu vực sông Thạch Hãn ......................... 16
Bảng 1.12. Phân phối dòng chảy năm theo tháng lưu vực sông Thạch Hãn ............ 17
Bảng 1.13. Trữ lượng nước hồ, đập trên lưu vực sông Thạch Hãn .......................... 17
Bảng 1.14. Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thạch Hãn ........ 18
Bảng 1.15. Dân số trung bình phân theo giới tính và phân theo khu vực ................. 21
Bảng 1.16. Tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân qua các thời kỳ (%) .................... 22
Bảng 1.17. Cơ cấu quỹ đất đến 2010 tỉnh Quảng Trị ............................................... 23
Bảng 1.18. Quy hoạch sử dụng đất đến 2010 của tỉnh Quảng Trị ............................ 23
Bảng 2.1. Bảng kết quả đánh giá Mô hình bằng chỉ tiêu Nash ................................. 49
Bảng 3.1. Các kịch bản sử dụng đất .......................................................................... 56
Bảng 3.2. Gia tăng nhiệt độ theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với
thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) .................. 57
Bảng 3.3. Biến đổi % lượng mưa theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100
so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) ........ 58
4
Bảng 4.1. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Thạch Hãn ................. 62
Bảng 4.1a. Số liệu thực đo dòng chảy trung bình tháng của trạm Gia Vòng giai đoạn
nền 1980 - 1999 ......................................................................................................... 65
Bảng 4.2. Thay đổi dòng chảy năm theo các kịch bản biến đổi khí hậu ................... 67
Bảng 4.3. Biến đổi dòng chảy tháng so với số liệu thực đo trong thời đoạn nền ..... 67
Bảng 4.4. Thay đổi dòng chảy mùa theo kịch bản 1 ................................................. 69
Bảng 4.5. Khoảng dao động của biến đổi dòng chảy mùa của kịch bản 1 ............... 70
Bảng 4.6. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 2 ......... 70
Bảng 4.7. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 3 ......... 71
Bảng 4.8. Tỉ lệ giảm dòng chảy trong tháng mùa lũ (%) .......................................... 71
Bảng 4.9. Thay đổi dòng chảy năm giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu -sử dụng
đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu .................................................................... 73
5
MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sông Thạch Hãn là con sông lớn nhất của tỉnh Quảng Trị, diện tích lưu vực
sông Thạch Hãn là 2660 km2, chiếm tới 56% diện tích tỉnh Quảng Trị.
Nhìn chung, dòng chảy trên lưu vực sông Thạch Hãn chia thành 2 mùa rõ rệt:
- Mùa lũ mặc dù chỉ kéo dài 4 tháng (từ tháng VIII đến tháng XI hoặc từ
tháng IX đến tháng XII) nhưng mức độ tập trung dòng chảy trong mùa lũ khá lớn,
chiếm tới 62,5 - 80% tổng lượng dòng chảy cả năm. Đây là thời kỳ mưa lớn trong
năm và thời kỳ này có thể xảy ra lũ quét sườn dốc gây đất đá lở hay lũ ngập tràn ở
hạ du. Lũ này thường đi liền với bão gây thiệt hại lớn cho kinh tế xã hội, gây chết
người và hư hỏng các công trình, cơ sở hạ tầng. Tính chất lũ kéo dài từ 5 - 7 ngày,
đỉnh lũ cao, tổng lượng lớn. Với tình hình phát triển kinh tế hiện tại lũ này chỉ có
thể tránh và chủ động làm giảm mức thiệt hại do lũ gây ra.
- Mùa kiệt bắt đầu từ tháng XII hoặc tháng I, kết thúc vào tháng VII hoặc
VIII, kéo dài tới 8 tháng nhưng tổng lượng dòng chảy mùa kiệt chỉ chiếm khoảng
20 - 37,5% tổng lượng dòng chảy cả năm. Sự phân phối không đều đã gây ảnh
hưởng lớn cho sinh hoạt và sản xuất. Tình trạng đó càng trở nên khốc liệt vào các
năm và các tháng có gió Tây Nam (gió Lào) hoạt động mạnh.
Tuy nhiên, hiện nay, việc sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Thạch
Hãn còn tồn tại một số vấn đề sau:
- Nguồn nước đang được khai thác và sử dụng cho những mục đích riêng rẽ,
gây lãng phí và kém hiệu quả. Việc phân bổ nguồn nước cũng chưa hợp lý, chưa
đáp ứng mục tiêu cho các hộ dùng nước.
- Dấu hiệu khan hiếm nước ngày càng cao (lượng nước suy giảm về mùa
kiệt, mặn xâm nhập sâu vào nội đồng, ô nhiễm nước thải và chất thải tăng .v.v…).
- 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 .v.v… cũng gây tác động rất lớn đến nguồn nước.
Sự lặp lại của các sự kiện cực đoan ở ở tỉnh Quảng Trị nói chung và lưu vực
sông Thạch Hãn nói riêng trong thời gian gần đây đã khiến mọi người quan tâm đến
tác động của biến đổi khí hậu khu vực, sử dụng đất và những thay đổi cảnh quan do
con người gây ra đối với các hiện tượng cực đoan đó. Để chỉ ra được sự tác động đó
như thế nào thì cần phải hiểu được sự biến đổi khí hậu, sử dụng đất và thảm phủ tác
động đến dòng chảy và các hiện tượng thủy văn theo năm và mùa như thế nào. Kiến
thức này là cần thiết cho việc quy hoạch sử dụng đất để bảo vệ nguồn nước và quản
6
lý hiệu quả lưu vực. Nó cũng rất quan trọng đối với môi trường sinh thái và hoạt
động kinh tế xã hội của lưu vực.
Ngoài ra, hiện nay, trên lưu vực sông Thạch Hãn không có trạm quan trắc
lưu lượng thường xuyên, duy nhất chỉ có trạm Rào Quán đo đạc từ năm 1983 -
1985, nhằm mục đích phục vụ việc thiết kế và thi công công trình thủy điện Rào
Quán, vì vậy đã gây nhiều khó khăn cho công tác tính toán lượng nước đến trên lưu
vực cũng như dự báo lũ, kiệt; không có khả năng khái quát được số liệu dòng chảy
theo không gian và thời gian, phục vụ các mục đích nghiên cứu cũng như quy hoạch
sử dụng nước của lưu vực. Trong khi đó, các trạm đo mưa trong phạm vi tỉnh
Quảng Trị lại tương đối nhiều và tiến hành đo tương đối đồng bộ và liên tục từ năm
1977 đến nay. Hầu hết các tính toán và đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực đều
phải sử dụng các biện pháp khôi phục số liệu dòng chảy từ mưa.
Để khảo sát bài toán biến đổi dòng chảy ở lưu vực sông Thạch Hãn trong
điều kiện số liệu dòng chảy không đầy đủ, việc sử dụng các mô hình diễn toán mưa
– dòng chảy là cần thiết. Một số mô hình mưa - dòng chảy được ứng dụng nhiều
như: SWAT, HEC-HMS, MIKE-SHE, SAC-SMA, NASIM, HBV v.v… Trong đó,
Mô hình SWAT (Arnold và cộng sự, 2002) đã được chứng minh là một công cụ
hiệu quả để đánh giá tài nguyên nước và ô nhiễm với phạm vi lớn và các điều kiện
môi trường trên toàn cầu. Đồng thời, mô hình SWAT còn được xây dựng để đánh
giá tác động của việc sử dụng đất, của xói mòn và việc sử dụng hoá chất trong nông
nghiệp trên một hệ thống lưu vực sông. Từ những ưu điểm đó, sau khi cân nhắc
nghiên cứu, luận văn đã lựa chọn sử dụng mô hình SWAT để thực hiện mục tiêu
của đề tài.
Do vậy, “Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến
đổi khí hậu và sử dụng đất cho lưu vực sông Thạch Hãn” là một đề tài có tính
khoa học và thực tiễn, góp phần giải quyết những khó khăn trên và giúp cho các
nhà quản có thể quản lý tài nguyên nước và đưa ra được những quyết định chiến
lược phát triển kinh tế xã hội có hiệu quả hơn.
2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế - xã hội của tỉnh Quảng Trị nói
chung và của lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng để phục vụ cho bài toán
quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.
Chứng minh mức độ phù hợp của việc ứng dụng mô hình SWAT cho lưu
vực sông Thạch Hãn trong tính toán dòng chảy.
Khảo sát tác động của sử dụng đất và biến đổi khí hậu đối với dòng chảy của
lưu vực sông Thạch Hãn.
7
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng: Dòng chảy của sông Thạch Hãn dưới tác động của biến đổi khí
hậu và sử dụng đất.
Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Thạch Hãn.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Ứng dụng mô hình SWAT
5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
Luận văn gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu, kết luận, phụ lục, tài liệu
tham khảo:
Chương 1: Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Thạch Hãn
Chương 2: Mô hình SWAT
Chương 3: Kịch bản biến đổi khí hậu và sử dụng đất
Chương 4: Ứng dụng mô hình SWAT tính toán cho các kịch bản lựa chọn
Luận văn được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học,
trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Trong quá trình thực
hiện, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy, các cô trong khoa Khí tượng –
Thuỷ văn & Hải dương học về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật. Đặc biệt, xin bày
tỏ sự cảm ơn chân thành nhất đến hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Thanh
Sơn đã tận tình chỉ đạo và góp ý để tác giả hoàn thành luận văn này.
8
CHƯƠNG 1
ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN
1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN
1.1.1. Vị trí địa lý
Lưu vực Sông Thạch Hãn nằm trong phạm vi từ 16 0
18 đến 16054’ vĩ độ Bắc
và từ 106036’ đến 107
018’ kinh độ Đông. Phía đông giáp Biển Đông, phía tây giáp
lưu vực sông Sê Pôn phía nam giáp lưu vực sông Ô Lâu và tỉnh Thừa Thiên Huế,
phía bắc giáp lưu vực sông Bến Hải.
Hình 1.1. Bản đồ lưu vực sông Thạch Hãn
Sông Thạch Hãn bắt nguồn từ dãy Trường Sơn, có chiều dài 150 km. Dòng
chính Thạch Hãn, đoạn thượng nguồn (sông Đakrông) chảy quanh dãy núi Da Ban,
khi về tới Ba Lòng, sông chuyển hướng Đông Bắc và đổ ra biển tại cửa Việt với
diện tích lưu vực 2660 km2 (hình 1.1). Đặc điểm các sông của tỉnh Quảng Trị nói
chung và sông Thạch Hãn nói riêng là: lòng sông dốc, chiều rộng sông hẹp, đáy
sông cắt sâu vào địa hình, phần đồng bằng hạ du lòng sông mở rộng, có chịu ảnh
hưởng của thuỷ triều. [10, 13, 18]
1.1.2. Địa hình, địa mạo
Lưu vực sông Thạch Hãn có thể phân chia thành các vùng địa hình như sau:
vùng cát ven biển, vùng đồng bằng, vùng núi thấp và đồi, vùng núi cao. [11, 12]
9
- Vùng cát ven biển chạy dọc từ cửa Tùng đến bãi biển Mỹ Thuỷ theo dạng
cồn cát. Chiều rộng cồn cát nơi rộng nhất tới 3 - 4 km, dài đến 35 km. Dốc về 2
phía: đồng bằng và biển, cao độ bình quân của các cồn cát từ 4 đến 6m. Vùng cát có
lớp phủ thực vật nghèo nàn. Cát ở đây di chuyển theo các dạng cát chảy theo dòng
nước mưa, cát bay theo gió lốc, cát di chuyển theo dạng nhảy do mưa đào bới và gió
chuyển đi; dạng cồn cát này có nguy cơ di chuyển chiếm chỗ của đồng bằng.
- Vùng đồng bằng ở đây là các thung lũng sâu kẹp giữa các dải đồi thấp và
cồn cát hình thành trên các cấu trúc uốn nếp của dãy Trường Sơn, có nguồn gốc mài
mòn và bồi tụ. Ở đây có các vùng đồng bằng rộng lớn như:
+ Đồng bằng dọc sông Cánh Hòm: là dải đồng bằng hẹp chạy từ phía Nam
cầu Hiền Lương tới bờ Bắc sông Thạch Hãn, thế dốc của dải đồng bằng này là từ 2
phía Tây và Đông dồn vào sông Cánh Hòm. Cao độ bình quân dạng địa hình này từ
+0,5 1,5m. Dạng địa hình này cũng đã được cải tạo để gieo trồng lúa nước.
+ Đồng bằng hạ du sông Vĩnh Phước và đồng bằng Cam Lộ: dạng địa hình
bằng phẳng, tập trung ở Triệu Ái, Triệu Thượng (Vĩnh Phước). Cao độ bình quân
dạng địa hình này từ 1,0 3,0m. Đây là cánh đồng rộng lớn của Triệu Phong và thị
xã Đông Hà. Địa hình đồng bằng có cao độ bình quân từ 2,0 4,0m, dải đồng bằng
này hẹp chạy theo hướng Tây - Đông, kẹp 2 bên là các dãy đồi thấp.
+ Ngoài ra, còn một số các thung lũng hẹp cũng đã được khai thác để trồng
lúa nước.
- Vùng núi thấp và đồi có dạng đồi bát úp liên tục. Độ dốc vùng núi bình
quân từ 15 180. Địa hình này rất thuận lợi cho việc phát triển cây trồng cạn, cây
công nghiệp và cây ăn quả; cao độ của dạng địa hình này là 200 – 1000 m, có nhiều
thung lũng lớn.
- Vùng núi cao xen kẽ các cụm đá vôi được hình thành do quá trình tạo sơn
xảy ra vào đầu đại mêzôzôi tạo nên dãy Trường Sơn. Dạng này phân bố phía Tây,
giáp theo biên giới Việt - Lào theo hướng Tây Bắc – Đông Nam với bậc địa hình từ
1000 - 1700 m với bề mặt bị xâm thực và chia cắt mạnh. Địa hình này thích hợp cho
cây lâm nghiệp và rừng phòng hộ đầu nguồn.
1.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng
a. Địa chất
Trên lưu vực sông Thạch Hãn, nhìn chung địa tầng phát triển không liên tục,
các trầm tích từ Paleozoi hạ tới Kainozoi trong đó trầm tích Paleozoi chiếm chủ
yếu, gồm 9 phân vị địa tầng, còn lại 6 phân vị thuộc Meôzoi và Kainozoi. Các thành
tạo xâm nhập phân bố rải rác, song chủ yếu ở phần Tây Nam với diện tích gần 400
km2, thuộc các hệ Trà Bồng, Bến Giàng - Quế Sơn và các đá mạch không phân chia.
Phức hệ Trà Bồng nằm trên vùng Làng Xoa (Hướng Hoá) với lộ diện 120 km2, khối
có dạng kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam nằm dọc đứt gẫy Đakrông - A
Lưới. Phức hệ Bến Giàng - Quế Sơn nằm dọc theo dải núi và vùng Vít Thu Lu gồm
các khối Tam Kỳ, Ta Băm và động Voi Mẹp. Địa chất trong vùng có những đứt gãy
chạy theo hướng từ đỉnh Trường Sơn ra biển tạo thành các rạch sông chính cắt theo
10
phương Tây - Đông. Tầng đá gốc ở đây nằm sâu, tầng phủ dày. Phần thềm lục địa
được thành tạo từ trầm tích sông biển và sự di đẩy của dòng biển tạo thành. [11, 12]
b. Thổ nhưỡng
Lưu vực sông Thạch Hãn có thể được phân chia thành các vùng thổ nhưỡng:
vùng đồng bằng ven biển, vùng gò đồi, vùng đồi núi dãy Trường Sơn. [11, 12]
- Vùng đồng bằng ven biển phân bố dọc bờ biển, địa hình đụn cát có dạng
lượn sóng, độ dốc nghiêng ra biển. Dạng trầm tích biển được hình thành từ kỷ Q.IV.
Cát trắng chiếm ưu thế, tầng dưới cùng bước đầu có tích tụ sắt, chuyển sang màu
nâu hơi đỏ. Lớp vỏ phong hoá khá dày, thành phần cơ giới trên 97% là cát.
- Vùng gò đồi: hầu hết có dạng địa hình đồi thấp, một số dạng thung lũng
sông thuộc địa phận huyện Gio Linh, Cam Lộ trên vỏ phong hoá Mazma. Nhiều nơi
hình thành đất trống, đồi trọc. Thực vật chủ yếu là cây dạng lùm bụi, cây có gai. Đất
đai ở những nơi không có cây bị rửa trôi khá mạnh. Đá xuất lộ lên bề mặt tạo nên
dòng chảy mạnh gây ra xói lở.
- Vùng đồi, núi dãy Trường Sơn bị chia cắt mạnh, thực vật nghèo.
+ Tiểu vùng đất bazan Khe Sanh, Hướng Phùng thuộc các xã Tân Hợp, Tân
Độ, Tân Liên, nông trường Khe Sanh, Hướng Phùng có dạng địa hình lượn sóng,
chia cắt yếu, đất đai phù hợp cho phát triển trồng cây công nghiệp dài ngày.
+ Tiểu vùng đất sa phiến thạch thuộc địa phận Lao Bảo, Lìa: nằm trong
vùng đứt gãy dọc đường 9, giáp khu vực Lao Bảo.
1.1.4. Thảm thực vật
Trong thời gian chiến tranh, tỉnh Quảng Trị nằm trong vùng chiến tranh, huỷ
diệt khốc liệt, lớp phủ thực vật thuộc loại bị tàn phá. Ngay khi đất nước thống nhất,
kế hoạch khôi phục lớp phủ thực vật với ý nghĩa phục hồi các hệ sinh thái tối ưu, trở
thành kế hoạch hành động cụ thể và tích cực. Đến 1990, nhiều diện tích rừng trồng
và rừng tự nhiên tái sinh do khoanh nuôi bảo vệ đã xuất hiện. Rừng trồng theo
chương trình hỗ trợ của PAM (Chương trình An toàn lương thực Thế giới) dọc các
quốc lộ hoặc tỉnh lộ phát triển nhanh. Từ các Chương trình Quốc gia 327, 264 và kế
hoạch trồng rừng, trồng cây nhân dân của cấp tỉnh, phát động và đầu tư, đã nâng cao
tỷ lệ che phủ rừng khá nhanh.
