Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Vu Gia
Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá ảnh hưởng
thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Vu Gia
Nguyễn Thị Hồng1,*, Nguyễn Duy Liêm2, Nguyễn Thị Bích3, Lê Duy Bảo Hiếu2,
Lê Hoàng Tú2, Nguyễn Kim Lợi2
1Khoa Địa chất, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
2Trường Đại học Nông lâm TP. Hồ Chí Minh
3Trường Đại học Lâm Nghiệp
Nhận ngày 16 tháng 6 năm 2014
Chỉnh sửa ngày 14 tháng 8 năm 2014; Chấp nhận đăng ngày 27 tháng 8 năm 2014
Tóm tắt: Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng biến đổi dòng chảy, ảnh hưởng
đến lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông là do tác động của con người thông qua hoạt động sử
dụng đất. Nghiên cứu này ứng dụng GIS, mô hình SWAT đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất
năm 2005 và năm 2010 đến lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia. Sự gia tăng về lớp phủ
thảm thực vật đã làm lưu lượng dòng chảy trong giai đoạn này giảm 5,7%, dòng chảy ngầm (GW_Q)
tăng 30,69%, lượng nước trong kênh (WYLD) tăng 26,48%, các thành phần dòng chảy trễ (LAT_Q)
và lượng nước trong đất (SW) tăng khoảng 24%, thành phần dòng chảy mặt (SUR_Q) giảm 9,39%.
Kết quả nghiên cứu đã chứng minh việc tích hợp GIS và mô hình SWAT trong đánh giá tác động của
thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam là phù
hợp. Nhờ đó, có thể hỗ trợ hữu hiệu cho công tác quản lý, quy hoạch sử dụng đất trên phạm vi lưu
vực sông vừa đảm bảo nhu cầu phát triển kinh tế-xã hội, vừa cân bằng yêu cầu bảo vệ nguồn tài
nguyên thiên nhiên (đất, nước, rừng).
Từ khóa: GIS, SWAT, thay đổi sử dụng đất, lưu vực sông Vu Gia
1. Mở đầu*
thông trong rừng [3, 4], và quá trình đô thị hóa
của vùng hạ lưu [5] đến dòng chảy lưu vực. Đối
Trên thế giới, việc nghiên cứu về tác động
của sự thay đổi sử dụng đất đến chu trình thủy
văn của lưu vực đã trở thành chủ đề được quan
tâm trong những năm qua. Nhiều nghiên cứu đã
được thực hiện nhằm định lượng tác động của
nạn phá rừng [1], chuyển đổi diện tích rừng
sang đất nông nghiệp [2], xây dựng đường giao
với lưu vực vùng nhiệt đới, Costa et al. (2003)
phát hiện ra rằng nếu tỉ lệ phá rừng chiếm
khoảng 30% diện tích lưu vực sẽ làm gia tăng
lưu lượng trung bình năm khoảng 24% [6]. Đối
với điều kiện tự nhiên ở Việt Nam, một số
nghiên cứu với các chỉ tiêu được hiệu chỉnh cho
phù hợp nhằm đánh giá tác động của thay đổi
sử dụng đất, thảm phủ đối với dòng chảy [7-9].
_______
* Tác giả liên hệ. ĐT 84-(0)4-38585097
email: [email protected]
80
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
81
Lưu vực sông Vu Gia thuộc địa phận các
huyện Đông Giang, Tây Giang, Nam Giang,
Đại Lộc, Phước Sơn tỉnh Quảng Nam. Đây
được xem là lưu vực có vai trò rất quan trọng
đối với sự phát triển kinh tế của tỉnh Quảng
Nam. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự
thay đổi dòng chảy cũng như gia tăng lượng xói
mòn đất, bồi lắng trong lòng sông trên lưu vực
diễn biến ngày càng phức tạp, đe dọa đến dân
sinh và môi trường. Chính vì vậy, vấn đề cấp
bách cần đặt ra là cần thiết phải tiến hành những
nghiên cứu đánh giá một cách định lượng, chi
tiết và cụ thể mức độ ảnh hưởng của hoạt động
khai thác, sử dụng tài nguyên đất đai trên lưu vực
ở thời điểm hiện tại cũng như định hướng quy
hoạch trong tương lai đến tài nguyên đất và nước
trên lưu vực sông Vu Gia. Nhờ đó, tạo cơ sở
khoa học quan trọng hỗ trợ cho công tác quy
hoạch sử dụng đất trên lưu vực hướng đến sự
phát triển bền vững. Nghiên cứu này sử dụng
công cụ Đánh giá Đất và Nước (Soil and Water
Assessment Tool - SWAT) tích hợp với công
nghệ GIS qua đó tìm hiểu bản chất, quy luật của
các quá trình thủy văn diễn ra trên lưu vực.
phân chia thành các tiểu lưu vực liên kết với
nhau bởi một mạng lưới sông suối. Mỗi tiểu lưu
vực sau đó được chia thành các đơn vị thủy văn
(Hydrologic Response Unit - HRU) dựa trên
những đặc trưng đồng nhất về sử dụng đất, thổ
nhưỡng, độ dốc và thực hành quản lý đất đai.
