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

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

I.     ĐẶT VẤN ĐỀ

Với đặc điểm địa hình nhiều đồi núi, hệ thống sông ngòi dày đặc với các con sông ngắn, độc dốc lớn, khả năng tập trung lũ nhanh, đồng bằng ven biển hẹp, cửa sông biến đổi theo mùa, bị co hẹp ảnh hưởng đến khả năng thoát lũ... nên vào mùa mưa bão trên lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn thường xảy ra các trận lũ lụt lớn.

Ngoài trận lũ lịch sử xảy ra vào năm 1999, một số năm gầm đây lũ lụt cũng thường xuyên xảy ra với mức độ tương đối lớn như trận lũ năm 2007, 2009. Có nhiều nguyên nhân trong đó có nguyên nhân khách quan do sự biến đổi khí hậu đã gây mưa lớn bất thường hơn trên diện rộng còn có những nguyên nhân chủ quan do sự tác động của các hoạt động trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội như phát triển cơ sở hạ tầng ven sông làm thu hẹp lòng dẫn, sự tàn phá rừng nguyên sinh đầu nguồn...

 Từ trước đến nay trong tiềm thức của chúng ta rừng có nghĩa rất lớn, nó làm tăng dòng chảy kiệt và làm giảm dòng chảy lũ. Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của rừng đến lũ nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ đánh giá một cách định tính mà chưa có nghiên cứu nào đánh giá chính xác về mặt định lượng xem nếu rừng thay đổi thì dòng chảy thay đổi biến động như thế nào. Việc đánh giá định lượng đó có thể sử dụng mô hình toán để tính toán.

Hiện nay mô hình toán phát triển rất nhanh và ở Việt Nam nó dường như là công cụ không thể thiếu trong các nghiên cứu cũng như giải quyết các bài toán qui hoạch…Để đánh giá định lượng ảnh hưởng của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thì có thể lựa chọn mô hình SWAT để nghiên cứu. Đây là công cụ mô hình đã ứng dụng nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam, những năm gần đây nó cũng được đưa vào ứng dụng nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ sử dụng mô hình để tính toán dòng chảy làm đầu vào cho các mô hình khác như mô hình thủy lực hay phục vụ bài toán cân bằng nước. Bài báo này giới thiệu khả năng của mô hình đi theo một hướng ứng dụng khác là đánh giá ảnh hưởng của rừng tới chế độ dòng chảy trên lưu vực Vu Gia – Thu Bồn.

II.      GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT

 1. Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAT

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong hệ thống lưu vực sông với các loại đất, với các điều kiện sử dụng đất khác nhau và điều kiện quản lý tương ứng với một khoảng thời gian dài.

Mô hình được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên. Ngoài việc sử dụng các phương trình tương quan để mô tả mối quan hệ giữa các biến vào và ra, SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực. Các quá trình tự nhiên liên quan tới chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa màng, chu trình chất dinh dưỡng,… được tính toán trực tiếp bởi mô hình từ các thông số đầu vào.  Việc mô phỏng cho một lưu vực theo các chiến lược quản lý khác nhau có thể được diễn ra tương đối đơn giản. Mô hình SWAT dựa trên các bản đồ số về địa hình (DEM), sông ngòi, đường bao lưu vực để tính toán và chia lưu vực ra thành các vùng hay các lưu vực nhỏ (sub-basin). Đây là các lưu vực của các nhánh sông chính trong lưu vực nghiên cứu.

Mô hình đồng thời cho phép người sử dụng thêm các nút bổ sung nước (inlet) để hỗ trợ cung cấp thêm nguồn nước thực tế khi mà các bản đồ GIS chưa cập nhật kịp thời và các điểm đo nước (outlet) để chia nhỏ các lưu vực con giúp người sử dụng có thể tham khảo các vùng khác của lưu vực trong cùng một phạm vi không gian. Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong mô hình để mô phỏng dòng chảy là rất thuận lợi khi mà các lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất. Bên cạnh đó, mô hình cho phép mô phỏng hoạt động của hồ chứa trên lưu vực với các thông số  như dung tích, diện tích mặt nước, Q tràn,...