Đồng thời với các kế hoạch trồng rừng, trong giai đoạn từ 1995 đến 2000,
thực hiện hạn chế khai thác rừng tự nhiên, tăng cường khoanh nuôi phục hồi rừng tự
nhiên, độ che phủ rừng đã tăng bình quân 1%/năm (bảng 1.1). Đến năm 2005 độ
che phủ của rừng đạt 43,2%. Tỉnh Quảng Trị gần như vùng đất vành đai trắng trong
thời gian chiến tranh, chỉ hơn 25 sau chiến tranh, rừng che phủ đất đai tự nhiên đã
tăng từ 7,4% lên hơn 40%, và đó là một thành quả sinh thái quan trọng. [17]
11
Bảng 1.1. Diễn biến tài nguyên rừng ở Quảng Trị và hiệu quả
Năm Diễn biến rừng và hiệu quả Địa bàn tỉnh Quảng Trị
1990
Độ che phủ rừng (%)
Rừng trồng (ha)
Hiệu quả
23,2 %
11.250 ha
Phục hồi hệ sinh thái
1995
Độ che phủ rừng (%)
Rừng trồng (ha)
Hiệu quả
26,4 %
29.300 ha
Chống cát di động. Phục hoá đất trồng chuyển canh tác
nông nghiệp
2000
Độ che phủ rừng (%)
Rừng trồng (ha)
Hiệu quả
29,7 %
35.064 ha
Phòng hộ ven biển, đầu nguồn
2005
Độ che phủ rừng (%)
Rừng sản xuất (ha)
Rừng phòng hộ (ha)
Rừng đặc dụng (ha)
Hiệu quả
43,2 %
65.947 ha
108.974 ha
33.593 ha
Phòng hộ ven biển, đầu nguồn
1.1.5 Khí hậu
a. Mưa
Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng nằm trong vùng
mưa tương đối lớn của nước ta. Lượng mưa hàng năm tính trung bình trên phạm vi
toàn lưu vực đạt trên 2400 mm, lượng mưa năm phân bố không đều theo không
gian, phụ thuộc vào hướng sườn dốc và phù hợp với xu thế tăng dần của mưa theo
độ cao địa hình. Do địa hình có xu thế tăng dần từ đông sang tây và từ bắc xuống
nam nên lượng mưa năm cũng có xu thế tăng dần từ đông sang tây và từ bắc xuống
nam. Nơi mưa ít nhất là những thung lũng khuất gió như Khe Sanh chuẩn mưa năm
2070,3 mm, Tà Rụt chuẩn mưa năm là 1936,7 mm. Nơi mưa nhiều là khu vực núi
cao thượng nguồn các sông Rào Quán, Cam Lộ. Kết quả tính toán chuẩn mưa năm
của một số trạm trên lưu vực được thể hiện trong bảng 1.2. [8, 11]
Bảng 1.2. Chuẩn mưa năm và sai số quân phương tương đối tính
chuẩn mưa năm của các trạm trên lưu vực sông Thạch Hãn
TT Tên trạm Thời kỳ tính
toán đại biểu
Độ dài
TKTTĐB
(năm)
Ktb
Hệ số biến
đổi mưa năm
Cvx
Chuẩn
mưa năm
Xo (mm)
Sai số quân
phương tương
đối (%)
(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)
1 Đông Hà 78-98 21 1,00 0,21 2271,5 4,58
12
2 Khe Sanh 78-04 27 0,99 0,23 2070,3 4,43
3 Thạch Hãn 78-04 27 0,99 0,24 2559,8 4,62
4 Cửa Việt 79-04 26 0,99 0,22 2237,1 4,26
Xét trên toàn chuỗi quan trắc (1977-2004), lượng mưa năm cực đại tại tất cả
các trạm rất lớn, đều đạt trên 3200 mm (nhỏ nhất tại Cửa Việt: 3372.4 mm và lớn
nhất tại Thạch Hãn: 4030,3 mm). Lượng mưa năm cực tiểu tại tất cả các trạm rất
nhỏ, dao động trong khoảng từ 1153,5 mm, tại Khe Sanh đến 1719,9 mm, tại Thạch
Hãn và xuất hiện không đồng thời tại các trạm. Cực trị của lượng mưa năm được
thống kê trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Các cực trị của lượng mưa năm trong thời kỳ quan trắc
(1977 – 2004)
Trạm Đông Hà Khe Sanh Cửa Việt Thạch Hãn
Xmax Lượng (mm) 3458,2 3424,8 3372,4 4030,3
Năm xuất hiện 1980 1990 1999 1999
Xmin Lượng (mm) 1424,5 1153,5 1305,5 1719,9
Năm xuất hiện 1988 1993 1988 1994
Xmax/Xmin 2,4 3,0 2,6 2,3
Cũng như các nơi khác ở nước ta, lượng mưa ở tỉnh Quảng Trị nói chung và
lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng cũng phân phối không đều trong năm. Một năm
hình thành hai mùa là mùa mưa và mùa khô. Tổng lượng mưa của 3 đến 4 tháng
mùa mưa chiếm tới 68 70% lượng mưa năm. Tổng lượng mưa của 8 - 9 tháng
mùa khô chỉ chiếm khoảng 30% tổng lượng mưa năm. Kết quả phân mùa mưa -
mùa khô của một số trạm trên lưu vực được thể hiện trong bảng 1.4.
Bảng 1.4. Kết quả phân mùa mưa - khô trong tỉnh Quảng Trị
TT Trạm Mùa mưa Mùa khô
Thời gian so với Xnăm Thời gian so với Xnăm
1 Đông Hà IX XI 63,97 XII X 36,03
2 Thạch Hãn IX XII 72,70 XII X 27,30
3 Cửa Việt IX XII 72,83 XII X 27,17
4 Tà Rụt IX XI 59,24 XII X 40,76
5 Khe Sanh VI XI 81,15 XI V 18,85
Sự phân hoá mưa năm theo tháng cũng khá sâu sắc. Lượng mưa của tháng
mưa nhiều nhất (tháng X) chiếm từ 20 đến 29 tổng lượng mưa năm. Lượng mưa
của tháng ít mưa nhất (I, II, III hoặc IV) rất không đáng kể, chỉ chiếm từ 0,5 đến
2,1 tổng lượng mưa năm. Ba tháng mưa nhiều nhất là các tháng IX, X, XI. Ba
13
tháng mưa ít nhất là các tháng I, II, III hoặc II, III, IV (bảng 1.5).
Bảng 1.5. Phân phối mưa năm theo tháng tại các trạm đo mưa
trên lưu vực sông Thạch Hãn
TT Trạm Đặc
trưng
Tháng Năm
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
1 Đông
Hà
Xth
(mm)
46,1 36,8 35,0 60,5 128,5 87,4 67,2 167,3 394,3 609,7 438,4 183,4 2254,7
% 2,05 1,63 1,55 2,68 5,70 3,88 2,98 7,42 17,49 27,04 19,44 8,14 100
2 Thạch
Hãn
Xth
(mm)
78,0 55,7 52,5 63,9 152,3 84,4 62,9 141,5 400,7 694,7 490,8 253,8 2531,1
% 3,08 2,20 2,07 2,52 6,02 3,34 2,48 5,59 15,83 27,45 19,39 10,03 100
3 Cửa
Việt
Xth
(mm)
64,8 49,0 37,4 59,7 118,7 64,6 59,2 158,1 374,3 575,9 454,9 234,5 2251,1
% 2,88 2,18 1,66 2,65 5,27 2,87 2,63 7,02 16,63 25,58 20,21 10,42 100
4 Tà
Rụt
Xth
(mm)
28,0 11,6 31,6 94,7 168,9 193,6 113,4 164,9 353,6 626,1 294,0 92,8 2149,9
% 1,30 0,54 1,47 4,41 7,85 9,01 5,27 7,67 16,45 29,12 13,67 4,32 100
5 Khe
Sanh
Xth
(mm)
15,7 20,4 31,3 87,4 172,2 199,4 196,4 297,6 371,7 416,1 184,9 60,0 2053,1
Mặt khác lượng nước chênh lệch giữa hai mùa là quá lớn, do đó cần phải tính
toán điều tiết để sử dụng nguồn nước một cách hợp lý tạo ra hiệu quả cao cho sản
xuất, chăn nuôi cũng như là dùng cho sinh hoạt.
b. Nhiệt độ không khí
Nhiệt độ không khí trong vùng thấp nhất vào mùa Đông (tháng 11 tới tháng
3). Cao nhất vào mùa Hè (tháng 5 tới tháng 8). Nhiệt độ bình quân nhiều năm vào
khoảng 24,30C. Chênh lệch nhiệt độ trong ngày từ 7 tới 10
0C. Nhiệt độ bình quân
tháng tại trạm các trạm trong vùng nghiên cứu được thể hiện ở bảng 1.6. [7, 8]
Bảng 1.6. Nhiệt độ bình quân tháng tại trạm ĐôngHà
Đơn vị: 0C
Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Đông Hà 19.2 19.3 22.5 25.6 28.2 29.3 29.6 28.8 27.1 25.1 22.5 19.9
Quảng Trị 19.4 20.4 22.6 25.6 28.1 29.4 29.5 29.0 27.1 25.1 23.2 20.8
Khe Sanh 17.6 18.4 21.8 24.4 25.6 25.6 25.3 24.6 24.0 22.8 20.4 18.2
c. Độ ẩm tương đối
Độ ẩm tương đối bình quân nhiều năm nằm trong khoảng 85 tới 89%. Bảng
1.7 trích dẫn độ ẩm tương đối tại trạm Đông Hà.
Bảng 1.7. Độ ẩm tương đối trạm Đông Hà (%)
Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TB
14
Đông Hà 92 91 91 93 91 79 81 79 84 85 88 89 86,9
d. Bốc hơi
Bốc hơi bình quân nhiều năm nằm trong khoảng 1200 - 1300 mm. Ở vùng
đồng bằng bốc hơi bình quân nhiều năm cao hơn vùng núi. Lượng bốc hơi bình
quân tháng lớn nhất tại Đông Hà là 219 mm/tháng (bảng 1.8). Lượng bốc hơi ngày
lớn nhất vào tháng 7, bình quân 1 ngày bốc hơi tới 7 mm.
Bảng 1.8. Bốc hơi bình quân tháng trạm Đông Hà
Đơn vị: mm
Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm
Đông Hà 53.5 49 54 71.5 126 195 219 189 100 90 71 61 1279
e. Số giờ nắng
Bình quân số giờ nắng trong năm khoảng 1840 giờ. Tại Đông Hà số giờ nắng
trong tháng biến đổi từ 92 giờ vào tháng 2 tới 242 giờ vào tháng 7 (bảng 1.9).
Bảng 1.9. Số giờ nắng trạm Đông Hà
Đơn vị: giờ
Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm
Đông Hà 95 92 106 169 223 235 242 192 151 145 84 106 1840
f. Gió và bão
Các lưu vực sông thuộc Quảng Trị nói chung và sông Thạch Hãn nói riêng
chịu chế độ khí hậu nhiệt đới, gió mùa. Một năm có 2 chế độ gió mùa chính:
Gió mùa Tây Nam hoạt động mạnh vào mùa hè từ tháng 4 đến tháng 11, tốc
độ gió bình quân 2,0 2,2m/s. Gió mùa này mang độ ẩm và gây mưa cho vùng.
Gió mùa Tây Bắc hoạt động mạnh từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau, tốc độ
gió bình quân từ 1,7 1,9m/s. Thời gian chuyển tiếp các hướng gió Tây Nam và
Tây Bắc là thời gian giao thời và gió Tây khô nóng hoạt động vào tháng 4, tháng 5
(nhân dân địa phương gọi là gió Lào). Thời kỳ có gió Lào là thời kỳ nóng nhất trong
tỉnh Quảng Trị. Bão và xoáy thuận nhiệt đới là những biến động thời tiết trong mùa
hạ, hoạt động rất mạnh mẽ và thất thường. Từ tháng 5 đến tháng 8 vùng ven Thái
Bình Dương không khí bị nung nóng bốc lên cao tạo thành những vùng xoáy rộng
15
hàng trăm km2, tích luỹ dần và di chuyển theo hướng Tây Nam đổ bộ vào đảo Hải
Nam Trung Quốc. Tính chất của bão và áp thấp nhiệt đới ở vùng Quảng Trị cũng
rất khác nhau theo từng cơn bão và từng thời kỳ có bão. Có năm không có bão và áp
thấp nhiệt đới như năm 1963, 1965, 1969, 1986, 1991, 1994. Cũng có năm liên tiếp
3 cơn bão như năm 1964, 1996 hoặc 1 năm có 2 cơn bão như năm 1999. Bình quân
1 năm có 1,2 1,3 cơn bão đổ bộ vào Quảng Trị. Vùng ven biển Quảng Trị bão và
áp thấp nhiệt đới thường gặp nhau tới 78%, do vậy khi có bão thường gặp mưa lớn
sinh lũ trên các triền sông. Bão đổ bộ vào đất liền với tốc độ gió cấp 10 đến cấp 12,
khi gió giật trên cấp 12. Thời gian bão duy trì từ 8 10 giờ nhưng mưa theo bão
thường xảy ra 3 ngày liên tục. Thiệt hại về người và tài sản do bão gây ra thường rất
lớn. Đây cũng là 1 yếu tố cản trở tới tiến trình phát triển kinh tế xã hội của tỉnh
Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng.
1.1.6. Thủy văn
a. Mạng lưới thủy văn
Hệ thống sông Thạch Hãn (còn gọi là sông Quảng Trị) có 37 con sông gồm
17 sông nhánh cấp I với 3 nhánh tiêu biểu là Vĩnh Phước, Rào Quán và Cam Lộ, 13
sông nhánh cấp II, 6 sông nhánh cấp III. Diện tích toàn lưu vực là 2660 km2, độ dài
sông chính là 150 km, độ cao bình quân lưu vực 301 m, độ dốc bình quân lưu vực là
20,1%, độ rộng trung bình lưu vực là 36,8 km, mật độ lưới sông là 0,92 (hình 1.2 và
bảng 1.10). [18, 19]
Hình 1.2. Sơ đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực
sông Thạch Hãn
16
Bảng 1.10. Đặc trưng hình thái sông trong vùng nghiên cứu
Tên sông Thạch Hãn
Diện tích lưu vực (km2) 2660
Cửa sông Việt
Chiều dài dòng chính (km) 150
Cao độ bình quân lưu vực (m) 301
Độ rộng bình quân lưu vực (m) 38.6
Độ dốc bình quân lưu vực (‰) 20.1
Mật độ lưới sông (km/km2) 0.92
Tỷ lệ diện tích đồng bằng 17.3
b. Đặc điểm thủy văn
Nằm trong vùng mưa tương đối lớn của nước ta nên dòng chảy năm của các
sông suối trong lưu vực sông Thạch Hãn cũng khá dồi dào. Môđun dòng chảy năm
bình quân đạt 44,8 l/skm2, ứng với lớp dòng chảy hàng năm khoảng 1442,8 mm.
Trong phạm vi lưu vực sông Thạch Hãn, chuẩn dòng chảy năm phân phối
không đều theo không gian, biến đổi phù hợp với sự biến đổi của lượng mưa năm,
nghĩa là cũng theo xu thế tăng dần theo độ cao địa hình với phạm vi biến đổi từ 30
l/skm2 đến 60 l/skm
2. Hàng năm, trên toàn bộ sông suối trên lưu vực sông Thạch
Hãn có tổng lượng dòng chảy trên lưu vực khoảng 3,92 km3.
Nhìn chung, trên dòng chảy trên lưu vực sông Thạch Hãn chia thành 2 mùa
rõ rệt (bảng 1.11 và bảng 1.12). Mùa lũ mặc dù chỉ kéo dài 4 tháng (từ tháng VIII
đến tháng XI hoặc từ tháng IX đến tháng XII) nhưng mức độ tập trung dòng chảy
trong mùa lũ khá lớn, chiếm tới 62,5 - 80% tổng lượng dòng chảy cả năm. Mùa kiệt
bắt đầu từ tháng XII hoặc tháng I, kết thúc vào tháng VII hoặc VIII, kéo dài tới 8
tháng nhưng tổng lượng dòng chảy mùa kiệt chỉ chiếm khoảng 20 - 37,5% tổng
lượng dòng chảy cả năm.
Mùa kiệt trong vùng thường chậm hơn so với các tỉnh đồng bằng Bắc Bộ.
Lượng nước mùa kiệt chỉ chiếm khoảng gần 30% tổng lượng dòng chảy trong năm.
Sự phân phối không đều đã gây ảnh hưởng lớn cho sinh hoạt và sản xuất. Tình trạng
đó càng trở nên khốc liệt vào các năm và các tháng có gió Tây Nam (gió Lào) hoạt
động mạnh. Tuy nhiên vào khoảng tháng 5 - 6 trong vùng thường có mưa tiểu mãn
bổ sung lượng nước cho mùa kiệt. [11, 18, 19]
Bảng 1.11. Kết quả phân mùa dòng chảy lưu vực sông Thạch Hãn
17
TT Tên trạm Mùa lũ Mùa kiệt
Thời gian Qnăm Thời gian Qnăm
1 Đông Hà IXXII 76,9 IVIII 23,1
2 Thạch Hãn VIIIXI 65,1 XIIVII 34,9
Bảng 1.12. Phân phối dòng chảy năm theo tháng lưu vực sông
Thạch Hãn
TT Sông - Trạm Đặc
trưng
Tháng
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
1 Thạch Hãn -
Đông Hà
Qbq m3/s
m3/s
15,2 8,20 4,94 4,06 7,56 7,00 5,68 11,8 39,0 74,8 65,8 35,2
% 5,45 2,94 1,77 1,45 2,71 2,51 2,03 4,21 14.0 26,80 23,6 12,6
2 Thạch Hãn -
Thạch Hãn
Qbq m3/s 34,7 18,1 10,9 9,6 23,7 35,1 33,8 53,8 103 144 103 50,5
% 5,59 2,92 1,75 1,55 3,81 5,66 5,45 8,67 16,7 23,14 16,67 8,13
Lũ trên lưu vực sông Thạch Hãn có thể xảy ra trong 3 thời kỳ trong năm:
- Lũ tiểu mãn thường xảy ra vào tháng 5, 6 và năm nào cũng xảy ra lũ tiểu
mãn. Tính chất lũ này nhỏ, tập trung nhanh, xảy ra trong thời gian ngắn, lũ đỉnh
nhọn, lên và xuống nhanh, thường xảy ra trong 2 ngày nên ít ảnh hưởng đến đời
sống dân cư, chủ yếu ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp và nuôi trồng thuỷ sản.
- Lũ sớm xảy ra vào tháng 6 đến đầu tháng 9 hàng năm. Lũ này không có
tính chất thường xuyên nhưng lũ có tổng lượng lớn hơn lũ tiểu mãn, tập trung lũ
nhanh. Thời kỳ xảy ra lũ sớm thường vào thời kỳ triều bắt đầu cao. Do vậy mực
nước lũ cao hơn lũ tiểu mãn. Lũ này ít ảnh hưởng tới dân sinh mà chủ yếu là ảnh
hưởng tới sản xuất nông nghiệp và thuỷ sản.
- Lũ chính vụ xảy ra từ trung tuần tháng 9 đến cuối tháng 11 đầu tháng 12
hàng năm. Đây là thời kỳ mưa lớn trong năm và lũ thời kỳ này có thể xảy ra lũ quét
sườn dốc gây đất đá lở hay lũ ngập tràn ở hạ du. Lũ này thường đi liền với bão gây
thiệt hại lớn cho kinh tế xã hội, gây chết người và hư hỏng các công trình, cơ sở hạ
tầng. Tính chất lũ kéo dài từ 5 - 7 ngày, đỉnh lũ cao, tổng lượng lớn. Với tình hình
phát triển kinh tế hiện tại lũ này chỉ có thể tránh và chủ động làm giảm mức thiệt
hại do lũ gây ra.
c. Các công trình thủy lợi trên lưu vực
Nhằm mục đích điều tiết nước phục vụ canh tác nông nghiệp cũng như các
hoạt động dân sinh kinh tế khác, trên lưu vực sông Thạch Hãn đã được xây dựng
một số các công trình thủy lợi, chủ yếu là các hồ chứa nước tiêu biểu liệt kê trong
bảng 1.13. [12]
Bảng 1.13. Trữ lượng nước hồ, đập trên lưu vực sông Thạch Hãn
18
TT Tên hồ chứa Địa điểm Đơn vị quản lý Dung tích (triệu m
3)
Chứa Hữu ích
1 Kinh Môn Gio Linh XNKTN Gio Linh 18,2 15,9
2 Ái Tử Triệu Phong - 15,5 15,3
3 Nghĩa Hy Cam Lộ XNKTN Đông Hà 3,27 3,24
4 Khe Mây Đông Hà XNKTN Đông Hà 1,2 0,8
5 Nam Thạch Hãn Hải Lăng XNKTN Nam Thạch Hãn 9,3
d. Tình hình tài liệu khí tượng - thủy văn
Trong lưu vực nghiên cứu có 7 trạm khí tượng và thủy văn. Trong đó có một
trạm khí tượng cấp 1 là trạm Đông Hà, 1 trạm khí tượng cấp 2 là trạm Khe Sanh,
hai trạm khí tượng cấp 4 là trạm Ba Lòng, Tà Rụt và một trạm khí tượng cao không
là trạm Thạch Hãn. Trạm Đông Hà và Cửa Việt đây là hai trạm thủy văn cấp 3.
Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn được thể hiện trong hình 1.2 và bảng 1.14. [19]
Bảng 1.14. Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông
Thạch Hãn
TT Tên trạm Vĩ độ Kinh độ Loại trạm Yếu tố đo đạc Thời gian
quan trắc
Ghi chú
1 Đông Hà 16051’ 107
005’ Khí tượng X, t, bốc hơi.. 1974 - nay
2 Khe Sanh 16038’ 106
044’ Khí tượng X, t, bốc hơi.. 1977 - nay
3 Ba Lòng 16039' 107
001' Khí tượng X 1979 - 1990
4 Tà Rụt 16
025' 107
000' Khí tượng X
1983 - 1986
1988 - 1990
5 Đông Hà 16o50' 107
o06' Thủy văn X, H 1974 - nay
6 Cửa Việt 16o53' 107
o10' Thủy văn X, H 1989 - nay
7 Thạch Hãn 16o45' 107
o14' Khí tượng X 1978 - nay
Hiện trên lưu vực sông Thạch Hãn không có trạm quan trắc lưu lượng
thường xuyên, duy nhất chỉ có trạm Rào Quán đo đạc từ năm 1983 - 1985, nhằm
mục đích phục vụ việc thiết kế và thi công công trình thủy điện Rào Quán, vì vậy đã
gây nhiều khó khăn cho công tác tính toán lượng nước đến trên lưu vực cũng như
dự báo lũ, kiệt. Hầu hết các tính toán và đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực đều
phải sử dụng các biện pháp khôi phục số liệu dòng chảy từ mưa.
