Thạc Sĩ Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Th

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 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.
- 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.
Hiện nay, việc sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Thạch Hãn còn
tồn tại những 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 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.
 Hiểu rõ hơn về tác động của sử dụng đất và biến đổi khí hậu.
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 thay đổi mặt đệm
 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.

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 18
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. Xu thế phát triển dân số, nguồn nhân lực . 20
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 22
1.3. CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT CỰC ĐOAN 23
1.3.1. Tình trạng hạn hán . 23
1.3.2. Tình trạng úng lụt . 24
1.3.3. Tình trạng lũ quét . 24
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 . 27
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 28
2.1.2.3. NASIM . 29
2.1.2.4. SAC – SMA (Sacramento) . 30
2.1.2.5. HBV 30
2.1.2.6. Mô hình NAM . 30
2.1.2.7. Mô hình SCS . 31
2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT 32
2.2.1 Lịch sử phát triển 32
2.2.2 Tổng quan mô hình SWAT . 34
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 . 36
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 38
2.4.1. Dòng chảy mặt . 38
2.4.1.1. Phương pháp chỉ số đường cong SCS 38
2.4.1.2. Phương pháp thấm Green và Ampt 39
2.4.1.3. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ . 40
2.4.1.4. Hệ số trễ dòng chảy mặt 40
2.4.1.5. Tổn thất dọc đường 41
2.4.2. Bốc thoát hơi 42
2.4.2.1. Vòm cây 42
2.4.2.2. Bốc thoát hơi tiềm năng . 42
2.4.2.3. Bốc thoát hơi thực tế 43
2.4.3. Chuyển động của nước trong đất 44
2.4.4. Nước ngầm 45
2.4.4.1. Tầng ngậm nước nông . 45
2.4.4.2. Tầng ngậm nước sâu 45
2.4.5. Diễn toán dòng chảy trong sông . 46
2.4.6. Diễn toán trong hồ chứa . 46
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 47
2.5.3. Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt 47
2.5.4. Thông số tính toán tổn thất dọc đường 47
2.5.5. Thông số tính toán tổn thất bốc hơi . 47
2.5.6. Thông số tính toán dòng chảy ngầm . 47
2.5.7. Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính . 47
2.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH 48
CHƯƠNG 3 49
KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ THAY ĐỔI MẶT ĐỆM 49
3.1 KHÁI NIỆM KỊCH BẢN 49
3.2 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU . 50
3.2.1 Sơ lược tình hình biến đổi khí hậu hiện nay . 50
3.2.2. Dao động các đặc trưng khí hậu của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua. . 51
3.2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu . 52
3.3 KỊCH BẢN THAY ĐỔI MẶT ĐỆM . 54
3.3.1. Kịch bản 1 54
3.3.2. Kịch bản 2. . 55
3.3.3. Kịch bản 3. . 55
3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU . 56
3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu . 56
3.4.2 Lựa chọn kịch bản thay đổi mặt đệm . 57
3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất 57
CHƯƠNG 4 58
ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN ĐÃ LỰA CHỌN 58
4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG
THẠCH HÃN 58
4.1.1 Số liệu đầu vào 58
4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn 58
4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình 60
4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình . 63
4.1.5 Nhận xét chung . 63
4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY 64
4.2.1 Kịch bản B2: . 64
4.2.2 Kịch bản A2 66
4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY
TRÊN LƯU VỰC 68
4.3.1 Kịch bản 1: . 68
4.3.2 Kịch bản 2 . 69
4.3.3 Kịch bản 3 . 70
4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỚP
PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY . 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 77