Ảnh hưởng của đất và việc sử dụng đất được thể hiện rõ trong việc nhập và xử lý các bản đồ GIS. Mô hình sẽ cập nhật bản đồ sử dụng đất và phân loại sử dụng đất theo tên và số phần trăm diện tích loại hình sử dụng đất đó. Tương tự với bản đồ đất, cũng được cập nhật theo tên và phần trăm diện tích đất.

Các trạm KTTV được cập nhật theo kinh vĩ độ và tương ứng là các chuỗi số liệu của trạm đó theo thời gian. Mô hình tính toán mưa theo phương pháp đa giác Theissen.

Trong quá trình tính toán dòng chảy, mô hình đã sử dụng phương pháp tính bốc hơi (theo Penman-Monteith, Priestley-Taylor, Hardgreve hoặc đọc từ file), diễn toán dòng chảy theo phương pháp Muskingum, các phương pháp diễn toán chất lượng nước. 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 dùng để kiểm soát khối lượng nước, bùn cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các lòng dẫn chính của mỗi lưu vực. Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ trong hệ thống lòng dẫn và tới mặt cắt cửa ra của lưu vực. Chu trình thuỷ văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước tổng quát như sau:

Trong đó:

SWt: Tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm)

SWo: Tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm)

  t    : Thời gian (ngày)

 Rday: Tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm)

Qsurf: Tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm)

   Ea: Lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm)

Wseep: Lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm)

  Qgw: Lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)

2. Khả năng ứng dụng của mô hình SWAT.

 Các sản phẩm của mô hình được thể hiện định lượng nhằm:

- Đánh giá về số lượng và về chất lượng của tài nguyên nước trong lưu vực

- Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực

- Đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên như hiện trạng rừng, đất, sử dụng đất tới dòng chảy, bùn cát, xói mòn, chất dinh dưỡng…

- Đánh giá hiệu quả trong công tác quản lý lưu vực

III. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA RỪNG TỚI KHẢ NĂNG GÂY LŨ LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN

1. Số liệu phục vụ tính toán

a. Số liệu bản đồ

+ Số liệu không gian

Số liệu vào mô hình bao gồm số liệu không gian là các bản đồ và số liệu thuộc tính của chúng.

Các bản đồ được dùng để tính toán bao gồm:

- Bản đồ số hóa độ cao (DEM) lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn

- Bản đồ đất lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.

- Bản đồ thảm phủ thực vật ứng với hiện trạng rừng và sử dụng đất của năm 1993 và 2005.

- Bản đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm đo khí tượng thủy văn

Hình 1: Bản đồ DEM trong mô hình SWAT và Hình 2: Bản đồ các loại đất trong mô hình SWAT

Hình 3: Bản đồ sử dụng đất năm 1993 trong mô hình SWAT và Hình 4: Bản đồ sử dụng đất năm 2005 trong mô hình SWAT

+ Số liệu thuộc tính

- Vị trí địa lý các trạm đo trên lưu vực

- Số liệu khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí (tối cao, tối thấp), tốc độ gió, bức xạ, độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối.

- Số liệu thuỷ văn bao gồm lượng mưa trung bình ngày, lưu lượng trung bình ngày và độ đục bình quân ngày.

Các số liệu không gian được xử lý bằng phần mềm ARCGIS 9.3. Bản đồ địa hình được đưa vào dưới dạng DEM còn bản đồ sử dụng đất và loại đất được đưa vào mô hình dưới dạng grid file hoặc shape file. Các số liệu thuộc tính được đưa vào dưới dạng database…

b. Số liệu khí tượng thuỷ văn

(1). Số liệu mưa

Số liệu mưa bình quân ngày được dùng trong tính toán, trong đó có các trạm mưa: Thành Mỹ, Nông Sơn, Tam Kỳ, Ái Nghĩa, Câu Lâu, Đà Nẵng, Cẩm Lệ, Hội Khách, Hội An, Khâm Đức, Tiên Phước, Trà My, Trao (Hiên). Các trạm mưa có số liệu tương đối đủ dài, đo mưa từ năm 1976 đến nay. Để đảm bảo tính đồng nhất chuỗi số liệu mưa cho 2 trường hợp tính toán thử nghiệm, kiểm định, đã sử dụng chuỗi số liệu quan trắc dài và đầy đủ của 13 trạm mưa trên.