19
1.2. HIỆN TRẠNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN KINH TẾ
Trong cơ cấu kinh tế của tỉnh hiện nay ngành nông, lâm nghiệp, thủy sản vẫn
chiếm tỷ trọng lớn; trong đó giá trị sản xuất trồng trọt chiếm tỷ trọng cao, ngành
chăn nuôi chưa phát triển tương xứng với tiềm năng. Quá trình chuyển dịch cơ cấu
kinh tế diễn ra chậm, giá trị sản phẩm trên 1 ha canh tác còn thấp, lao động nông
thôn còn dư thừa nhiều, thu nhập thấp, đời sống nhân dân còn nhiều khó khăn. [9]
1.2.1. Hiện trạng phát triển kinh tế
1.2.1.1. Những hạn chế trong phát triển kinh tế xã hội
Do địa bàn tỉnh Quảng Trị nằm xa các trung tâm kinh tế lớn như Hà nội,
thành phố Hồ Chí Minh cũng như các thành phố lớn khác...nên hạn chế trong giao
lưu kinh tế. [14]
Diện tích đất canh tác ít, diện tích đất cát nhiều. Trong tỉnh Quảng Trị diện
tích đất cát khoảng 30.000 ha, lớn hơn so với diện tích đất trồng lúa màu.
Quảng Trị nằm trong vùng thiên tai khắc nghiệt nhất so với các tỉnh khác
trong cả nước. Lũ lụt, hạn hán, bão cát, cát lấp đồng ruộng xảy ra thường xuyên.
Lực lượng lao động còn thiếu và yếu do chưa có chiến lược đầu tư dài hạn.
Trong khi đó lực lượng chưa đến tuổi lao động hoặc quá tuổi lao động nhiều.. Lực
lượng hưởng chế độ chính sách hàng năm do hậu quả của chiến tranh lớn.
Thị trường tiêu thụ sản phẩm còn nhiều khó khăn, sản phẩm hàng hoá chưa
nhiều, tỷ trọng hàng hoá xuất khẩu còn thấp.
Hệ thống cơ sở hạ tầng phục vụ sản xuất chưa đồng bộ, còn thiếu và lạc hậu,
chưa theo kịp với tiến trình phát triển.
1.2.1.2. Những thuận lợi trong phát triển kinh tế xã hội
Lợi thế về đất đai khí hậu, nguồn nước: Tỉnh Quảng Trị có điều kiện tự nhiên
về địa hình, khí hậu, đất đai phong phú. Ở đây có cả vùng núi, trung du, đồng bằng
và ven biển; có tiềm năng để phát triển một nền nông nghiệp, lâm nghiệp, thuỷ sản
đa dạng có hiệu quả cao. [14]
Tiểu vùng núi: miền núi Quảng Trị có diện tích 298.173 ha trải trên diện tích
của 43 xã, thị trấn miền núi, chiếm 65% tổng diện tích tự nhiên của tỉnh. Ðây là
vùng có tiềm năng phát triển cây công nghiệp, cây ăn quả, lâm nghiệp và chăn nuôi
đại gia súc.
20
Tiểu vùng đồng bằng: thế mạnh trong sản xuất nông nghiệp là trồng lúa và
các cây màu lương thực, cây công nghiệp ngắn ngày gắn với chăn nuôi lợn.
Tiểu vùng ven biển: bao gồm nhiều bãi cát và cồn cát lớn ven biển. Ðây là
nơi có tiềm năng lớn để phát triển nuôi trồng thuỷ sản. Hệ thống sông ngòi trong
tỉnh tương đối dày với nguồn nước khá phong phú. Lượng dòng chảy trong năm
khoảng 5 tỷ m3, góp một phần quan trọng trong sinh hoạt và phát triển kinh tế.
Lợi thế về cơ sở hạ tầng: Hệ thống đường quốc lộ và tỉnh lộ tạo nên mạng
lưới giao thông thuận lợi. Các đường liên huyện, liên xã đã và đang tiếp tục được
nâng cấp và mở rộng. Trong vùng có cửa khẩu quốc tế Lao Bảo thông thương buôn
bán và giao lưu kinh tế với nước bạn Lào, Thái Lan. Cửa khẩu này càng trở nên
quan trọng khi tuyến đường xuyên Á nối liền Cảng cửa Việt với Lào và vùng Ðông
Bắc Thái Lan được hình thành. Tất cả các huyện, thị xã của tỉnh đều có điện lưới
quốc gia, trên 10 vạn hộ đã được cấp điện lưới quốc gia, đạt tỷ lệ hộ được dùng điện
lên đến 85%.
Lợi thế về lao động, khoa học kỹ thuật: Dân số toàn tỉnh năm 2011 là
604.671 người, trong đó số người trong độ tuổi lao động là 329.943 người. Ðây là
nguồn lao động dồi dào phục vụ phát triển kinh tế. Tỷ lệ lao động được đào tạo
nghề tuy chưa cao nhưng người dân trong tỉnh khá năng động, chịu khó làm việc và
học hỏi nhằm áp dụng những tiến bộ khoa học vào cuộc sống.
1.2.2. Chiến lược phát triển kinh tế xã hội tỉnh Quảng Trị
Định hướng cơ bản đối với vùng núi là chuyển nền kinh tế tự cung tự cấp
sang nền kinh tế sản xuất hàng hoá trên cơ sở nông lâm kết hợp, xã hội hoá nghề
rừng, cây công nghiệp ngắn ngày và dài ngày, cây dược liệu, cây đặc sản, cây ăn
quả và chăn nuôi đại gia súc, gắn liền với công nghệ chế biến khai khoáng và dịch
vụ du lịch nhằm ổn định và nâng cao đời sống dân cư miền núi. [14]
Bảo vệ và tái tạo tài nguyên rừng, khôi phục môi trường sinh thái, chống xói
mòn đất. Phát triển đồng bộ cơ sở hạ tầng, đồng thời mở rộng mạng lưới giao lưu
trao đổi hàng hoá, văn hoá xã hội với các huyện trong tỉnh, với các tỉnh của nước
bạn Lào, Thái Lan. Xây dựng các cụm điểm kinh tế - văn hoá - xã hội cho vùng cao,
vùng sâu, vùng đồng bào dân tộc ít người.
Chú trọng đào tạo cán bộ người dân tộc thiểu số, từng bước nâng cao mặt
bằng dân trí, cải thiện đời sống tinh thần cho đồng bào dân tộc miền núi.
21
Phát triển công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp ở các trung tâm, mở rộng mạng
lưới thương mại, dịch vụ du lịch, đẩy mạnh sản xuất các mặt hàng xuất khẩu.
1.2.2.1. Tình hình phát triển dân số, nguồn nhân lực
Theo Niên giám thống kê năm 2011 dân số toàn tỉnh là 604.671 người (trong đ
n gi i c 305.549 người và nam gi i c 299.122 người), dân số thành thị 174.179,
dân số nông thôn 430.492 nhân khẩu (Bảng 1.15). Toàn tỉnh có 154.278 hộ, bình
quân 3,92 người/hộ. Đồng bào dân tộc thiểu số phân bố tập trung chủ yếu ở hai
huyện ĐaKrông, Hướng Hoá, ngoài ra còn phân bố ở 1 số xã thuộc các huyện Gio
Linh, huyện Vinh Linh và Cam Lộ. [4]
Bảng 1.15. Dân số trung bình phân theo giới tính và phân theo
khu vực
Đơn vị tính: người
Năm Tổng số Phân theo giới tính Phân theo khu vực
Nam Nữ Thành thị Nông thôn
2006 591.869 292.619 299.250 155.454 436.415
2007 594.101 293.722 300.379 158.651 435.450
2008 596.712 295.969 300.743 162.014 434.698
2009 598.568 295.412 303.156 167.599 430.969
2010 601.665 297.287 304.378 170.873 430.792
2011 604.671 299.122 305.549 174.179 430.492
Năm 2011, Quảng Trị có 329.943 người trong độ tuổi lao động (chiếm 55,5%
dân số), trong đó số người trong độ tuổi đang làm việc trong các ngành kinh tế quốc
dân là 318.477 người, chiếm 52,67% dân số. Tổng số lao động, phân bố trong các
ngành: nông, lâm nghiệp chiếm 52,06%; thủy sản 3,94%; công nghiệp xây dựng
chiếm 14,93%.
1.2.2.2. Xu thế phát triển kinh tế - xã hội
Trong thập niên qua tình hình phát triển kinh tế xã hội của tỉnh đạt mức khá cao,
tuy nhiên có xu hướng giảm trong những năm gần đây. Tốc độ tăng trưởng kinh tế
GDP của một số ngành và lĩnh vực kinh tế - xã hội đang tiếp tục được cải thiện đặc
biệt ngành dịch vụ, tuy nhiên kinh tế nông nghiệp có xu hướng giảm tương đối lớn
từ 4.9% năm 2005 xuống 2.9% năm 2011 (bảng 1.16). [3]
Giai đoạn 2001- 2005. Tăng trưởng kinh tế đạt bình quân 8.7%/năm, trong đó
công nghiệp - xây dựng tăng 21.7%/năm, nông nghiệp tăng 4.7%/năm, dịch vụ tăng
6.7%/năm. Năm 2005, tổng GDP (giá HH) đạt 3.407 tỉ đồng, bình quân đầu người
22
đạt 5.165 triệu đồng, tăng hơn 1.8 lần so với năm 2000
Giai đoạn 2006-2010. Kinh tế Quảng Trị có mức tăng trưởng khá, bình quân
giai đoạn 2006-2010 đạt 10.6%/năm, tương đương chỉ tiêu Nghị quyết Đại hội
Đảng bộ tỉnh lần thứ XIV đã đề ra là 11%/năm và cao hơn so với giai đoạn 2001-
2005 đã đạt là 8.68%/năm. Đánh giá về tốc độ tăng trưởng bình quân VA (GDP)
giai đoạn 05 năm 2006-2010 của các ngành kinh tế cho thấy, tốc độ tăng trưởng
ngành Xây dựng và ngành Công nghiệp có tốc độ cao trong cả giai đoạn 10 năm
2001-2010 với tốc độ 23.3%/năm và 19.3%/năm; Tiếp theo là ngành Thương mại-
Dịch vụ đạt tốc độ 7.6%/năm và ngành Nông nghiệp là 4.1%/năm. Năm 2010, tổng
VA (theo giá cố định 1994) của tỉnh đạt khoảng 3.008 tỷ đồng gấp hơn 1.6 lần so
với năm 2005 và đạt mức tăng trưởng 10.6%/năm trong giai đoạn 2006-2010
Giai đoạn 2009-2011. Kinh tế tỉnh đạt tốc độ tăng trưởng 10.15%/năm (năm
2009 tăng 9.4%, năm 2010 tăng 10.8%, năm 2011 tăng 9.6%). Trong đó công
nghiệp - xây dựng tăng 16.76%, nông - lâm - ngư nghiệp tăng 2.76%, dịch vụ tăng
8.57%. Tổng thu ngân sách trên địa bàn bình quân tăng 26.05%/năm, tốc độ tăng
thu nội địa bình quân là 21.9%/năm.
Giai đoạn 2011 Quảng Trị đạt được một số kết quả như sau:
Tốc độ tăng trưởng ngành nông - lâm - ngư nghiệp tăng 2.9%; Công nghiệp -
xây dựng tăng 14.6%; Dịch vụ tăng 9.1%. Tổng vốn đầu tư phát triển toàn xã hội
ước đạt: 6.451 tỷ đồng.
Tổng thu ngân sách trên địa bàn ước đạt: 1466 tỷ đồng; trong đó thu nội địa: 903
tỷ đồng; thu từ hoạt động xuất nhập khẩu: 563 tỷ đồng. GDP bình quân đầu người
đạt 21.496 triệu đồng.
Bảng 1.16. Tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân qua các thời kỳ
(%)
Chỉ tiêu 2008 2009 2010 Sơ bộ 2011
- Tăng trưởng GDP bq/năm 10.4 9.4 10.8 9.6
- Công nghiệp - xây dựng 22.1 17.7 18 14.6
- Nông, lâm, ngư nghiệp 2.5 2.0 3.4 2.9
- Dịch vụ 7.4 7.6 9.0 9.1
23
1.2.2.3. Quy hoạch sử dụng đất và chuyển đổi cơ cấu cây trồng tới năm 2010
Đất nông nghiệp đến 2010 tăng chủ yếu do khai thác quỹ đất chưa sử dụng
đưa vào sản xuất cây hàng năm và cây lâu năm, trồng và khoanh nuôi phục hồi
rừng, nuôi trồng thủy sản. [15, 16, 17]
Bảng 1.17. Cơ cấu quỹ đất đến 2010 tỉnh Quảng Trị
Loại đất
Hiện trạng sử dụng năm 2002 Quy hoạch sử dụng đến 2010
Diện tích (ha) Cơ cấu (%) Diện tích (ha) Cơ cấu (%)
Tổng diện tích 474.573,6 100 474574 100
1. Đất nông nghiệp 70766.7 14.91 92539 19.5
2. Đất lâm nghiệp 157206.75 33.13 311030 65.54
3. Đất chuyên dùng 18908.02 3.98 20202 4.26
4. Đất ở 3486.2 0.73 4156 0.87
5. Đất chưa sử dụng 224205.91 47.24 46664 9.83
Bảng 1.18. Quy hoạch sử dụng đất đến 2010 của tỉnh Quảng Trị
Loại đất
Năm 2002 Năm 2010
Diện tích
(ha)
Cơ cấu
(%)
Diện tích
(ha)
Cơ cấu
(%)
Tổng diện tích 474573.57 100 474573 100
I- Ðất nông nghiệp 70766.69 14.91 92539 19.5
1- Ðất trồng cây hàng năm 41051 58.01 51512 54.12
a/ Ðất ruộng lúa, lúa màu 25796.06 25379
b/Ðất nương rẫy 5401.28 936
c/ Ðất trồng cây hàng năm khác 9853.66 23763
2- Ðất vườn tạp 9770.48 13.81 10846 11.72
3- Ðất trồng cây lâu năm 18814.05 26.59 23864 25.79
4- Ðất cỏ dùng vào chăn nuôi 101 0.14 4651 5.03
5- Ðất có mặt nước nuôi trồng TS 1030.16 1.46 3100 3.35
II – Ðất lâm nghiệp có rừng 157206.75 33.13 311030 65.54
1/- Rừng tự nhiên 101352.75 64.47 153435 49.33
a/. Ðất có rừng sản xuất 40094.66 85977
b/. Ðất có rừng phòng hộ 61164.65 67365
c/. Ðất có rừng đặc dụng 93.44 93
2/- Rừng trồng 55819.34 35.51 157150 50.53
a/. Ðất có rừng sản xuất 40006.31 139567
b/. Ðất có rừng phòng hộ 15813.03 17583
c/. Ðất có rừng đặc dụng 0
3/- Ðất ươm cây giống 34.66 0.02 445 0.14
III- Ðất chuyên dùng 18908.02 3.98 20202 4.26
Trong đó: Ðất làm muối 12 0.06 15 0.07
IV- Ðất ở 3486.2 0.73 4156 0.87
24
1- Ðất ở đô thị 1254.34 35.98 1425 34.44
2- Ðất ở nông thôn 2231.86 64.02 2713 65.56
V- Ðất chưa sử dụng,sông suối, NĐ 224205.91 47.24 46664 9.83
1/ Ðất bằng chưa sử dụng 19319.2 8.62 4500 9.64
2/ Ðất đồi núi chưa sử dụng 186833.34 83.33 27226 58.34
3/ Ðất có mặt nước chưa sử dụng 3234.84 1.44 366 0.78
4/ Sông suối 11646.93 5.19 11247 24.1
5/ Núi đá không có rừng cây 1858.9 0.83 992 2.13
6/ Ðất chưa sử dụng khác 1312.7 0.59 2333 5 (Nguồn: Viện Quy hoạch & Thiết kế Nông nghiệp)
1.3. CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT CỰC ĐOAN
1.3.1. Tình trạng hạn hán
Năm 1998 là năm hạn lịch sử trong vùng, theo thống kê tình trạng hạn trong
vụ Hè Thu ở tỉnh Quảng Trị. Kết quả sản xuất và thiệt hại do hạn hán vụ Hè Thu
năm 1998: [1, 2]
Lúa Hè Thu gieo cấy: 16.011 ha, bị hạn: 11.831 ha, mất trắng: 9.200 ha
Lúa vụ 10 gieo cấy 4.898 ha, ngô 506 ha, khoai lang 770 ha, sắn 3.715,5 ha,
màu khác 299 ha, rau các loại 300 ha đều bị hạn nặng và mất trắng.
Ðậu xanh gieo trồng 1435 ha, bị hạn 1.435 ha
Lạc gieo trồng 466 ha, bị hạn 466 ha
Cây công nghiệp dài ngày trồng mới năm 1997 hạn gần 4.000 ha:
Cao su: 1.117 ha, chết trên 50%, bị giảm năng suất cạo mủ do hạn là 2.400
ha
Cà phê: 149 ha chết ; 648 ha bị hạn giảm năng suất 50%.
Hồ tiêu có hiện tượng mềm thân 479 ha/800 ha.
Do không đủ nguồn nước nên hàng năm phần diện tích các đuôi kênh N1,
N4, N6, N2a và đuôi các kênh thuộc hệ thống Hà Thượng, Trúc Kinh, Kinh Môn
(huyện Gio Ling, Quảng Trị) thường bị hạn, nhất là trong vụ hè thu. Tình trạng
thiếu nước dẫn đến giảm diện tích và năng suất trong vụ hè thu. Diện tích lúa vụ hè
thu năm cao nhất chỉ bằng 82% diện tích lúa đông xuân và năng suất chỉ bằng 87%
năng suất lúa đông xuân. Ðó là chưa kể đến ảnh hưởng của hạn đến con người, gia
súc và các loại cây trồng khác.
25
1.3.2. Tình trạng úng lụt
Trong vụ đông xuân, diện tích bị úng là do ruộng đất thấp, trũng, thuỷ triều
cao không tiêu tự chảy được mà trạm bơm tiêu còn thiếu hoặc chưa bơm đủ được.
Phần nhiều phải nhờ thuỷ triều hạ mới tiêu tự chảy nên thời vụ chậm, ảnh hưởng tới
năng suất cây trồng. Bình quân trong 10 năm qua, thiệt hại do úng gây ra làm giảm
sản từ (10 - 20)% năng suất cây trồng.
Ðối với vụ hè thu, úng chủ yếu ở những vùng trũng ven sông do lũ tiểu mãn
tràn qua đê vào ruộng cộng với mưa to gây úng cục bộ. Hàng năm trong vùng ngập
úng khoảng 7000 ha, nằm chủ yếu ở vùng Sa Lung (1000 ha), ven sông Cánh Hòm
(1500 ha), ven sông Hiếu (500 ha), vùng Hải Lăng úng từ (4000 - 4500 ha).
1.3.3. Tình trạng lũ quét
Do địa hình phân bố như đã nói ở trên nên về mùa lũ lưu lượng tập trung trên
các sông suối dồn về đồng bằng rất nhanh. Mặt khác do sự chắn ngang của các dải
cát ven biển nên nước lũ chỉ thoát hạn chế qua 2 cửa sông chính là Cửa Tùng và
Cửa Việt, khi gặp triều cường khả năng thoát bị hạn chế rất nhiều gây ra lũ lụt cho
vùng đồng bằng. Lũ sông lớn cộng với bão, triều cường làm ách tắc dòng chảy tràn
vào đồng ruộng, nhà cửa, làm thiệt hại lớn đến tài sản của nhân dân. Hàng năm cứ
đến mùa lũ, bão hầu như không có năm nào không thiệt hại.
Trận lũ lịch sử từ đầu tháng 11 năm 1999 với lượng mưa tính tới 7 giờ ngày
7-11-1999 đạt 1517mm tại Mỹ Chánh, 1368mm tại Thạch Hãn và 857mm tại
Ðakrông gây lũ lớn với mực nước 7,29m tại Thạch Hãn (cao hơn báo động 3 là
1,79m) và 32.72m tại Ðakrông (cao hơn báo động 3 là 1,72m) làm chết và mất tích
56 người. Thiệt hại trên toàn tỉnh ước tính trên 300 tỷ đồng Lụt thường xuyên xảy
ra hàng năm gây tổn thất lớn tới người và của cho nhân dân. Theo thống kê 10 năm
gần đây, thiệt hại do lũ trên lưu vực Thạch Hãn như sau:
Thiệt hại về lũ gây ra ngày càng nặng nề đối với người và tiền của của nhân
dân và gây mất ổn định xã hội.
Tình trạng lũ quét đã xảy ra trong vùng, nhất là các năm gần đây với nguyên
nhân chính là:
Lượng mưa có cường độ lớn, thời gian tập trung dòng chảy nhanh. Tại
Quảng Trị lượng mưa đạt 100 mm/h, 162 mm/2h.
Lớp phủ thực vật bị tàn phá, độ che phủ tuy có tăng lên nhưng vẫn còn kém.
