Ứng dụng mô hình swat để tính toán lưu lượng dòng chảy và bùn cát trên lưu vực sông Cầu

Nghiên cứu này trình bày về ứng dụng của mô hình Soil and Water Assessment Tool (SWAT) mô phỏng lưu lượng dòng chảy và bùn cát trên lưu vực sông Cầu, con sông trọng yếu của khu vực Bắc bộ. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm thông qua việc so sánh kết quả mô phỏng và chuỗi số liệu thủy văn và bùn cát thực đo từ năm 2007 đến 2014.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng mô hình swat để tính toán lưu lượng dòng chảy và bùn cát trên lưu vực sông CầuBÀI BÁO KHOA HỌCỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐỂ TÍNH TOÁNLƯU LƯỢNG DÒNG CHẢY VÀ BÙN CÁT TRÊN LƯU VỰC SÔNG CẦUTrần Việt Bách1Tóm tắt: Nghiên cứu này trình bày về ứng dụng của mô hình Soil and Water Assessment Tool(SWAT) mô phỏng lưu lượng dòng chảy và bùn cát trên lưu vực sông Cầu, con sông trọng yếu củakhu vực Bắc bộ. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm nghiệm thông qua việc so sánh kết quả mô phỏngvà chuỗi số liệu thủy văn và bùn cát thực đo từ năm 2007 đến 2014. Ở mô đun tính toán lưu lượngdòng chảy, kết quả hiệu chỉnh và kiểm nghiệm ở mức rất tốt (R2 = 0.905, NSE = 0.903 và PBIAS =0.635 cho bước hiệu chỉnh; R2 = 0.921; NSE = 0.9 và PBIAS =10.03 cho bước kiểm nghiệm). Ở môđun tính toán bùn cát ở mức đạt yêu cầu (R2, NSE và PBIAS lần lượt là 0.832, 0.812 và -22.534 ởbước hiệu chỉnh và 0.645, 0.587 và -18.586 ở bước kiểm nghiệm). Theo kết quả mô phỏng, lượngbùn cát đóng góp vào hệ thống sông Cầu biến đổi theo không gian và thời gian với tổng lượng hàngnăm khoảng 940 ngàn tấn. Các kết quả nghiên cứu và thông số mô hình sau khi hiệu chỉnh có thểđược sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo.Từ khóa: SWAT, SWAT-CUP, lưu lượng dòng chảy, bùn cát, sông Cầu.1. GIỚI THIỆU1Trong giai đoạn bùng nổ dân số, biến đổi khíhậu và tăng trưởng kinh tế, vấn đề đánh giá vàquản lý tài nguyên nước bền vững đang ngàymột gặp thách thức. Khan hiếm nước ngọt cũngnhư sử dụng thiếu hiệu quả sẽ đe dọa phát triển,quản lý và bảo vệ nguồn tài nguyên này mộtcách bền vững.Mô hình toán là công cụ hữu hiệu và kinh tếđể đánh giá tài nguyên nước cấp lưu vực sôngcả về chất và lượng. Rất nhiều mô hình thủy vănđã được xây dựng để mô phỏng, đánh giá lưulượng và chất lượng nước sông cấp lưu vực vídụ như mô hình Precipiation Runoff ModelingSystem (PRMS) (Leavesley, et al 1983); HydrologicalSimulation Program-Fortran (HSPF) (Bicknell,et al 1993); MIKE 11 (DHI, 1995); Soil andWater Assessment Tool (SWAT) (Arnold, et al1998). Trong số đó nổi bật là mô hình SWAT,được xây dựng để tính toán, đánh giá ảnh hưởngcủa các hoạt động nông nghiệp và quản lý đấtđai tới chế độ thủy văn và chất lượng nước lưu1Trung tâm nghiên cứu môi trường lưu vực sông (ICRE),Đại học Yamanashi, Nhật Bản.136vực sông, với rất nhiều ứng dụng rộng rãi. Lợithế của SWAT là nguồn cơ sở dữ liệu mở rấtđầy đủ và được tích hợp hệ thống thông tin địalý GIS đem đến sự thuận tiện cho người sửdụng. Hơn nữa, để hỗ trợ cho việc hiệu chỉnh vàkiểm định mô hình, Soil and Water AssessmentTool Calibration and Uncertainty Procedure(SWAT-CUP) đã được giới thiệu. Được tíchhợp những thuật toán tối ưu như SequentialUncertainty Fitting version 2 (SUFI-2), ParticleSwarm Optimization (PSO), Generalized LikelihoodUncertainty Estimation (GLUE), SWAT-CUPgiúp tìm ra giá trị các thông số của mô hình mộtcách chính xác.Với diện tích 6030 km2, lưu vực sông Cầuđóng vai trò quan trọng trong phát triển kinh tế xã hội, bảo vệ môi trường sinh thái cho các tỉnhBắc Cạn, Thái Nguyên, Vĩnh Phúc, Bắc Ninh,Bắc Giang và Hà Nội (Ngô Chí Tuấn, nnk,2012). Tuy nhiên, trên lưu vực sông Cầu hiệnnay chỉ có duy nhất một trạm thủy văn đo lưulượng tại Cầu Gia Bảy, Thái Nguyên (thượnglưu sông Cầu) mà không có trạm đo lưu lượngnào tại cửa ra của sông Cầu. Điều này đặt ra mộtnhu cầu cần thiết mô phỏng chế độ thủy văn củaKHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 56 (3/2017)toàn bộ lưu vực. Thêm vào đó, chi tiết về quátrình vận chuyển bùn cát cũng là một tiêu chíquan trọng để đánh giá chất lượng nước sôngCầu. Nghiên cứu này giới thiệu đầy đủ các bướcthiết lập, hiệu chỉnh, kiểm định của mô hìnhSWAT để đánh giá chế độ thủy văn và vậnchuyển bùn cát cho lưu vực sông Cầu.2. VÙNG NGHIÊN CỨUBắt nguồn từ vùng núi phía Tây Bắc củatỉnh Bắc Cạn, sông Cầu trải trên phạm vi từ21o07’ đến 22o18’ vĩ bắc và từ 105o28’ đến106o08’ kinh đông (Hình 1); được bao bọc ởphía tây bởi dãy núi Ngân Sơn, ở phía bắc vàphía tây bởi những dãy núi cao hơn 1000 m.Sông Cầu hợp lưu với sông Thương và sôngLục Nam tại Phả Lại, Hải Dương tạo thành hệthống sông Thái Bình.Lưu vực sông Cầu chịu ảnh hưởng của khíhậu nhiệt đới gió mùa với nhiệt độ trung bìnhbiến đổi từ 18oC đến 23oC theo từng khu vực.Độ ẩm không khí trung bình năm dao độngkhoảng 81% - 87%. Tốc độ gió trung bình thángvà năm biến đổi rõ rệt theo địa hình và độ cao,dao động từ dưới 1m/s đến trên 2m/s. Lượngmưa hàng năm trung bình vào khoảng 1800mm,trong đó có 80% lượng mưa xuất hiện vào mùalũ (từ tháng 5 đến tháng 10), lượng còn lại ởmùa khô (từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau).Hình 1. Bản đồ hệ thống lưu vực sông CầuRừng và cây bụi chiếm phần lớn diện tích lưuvực sông Cầu (53%), sau đó là diện tích đấtnông nghiệp (44%) phần còn lại là diện tích đấtthổ cư và sông hồ (3%). Phân bố diện tích đất ởlưu vực sông Cầu rất không đều theo khônggian, phía bắc chiếm phần lớn đất rừng, phíanam gần với đồng bằng châu th ...