(2). Số liệu khí tượng

Số liệu khí tượng cần thiết để chạy mô hình bao gồm các yếu tố sau:

- Số giờ nắng

- Bức xạ mặt trời

- Tốc độ gió

- Nhiệt độ trung bình, tối cao, tối thấp

- Độ ẩm tương đối

Các số liệu khí tượng bình quân ngày của trạm Nông Sơn, Tam Kỳ và Khâm Đức được dùng để tính toán. Các trạm này đều quan trắc đầy đủ các yếu tố khí hậu trên.

(3). Số liệu lưu lượng

Số liệu lưu lượng trung bình ngày của trạm Nông Sơn trên sông Thu Bồn, trạm Thành Mỹ  trên sông Vu Gia, số liệu lưu lượng có được từ năm 1976 đến năm 2009. Trong chuỗi số liệu đó lấy lưu lượng năm 1993 ứng với số liệu rừng năm 1993 làm số liệu hiệu chỉnh mô hình, và số liệu năm 2005 ứng với số liệu rừng năm 2005 làm số liệu kiểm định mô hình.

(4). Số liệu về các loại đất: được phân loại theo tổ chức nông lương thế giới (FAO).

(5). Số liệu về thảm phủ thực vật

Bản đồ thảm phủ thực vật được thu thập với năm 1993 và 2005. Trong lưu vực nghiên cứu có một số loại hình sử dụng đất như :

- Đất có rừng gồm các loại: Rừng giàu, rừng trung bình, rừng thứ sinh nhiệt đới thường xanh cây lá rộng, rừng tre nứa hoặc hồn giao tre nứa, tràng cỏ, trảng cây bụi thường xanh lá rộng,…

- Đất trống gồm các loại: đất trống, đất trống có cỏ, đất trống có cây bụi, đất trống có cây bụi rải rác....

- Đất nông nghiệp gồm các loại: đất trồng lúa, màu, đất trồng cây công nghiệp, đất vườn ươm...

- Đất thổ cư, khu công nghiệp,

- Đất sông suối, hồ tự nhiên

2.  Xác định bộ thông số của mô hình SWAT cho lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn

2.1. Các bước chạy mô hình

Để chạy được mô hình cần có đầy đủ các dữ liệu vào của mô hình đã nêu ở trên. Sau khi vào số liệu bản đồ địa hình dưới dạng DEM, giới hạn lưu vực cần tính toán và mạng lưới sông suối trên lưu vực đó, chương trình SWAT sẽ tính toán các thông số như số thứ tự, độ dốc, chiều rộng, diện tích... của các lưu vực con trong lưu vực tính toán đó. Tỷ lệ bản đồ ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán, có thể làm tăng hay giảm số lượng các sông suối, diện tích lưu vực cũng như các đặc trưng khác của lưu vực.

Sau khi tính toán các tham số của lưu vực con, tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất và bản đồ đất để tính toán % từng diện tích sử dụng đất và % từng loại đất trên các lưu vực con đó. Sau đó tiến hành vào các số liệu về khí tượng, số liệu thực đo tại trạm thuỷ văn. Sau khi thực hiện đầy đủ các bước nhập số liệu đó, chương trình SWAT có thể tiến hành chạy thử nghiệm được.

Hình 5: Các lưu vực nhỏ được chia trong SWAT

Bảng 1: Đặc trưng các lưu vực con

2.2. Hiệu chỉnh mô hình

Trong lưu vực nghiên cứu để xác định bộ thông số của mô hình lấy trạm lưu lượng thực đo Nông Sơn và Thành Mỹ từ ngày 1/I/1993 đến 31/XII/1993 để tính toán so sánh với giá trị tính toán.