Những trận lũ quét đã xảy ra ở thượng nguồn sông Thạch Hãn trên đoạn
26
sông Đakrông như trận lũ X/1983, X/1985. Nhất là trận lũ quét X/1995 có
cường độ mưa đạt 200 mm/h ở thượng nguồn sông Đakrông làm chết 10
người, phá huỷ cầu Đakrông, sạt lở đường 14.
CHƯƠNG 2
MÔ HÌNH SWAT
2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MƯA – DÒNG CHẢY LƯU VỰC
Mô hình mưa – dòng chảy hiện nay là một công cụ phát triển của quản lý
thủy văn tài nguyên nước. Sự phát triển này là do quá trình phát triển nhanh chóng
của máy tính và công nghệ thông tin, cung cấp cho loài người một khả năng mới
trong sử dụng nước một cách hợp lý và đưa ra những biện pháp bảo vệ hiệu quả.
Các mô hình mưa – dòng chảy có nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ ứng dụng
trong thủy văn vận hành, quản lý tài nguyên nước hoặc trong nghiên cứu. Cấu trúc
đặc trưng chung của các mô hình mưa – dòng chảy đều là dạng cấu trúc lưu vực đơn
giản như hệ thống bể chứa thẳng đứng – hình thành mô hình tầng tuyến tính. Các bể
chứa chính gồm mưa, bốc thoát hơi (bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thảm phủ),
dòng chảy trực tiếp, dòng chảy trong đới bão hòa (dòng nước hợp lưu), dòng chảy
cơ sở và dòng chảy trong lòng dẫn. Để tính toán các quá trình diễn ra trong mỗi bể
chứa, nhiều phương trình được ứng dụng. Cấu trúc và các phương trình này được sử
dụng trong phần lớn các mô hình như HEC-HMS, MIKE-SHE, SAC-SMA,
NASIM, HBV và nhiều mô hình khác. [9, 22]
2.1.1 Cấu trúc của mô hình mưa - dòng chảy lưu vực
Đặc điểm chung nhất của mô hình là phân chia lưu vực thành các đới theo
trật tự thằng đứng. Các đới này được tính với sự hỗ trợ của mô hình tầng tuyến tính.
27
Hình 2.1. Cấu trúc chung của mô hình thủy văn
Nhiều phương trình được sử dụng để tính toán các quá trình thủy văn trong
mỗi bể chứa.
Giáng thủy (bao gồm cả mưa và tuyết): chúng được đưa vào mô hình dưới
dạng số liệu theo chuỗi thời gian lấy từ các trạm đo khí tượng hoặc radar khí tượng.
Để tính toán ảnh hưởng của tuyết các phương pháp chỉ số nhiệt độ, hoặc cân bằng
năng lượng được sử dụng.
Bốc thoát hơi (bao gồm cả phần bị giữ lại): lượng bốc thoát hơi và lượng bị
giữ lại thực tế được tính từ chuỗi số liệu từ các trạm đo khí tượng nếu có. Nó cũng
có thể lấy từ lượng bốc thoát hơi thực tế từ bốc thoát hơi tiềm năng (có nhiều
phương trình dựa vào số liệu khí tượng).
Dòng chảy mặt từ các lưu vực: phương pháp được sử dụng phổ biến nhất là
thủy văn đơn vị UH và các biến đổi khác (Clark’s, Snyder’s, SCS). Người sử dụng
cũng có thể sử dụng các phương pháp khác dựa vào mô hình sóng động học hoặc
phương pháp sai phân hữu hạn.
Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa: có vài phương pháp được sử
dụng, như phương pháp CN SCS, mà được sử dụng để tính toán lưu lượng dòng
chảy phụ thuộc vào các thông số thủy văn của thổ nhưỡng, điều kiện ban đầu (bão
hòa) hoặc sử dụng đất. Một vài phương pháp khác là phương pháp Green-Ampt
hoặc SMA (tính toán độ ẩm đất). Các phương pháp khác dựa vào các cách tiếp cận
phức tạp hoặc đơn giản từ mô hình 2 lớp đơn, mô hình trọng lực đến mô hình dựa
vào lời giải của phương trình Richard.
28
Dòng chảy cơ sở: phụ thuộc vào mô hình cụ thể, phần lớn sử dụng phương
pháp dựa vào mô hình tầng tuyến tính, giảm theo hàm mũ hoặc dòng chảy cố định.
Mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều, 3 chiều dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn
cũng được sử dụng phổ biến.
Dòng chảy trong lòng dẫn hở: mô hình mưa – dòng chảy áp dụng các
phương pháp được gọi là diễn toán thủy văn như phương pháp Muskingum –
Cunge, mô hình Lag, mô hình sóng động học hoặc phương trình khuếch tán. Các
phương pháp này dựa vào giải phương trình cơ bản của lòng dẫn hở là hệ phương
trình động lượng và phương trình liên tục - như hệ phương trình St.Venant.
Trong mô hình mưa – dòng chảy một vài công trình được mô hình hóa như
bể chứa, đầm lầy có đê chắn thủy triều hoặc công trình phân nước. [9, 22]
2.1.2. Giới thiệu một số mô hình mưa – dòng chảy lưu vực
2.1.2.1. MIKE – SHE
Mô hình mưa – dòng chảy MIKE – SHE của Viện Thủy lực Đan Mạch thuộc
nhóm mô hình bán phân bố hoặc phân bố. Nó bao gồm vài thành phần tính lưu
lượng và phân phối nước theo các pha riêng của quá trình dòng chảy:
Mưa – số liệu đầu vào. Cả dạng lỏng và rắn
Bốc thoát hơi, bao gồm cả phần bị giữ lại bởi thực vật– số liệu đầu vào
Dòng chảy mặt - dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn 2 chiều
Dòng chảy trong lòng dẫn – diễn toán 1 chiều của Mike 11 được sử dụng.
Mô hình này cung cấp vài phương pháp như Muskingum, phương trình
khuếch tán hoặc phương pháp dựa vào giải phương trình St.Venant.
Dòng chảy sát mặt trong đới không bão hòa – mô hình 2 lớp đơn, mô hình
dòng chảy trọng lực hoặc mô hình giải phương trình Richard.
Dòng chảy cơ sở - MIKE SHE bao gồm mô hình dòng chảy cơ sở 2 chiều và
3 chiều dựa vào phương pháp sai phân hữu hạn.
Đối với modun thổ nhưỡng, bộ dữ liệu bao gồm đặc tính thủy văn của đất
(độ lỗ hổng, độ dẫn thấm thủy lực...) được tạo ra. Cũng kết hợp với 2 phần mềm
ESRI Arcview 3.x hoặc ArcGIS 9.1. Phần kết hợp này làm việc với số liệu đầu vào:
đầu tiên, Geomodel phiên dịch các đặc điểm địa lý; thứ 2, DaisyGIS mô tả tất cả các
quá trình quan trọng gắn với hệ sinh thái nông nghiệp.
29
Mô hình có thể hiệu chỉnh tự động hoặc theo thông thường. Đối với hiệu
chỉnh tự động công cụ AUTOCAL được phát triển. Công cụ này đưa ra phương án
tốt nhất theo các điều kiện biên và ban đầu. [9, 22]
2.1.2.2. HEC-HMS
Mô hình HEC-HMS là phiên bản tiếp của HEC-1, phát triển từ thập kỷ 60
của quân đội Mỹ. Thuận lợi lớn của nó là nó là mô hình miễn phí, thành phần cơ
bản của mô hình bao gồm:
Mô đun lưu lượng dòng chảy – bao gồm các phương pháp như SCS CN,
Green-Ampt hoặc SMA
Mô đun dòng chảy trực tiếp – đối với tính toán dòng chảy trực tiếp phương
pháp đơn vị thủy văn hoặc các dạng biến đổi khác được sử dụng (Clark’s,
Snyder’s, SCS). Cũng có thể sử dụng phương pháp sóng động học.
Mô đun dòng chảy cơ sở - người sử dụng có thể lựa chọn, ví dụ mô hình bể
chứa tuyến tính, giảm theo hàm mũ, hoặc mô đun dòng chảy cố định.
Mô đun diễn toán – phương pháp Muskingum, mô hình Lag, mô hình sóng
động học hoặc các biến đổi của chúng.
Các mô hình khác – trong trường hợp đặc biệt cũng có thể tính bể chứa, đập.
Đối với mô hình HEC-HMS mở rộng giao diện Arcview gọi là HEC-
GeoHMS cũng được tạo ra. Mở rộng này có thể lấy từ một vài đặc tính thủy văn cơ
bản của lưu vực cơ sở, hướng dòng chảy, dòng chảy tích lũy, độ dốc...
Mô hình có thể hiệu chỉnh thông thường hoặc tự động. Với loại mô hình này
(hợp với lưu vực trên 500 km2
) hiệu chỉnh thực hiện với các trận lũ ngắn. [28]
2.1.2.3. NASIM
Mô hình mưa – dòng chảy NASIM (Niederschlag – Abfluss Simulation
Model ) của viện thủy văn Đức, phát triển kể từ thập niên 80 và thuộc nhóm mô
hình bán phân bố, tất định, nhận thức. Các thành phần cơ bản sau:
Trạm mưa – để phân biệt mưa dạng lỏng hay rắn, mô hình sử dụng phương
pháp kết hợp “chỉ số nhiệt độ/Snow compaction”.
Phân phối mưa theo không gian – chuyển đổi giá trị điểm sang mưa khu vực.
Phân chia thành phần dòng chảy – dòng chảy trong đới chưa bão hòa (dòng
hợp lưu) và đới bão hòa (dòng chảy cơ sở) của khu vực bằng mô hình tầng
30
tuyến tính và phi tuyến. Đối với dòng chảy mặt, phương pháp dựa vào thủy
văn đơn vị được sử dụng.
Dòng chảy trong lòng dẫn – bằng cách mô tả lòng dẫn, sử dụng phương pháp
Kalinin – Miljukov.
Một vài Extension cho Arcview 3.x được tạo ra để phân tích dữ liệu. Các
Extension quan trọng nhất là “Zfl” và “Verchneidung”. Cái đầu tiên tạo ra hàm thời
gian - diện tích của lưu vực. Thứ 2 xây dựng các đặc tính cơ bản của lưu vực. Các
Extension khác được sử dụng để thể hiện kết quả. Cùng với mô hình, phần mềm
Time – View cho chuỗi thời gian được tạo ra.
Hiệu chỉnh mô hình, chỉ có hiệu chỉnh thông thường được phát triển. Mô
hình nhạy với các thông số thể hiện đặc tính của đất – độ dẫn thấm thủy lực theo
phương ngang và phương thẳng đứng, độ lỗ hổng, tốc độ thấm... Trong tương lai,
hiệu chỉnh tự động sẽ được kết hợp vào mô hình. [9, 22]
2.1.2.4. SAC – SMA (Sacramento)
Mô hình tính toán độ ẩm đất – Sacramento, là một phần của thư viện công
nghệ mô hình của hệ thống NWSRFS, phát triển từ thập kỷ 70 bởi viện khí hậu
quốc gia Mỹ. Mỗi lưu vực được phân chia thành các đới, được gắn vào hệ thống bể
chứa. Cơ bản gồm có đới cao hơn và thấp hơn. Đới cao hơn gồm nước chịu ứng
suất căng và nước tự do, đới thấp hơn gồm dòng chảy cơ sở và nước ứng suất
(tension water ) và nước tự do bổ sung. Dòng chảy vượt quá hình thành một vài
dạng dòng chảy: [9, 22]
Dòng chảy trực tiếp
Dòng chảy mặt
Dòng chảy sát mặt (dòng chảy nhập lưu)
Dòng chảy cơ sở ban đầu
Dòng chảy cơ sở bổ sung
Trong khi Sacramento là mô hình độ ẩm đất, dữ liệu quan trọng nhất là dữ
liệu thổ nhưỡng – độ dẫn thấm thủy lực, độ lỗ hổng...
Sacramento hỗ trợ cả hiệu chỉnh tự động và hiệu chỉnh thông thường. Cùng
với 24 thông số có thể được hiệu chỉnh, mà có thể được phân loại theo đới riêng.
31
2.1.2.5. HBV
Mô hình thủy văn HBV, phát triển từ thập niên 70 ở viện khí tượng và thủy
văn Thụy điển. Nó là một phần của hệ thống mô hình IHMS (hệ thống mô hình thủy
văn kết hợp). Các thành phần đặc trưng là: [9]
Modun tuyết – tính toán dựa và phương pháp độ - ngày đơn giản.
Modun độ ẩm đất – thành phần tính toán chính của tập trung dòng chảy mặt
Modun ban đầu dòng chảy – dựa vào phương pháp đơn vị thủy văn
Modun bể chứa
2.1.2.6. Mô hình NAM
Mô hình NAM là mô hình mưa - dòng chảy thuộc nhóm phần mềm của Viện
Thủy lực Đan Mạch (DHI), là một phần của mô hình MIKE 11. Nó được xem như
là mô hình dòng chảy tất định, tập trung và liên tục cho ước lượng mưa - dòng chảy
dựa theo cấu trúc bán kinh nghiệm. [9, 20]
MIKE NAM là mô hình liên tục và do đó có thể mô phỏng mưa trong nhiều
năm, tuy nhiên bước thời gian cũng có thể được hiệu chỉnh để nó có thể mô phỏng
trận mưa và các cơn bão nhất định. NAM là mô hình bán kinh nghiệm có nghĩa là
nó mô tả đơn giản hóa dạng định lượng, các biến đổi của đất trong chu kỳ thủy văn
và sẽ được giải thích nhiều hơn.
Chương trình MIKE 11-RR là mô đun thêm vào bộ MIKE 11, nó không chỉ
gồm NAM mà còn có mô hình đường đơn vị UHM, mô hình tính độ ẩm tháng
SMAP, và URBAN.
Nó là mô hình tất định do đó dường như lưu vực trở thành một đơn vị đồng
nhất. Để đánh giá sự thay đổi của các thuộc tính thủy văn của lưu vực, lưu vực chia
ra thành nhiều lưu vực con khép kín. Quá trình diễn toán thực hiện bởi mô dun diễn
toán thủy động lực trong kênh của MIKE 11. Phương pháp này cho phép các tham
số khác nhau của NAM ứng dụng trong mỗi một lưu vực con, do đó nó được xem là
mô hình phân bố.
Mô hình có nhiều đặc trưng mở rộng nên việc phân loại mô hình này khó.
Mô hình có khuynh hướng mở rộng nhiều mặt để mô phỏng lũ, điều này làm mô
hình có tính cạnh tranh với các mô hình khác. Do đó chỉ có một đặc trưng mở rộng
trong mô hình có thể ứng dụng khác với diễn toán mưa rào-dòng chảy cơ bản là sự
tích hợp ở mức độ cao với mô hình thủy lực MIKE 11.
32
2.1.2.7. Mô hình SCS
Cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ (1972) đã phát triển một phương pháp
để tính tổn thất dòng chảy từ mưa rào (gọi là phương pháp SCS). Theo đó, trong
một trận mưa rào, độ sâu mưa hiệu dụng hay độ sâu dòng chảy trực tiếp Pe không
bao giờ vượt quá độ sâu mưa P. Tương tự, sau khi quá trình dòng chảy bắt đầu, độ
sâu nước bị cầm giữ có thực trong lưu vực, Fa bao giờ cũng nhỏ hơn hoặc bằng một
độ sâu trữ nước tiềm năng tối đa nào đó S. Đồng thời có một lượng Ia bị tổn thất
ban đầu không sinh dòng chảy trước thời điểm sinh nước đọng trên bề mặt lưu vực.
Do đó, có lượng dòng chảy tiềm năng là P - Ia. Trong phương pháp SCS, giả thiết
rằng tỉ số giữa hai đại lượng có thực Pe và Fa bằng với tỉ số giữa hai đại lượng tiềm
năng P - Ia và S, có nghĩa là:
a
ea
IP
P
S
F
(2.1)
Từ nguyên lí liên tục, có:
aae FIPP (2.2)
Kết hợp hai phương trình trên để giải Pe
SIP
IPP
a
ae
2
(2.3)
Đó là phương trình cơ bản của phương pháp SCS để tính độ sâu mưa hiệu
dụng hay dòng chảy trực tiếp từ một trận mưa rào. Qua nghiên cứu các kết quả thực
nghiệm trên nhiều lưu vực nhỏ đã xây dựng được quan hệ:
SIa 2,0
(2.4)
Trên cơ sở này, ta có:
SP
SPPe
8.0
2.02
(2.5)
Lập đồ thị quan hệ giữa P và Pe bằng các số liệu của nhiều lưu vực, đã tìm ra
được họ các đường cong tiêu chuẩn hoá, sử dụng số hiệu CN làm thông số. Đó là
một số không thứ nguyên, lấy giá trị trong khoảng 1000 CN . Đối với các mặt
không thấm hoặc mặt nước, CN = 100 ; đối với các mặt tự nhiên, CN < 100. Số
hiệu của đường cong CN và S liên hệ với nhau qua phương trình:
33
10
1000
CNS
(inch) hay
10
10004.25
CNS
(mm) (2.6)
Các số hiệu của đường cong CN đã được cơ quan bảo vệ thổ nhưỡng Hoa Kỳ
lập thành bảng tính sẵn dựa trên các bảng phân loại đất theo 4 nhóm và các loại
hình sử dụng đất.
2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT
2.2.1 Lịch sử phát triển
Mô hình SWAT được phát triển liên tục trong gần 30 năm qua bởi viện
nghiên cứu nông nghiệp USDA. Phiên bản đầu tiên của SWAT là mô hình USDA-
ARS (Hình 1) bao gồm chất hóa học, dòng chảy và xói mòn từ mô hình hệ thống
quản lý nông nghiệp (CREAMS), tác động lượng nước ngầm trong mô hình hệ
thống quả lý nông nghiệp (GLEAMS), và mô hình khí hậu chính sách tác động môi
trường (EPIC) - tính toán tác động hiệu suất xói mòn. Mô hình SWAT hiện tại là
phiên bản tiếp theo của tính toán tài nguyên nước trong mô hình lưu vực SWRRB -
tính toán tác động của quản lý lưu vực đối với chuyển động của nước, bùn cát.
Hình 2.2. Sơ đồ lịch sử phát triển của mô hình SWAT
Sự phát triển của SWRRB bắt đầu những năm đầu thập niên 80, biến đổi của
mô hình thủy văn mưa ngày CREAMS. Trải qua quá trình nâng cấp mô hình tăng
diện tích tính toán, cải thiện các phương pháp tính tốc độ dòng chảy lũ, tổn thất
truyền, thêm vào một vài thành phần mới như dòng chảy nhập lưu, bể chứa, mô đun
phát triển vụ mùa EPIC, tính các thông số khí hậu, và vận chuyển bùn cát, kết hợp
thành phần thuốc trừ sâu, phương pháp USDA – SCS để ước tính tốc độ dòng chảy
34
lũ, các phương trình bùn cát được phát triển thêm. Các biến đổi này mở rộng khả
năng của mô hình giải quyết các vấn đề quản lý chất lượng nước lưu vực.
Arnold và cộng sự (1995b) đã phát triển thêm mô đun diễn toán ROTO đầu
thập niên 90 để hỗ trợ đánh giá tác động của quản lý tài nguyên nước, bằng liên kết
kết quả đầu ra của SWRRB, diễn toán dòng chảy qua lòng dẫn và bể chứa trong
ROTO thông qua phương pháp diễn toán theo đoạn sông. Hệ phương pháp này đã
khắc phục được giới hạn của SWRRB. Sau đó SWRRB và ROTO được kết hợp
thành một mô hình SWAT để hạn chế nhược điểm cồng kềnh của nó (hình 1).
SWAT giữ lại tất cả các đặc trưng mà tạo ra trong SWRRB và cho phép tính toán
với khu vực rất lớn.
SWAT đã trải qua quá trình đánh giá, mở rộng khả năng kể từ khi nó được
tạo ra vào đầu thập niên 90. Những nâng cấp quan trọng cho các phiên bản trước
của mô hình (SWAT94.2, 96.2, 98.1, 99.2, and 2000) bao gồm sự kết hợp diễn toán
động học trong sông từ mô hình QUAL2E.
SWAT94.2: mô phỏng đường lưu lượng đơn vị
SWAT96.2 Phiên bản này cập nhật thêm phần quản lý về hàm lượng chất
hữu cơ trong đất, trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu tới
sự phát triển của cây trồng. Phương trình chất lượng nước từ mô hình
QUAL2E được sử dụng đến.
SWAT98.1: Phiên bản này thêm phần diễn toán dòng chảy do tuyết tan, chất
lượng nước trong sông
SWAT99.2: Phiên bản này cập nhật thêm diễn toán chất lượng nước cho hồ
chứa, phần thuỷ văn đô thị được cập nhật từ mô hình SWMM.
SWAT2000. Cập nhật thêm phương trình thấm của Green & Ampt, cập nhật
thêm các yếu tố khí tượng thời tiết như bức xạ mặt trời, tố độ gió..., cho phép
giá trị bốc thoát hơi tiềm năng của lưu vực có thể được đưa vào như là số
liệu đầu hoặc được tính toán theo phương trình ... Đặc biệt trong phiên bản
này có sử dụng môi trường ARCVIEW là môi trường giao diện. Trong báo
cáo sẽ giới thiệu phiên bản mới này.
Để mô hình hóa các quá trình mưa – dòng chảy, có thể sử dụng nhiều
phương pháp. Các phương pháp này có thể sử dụng để giải đáp các mục tiêu thủy
văn khác nhau, như thủy văn vận hành, lũ lụt, hạn hán hoặc mô hình hóa truyền ô
nhiễm. Một trong những bước đầu tiền để giải quyết vấn đề là lựa chọn mô hình
phù hợp với mục tiêu thủy văn cụ thể. Lựa chọn mô hình theo dữ liệu mà mô hình
35
cần, mục tiêu (ví dụ như yêu cầu dự báo hoặc mô hình hóa các kịch bản thảm họa),
kích thước lưu vực, kết hợp với GIS hoặc các phần mềm khác để tập hợp, phân tích
hoặc biểu diễn dữ liệu và kết quả, cũng như tham khảo, hỗ trợ và giá cả. Với nhiều
lưu vực lớn (trên 100 km2) có thể được kết hợp hiệu quả với mô đun diễn toán để
tính toán quá trình sóng lũ. Sau khi cân nhắc nghiên cứu đã lựa chọn mô hình
SWAT để thực hiện mục tiêu của đề tài. [23, 24]
2.2.2 Tổng quan mô hình SWAT
Mô hình SWAT (Arnold và cộng sự, 2002) đã được chứng minh là một công
cụ hiệu quả để đánh giá tài nguyên nước và ô nhiễm với phạm vi lớn và các điều
kiện môi trường trên toàn cầu. Ở Mỹ, SWAT đang được sử dụng nhiều hơn để hỗ
trợ phân tích tổng lượng tải lớn nhất ngày (Bo‐rah et al., 2006), nghiên cứu hiệu quả
của hoạt động bảo tồn thiên nhiên trong chương trình đánh giá hiệu quả bảo tồn
thiên nhiên USDA (CEAP, 2007), thực hiện đánh giá cho các khu vực lớn như lưu
vực thượng nguồn sông Mississippi và toàn bộ Mỹ (ví dụ Arnold và cộng sự,
1999a; Jha et al., 2006), và nhiều ứng dụng trong chất lượng nước, sử dụng nước.
Xu hướng ứng dụng SWAT cũng tương tự ở Châu Âu và các khu vực khác, được
chỉ ra ở số nghiên cứu đa dạng được đưa ra ở 4 hội nghị SWAT quốc tế trước.
Mô hình SWAT được xây dựng để đánh giá tác động của việc sử dụng đất,
của xói mòn và việc sử dụng hoá chất trong nông nghiệp trên một hệ thống lưu vực
sông. Mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở về mặt vật lý, bên cạnh đó kết hợp các
phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa những biến đầu vào và đầu ra, mô
hình yêu cầu thông tin về thời tiết, thuộc tính của đất, tài liệu địa hình, thảm phủ, và
việc sử dụng đất trên lưu vực. Những quá trình vật lý liên quan đến sự chuyển động
nước, sự chuyển động bùn cát, quá trình canh tác, chu trình chất dinh dưỡng, … đều
được mô tả trực tiếp trong mô hình SWAT qua việc sử dụng dữ liệu đầu vào này.
Mô hình chia lưu vực ra làm các vùng hay các lưu vực nhỏ. Phương pháp sử dụng
các lưu vực nhỏ trong mô hình khi mô phỏng dòng chảy là rất tiện lợi khi mà các
lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất...
Xét về toàn lưu vực thì mô hình SWAT là một mô hình phân bố. Mô hình
này chia dòng chảy thành 3 pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và
pha trong sông. Việc mô tả các quá trình thuỷ văn được chia làm hai phần chính:
phần thứ nhất là pha lưu vực với chu trình thuỷ văn kiểm soát khối lượng nước, bùn
cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các kênh chính của mỗi lưu vực. Phần thứ
36
hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ tới hệ thống kênh và
tới mặt cắt cửa ra của lưu vực. [23, 24]
Các dữ liệu đầu vào và kết quả đầu ra của mô hình
a. Các d liệu đầu vào của mô hình
Yêu cầu dữ liệu vào của mô hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu
không gian và số liệu thuộc tính.
Số liệu không gian dưới dạng bản đồ số hóa bao gồm:
Bản đồ độ cao số hóa DEM;
Bản đồ sử dụng đất;
Bản đồ loại đất;
Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực;
Số liệu thuộc tính dưới dạng dữ liệu số bao gồm:
Số liệu về khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa,
Số liệu về thuỷ văn bao gồm dòng chảy, bùn cát, hồ chứa...;
Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các
phẫu diện đất... ;
Số liệu về loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng... ;
Số liệu về loại phân bón trên lưu vực canh tác...;
b. Các kết quả đầu ra của mô hình gồm c :
Đánh giá cả về lượng và về chất của nguồn nước;
Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực;
Đánh giá quá trình canh tác đất thông qua mođun chu trình chất dinh dưỡng;
Đánh giá công tác quản lý lưu vực;
2.2.3. Các ứng dụng mô hình SWAT trong nước và thế giới
2.2.3.1. Thế giới
Van Liew và Garbrecht (2003) đánh giá khả năng dự đoán dòng chảy dưới
các điều kiện khí hậu khác nhau cho 3 lưu vực cơ sở trong lưu vực sông Washita
với diện tích 610 km2 nằm phía Đông Nam Oklahoma. Nghiên cứu này đã tìm ra
rằng SWAT có thể tính toán dòng chảy cho các điều kiện khí hậu ẩm, khô, trung
bình trong mỗi lưu vực cơ sở.
37
Nghiên cứu của Govender và Everson (2005) đưa ra kết quả tính toán dòng
chảy tương đối mạnh cho lưu vực nghiên cứu nhỏ nằm ở Bắc Phi, họ đã tìm ra
SWAT tính toán tốt hơn với điều kiện khí hậu khô.
Sử dụng SWAT để nghiên cứu hiệu quả của hoạt động bảo tồn thiên nhiên
trong chương trình đánh giá hiệu quả bảo tồn thiên nhiên USDA (CEAP, 2007),
thực hiện đánh giá cho các khu vực lớn như lưu vực thượng nguồn sông Mississippi
và toàn bộ Mỹ của Arnold và cộng sự (1999); Jha và cộng sự (2006).
Xu hướng ứng dụng SWAT cũng tương tự ở Châu Âu và các khu vực
khác.[9, 22]
2.2.3.2. Việt Nam
Nguyễn Kiên Dũng (Viện khoa học khí tượng thủy văn và Môi Trường) áp
dụng SWAT “Nghiên cứu quy luật xói mòn đất và bùn cát lưu vực sông Sê San
bằng mô hình toán”. Đề tài đã kiểm nghiệm mô hình đối với dòng chảy tại trạm
Kon Tum và Trung Nghĩa năm 1997. Theo tiêu chuẩn Nash – Sutcliffe, mức hiệu
quả của mô hình đối với dòng chảy là 0,73 (Kon Tum: 0,69; Trung Nghĩa: 0,76) và
đối với dòng chảy bùn cát là 0,633 (Kon Tum: 0.663, Trung Nghĩa: 0,60). Như vậy,
kết quả hiệu chỉnh mô hình đạt ở mức khá.
Lê Bảo Trung (Trường đại học Khoa học Thủy lợi) ứng dụng mô hình
SWAT đánh giá chất lượng nước sông Công.
Huỳnh Thị Lan Hương (Viện khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường)
ứng dụng mô hình SWAT trong quản lý tổng hợp tài nguyên nước lưu vực sông
Chảy. Trong đề án đã trình bày quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của
mô hình cho lưu vực sông Chảy với vị trí kiểm định được lấy từ lưu lượng thực đo
tại trạm Bảo Yên. Kết quả đánh giá sai số lưu lượng tính toán và thực đo theo chỉ số
Nash đạt 0,813.
Phạm Văn Tỉnh (Trường đại học Lâm nghiệp Hà Nội) “nghiên cứu ứng dụng
mô hình SWAT phục vụ quản lý tài nguyên đất và nước trên lưu vực sông Lô –
Gâm”. Kết quả tính toán kiểm nghiệm tại trạm Ghềnh Gà cho chỉ số NASH là 0,76
với dòng chảy và 0,61 với dòng chảy bùn cát. [5, 9]
2.3 CẤU TRÚC MÔ HÌNH SWAT
2.3.1. Mô hình lưu vực
Chu trình thủy văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình
38
cân bằng nước: [6, 9, 25]
t
1i
gwseepasurfdayot QwEQRSWSW (2.7)
Trong đó:
SWt là tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm);
SWo là tổng lượng nước ban đầu (mm);
t là thời gian (ngày);
Rday là số tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm);
Qsurf là tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm);
Ea là lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm);
wseep là lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm);
Qgw là số lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm).
2.3.2. Mô hình diễn toán
Mô hình SWAT có thể xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng, những
chất dinh dưỡng và những thuốc bảo vệ thực vật tới kênh chính, rồi diễn toán theo
mạng lưới sông suối trên lưu vực. Ngoài việc tính toán lưu lượng nước, mô hình
còn mô tả sự biến đổi của các hóa chất trong kênh. Mô hình diễn toán trong sông
bao gồm 2 thành phần:
Diễn toán trong sông. Việc diễn toán trong sông có thể được chia thành bốn
thành phần: Nước, chất bồi lắng, những chất dinh dưỡng và hóa chất hữu cơ.
Diễn toán qua hồ chứa. Sự cân bằng nước cho những kho chứa bao gồm
dòng chảy đến, dòng chảy ra, mưa trên bề mặt, bốc thoát hơi, thấm qua đáy
hồ và những công trình phân nước.
Do giới hạn bước đầu nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT để tính toán về
lượng dòng chảy. Vì vậy, dưới đây sẽ trình bày chi tiết hơn về cơ sở lý thuyết của
các phương trình tính toán các thành phần đóng góp, ảnh hưởng đến lưu lượng nước
tại mặt cắt cửa ra của một lưu vực. [6, 9, 25]
39
2.4 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH SWAT
2.4.1. Dòng chảy mặt
Mô hình SWAT sử dụng phương pháp chỉ số đường cong SCS (Soil
Conservation System) (SCS, 1972) và hàm thấm Green và Ampt (1911) để tính toán
dòng chảy mặt. [25, 27]
2.4.1.1. Phương pháp chỉ số đường cong SCS
Phương trình lưu lượng SCS là một mô hình thực nghiệm đã được sử dụng
rộng rãi vào những năm 1950. Mô hình được phát triển để đánh giá tổng lượng
dòng chảy ứng với các kiểu sử dụng đất và tính chất đất khác nhau (Rallison và
Miller, 1981).
Phương trình chỉ số đường cong SCS (SCS, 1972):
(2.8)
Trong đó:
Qsurf là lượng dòng chảy mặt hay mưa hiệu quả (mm);
Rday là lượng mưa ngày (mm);
Ia là khả năng trữ nước ban đầu (mm);
S là thông số lượng trữ (mm).
Thông số lượng trữ thay đổi theo không gian tùy theo những sự thay đổi về
tính chất đất, việc sử dụng và quản lý đất, độ dốc và thời gian. Thông số này được
xác định như sau:
(2.9)
Trong đó:
CN là chỉ số đường cong.
Thông thường Ia = 0,2S và phương trình (2.8) được viết như sau:
(2.10)
SIR
IRQ
aday
2aday
surf
10
10004.25
CNS
SR
SRQ
day
day
surf8.0
2.02
40
2.4.1.2. Phương pháp thấm Green và Ampt
Phương trình tính thấm theo Green và Ampt được xây dựng để tính toán
lượng thấm tại bất kỳ thời điểm nào (Green và Ampt, 1911). Phương trình giả thiết
rằng mặt cắt đất là đồng nhất và độ ẩm kỳ trước phân bố đều trong đất. Khi nước
thấm vào trong đất, mô hình giả thiết rằng đất ở tầng trên sau khi đã bão hoà sẽ tạo
thành một bề mặt phân cách.
Hình 2.3. Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo phương
trình Green và Ampt và trong thực tế
Mein và Larson (1973) đã xây dựng một phương pháp luận để xác định thời
gian giữ nước dựa trên phương trình Green và Ampt. Phương pháp xác định mưa
hiệu quả của Mein - Larson Green - Ampt được hợp nhất trong mô hình SWAT để
cung cấp một lựa chọn trong việc xác định dòng chảy mặt. Tốc độ thấm được xác
định theo công thức:
(2.11)
Trong đó:
finf là tốc độ thấm tại thời điểm t (mm / giờ),
Ke là tính dẫn thủy lực (mm / giờ),
Ywf là tiềm năng tại bề mặt phân cách (mm),
Dqv là sự thay đổi thể tích ẩm tại bề mặt phân cách (mm / mm),
Lîng tr÷ Èm Lîng tr÷ Èm
Vïng b·o hoµ
Vïng b·o hoµVïng truyÒn Èm
§é s©u
§é s©u
ThÊm thùc tÕ ThÊm m« pháng theo Green vµ Ampt
Vïng chøa níc
MÆt ph©n c¸ch
MÆt ph©n c¸ch
tinf
vwf
etinfF
Kf,
, 1
41
Finf là lượng thấm luỹ tích tại thời điểm t (mm).
Với mỗi bước thời gian, SWAT tính toán tổng lượng nước thấm vào trong
đất. Lượng nước không thấm sẽ sinh ra dòng chảy mặt.
2.4.1.3. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ
Hệ số lưu lượng đỉnh lũ là hệ số lưu lượng lớn nhất có thể đạt được với một
trận mưa. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ là một chỉ tiêu để đánh giá khả năng xói và được
sử dụng để tính toán bồi lắng. SWAT tính toán hệ số lưu lượng đỉnh lũ theo phương
pháp mô phỏng hợp lý. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ được xác định theo:
(2.12)
Trong đó:
qpeak là hệ số lưu lượng đỉnh lũ (m3/s),
C là hệ số dòng chảy,
i là cường độ trận mưa (mm / giờ),
Area là diện tích lưu vực (km2).
2.4.1.4. Hệ số trễ dòng chảy mặt
Với những lưu vực lớn có thời gian tập trung nước lớn hơn 1 ngày, chỉ một
phần lưu lượng bề mặt sẽ đóng góp cho kênh chính. Mô hình SWAT dùng hệ số
lượng trữ để mô tả phần dòng chảy không đóng góp cho kênh chính trong ngày.
Lưu lượng dòng chảy mặt được tính toán theo phương pháp chỉ số CN và
hàm thấm Green và Ampt, lượng dòng chảy không đóng góp cho kênh chính được
tính toán theo phương trình:
(2.13)
Trong đó:
Qsurf là lớp dòng chảy tới kênh chính trong một ngày (mm),
là lớp dòng chảy sinh ra trên lưu vực trong một ngày (mm),
Qstor,i - 1 là lượng trữ của ngày hôm trước (mm),
surlag là hệ số trễ,
tconc là thời gian tập trung (giờ).
6.3
AreaiCqpeak
conc
istorsurfsurft
surlagQQQ exp11,
surfQ
42
2.4.1.5. Tổn thất dọc đường
Phương pháp mô phỏng tổn thất dọc đường trong mô hình SWAT được xây
dựng để đánh giá những tổn thất bằng việc so sánh sự khác biệt giữa dòng vào và
dòng ra và giả thiết rằng không có lưu lượng bộ phận dọc kênh.
Phương trình tính toán lưu lượng sau khi khấu trừ tổn thất dọc đường:
(2.14)
Trong đó:
volQsurf,f là tổng lượng dòng chảy sau khi khấu trừ tổn thất dọc đường
(m3),
ax là hệ số triết giảm do bị chặn,
bx là hệ số triết giảm theo độ dốc,
volQsurf,i là tổng lượng dòng chảy trước khi khấu trừ tổn thất (m3),
volthr là tổng lượng dòng chảy ngưỡng của kênh dẫn (m3) được xác định
theo phương trình:
(2.15)
2.4.2. Bốc thoát hơi
Bốc thoát hơi là quá trình nước chuyển hoá thành dạng hơi nước. Nó bao
gồm các quá trình bay hơi từ vòm cây, từ nước và từ đất. Việc tính toán chính xác
lượng bốc hơi sẽ là một tiêu chuẩn để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và
thay đổi sử dụng đất đến tài nguyên nước. [25, 27]
2.4.2.1. Vòm cây
Vòm cây có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thấm, dòng chảy mặt và bốc
thoát hơi. Khi mưa rơi, vòm cây có tác dụng làm giảm khả năng xói và giữ lại một
lượng nước trong vòm. Ảnh hưởng của vòm cây đến những quá trình này là một
hàm của mật độ cây và hình thái của những loại cây. Khi tính toán dòng chảy mặt,
phương pháp chỉ số đường cong SCS xét đến lượng ngăn chặn của vòm qua thông
số lượng trữ ban đầu và hệ số triết giảm. Khi sử dụng phương trình thấm Green và
Ampt để tính toán lưu lượng và lượng thấm, khả năng trữ nước của vòm phải được
tính toán riêng rẽ. SWAT mô phỏng lượng nước cực đại có thể được giữ trong vòm
thay đổi theo thời gian như một hàm của chỉ số phủ lá:
thriQsurfiQsurfxx
thriQsurf
fQsurf volvolvolba
volvolvol
,,
,
,
0
x
xthr
b
avol
43
(2.16)
Trong đó:
canday là lượng nước lớn nhất có thể bị chặn bởi vòm trong một ngày
(mm),
canmx là lượng nước lớn nhất có thể bị chặn bởi vòm khi vòm phát triển
hoàn toàn (mm),
LAI là chỉ số phủ lá trong ngày,
LAImx là chỉ số phủ lá lớn nhất.
2.4.2.2. Bốc thoát hơi tiềm năng
Bốc thoát hơi tiềm năng (PET) là lượng bốc thoát hơi có thể xảy ra trên một
vùng rộng lớn được bao phủ bởi một loại cây đồng nhất. Nhiều phương pháp đã
được phát triển để tính toán PET. Mô hình SWAT sử dụng ba phương pháp để xác
định PET: Phương pháp Penman - Monteith (Monteith, 1965; Allen, 1986; Allen
NNK., 1989), phương pháp Priestley - Taylor (Priestley và Taylor, 1972) và ph-
ương pháp Hargreaves (Hargreaves và NNK., 1985). Mô hình cũng cho phép đọc số
liệu vào nếu người sử dụng muốn dùng các phương pháp khác để tính PET.
Ba phương pháp tính toán PET đòi hỏi các yêu cầu khác nhau về số liệu.
Phương pháp Penman - Monteith yêu cầu số liệu bức xạ mặt trời, nhiệt độ không
khí, tốc độ gió và độ ẩm tương đối. Phương pháp Priestley - Taylor yêu cầu số liệu
bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối. Phương pháp Hargreaves chỉ
yêu cầu số liệu nhiệt độ không khí.
2.4.2.3. Bốc thoát hơi thực tế
Khi bốc thoát hơi tiềm năng đã được xác định, phải tính toán lượng bốc hơi
thực tế. SWAT trước hết tính toán lượng bốc hơi từ lớp nước mưa bị chặn trên vòm
cây, sau đó tiếp tục tính toán lượng bốc thoát hơi qua thảm phủ, lượng bốc hơi từ
lớp đất.
a. Bốc hơi của lượng mưa bị chặn trên vòm cây
Nếu lượng bốc hơi tiềm năng, Eo, nhỏ hơn lượng nước tự do trữ trong vòm,
RINT, khi đó:
(2.17)
(2.18)
mx
mxdayLAI
LAIcancan
ocana EEE
caniINTfINT ERR )()(
44
Trong đó:
Ea là lượng bốc thoát hơi thực tế trên lưu vực trong một ngày (mm),
Ecan là lượng bốc thoát hơi từ bề mặt nước tự do trữ trong vòm cây trong
một ngày (mm),
Eo là bốc thoát hơi tiềm năng trong một ngày (mm),
RINT(i) là lượng nước trữ trong vòm cây đầu thời điểm tính toán (mm),
RINT(f) là lượng nước trữ trong vòm cây cuối thời điểm tính toán (mm).
Nếu lượng bốc hơi tiềm năng, Eo, nhỏ hơn lượng nước tự do trữ trong vòm,
RINT, khi đó:
(2.19)
(2.20)
b. Thoát hơi nước qua thảm phủ
Việc tính toán thoát hơi nước qua thảm phủ sử dụng phương trình Penman -
Monteith.