*Xác định các thông số của mô hình

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:

- Thông số tính quá trình hình thành dòng chảy mặt bao gồm: tính lượng mưa hiệu quả, tính lưu lượng đỉnh lũ, tính hệ số trễ dòng chảy mặt

- Thông số tính toán dòng chảy ngầm

- Thông số diễn toán trong kênh

Để so sánh giá trị tính toán với giá trị thực đo, đồ án dùng chỉ số NASH làm hàm  mục tiêu. NASH càng tiến đến 1 thì kết quả tính toán càng chính xác. Công thức như sau:

Trong quá trình hiệu chỉnh mô hình, ngoài việc hiệu chỉnh các thông số sao cho đường quá trình lưu lượng thực đo và tính toán phù hợp, ta cần phải chú ý tới đường quá trình tổng lượng tích luỹ bởi đây là bài toán cân bằng nước nên cần quan tâm đến vấn đề này nhiều hơn.

Với việc lấy trạm khống chế lưu vực tại Ái Nghĩa, lưu vực nghiên cứu được chia làm 21 lưu vực con với các đặc trưng của lưu vực như diện tích, độ dốc lưu vực, độ cao trung bình lưu vực, chiều dài kênh chính

Mô hình SWAT có rất nhiều thông số nên việc xác định những thông số nào ảnh hưởng chủ yếu đến quá trình dòng chảy rất khó khăn. Trong đó, chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (CN2) và thời gian trễ dòng chảy mặt LATTIME có ảnh hưởng đến sự thay đổi dòng chảy nhiều nhất, những thông số khác ảnh hưởng rất ít hoặc không đáng kể.

Kết quả so sánh giữa giá trị thực đo và tính toán tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ được thể hiện như trong hình 6 và 7. Lấy chỉ tiêu để so sánh là hệ số NASH. Hệ số NASH tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ lần lượt là R = 0,8 và R = 0.76. Với điều kiện mô phỏng diện tích lưu vực rất lớn và chuỗi số liệu là 1 năm tính toán theo thời đoạn ngày thì kết quả mô phỏng có thể chấp nhận được. Do đó có thể dùng bộ thông số này để kiểm định lại cho năm 2005.

2.3. Kiểm định mô hình

Sau khi đã hiệu chỉnh mô hình cho kết quả có thể chấp nhận đuợc, ta lấy bộ thông số đó tính toán kiểm định cho chuỗi số liệu từ 1/1/2005 đến 31/12/2005 ứng với số liệu rừng năm 2005. Kết quả tính toán kiểm định được thể hiện như trong hình 8 và 9. Kết quả so sánh giữa lưu lượng thực đo và tính toán tại trạm Nông Sơn và Thành Mỹ bằng chỉ số NASH lần lượt là R = 0.83 và R = 0.79. Với hệ số NASH trong hai trường hợp hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tại Nông Sơn và Thành Mỹ đều lớn hơn 0,7, đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tương đối phù hợp thì kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình có thể chấp nhận được. Vì vậy có thể sử dụng mô hình SWAT để tính toán thử nghiệm số liệu mưa năm 2009 ứng với sự thay đổi của rừng của năm 1993 và 2005.

Bảng 2: Bộ thông số của mô hình sau khi hiệu chỉnh mô hình

3. Đánh giá tác động của thảm phủ rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn

Nhằm đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn, sử dụng số liệu khí tượng thủy văn đo đạc tại các trạm trên lưu vực mô phỏng dòng chảy trên lưu vực tại 2 trạm thủy văn Nông Sơn và trạm Thành Mỹ ứng với hai kịch bản rừng năm 1993 và 2005 trong điều kiện địa hình và các loại đất không thay đổi.

Hình 10: Đường quá trình lưu lượng tại Nông Sơn và Hình 11: Đường quá trình lưu lượng tại Thành Mỹ   

Bảng 3: Lưu lượng lớn nhất tại các vị trí ứng với các loại rừng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Đào Văn Khương, “Điều tra, đánh giá về lũ lớn khu vực miền Trung và Tây Nguyên”, Phòng thí nghiệm trọng điểm QG về động lực học sông biển, 2011.

[2]. SWAT 2005 User’s manual and Theoretical documentation. 

Tác giả: ThS. Đào Văn Khương, ThS. Nguyễn Mạnh Linh
Phòng Thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển

Tạp chí KH&CN Thủy lợi