(2.21)
(2.22)
Trong đó:
Et là lượng thoát hơi nước cực đại trong ngày (mm),
oE là bốc thoát hơi tiềm năng hiệu chỉnh đối với bốc hơi từ bề mặt nước
tự do trong vòm (mm),
LAI là chỉ số phủ lá.
Giá trị thoát hơi nước được tính toán bởi phương trình (2.21), (2.22) chính là
tổng lượng thoát hơi nước có thể xảy ra với giả thiết cây trồng phát triển trong điều
kiện lý tưởng. Trong thực tế lượng thoát hơi nước có thể nhỏ hơn do sự thiếu hụt
nước trong đất.
c. Bốc thoát hơi nước từ đất
Lượng bốc thoát hơi từ đất sẽ bị ảnh hưởng bởi góc nghiêng mặt trời. Lượng
bốc thoát hơi lớn nhất từ đất trong một ngày được tính toán theo phương trình:
(2.23)
)(iINTcan RE
0)( fINTR
0.3
LAIEE o
t
0.30 LAI
ot EE 0.3LAI
solos covEE
45
Trong đó:
Es là lượng bốc thoát hơi lớn nhất từ đất trong một ngày (mm),
oE là bốc thoát hơi tiềm năng hiệu chỉnh đối với bốc hơi từ bề mặt nước
tự do trong vòm (mm),
covsol là chỉ số đất.
2.4.3. Chuyển động của nước trong đất
Nước khi đi vào trong đất sẽ di chuyển theo các cách khác nhau. Nó có thể
được hấp thụ bởi thảm phủ hoặc bay hơi. Nó có thể thấm sâu xuống tầng đáy và trữ
trong tầng ngậm nước, hoặc có thể chuyển động trong tầng đất và đóng góp vào
thành phần dòng chảy. [25, 27]
Quá trình thẩm thấu được tính toán cho từng lớp đất. Nước sẽ thẩm thấu khi
lượng nước vượt quá khả năng trữ của lớp đất. Thể tích nước có thể thẩm thấu được
xác định theo phương trình:
nếu (2.24)
nếu (2.25)
Trong đó:
SWly,excess là lượng nước có thể thấm từ lớp đất trên cùng, trong một ngày
(mm),
SWly là lượng nước trữ trong lớp đất trong một ngày (mm),
FCly là khả năng trữ nước lớn nhất của lớp đất (mm).
Mô hình SWAT kết hợp mô hình động học lượng trữ (Sloan và NNK - 1983)
với các nghiên cứu được tổng kết bởi Sloan và Moore (1984). Mô hình này mô
phỏng dòng chảy mặt theo hai chiều dọc theo sườn dốc. Mô hình này dựa trên
phương trình khối lượng liên tục, hoặc cân bằng khối lượng, với toàn bộ sườn dốc
được sử dụng như một tổng lượng. Mỗi một phần sườn dốc được xem như là một
lớp đất thấm với độ sâu Dperm và chiều dài Lhill và một lớp không thấm với độ dốc
ahill.
2.4.4. Nước ngầm
Nước ngầm là nước chứa trong tầng bão hoà dưới bề mặt đất. Nước vào tầng
bão hoà chủ yếu do thấm. Nước ngầm có thể quay trở lại dòng chính hoặc có thể
thấm xuống tầng sâu.
lylyexcessly FCSWSW , lyly FCSW
0, excesslySW lyly FCSW
46
2.4.4.1. Tầng ngậm nước nông
Phương trình cân bằng nước cho tầng chứa nước nông:
(2.26)
Trong đó:
aqsh,i là lượng nước trữ trong tầng nước nông trong ngày thứ i (mm),
aqsh,i-1 là lượng nước trữ trong tầng nước nông trong ngày thứ i-1 (mm),
wrchrg là lượng nước đi vào tầng nước nông ngày thứ i (mm),
Qgw là dòng chảy ngầm đi vào kênh chính của ngày thứ i (mm),
wrevap là lượng nước di chuyển vào trong đất (lượng nước thiếu hụt) của
ngày thứ i (mm),
wdeep là lượng nước thấm từ tầng ngậm nước nông xuống tầng ngậm nước
sâu của ngày thứ i (mm),
wpump,sh là số lượng ra khỏi tầng ngậm nước nông bởi bơm (mm).
2.4.4.2. Tầng ngậm nước sâu
Phương trình cân bằng nước cho tầng chứa nước sâu:
(2.27)
Trong đó:
aqdp,i là lượng nước trữ vào tầng ngậm nước sâu ngày thứ i (mm),
aqdp,i-1 là lượng nước trữ vào tầng ngậm nước sâu ngày thứ i-1 (mm),
wdeep là lượng nước thấm từ tầng ngậm nước nông vào trong tầng ngậm
nước sâu vào ngày thứ i (mm),
wpump,dp là lượng nước bơm ra khỏi tầng chứa nước sâu vào ngày thứ i
(mm)
2.4.5. Diễn toán dòng chảy trong sông
SWAT sử dụng phương trình Manning để xác định hệ số và tốc độ dòng
chảy. Nước được diễn toán qua hệ thống kênh dẫn bởi phương pháp diễn toán lượng
trữ hoặc diễn toán Muskingum. Cả hai phương pháp đều dựa trên mô hình sóng
động học. Tổn thất dòng chảy trong sông được chia ra thành hai thành phần: tổn
thất dọc đường và tổn thất do bốc hơi. Lượng nước trữ trong đất dưới đáy kênh sẽ
đóng góp cho thành phần dòng chảy. Lượng nước đóng góp này sẽ được tính toán
theo hệ số triết giảm tương tự như trong tính toán thành phần dòng chảy ngầm.
shpumpdeeprevapgwrchrgishish wwwQwaqaq ,1,,
dppumpdeepidpidp wwaqaq ,1,,
47
Lượng nước trữ trong kênh tại cuối mỗi bước thời gian được tính toán theo
phương trình:
(2.28)
2.4.6. Diễn toán trong hồ chứa
Phương trình cân bằng nước cho một kho chứa (hồ):
(2.29)
Trong đó:
V là tổng lượng nước trữ trong hồ tại thời điểm cuối ngày (m3),
Vstored là tổng lượng nước trữ trong hồ tại thời điểm đầu ngày (m3),
Vflowin là tổng lượng nước đi vào hồ trong một ngày (m3),
Vflowout là tổng lượng nước ra khỏi hồ trong một ngày (m3),
Vpcp là tổng lượng mưa rơi vào hồ trong một ngày (m3),
Vevap là tổng lượng bốc hơi từ hồ trong một ngày (m3),
Vseep là tổng lượng nước thấm vào đáy hồ trong một ngày (m3).
Ngoài ra mô hình SWAT còn diễn toán các thành phần khác như bùn cát, các
chất hoá học, các chất dinh dưỡng, ... , tuy nhiên giới hạn của nghiên cứu chỉ tính
toán dòng chảy trên lưu vực sông, nên các phương trình cân bằng, phương trình
diễn toán các thành phần này sẽ không được trình bày trong báo cáo này.
2.5. THÔNG SỐ MÔ HÌNH
Tuỳ thuộc lựa chọn phương pháp tính toán của người sử dụng, mô hình sẽ có
các thông số khác nhau:
2.5.1. Thông số tính toán dòng chảy trực tiếp
Sử dụng phương pháp chỉ số SCS
CN2 CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II
Sử dụng phương pháp Green và Ampt
SOL_K Ksat: Độ dẫn thủy lực ở trường hợp bão hoà
(mm/giờ) CN2 CN2: Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II SOL_BD b: Mật độ khối của lớp đất (Mg/m
3):
CLAY mc: % đất sét SAND ms: % đất cát
bnkchoutinstoredstored VdivEtlossVVVV 1,2,
seepevappcpflowoutflowinstored VVVVVVV
48
2.5.2. Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ
OV_N n: Hệ số nhám sườn dốc CH_N(1) n: Hệ số nhám kênh dẫn
2.5.3. Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt
SURLAG surlag: hệ số trễ dòng chảy mặt
2.5.4. Thông số tính toán tổn thất dọc đường
CH_K(1) Kch: độ dẫn thủy lực của kênh dẫn (mm/giờ)
2.5.5. Thông số tính toán tổn thất bốc hơi
CANMX canmx: lượng trữ lớn nhất của vòm cây ESCO esco: hệ số bốc hơi của đất
2.5.6. Thông số tính toán dòng chảy ngầm
GWQMN aqshthr,q: Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (mm) ALPHA_BF gw: Hệ số triết giảm REVAPMN aqshthr,rvp: Ngưỡng sinh dòng thấm xuống tầng
ngậm nước sâu (mm)
2.5.7. Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính
Phương pháp lượng tr
CH_N(2) n: Hệ số nhám của kênh chính Phương pháp Muskinggum
MSK_X X: hệ số trọng số MSK_CO
1
coef1: Hệ số C1 MSK_CO
2
coef2: Hệ số C2 Tính toán tổn thất dọc đường
CH_K(2) Kch: Hệ số dẫn thủy lực của kênh chính
(mm/giờ) Tính toán tổn thất bốc hơi
EVRCH coefev: Hệ số hiệu chỉnh bốc hơi của kênh chính Ngoài ra, còn có các thông số tính toán lượng bùn cát, chất dinh dương, và
diễn toán qua hồ chứa
2.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH
Hiệu quả của mô hình được đánh giá bằng cách so sánh kết quả chạy mô
hình với số liệu thực đo dòng chảy năm, tháng, ngày.
Để đánh giá mô hình SWAT, luận văn dùng chỉ tiêu của Nash – Sutcliffe
(1970). Chỉ tiêu đó được viết như sau:
49
2 2
2 1 1
2
1
n n
i i i
i in
i
i
x x x x
R
x x
(2.30)
Trong đó:
R2 : Hệ số hiệu quả của mô hình
i : Chỉ số
xi : Giá trị đo đạc
x’i : Giá trị tính toán theo mô hình
: Giá trị thực đo trung bình
Bảng 2.1. Bảng kết quả đánh giá Mô hình bằng chỉ tiêu Nash
Hệ số hiệu quả Kết quả
1,0 ≥ R2
≥ 0,9 tốt
0,9 ≥ R2
≥ 0,7 khá
0,7 ≥ R2
≥ 0,5 trung bình
0,5 ≥ R2
≥ 0,3 kém
50
CHƯƠNG 3
KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ SỬ DỤNG ĐẤT
3.1 KHÁI NIỆM KỊCH BẢN
Kịch bản là hình ảnh của tương lai. Chúng không phải là dự đoán hay dự
báo. Mỗi kịch bản là một bức tranh về sự phát triển có thể xảy ra ở tương lai. Chúng
tham gia vào việc nắm bắt sự phát triển khả thi trong tương lai của các hệ thống
phức tạp. Trong đó, với một số hệ thống chúng ta có được hiểu biêt khá đầy đủ, các
thông tin hoàn chỉnh, có thể mô hình hóa với mức độ tin cậy nhất định, thường thấy
trong các ngành vật lý, như vậy trạng thái trong tương lai của chúng có thể dự đoán
được. Tuy nhiên, có rất nhiều hệ vật lý hay xã hội khác mà chúng ta không mấy
hiểu biết rõ, các thông tin được cung cấp còn thiếu hụt và do đó chúng ta chỉ đánh
giá được chúng qua trực giác, và một trong những cách tốt nhất là sử dụng các hình
ảnh hay câu chuyện mô tả. Dự đoán là không thể trong trường hợp này.
Kịch bản được xem là công cụ kết nối để tổng hợp việc định lượng các cốt
truyện về tương lai và việc định tính những chi tiết cụ thể dựa vào các mô hình.
Cũng nhờ vậy nâng cao hiểu biết của chúng ta về các hệ thống vận hành, phản ứng
và tiến triển như thế nào. Kịch bản là công cụ hiệu quả cho các đánh giá về mặt
khoa học, cho việc nghiên cứu các hệ thống phức tạp và cho việc thiết lập các chính
sách, là công cụ tương đối chính xác để nắm bắt về những hiểu biết hiện tại và cả
những điều chưa chắc chắn.
Do vậy, chúng ta sử dụng những điểm mạnh của các kịch bản để hỗ trợ cho
việc đánh giá biến đổi khí hậu, thay đổi thảm phủ trong tương lai, tác động, hiểm
họa, giảm thiểu và thích ứng.
Cung cấp những cơ sở tương tự với những can thiệp về chính trị để giảm
phát thải KNK và phát triển, quy hoạch đất phù hợp.
Cung cấp đầu vào cho việc định ra khả năng ứng phó và giảm thiểu.
51
3.2 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU
3.2.1 Sơ lược tình hình biến đổi khí hậu hiện nay
Từ khoảng giữa thế kỷ XIX, theo số liệu quan sát cho thấy xu thế chung từ
cuối thế kỷ XIX đến nay, nhiệt độ trung bình không khí và đại dương toàn cầu tăng
lên.
Kết quả đo đạc và nghiên cứu cho thấy thập kỷ 1990 là thập kỷ nóng nhất
trong thiên niên kỷ vừa qua (IPCC, 2007). Từ 1995 - 2006 có đến 11 năm nằm
trong số 12 năm nhiệt độ lớn nhất theo số liệu đo đạc nhiệt độ toàn cầu từ 1850.
Nhiệt độ trong 100 năm 1906-2005 tăng 0.74°C [(0.56 ÷ 0.92)°C] lớn hơn so với
giai đoạn 100 năm 1901-2000 là 0,6°C [(0.4 ÷ 0.8)°C]. Xu hướng trong 50 năm từ
1956 - 2005 là 0,13°C [(0.10 ÷ 0.16)°C] gần gấp đôi so với giai đoạn 100 năm từ
1906 - 2005 (Hình 3.1). Nhiệt độ tăng lên cao hơn ở các vĩ độ cao ở bắc bán cầu:
nhiệt độ ở bắc bán cầu trung bình tăng gần gấp đôi của toàn cầu trong giai đoạn 100
năm qua. Nhiệt độ ở đất liền tăng nhanh hơn đại dương. Theo quan sát từ 1961 thì
nhiệt độ đại dương tăng ở cả độ sâu ít nhất là 3000m. Đại dương đã chiếm 80%
lượng nhiệt của hệ thống khí hậu.Theo kết quả phân tích từ khinh khí cầu và vệ tinh
thì tốc độ nóng lên ở giữa tầng đối lưu và thấp hơn giống với tốc độ của nhiệt độ bề
mặt. [21]
Hình 3.1. Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu (IPCC, 2007)
52
Trong 100 năm qua, lượng mưa có xu hướng tăng ở khu vực vĩ độ cao hơn
30o. Tuy nhiên, lượng mưa lại có xu hướng giảm ở khu vực nhiệt đới từ giữa những
năm 1970 (Hình 3.2). Hiện tượng mưa lớn có dấu hiệu tăng ở nhiều khu vực trên
thế giới (IPCC, 2007).
Hình 3.2. Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng trên thế giới (IPCC, 2007)
Tương ứng với sự nóng lên toàn cầu, mực nước trung bình đại dương cũng
tăng lên do bằng tan và sự giãn nở nhiệt đại dương. Mực nước biển tăng với tốc độ
trung bình 1.8mm/năm trong giai đoạn 1961-2003. Tốc độ là 3.1mm/năm trong giai
đoạn 1993-2003. Cùng với xu thế tăng nhiệt độ toàn cầu là sự phân bố dị thường
của nhiệt độ. Trên các đại lục ở Bắc Bán Cầu, trong những năm gần đây xuất hiện
hàng loạt kỷ lục về nhiệt độ cao và thấp.
3.2.2. Dao động các đặc trưng khí hậu của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua.
Trung bình nhiệt độ lớn nhất trong thập kỷ 90-99 nhiệt độ tăng đến 0.15°C
so với thập kỷ trước từ 29.4°C đến 29.55°C. Xu thế biến đổi nhiệt độ ở Việt Nam
trong 70 năm qua: nhiệt độ trung bình tăng 0.1°C trên một thập kỷ (Nguyễn Đức
Ngữ, Biến đổi khí hậu), dao động từ 0.07°C đến 0.15°C. Ở Quảng Trị trong 3 thập
kỷ gần đây đã đạt mức tối đa này. Hơn nữa dao động nhiệt độ thập kỷ cuối theo xu
hướng mạnh hơn rõ rệt so với thập kỷ trước đó. [7]
53
Dao động lượng mưa theo tháng qua các năm ở tỉnh Quảng Trị được thể hiện
như trên hình 3.4; qua đó ta có thể thấy được: hầu hết các tháng đều có xu thế lượng
mưa giảm, riêng trong tháng 3,8 và 12 là những tháng mưa biến đổi theo xu thế
ngược lại. [7]
Hình 3.3. Xu thế biến đổi nhiệt độ của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua theo số liệu của
trạm Đông Hà
Hình 3.4. Dao động tổng lượng mưa năm theo số liệu trạm Gia Vòng trong 3 thập
niên qua
3.2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu
Biến đổi khí hậu hiện nay cũng như trong thể kỷ 21 phụ thuộc chủ yếu vào
mức độ phát thải nhà kính, tức là phụ thuộc vào mức độ phát triển kinh tế - xã hội.
25
25,5
26
26,5
27
27,5
1970 1980 1990 2000 2010
Nh
iệt
độ
t (năm)
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Mư
a (
mm
)
t (năm)
54
Vì vậy các kịch bản biến đổi khí hậu được xây dựng trên các kịch bản phát triển
kinh tế - xã hội toàn cầu. [1, 2, 21]
Con người đã phát thải quá mức khí nhà kính vào khí quyển từ các hoạt động
khác nhau như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải, phá rừng, … Do đó,
cơ sở để xác định các kịch bản phát thải khí nhà kính là: sự phát triển kinh tế ở quy
mô toàn cầu, dân số thế giới và mức độ tiêu dùng, chuẩn mực cuộc sống và lối
sống, tiêu thụ năng lượng và tài nguyên năng lượng, chuyển giao công nghệ, thay
đổi sử dụng đất, …
Trong Báo cáo đặc biệt về phát thải nhà kính năm 2000, IPCC đã đưa ra 40
kịch bản, phản ánh đa dạng khả năng phát thải khí nhà kính trong thế kỷ 21. Các
kịch bản phát thải này được tổ hợp thành 4 kịch bản gốc là A1, A2, B1, B2 với các
đặc điểm chính như sau:
+ Kịch bản gốc A1:
Mô tả thế giới tương lai kinh tế phát triển nhanh, dân số thế giới đạt đỉnh vào
năm 2050 sau đó giảm dần, truyền bá nhanh chóng và hiệu quả các công nghệ mới,
thế giới có sự tương đồng về thu nhập và cách sống, có sự tương đồng giữa các khu
vực, giao lưu mạnh mẽ về văn hóa và xã hội toàn cầu. Họ kịch bản A1 được chia
làm 3 nhóm dựa theo mức độ phát triển công nghệ: A1FI (kịch bản phát thải cao),
A1T (kịch bản phát thải thấp), A1B (kịch bản phát thải trung bình).
+ Kịch bản gốc A2 (kịch bản phát thải cao, tương ứng với A1FI):
Mô tả thế giới không đồng nhất, các quốc gia hoạt động độc lập, tự cung tự
cấp; dân số thế giới tiếp tục tăng trong thế kỷ 21; kinh tế phát triển theo định hướng
khu vực; thay đổi về công nghệ và tốc độ tăng trưởng kinh tế tính theo đầu người
chậm.
+ Kịch bản gốc B1:
Mô tả thế giới tập trung với dân số thấp như A1, nhưng thay đổi mạnh cấu
trúc nền kinh tế theo hướng dịch vụ và công nghiệp thông tin, giảm nguyên liệu, và
tăng công nghệ sạch và hiệu quả. Nhấn mạnh phát triển toàn cầu về môi trường, xã
hôi và kinh tế bao gồm công bằng tiến bộ.
+ Kịch bản gốc B2 (kịch bản phát thải trung bình, được xếp cùng nhóm với
A1B):
55
Mô tả thế giới nhấn mạnh phát triển khu vực về kinh tế, xã hội, và môi
trường. Dân số tăng liên lục nhưng với tốc độ thấp hơn A2, kinh tế mức trung, chậm
và rời rạc trong thay đổi công nghệ hơn A1 và B1. Đi theo hướng bảo vệ môi
trường và công bằng xã hội, kịch bản phát triển theo khu vực và vùng. Chênh lệch
thu nhập giữa nước giàu và nghèo giảm. Ứng dụng cho khu vực có nhiều hoạt động
bảo vệ môi trường, dân cư thưa thớt, tốc độ phát triển kinh tế tương đối chậm.
3.3 KỊCH BẢN SỬ DỤNG ĐẤT
Việc hiểu được tác động của thay đổi sử dụng đất giúp chính quyền địa
phương và các nhà chính sách đề ra, thực hiện để làm giảm tác động không mong
muốn do sự thay đổi sử dụng đất trong tương lai. Để có thể đương đầu với tác động
của việc thay đổi sử dụng đất đối với dòng chảy trong tương lai thì việc hiểu được
những tác động do thay đổi dòng chảy trong lịch sử cũng là một vấn đề quan trọng.
Với mục đích tăng sự hiểu biết chi tiết về tác động của sự biến đổi sử dụng
đất đến dòng chảy. Việc tính toán cho những kịch bản và các chiến lược tốt nhất có
thể cung cấp những thông tin có giá trị để đặt ra những chiến lược quản lý hiệu quả
hơn để phát triển bền vững cho cộng đồng địa phương.
Các kịch bản sử dụng đất được sử dụng trong luận văn này thể hiện một vài
khả năng có thể thay đổi trong tương quan với bản đồ sử dụng đất năm 2000 mà
được sử dụng làm bản đồ chuẩn. [9]
3.3.1. Kịch bản 1
Dựa vào phương hướng phát triển kinh tế, đất nông nghiệp tăng chủ yếu do
khai thác quỹ đất chưa sử dụng đưa vào sản xuất cây hàng năm và cây lâu năm,
trồng và khoanh nuôi phục hồi rừng, kịch bản 1 được xây dựng với sự thay đổi diện
tích từng loại thực vật với phân bố theo không gian như hình 3.5.
Phân bố loại cây trồng theo không gian trong kịch bản này dựa trên đặc tính
của đất, địa hình và loại hình sử dụng đất như sau:
Nhóm đất phù sa địa hình bằng và thấp: thích hợp trồng lúa hoặc luân canh
với cây trồng ngắn ngày.
Đất glay sử dụng trồng lúa nước.
Đất xám feralit ở địa hình có các cấp độ khác nhau. Đất có độ dốc thấp thích
hợp trồng cây lương thực ngắn ngày. Đất có độ dốc trung bình thích hợp với
56
cây công nghiệp lâu năm và cây ăn quả. Đối với đất có độ dốc cao chủ yếu
cho cây rừng hoặc nông lâm kết hợp.
Nhóm đất đỏ ưu thế trồng cây lâu năm, đặc biệt là đất đỏ bazan cần ưu tiên
trồng các loại cây công nghiệp dài ngày
Xây dựng bản đồ sử dụng đất
Trên cơ sở đã nêu ở trên, kết hợp bản đồ địa hình, bản đồ đất và bản đồ sử
dụng đất năm 2000. Xây dựng bản đồ sử dụng đất dựa vào phần mềm Mapinfo. Cụ
thể: Diện tích đất xám feralit ở độ cao thấp trồng rau màu và cây công nghiệp ngắn
ngày. Đối với độ cao trung bình dưới 100m, chuyển thành đất trồng cây công
nghiệp. Vùng núi cao chuyển thành đất trồng rừng. Vùng đất glay chuyển thành vựa
lúa. Phân bố sử dụng đất theo không gian và tỉ lệ thay đổi diện tích như hình 3.5.
Hình 3.5. Thay đổi diện tích sử dụng đất của kịch bản 1 so với bản đồ năm 2000
3.3.2. Kịch bản 2
Sự thay đổi sử dụng đất cực đoan được giả thiết trong kịch bản 2 (Bảng 3.1).
Trường hợp này có thể hỗ trợ trong việc đánh giá tài nguyên nước lưu vực trong các
điều kiện sử dụng đất cực đoan đó.
3.3.3. Kịch bản 3
Kịch bản này đưa ra sự thay đổi sử dụng đất theo chiều hướng tốt nhất để có
thể hiểu được những tác động tích cực, và khả năng của nó đối với việc làm hạn chế
các tác động không mong muốn (Bảng 3.1).
Bảng 3.1. Các kịch bản sử dụng đất
Kịch bản 1 Đất đồng cỏ chuyển sang đất trồng rừng, một phần chuyển thành đất
nông nghiệp, đất trồng cây công nghiệp lâu năm
Kịch bản 2 Toàn bộ đất trong lưu vực bị hoang mạc hóa
Kịch bản 3 Toàn bộ diện tích cây bụi và cỏ trong vùng được phục hồi thành đất
trồng rừng
0% 50% 100%
ban đầu
kịch bản
11,6
30,5
26,3
30,1
5,8
10,8
41,1
4,4
12,8
21,7
rau màu và CN ngắn ngày
lúa
công nghiệp
đất trống
rừng
57
3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU
3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu
Dựa vào các đặc điểm về tình hình phát triển kinh tế, dân số, mức độ quan
tâm đến môi trường của tỉnh Quảng Trị nói chung và của lưu vực sông Thạch Hãn
nói riêng, luận văn này đã lựa chọn 2 kịch bản để đánh giá mức độ tác động của
biến đổi khí hậu đối với dòng chảy là: kịch bản phát thải cao (A2) và kịch bản phát
thải trung bình (B2) từ báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt
Nam” của Bộ Tài Nguyên và Môi trường (2012). Đây là các kịch bản chú trọng đến
các giải pháp cục bộ cho vấn đề bền vững về mặt môi trường, kinh tế và xã hội.
Trong đó kịch bản B2 mô phỏng dân số toàn cầu vẫn tiếp tục gia tăng nhưng ở mức
độ thấp hơn so với kịch bản A2, phát triển kinh tế ở mức cơ bản cùng với sự thay
đổi của khoa học kỹ thuật ở mức vừa phải. Kịch bản A2 dựa trên mức độ tăng cao
của dân số toàn cầu và sự phát triển mạnh của khoa học kỹ thuật. [1, 2]
Chi tiết hóa các kịch bản toàn cầu từ mô hình GCM cho khu vực nghiên cứu,
nhưng với khuôn khổ của một luận văn việc tìm hiểu và chi tiết hóa không thể thực
hiện vì yêu cầu về khối lượng dữ liệu và thời gian tính toán kéo dài đến vài tháng.
Vì thế trong luận văn này sử dụng kết quả đã chi tiết hóa từ báo cáo “Kịch bản biến
đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” của Bộ Tài Nguyên và Môi trường
(2012) làm đầu vào kịch bản biến đổi khí hậu cho lưu vực sông Thạch Hãn.
Cụ thể trong kịch bản B2 và A2 mưa và nhiệt độ biến đổi theo thời gian như
bảng sau:
Bảng 3.2. Gia tăng nhiệt độ theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn
2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản
phát thải (A2 và B2)
Kịch
bản
Thời
đoạn 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
A2
XII - II 0.6 0.9 1.2 1.6 1.8 2.2 2.7 3.2 3.7
III - V 0.8 1.0 1.3 1.9 2.1 2.5 3.0 3.5 4.1
VI - VIII 0.5 0.7 1.0 1.3 1.6 2.0 2.5 2.9 3.3
IX - XI 0.6 0.8 1.1 1.4 1.7 2.1 2.5 2.9 3.4
B2
XII - II 0.6 0.9 1.3 1.6 2.0 2.3 2.6 2.9 3.1
III - V 0.6 1.0 1.4 1.8 2.2 2.5 2.8 3.1 3.4
VI - VIII 0.6 0.9 1.3 1.7 2.0 2.4 2.7 2.9 3.2
IX - XI 0.6 0.9 1.3 1.7 2.1 2.4 2.7 3.0 3.2
58
Bảng 3.3. Biến đổi % lượng mưa theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời
đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch
bản phát thải (A2 và B2)
Kịch bản Thời
đoạn 2020 2030 2040 2050 2060 2070 2080 2090 2100
A2
XII - II 0.6 0.9 1.1 1.5 1.9 2.4 2.8 3.4 3.8
III - V -2.1 -2.9 -3.5 -4.9 -6.2 -7.7 -9.2 -10.9 -12.6
VI - VIII 3.0 4.6 5.6 7.3 9.1 11.3 13.6 15.9 18.5
IX - XI 1.5 2.5 3.3 4.3 5.4 6.5 7.9 9.4 10.8
B2
XII - II 0.7 1.0 1.4 1.8 2.2 2.5 2.9 3.2 3.5
III - V -2.3 -3.4 -4.8 -6.2 -7.5 -8.8 -9.9 -10.9 -11.8
VI - VIII 2.7 4.0 5.6 7.2 8.9 10.3 11.5 12.7 13.8
IX - XI 2.1 3.2 4.4 5.7 6.9 8.1 9.1 10.0 10.9
3.4.2 Lựa chọn kịch bản sử dụng đất
Tiến hành đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất theo cả 3 kịch bản đã
nêu trên, với những xu hướng cực đoan hoặc tốt nhất để thấy rõ tác động của thay
đổi sử dụng đất đối với dòng chảy.
3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất
Những thay đổi dù là nhỏ nhất, khi tác động những điều kiện cực đoan hoặc
tốt nhất sẽ làm cho sự biến đổi đó diễn ra mạnh hơn, điều này sẽ giúp chúng ta có
cái nhìn chính xác hơn trong các vấn đề. Chính vì thế khóa luận đã lựa chọn kết hợp
các kịch bản biến đổi khí hậu với điều kiện thảm phủ theo kịch bản 3.
59
CHƯƠNG 4
ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN ĐÃ
LỰA CHỌN
4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC
SÔNG THẠCH HÃN
4.1.1 Số liệu đầu vào
Số liệu đầu vào mô hình bao gồm số liệu không gian và số liệu thuộc tính.
Các bản đồ được dùng để tính toán bao gồm:
Bản đồ DEM lưu vực sông Thạch Hãn.
Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn: trong luận văn sẽ sử dụng bản
đồ sử dụng đất năm 2000 của tỉnh Quảng Trị.
Bản đồ thảm phủ thực vật lưu vực sông Thạch Hãn: trong luận văn sẽ sử
dụng bản đồ lớp phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị.
Bản đồ mạng lưới sông suối .
Bản đồ hệ thống lưới trạm đo khí tượng, thuỷ văn .
Các số liệu thuộc tính bao gồm:
Vị trí địa lý các trạm đo trên lưu vực
Số liệu khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí tối cao và nhiệt độ không khí
tối thấp.
Số liệu thuỷ văn bao gồm số liệu thực đo lượng mưa ngày và lưu lượng ngày.
Số liệu khí tượng và thủy văn lấy từ trung tâm tư liệu quốc gia cho các trạm
đo trong và xung quanh khu vực nghiên cứu.
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 file shape.
4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn
Để tính toán được, mô hình cần có đầy đủ các dữ liệu vào của mô hình đã
nêu ở trên.
Trước tiên phải nhập vào số liệu bản đồ độ cao số hóa DEM, bản đồ DEM
được sử dụng để phác họa các đặc điểm địa hình của lưu vực và xác định các thông
60
số thủy văn của lưu vực như là: độ dốc lưu vực, tích lũy dòng chảy, hướng dòng
chảy, mạng lưới sông.
Mô hình SWAT, giao diện ArcView được sử dụng để phác họa lưu vực. Để
thể hiện được tính không đồng nhất về tính chất vật lý, bản đồ DEM của lưu vực
sông Thạch Hãn (sau khi kết hợp với bản đồ hệ thống sông suối) được phân chia
thành 04 lưu vực cơ sở và mỗi lưu vực cơ sở được coi như là một đơn vị thủy văn
mà có sự đồng nhất về sử dụng đất, loại đất, và chế độ quản lý (Hình 4.1).
Hình 4.1. Lưu vực sông Thạch Hãn được chia thành 04 lưu vực cơ sở
Sau khi tính toán các tham số của lưu vực con, tiến hành chồng ghép bản đồ
sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị để
tính toán phần trăm từng diện tích sử dụng đất và phần trăm từng loại đất trên các
lưu vực con đó (Hình 4.2). Đặc tính thổ nhưỡng bao gồm thành phần, độ dày mỗi
lớp, độ dẫn thấm thủy lực được nhận diện ở các mẫu được tập hợp ở các lớp khác
nhau. [26]
Tiếp theo, nhập các số liệu về khí tượng, thủy văn, cài đặt khoảng thời gian
tính toán (thời gian bắt đầu và kết thúc), lựa chọn phương pháp tính bốc hơi,
phương pháp diễn toán, bước thời gian tính toán...
Sau khi có đầy đủ các thông tin trên, tiến hành chạy chương trình. Nếu kết
quả giữa tính toán và thực đo chưa phù hợp, tiến hành hiệu chỉnh.
61
Hình 4.2. Tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ
thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị
Tuy nhiên, vì tỉnh Quảng Trị chỉ có trạm thủy văn Gia Vòng đo lưu lượng
dòng chảy của cửa ra cho lưu vực sông Bến Hải mà không có số liệu thực đo của
của ra cho lưu vực sông Thạch Hãn, nên áp dụng lý thuyết lưu vực tương tự, trong
luận văn này sẽ sử dụng bộ thông số đã hiệu chỉnh của lưu vực sông Bến Hải để
tính toán cho lưu vực sông Thạch Hãn. Bộ thông số này được xác định bằng cách áp
dụng mô hình SWAT tính toán cho các dữ liệu đầu vào của lưu vực sông Bến Hải:
các bản đồ lưu vực, bản đồ DEM, bản đồ sử dụng đất, bản đồ thảm phủ thực vật,
bản đồ hệ thống sông suối, hệ thống trạm đo khí tượng – thủy văn và các số liệu khí
tượng – thủy văn tương ứng với lưu vực sông Bến Hải. Kết quả tính toán sẽ được
hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu dòng chảy thực đo tại trạm Gia Vòng.
4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình
Số liệu lưu lượng theo chuỗi thời gian ở cửa ra là số liệu quan trọng nhất để
hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.
Số liệu dòng chảy theo ngày từ 1978 đến 2006 lấy từ trung tâm tư liệu quốc
gia được đo ở trạm Gia Vòng cửa ra của lưu vực sông Bến Hải. Bộ số liệu này được
phân chia thành 2 giai đoạn 1978-1997 và 1998-2006 hiệu chỉnh và kiểm định
tương ứng.
62
Các 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:
Nhóm thông số tính toán dòng chảy mặt
Nhóm thông số tính toán dòng chảy ngầm
Thông số diễn toán dòng chảy trong lòng dẫn
Kết quả hiệu chỉnh các thông số mô hình được thống kê trong bảng 4.1.
Đường quá trình tính toán và thực đo tại tại trạm thuỷ văn Gia Vòng, và quan hệ
tương quan giữa chúng được thể hiện trong hình 4.3, hình 4.4 tương ứng.
Bảng 4.1. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Thạch
Hãn
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 63.5
SOL_AWC: Khả năng trữ nước của đất 0.21
OV_N: Hệ số nhám Manning cho dòng chảy
mặt
0.26
CH_K(1): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn 0.18
CH_N(1): Hệ số nhám kênh dẫn (mm/giờ) 0.013
SURLAG: Hệ số trễ dòng chảy mặt 0.5
ALPHA_BF: Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm 0.06
CH_N(2): Hệ số nhám của kênh chính 0.01
CH_K(2): Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính
(mm/giờ)
2.5
63
Hình 4.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm
thuỷ văn Gia Vòng (NASH = 0,713)
Hình 4.4. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo
tại trạm Gia Vòng (NASH = 0,713)
Nhận xét
Từ kết quả tính toán được thể hiện trong hình 4.3 cho thấy dạng đường quá
trình dòng chảy tính toán và thực đo có sự phù hợp tương đối tốt. Nói chung mô
hình có khả năng mô phỏng được biến động theo thời gian của dòng chảy ngày
nhưng đối với các đỉnh lũ thì mức độ chính xác chưa cao.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
14/11/1984 11/08/1987 07/05/1990 31/01/1993 28/10/1995 24/07/1998
Q (
m3/s
)
t (ngày)
Q thuc do Q tinh toan
0
200
400
600
800
1000
1200
0 500 1000 1500
Q t
ính
to
án
(m
3/s
)
Q thực đo (m3/s)
64
Kết quả tính toán giữa lưu lượng thực đo và lưu lượng tính toán cho hệ số
tương quan theo chỉ tiêu của Nash là R2 = 0.713.
4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình
Từ các thông số đã được hiệu chỉnh ở phần trên tiến hành kiểm nghiệm bộ
thông số mô hình. Chuỗi thời gian được sử dụng để kiểm nghiệm mô hình là quá
trình lưu lượng tháng thực đo từ 1/1/1998 đến 31/12/2006 tại trạm Gia Vòng. Kết
quả kiểm định của mô hình được thể hiện trong hình 4.5 và 4.5a.
Hình 4.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ
văn Gia Vòng (NASH = 0,73)
Hình 4.5a. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại
trạm Gia Vòng (NASH = 0,73)
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
3/11/97 12/6/99 9/1/02 5/28/05 2/22/08
Q (
m3/s
)
t (ngày)
Q thuc do Q tinh
0
200
400
600
800
1000
1200
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
Q t
ính
to
án
(m
3/s
)
Q thực đo (m3/s)
65
Nhận xét
Kết quả kiểm nghiệm mô hình cho thấy hệ số tương quan giữa lưu lượng tính
toán và thực đo theo chỉ tiêu của Nash là R2 = 0.73, và được đánh giá là khá.
4.1.5 Nhận xét chung
Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định bộ thông số của mô hình cho lưu vực sông
Bến Hải với vị trí kiểm định được lấy từ lưu lượng thực đo tại trạm Gia Vòng. Kết
quả xác định bộ thông số của mô hình như đã trình bày trong bảng 4.1. Bộ thông số
này đã được kiểm định và được đánh giá khá. Kết quả đánh giá sai số lưu lượng tính
toán và thực đo theo chỉ số Nash đều đạt trên 0.7.
Từ đây, luận văn sẽ sử dụng bộ thông số trong bảng 4.1 đã được kiểm
nghiệm để áp dụng tính toán cho lưu vực sông Thạch Hãn với các kịch bản đã lựa
chọn.
4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY
Giai đoạn 1980-1999 là mốc bắt đầu xuất hiện những biến đổi một cách rõ
rệt về khí hậu, là thập kỷ nóng nhất trong thiên niên kỷ qua, nên nó được chọn làm
tính toán kiểm tra phục vụ cho đánh giá biến đổi khí hậu.
Bảng 4.1a. Số liệu thực đo dòng chảy trung bình tháng của trạm
Gia Vòng giai đoạn nền 1980 - 1999
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII TB
Q (m3/s) 8.8 4.9 3.2 2.9 5.4 3.4 2.1 3.4 19.1 57.7 49.0 22.1 15.17
4.2.1 Kịch bản B2:
Từ kết quả tính toán cho thấy với điều kiện khí hậu biến đổi theo xu thế của
kịch bản này thì dòng chảy tháng dao động trong khoảng rất lớn từ giảm 49,2% đến
tăng tới 47.1% so với dòng chảy tháng trong thời đoạn nền (Bảng 4.3). Biến đổi
dòng chảy theo tháng được thể hiện trong hình 4.6, hình 4.7.
66
Hình 4.6. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền
1980-1999 theo kịch bản B2
Hình 4.7. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời
đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2
Quan sát trên hình ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh của dòng chảy. Theo
xu hướng biến đổi của kịch bản B2: dòng chảy tháng tăng mạnh vào mùa lũ, đồng
thời giảm vào mùa kiệt.
Dòng chảy trong cả 4 tháng mùa lũ (từ tháng IX-XII) tăng mạnh từ 7.4% -
24.3% so với thời đoạn nền. Trong khi đó, dòng chảy kiệt lại giảm từ khoảng
[-9.2% → - 49.2%].
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
%
t (tháng)
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q nền
Q kịch bản B2
t (tháng)
Q (m3/s)
67
Trong khi dao động tháng khá mạnh, dòng chảy năm cũng tăng lên nhưng
không nhiều, chỉ khoảng 11.22% so với thời đoạn nền tính toán.
Bảng 4.2. Thay đổi dòng chảy năm theo các kịch bản biến đổi khí
hậu
A2 B2 Giai đoạn nền
Q (m3/s) 17.18
16.87
15.17
Thay đổi (%) 13.3
11.22
Bảng 4.3. Biến đổi dòng chảy tháng so với số liệu thực đo trong
thời đoạn nền
Tháng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
B2 (%) 11.9 4.3 -9.2 -19.8 -49.2 9.1 18.9 47.1 24.3 15.4 10.6 7.4
A2 (%) 14.1 7.4 -13.9 -26.7 -56.2 11.2 23.4 58.6 27.2 19.4 11.8 8.1
Hình 4.8. Thay đổi dòng chảy năm của các kịch bản biến đổi khí hậu
4.2.2 Kịch bản A2
Tương tự kịch bản B2, đối với kịch bản này, ta cũng đánh giá biến đồi theo
thời đoạn nền là giai đoạn từ 1980-1999.
Tác động của kịch bản này cũng tương tự như của kịch bản B2, song mức độ
tác động của nó diễn ra mạnh hơn cả về dòng chảy năm (Bảng 4.2) lẫn dòng chảy
tháng (Bảng 4.3).
14
14,5
15
15,5
16
16,5
17
17,5
A2 B2 Giai đoạn nền
Q (
m3/s
)
68
Hình 4.9. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền
1980-1999 theo kịch bản A2
Hình 4.10. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời
đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2
Quan sát trên hình ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh của dòng chảy. Theo
xu hướng biến đổi của kịch bản A2: dòng chảy tháng tăng mạnh vào mùa lũ, đồng
thời giảm vào mùa kiệt.
Vào các tháng mùa lũ (từ tháng IX-XII), dòng chảy đều tăng mạnh từ 8.1% -
27.2% so với thời đoạn nền. Trong khi đó, dòng chảy kiệt lại giảm từ khoảng
[-13.9% → -56.2%].
-60
-40
-20
0
20
40
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
%
t (tháng)
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q nền
Q kịch bản
A2
t (tháng)
Q (m3/s)
69
Trong khi dao động tháng khá mạnh, dòng chảy năm cũng tăng lên nhưng
không nhiều, chỉ khoảng 13.3% so với thời đoạn nền tính toán.
Nhận xét: Xu hướng thay đổi dòng chảy tương ứng với 2 kịch bản tương tự
nhau, nhưng xu hướng biến đổi của kịch bản A2 diễn ra mạnh hơn cả về dòng chảy
năm, và dòng chảy theo mùa, đồng thời mức độ biến đổi trong thời kỳ lũ lớn hơn
nhiều so với mức độ biến đổi dòng chảy của thời kỳ kiệt ở cả 2 kịch bản so với thời
đoạn nền.
4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY
TRÊN LƯU VỰC
Tác động của thay đổi thảm phủ đối với dòng chảy lưu vực dựa vào kết quả
so sánh giữa dòng chảy thực đo của giai đoạn nền – kết quả tính cho giai đoạn từ
1978 đến 2006, sử dụng bản đồ sử dụng đất năm 2000, với kết quả tính toán cho
cùng giai đoạn với điều kiện khí hậu giữ nguyên và thay đổi bản đồ sử dụng đất
tương ứng (đã được làm lại tương ứng với các kịch bản đã chọn).
Sự thay đổi dòng chảy tính toán với kịch bản sử dụng đất so với hiện trạng
sử dụng đất năm 2000 mô tả tác động của thay đổi thảm phủ đối với dòng chảy của
lưu vực.
4.3.1 Kịch bản 1:
Dựa trên phương hướng phát triển kinh tế, đất nông nghiệp tăng chủ yếu do
khai thác quỹ đất chưa sử dụng đưa vào sản xuất cây hàng năm và cây lâu năm,
trồng và khoanh nuôi phục hồi rừng. Trong kịch bản 1: diện tích đất xám feralit ở
độ cao thấp trồng rau màu và cây công nghiệp ngắn ngày; đối với độ cao trung bình
dưới 100m, chuyển thành đất trồng cây công nghiệp; vùng núi cao chuyển thành đất
trồng rừng; vùng đất glay chuyển thành vựa lúa.
Kết quả dẫn đến dòng chảy năm trung bình năm giảm 2.32%. Xu hướng
giảm này là do diện tích đất trống giảm xuống và diện tích đất trồng cây tăng dẫn
đến lượng bốc thoát hơi, lượng nước thấm và lưu trữ cũng tăng lên ảnh hưởng đến
dòng chảy năm.
Bảng 4.4. Thay đổi dòng chảy mùa theo kịch bản 1
Thay đổi dòng chảy năm (%) Thay đổi dòng chảy theo tháng (%)
I- III IV - VI VII VIII - X XI-XII
- 2.32% +
16.77
-7.6 +
17.34
-8.18 +7.45
70
Bảng 4.5. Khoảng dao động của biến đổi dòng chảy mùa của kịch
bản 1
Tăng Giảm
Lớn nhất Nhỏ nhất Lớn nhất Nhỏ nhất
26.3% 1% 11.6% 3.4%
Biến đổi lớp phủ theo kịch bản này làm dòng chảy theo mùa biến đổi khá lớn
(Bảng 4.4) và khoảng dao động của nó tương đối rộng (Bảng 4.5). Sự giảm dòng
chảy do thay đổi thảm phủ diễn ra mạnh nhất vào tháng 5 và tháng 9, mức độ giảm
nhẹ hơn ở các tháng 4, 8, 10. Dòng chảy từ tháng 12 đến tháng 2 tăng khá mạnh
(hình 4.11).
Hình 4.11. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 1
4.3.2 Kịch bản 2
Toàn bộ đất đai trong lưu vực bị hoang mạc hóa khiến dòng chảy năm có xu
hướng tăng lên rất mạnh 13.67%. Xu hướng tăng này có thể do sự giảm mạnh lượng
bốc thoát hơi từ bề mặt. Sinh ra dòng chảy mặt lớn hơn và dòng chảy bộ phận giảm,
lượng nước được chứa trong tầng nước ngầm giảm. Sự thay đổi này dẫn đến tổng
lượng nước tăng và dòng chảy lưu vực lớn hơn.
Bảng 4.6. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo
kịch bản 2
Thay đổi dòng chảy năm (%) Thay đổi dòng chảy theo tháng
(%) I-III IV-VI VII VIII-X XI-XII
+ 13.67% + 9.71 +8.11 + 5.73 +6.6 +3.9
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q (
m3/s
)
t (tháng)
số liệu kiểm tra kịch bản 1
71
Hình 4.12. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 2
4.3.3 Kịch bản 3
Trong kịch bản này diện tích rừng chiếm hơn 50% diện tích toàn lưu vực.
Diện tích rừng tăng rất mạnh dẫn đến dòng chảy năm có xu hướng giảm 7.3%. Xu
hướng giảm này là do thực tế lượng bốc thoát hơi, lượng nước thấm và lưu trữ từ
diện tích rừng nhiều hơn so với đất trồng cỏ và cây bụi.
Bảng 4.7. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo
kịch bản 3
Thay đổi dòng chảy năm (%) Thay đổi dòng chảy theo tháng
(%) I-III IV-VI VII VIII-
XI
XII
-7.3% +
23.94
-23.08 +
0.52
-19.56 +18.7
1
Theo số liệu trong bảng 4.7 cho thấy kịch bản này tác động mạnh đến dòng
chảy theo mùa. Giảm mạnh vào giai đoạn lũ: giai đoạn này mưa phong phú và nhiệt
độ đủ cao gây bốc thoát hơi tương đối. Dòng chảy giảm về căn bản, gây ra giảm
mạnh tổng lượng nước và dòng chảy trong sông. Việc giảm lưu lượng cũng xảy ra
trong trong tháng trước mùa lũ. Trong 3 tháng 9 đến 11, tốc độ giảm dòng chảy
giảm dần (bảng 4.8) do mưa trung bình tháng 11 giảm so với 2 tháng trước đó và
nhiệt độ thấp hơn, làm giảm lượng bốc thoát hơi.
Bảng 4.8. Tỉ lệ giảm dòng chảy trong tháng mùa lũ (%)
VIII IX X XI
-18.82 -31.35 -20.51 -7.87
0
10
20
30
40
50
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q (
m3
/s)
t (tháng)
Số liệu kiểm tra Kịch bản 2
72
Hình 4.13. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 3
Theo kết quả đánh giá cho thấy khả năng điều tiết dòng chảy theo mùa của
rừng, điều này là cần thiết đối với quy hoạch trong thời gian dài của sử dụng đất
không chỉ để bảo vệ nguồn nước mà còn quản lý hiệu quả lũ cũng như hạn hán.
Nhận xét chung:
Từ kết quả đánh giá của các kịch bản biến đổi khí hậu và sử dụng đất có thể
thấy: đặc trưng lớn nhất là kịch bản biến đổi khí hậu có tác động thay đổi mạnh
dòng chảy năm so với kịch bản biến đổi sử dụng đất. Trong khi kịch bản biến đổi sử
dụng đất lại có tác động mạnh đến điều tiết dòng chảy theo tháng.
4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ
LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY
Đánh giá tác động tổng hợp của biến đổi khí hậu và thảm phủ thực vật đối
với dòng chảy của lưu vực sông Thạch Hãn được lấy từ việc so sánh kết quả giữa
chạy mô hình SWAT với dữ liệu đầu vào: bản đồ sử dụng đất của tỉnh Quảng Trị đã
được xây dựng lại (như kịch bản thay đổi thảm phủ 3) kết hợp với điều kiện khí hậu
tương ứng các kịch bản biến đổi khí hậu đã lựa chọn (A2 và B2).
Tác động của điều kiện khí hậu và thảm phủ đối với dòng chảy là độc lập
nhau. Tuy nhiên, kết quả so sánh sự khác biệt giữa việc kết hợp các kịch bản biến
đổi khí hậu và sử dụng đất với thời đoạn nền, và sự khác biệt giữa chúng có thể chỉ
ra xu hướng tác động đối với dòng chảy từ những thay đổi kết hợp.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Q (m3/s)
t (tháng)
Lưu lượng kiểm tra Kịch bản 3
73
Hình 4.14. Thay đổi dòng chảy năm tương ứng với kết hợp điều kiện khí hậu khác
nhau và bản đồ sử dụng đất theo kịch bản 3
Hình 4.14 thể hiện kết quả tính toán chỉ ra sự thay đổi lưu lượng cùng một
kịch bản biến đổi khí hậu nhưng thay đổi kịch bản sử dụng đất. Trong mỗi nhóm,
lưu lượng năm từ 2 kịch bản sử dụng đất khác nhau được chỉ ra.
Bảng 4.9. Thay đổi dòng chảy năm giữa kịch bản kết hợp biến đổi
khí hậu -sử dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu
A2 B2
Kịch bản chỉ biến đổi khí hậu (m3/s) 17.18 16.87
Kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu – sử dụng đất (m3/s) 16.95 16.63
Thay đổi (%) 1.319 1.395
Qua kết quả tính toán và mô phỏng trên hình 4.14 cho thấy sự khác biệt
tương đối của giá trị dòng chảy năm giữa các nhóm (Bảng 4.9) và có thể thấy quy
luật biến đổi dòng chảy giữa các nhóm tương tự nhau.
So sánh với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu, kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu -
sử dụng đất làm giảm giá trị dòng chảy ở tất cả các kịch bản, chi tiết xem bảng 4.9.
Và mức độ biến đổi của chúng tương tự nhau, xấp xỉ 1.3% -1.4%.
16,2
16,4
16,6
16,8
17
17,2
A2 B2
Kịch bản BĐKH
Kịch bản kết hợp
BĐKH-sử dụng
đất
Q (m3/s)
74
Hình 4.15. Thay đổi dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu-sử dụng
đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu
Kết quả thay đổi dòng chảy theo tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí
hậu - sử dụng đất và kịch bản chỉ biến đổi khí hậu thể hiện trên hình 4.15 cho thấy
kịch bản kết hợp tác động đến phân bố dòng chảy theo mùa, sự thay đổi theo mùa
có thể thấy rõ hơn trong hình 4.16. Qua kết quả tính toán đó, chứng tỏ có thể nắm
bắt được xu hướng của tác động không tuyến tính giữa biến đổi khí hậu và sử dụng
đất tới dòng chảy khi sử dụng kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu - sử dụng đất tính
toán cho lưu vực.
Hình 4.16. Biến đổi % dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu A2 –
sử dụng đất 3 so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu A2
Việc kết hợp với kịch bản tăng diện tích rừng cho thấy: dòng chảy trung bình
năm có xu hướng giảm so với dòng chảy chỉ có tác động của biến đổi khí hậu. Đồng
0
10
20
30
40
50
60
70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Kịch bản
A2
Kịch bản
A2 kết hợp
với kịch
bản sử
dụng đất 3
t (tháng)
Q (m3/s)
-60
-40
-20
0
20
40
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
%
t (tháng)
75
thời tác động đến phân phối dòng chảy năm, tăng dòng chảy kiệt, và giảm dòng
chảy lũ.
Nhận xét: Kết quả tính toán chỉ ra rằng tác động kết hợp giữa biến đổi khí
hậu và sử dụng đất làm thay đổi cả dòng chảy lũ và dòng chảy kiệt.
76
KẾT LUẬN
1. Qua nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên lưu vực sông Thạch Hãn có thể
thấy rằng lưu vực sông Thạch Hãn có điều kiện tự nhiên về địa hình, khí hậu, đất
đai đa dạng. Tuy nhiên vùng vẫn chưa tận dụng được tối đa hiệu quả sử dụng đất,
diện tích đất trống còn chiếm diện tích lớn, thảm thực vật nghèo nàn. Nền kinh tế
mang tính địa phương cao, chậm phát triển về công nghệ.
2. Tìm hiểu về mô hình SWAT và ứng dụng mô hình SWAT để khảo sát các
kịch bản biến đổi khí hậu và sử dụng đất trên lưu vực sông Thạch Hãn.
3. Mô hình SWAT đã mô phỏng và tính toán phục vụ việc khảo sát các kịch
bản biến đổi khí hậu và sử dụng đất trên lưu vực sông Thạch Hãn – tỉnh Quảng Trị,
cho kết quả như sau:
Về biến đổi khí hậu cho thấy diễn biến khí hậu theo xu hướng của cả 2 kịch
bản A2 và B2 đều gây tác động mạnh hơn đối với các hiện tượng cực đoan trong thế
kỷ XXI. Sự biến đổi khí hậu này làm lưu lượng đỉnh lũ có thể tăng tối đa đến
khoảng 20%, trong khi dòng chảy vào tháng kiệt nhất có thể giảm đi khoảng 27%.
Với đặc điểm lũ lụt và hạn hán của lưu vực sông Thạch Hãn thì điều này sẽ gây ra
hậu quả khó lường trước được.
Khác với tác động của biến đổi khí hậu, tác động của thay đổi thảm thực vật
từ những xu hướng khác nhau của sử dụng đất, thậm chí cả những thay đổi cực
đoan cũng chỉ gây ra nh ng thay đổi nhỏ đối v i dòng chảy năm, nhưng n lại gây
biến đổi mạnh dòng chảy theo mùa. Điều này chứng tỏ rằng sự thay đổi sử dụng đất
có khả năng làm thay đổi biểu đồ thủy văn năm của lưu vực vì thực vật và sự biến
đổi theo mùa đi cùng với nó tác động đến lượng bốc thoát hơi. Với khả năng điều
tiết dòng chảy theo mùa chứng tỏ với phương án phát triển sử dụng đất phù hợp có
khả năng giảm lũ vào mùa lũ, và tính khắc nghiệt của hạn hán trong mùa khô, đồng
thời cải thiện tình hình về kinh tế, phát triển bền vững trên lưu vực.
Theo kết quả đánh giá thì tác động của kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu và
sử dụng đất cho kết quả khá khác so với kết quả kịch bản chỉ biến đổi một yếu tố.
Nó tác động vừa làm thay đổi dòng chảy năm, vừa điều tiết dòng chảy theo mùa,
với kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu - sử dụng đất đã đánh giá cho thấy nó làm
giảm dòng chảy năm (giảm từ 1,3% - 1,4%), đồng thời vừa làm giảm dòng chảy
trong mùa lũ (giảm từ 2% - 59%), vừa tăng dòng chảy trong mùa kiệt (tăng từ 11%
77
- 48%). Có nghĩa là việc kết hợp đó có khả năng khắc phục được những biến đổi
cực đoan do biến đổi khí hậu và sử dụng đất gây ra.
Từ kết quả đó mở ra một phương án có thể giảm nhẹ tác động của biến đổi
khí hậu không mong muốn đối với môi trường và tài nguyên nước bằng quy hoạch
sử dụng đất nhằm đạt được hiệu quả mong muốn trong lưu vực.
78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2009), Kịch bản biến đổi khí hậu và nư c biển
dâng, NXB Tài nguyên – Môi trường và Bản đồ Việt Nam, Hà Nội.
2. Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), Kịch bản biến đổi khí hậu và nư c biển
dâng, NXB Tài nguyên – Môi trường và Bản đồ Việt Nam, Hà Nội.
3. Cục Thống kê Quảng Trị (2005), Báo cáo kế hoạch phát triển kinh tế, xã hội 5
năm 2006- 2010, Quảng Trị.
4. Cục thống kê tỉnh Quảng Trị (2012), Niên giám thống kê 2011, NXB Thống kê.
5. Nguyễn Tiền Giang (2007), Đánh giá hiện trạng ô nhiễm nguồn nư c do nuôi
trồng thủy sản, vấn đề xâm nhập mặn tỉnh Quảng Trị và đề xuất giải pháp
g p phần phát triển kinh tế xã hội và bảo vệ môi trường, Báo cáo đề tài
chuyển giao công nghệ với Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Trị.
6. Nguyễn Thị Hiền (2008), Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động của
quá trình sử dụng đất rừng đến x i mòn trên lưu vực sông Cả, Luận văn
Thạc sĩ, Trường Đại học KHTN.
7. Nguyễn Đức Ngữ (2008), Biến đổi khí hậu, NXB Khoa học và kỹ thuật.
8. Nguyễn Đức Ngữ, Nguyễn Trọng Hiệu (2004), Khí hậu và tài nguyên khí hậu
Việt Nam, Viện KTTV, NXB Nông nghiệp.
9. Nguyễn Ý Như (2009), Ứng dụng mô hình SWAT nghiên cứu ảnh hưởng của
biến đổi khí hậu và sử dụng đất đến dòng chảy sông Bến Hải, Khóa luận tốt
nghiệp hệ Đại học chất lượng cao, Trường Đại học KHTN.
10. Nguyễn Viết Phổ và nnk (2003), Tài nguyên nư c Việt Nam, Nhà xuất bản nông
nghiệp, Hà Nội.
11. Nguyễn Thanh Sơn (2006), Quy hoạch tổng hợp tài nguyên nư c tỉnh Quảng
Trị đến 2010 c định hư ng 2020, Đề tài cấp Tỉnh, Hợp đồng khoa học với
Sở TN&MT tỉnh Quảng Trị, Hà Nội.
12. Ngô Chí Tuấn (2009), Tính toán cân bằng nư c hệ thống lưu vực sông Thạch
Hãn tỉnh Quảng Trị, Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học KHTN.
79
13. Trần Tuất, Nguyễn Đức Nhật (1980), Khái quát địa lý thuỷ văn sông ngòi Việt
Nam, Tổng cục KTTV, Hà Nội
14. UBND tỉnh Quảng Trị (1996), Báo cáo quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế
xã hội tỉnh Quảng Trị thời kỳ 1996-2010, Quảng Trị.
15. UBND tỉnh Quảng Trị (2004), Chiến lược phát triển lâm nghiệp tỉnh Quảng Trị
giai đoạn 2004 - 2010 và định hư ng đến năm 2020, Quảng Trị..
16. UBND tỉnh Quảng Trị (2006), Báo cáo tổng hợp điều chỉnh quy hoạch sử dụng
đất đến năm 2010 và lập kế hoạch sử dụng đất 2006/2010 tỉnh Quảng Trị,
Quảng Trị.
17. Viện quy hoạch và thiết kế nông nghiệp (2004), Báo cáo rà soát, điều chỉnh quy
hoạch nông - lâm nghiệp, thủy lợi tỉnh Quảng Trị, Hà Nội.
18. Trần Thanh Xuân (2002), Đặc điểm thủy văn tỉnh Quảng Trị, Sở KHCN&MT
tỉnh Quảng Trị, UBND tỉnh Quảng Trị, Hà Nội
19. Trần Thanh Xuân (2007), Đặc điểm thủy văn và nguồn nư c sông Việt Nam,
Nhà xuất bản Nông nghiệp, Hà Nội.
Tiếng Anh
20. DHI (2007), Mike 11 – User’s Manual.
21. IPCC (2007), Climate Change 2007: Synthesis Report.
22. Manoj Jha, Jeffrey G. Arnold, Philip W. Gassman, Filippo Giorgi, and Roy R.
Gu (2006), Climate change sensitivity assessment on upper Mississippi River
Basin streamflows using SWAT, Journal of American Water Resources
Association.
23. Michal Jenicek (2007), Rainfall-runoff modelling in small and middle-large
catchments – an overview
24. P. W. Gassman, M. R. Reyes, C. H. Green, J. G. Arnold (2007), The soil and
water assessment tool: historical development, applications, and future
research directions, Soil & Water Division of ASABE.
80
25. S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water
assessment tool theoretical documentation, USDA_ARS Publications.
26. S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Arcview interface
for SWAT 2000, USDA_ARS Publications.
27. S.L.Neitsch, J.G. Arnold, J.R.Kiniry, J.R.Williams (2001), Soil and water
assessment tool user’s manual, USDA_ARS Publications.
28. US Army Corps of Engineers (2001), Hydrology Model System HEC-HMS.
Users’ Manual.