2. Sơ lược về vùng nghiên cứu
Lưu vực sông Vu Gia nằm về phía Bắc sông
Thu Bồn, bắt nguồn từ vùng núi phía Tây tỉnh
Quảng Nam và phía Bắc tỉnh Kon Tum. Là con
sông lớn của hai tỉnh Quảng Nam và Đà Nẵng
[12], diện tích lưu vực tính đến xã Đại Hòa, huyện
Đại Lộc vào khoảng 4661,28 km2, chiều dài 163
km với lưu lượng dòng chảy 400 m3/s thuộc địa
phận các huyện Đông Giang, Tây Giang, Nam
Giang, Phước Sơn, Đại Lộc tỉnh Quảng Nam.
Địa hình của khu vực phân hóa khá rõ nét,
bị chia cắt mạnh bởi các sông: Vu Gia, Thu
Bồn, Tam Kỳ… có hướng nghiêng địa hình từ
tây sang đông, vùng thượng nguồn có nhiều dãy
núi cao. Địa hình lưu vực gồm có vùng trung
du, vùng đồng bằng, vùng ven biển. Lưu vực
sông nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới có hai
mùa: mùa mưa và mùa khô chịu ảnh hưởng của
không khí lạnh từ vùng núi Bạch Mã. Độ ẩm
trung bình 84%.
Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với
các mô hình tiền thân – nó cho phép mô hình
hóa các lưu vực không có mạng lưới quan trắc,
mô phỏng tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào
như sử dụng đất, thực hành quản lý đất đai và
khí hậu [10]. Giao diện tích hợp trong GIS tạo
thuận tiện cho việc định nghĩa lưu vực, cũng
như thao tác, xử lý các dữ liệu không gian và dữ
liệu dạng bảng liên quan [11]. Trong trường
hợp dữ liệu đầu vào hạn chế, SWAT vẫn có thể
mô phỏng được. Ngoài ra, với khả năng tính
toán hiệu quả, SWAT có thể mô phỏng các lưu
vực rộng lớn với nhiều dạng thực hành quản lý
đất đai mà không tốn nhiều thời gian và tài
nguyên máy tính. Cuối cùng, SWAT là mô hình
theo thời gian liên tục nên có thểm ô phỏng tác
động lâu dài của sử dụng đất, thực hành quản lý
đất đai và sự tích tụ của các chất ô nhiễm [10].
SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình
vật lý trên cùng một lưu vực. Một lưu vực được
Mưa có sự phân hóa rõ rệt theo từng khu vực
và theo mùa. Tổng lượng mưa hàng năm thay đổi
từ 2.000 mm ở đồng bằng đến 4.000 mm ở vùng
núi. Mùa mưa thường kéo dài bốn tháng, từ
tháng 9 đến hết tháng 12. Lượng mưa trong
mùa mưa chiếm 65-80% tổng lượng mưa hàng
năm, 40-50% lượng mưa hàng năm rơi vào
tháng 10 và 11. Trong khi đó, mùa khô kéo dài
từ tháng 1 đến tháng 8 với lượng mưa chỉ chiếm
có 3-5% tổng lượng mưa cả năm (tập trung từ
tháng 2 đến tháng 4). Tháng 5 và 6 là thời gian
mưa lớn thứ hai trong năm, xuất hiện ở phần
Tây Bắc lưu vực nên gây ra lũ Tiểu Mãn ở lưu
vực sông Bung.
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
82
Hình 1. Ranh giới lưu vực sông Vu Gia
3.2. Phương pháp xác định sự thay đổi các kiểu
sử dụng đất
2. Phương pháp nghiên cứu
3.1. Phương pháp GIS
Ứng dụng GIS để xác định khả năng thay
đổi các kiểu sử dụng đất dựa trên sự tiến triển
các kiểu sử dụng đất và các nhân tố ảnh hưởng
đến sự thay đổi.
GIS nâng cao khả năng tính toán về các đặc
tính lưu vực, tạo điều kiện cho việc phân định lưu
vực bằng cách sử dụng các "Mô hình số độ cao”-
DEM. Nó cung cấp một phương pháp nhất quán
để phân tích lưu vực sử dụng DEMs và các bộ dữ
liệu chuẩn như lớp phủ bề mặt, tính chất đất, vị trí
trạm đo, và các biến số của thời tiết.
Bản đồ sử dụng đất năm 2005 và 2010 của
lưu vực sông Vu Gia với 14 loại hình sử dụng
đất, được phân loại lại thành 9 loại sử dụng đất
theo bảng mã sử dụng đất trong SWAT. Bảng
mã này quy định mã số của các loại cây trồng,
các loại hình che phủ chung, đất đô thị cùng với
thuộc tính của chúng, làm cơ sở cho quá trình
mô phỏng sự phát triển cây trồng, mô phỏng
khu vực đô thị.
Nghiên cứu này ứng dụng GIS để đánh giá
sự thay đổi sử dụng đất ở hai thời điểm (2005
và 2010), sau đó sử dụng mô hình SWAT chạy
hai kịnh bản ứng với hai thời điểm sử dụng đất
khác nhau (hình 2).
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
83
ĐẦU VÀO
GIS
Điều kiện tự nhiên,
kinh tế xã hội
- Bản đồ địa hình
- Bản đồ hiện trạng sử dụng đất
- Bản đồ đất
- Số liệu khí tượng, thủy văn
Cơ sở dữ liệu Tài nguyên – Môi trường
GIS
Phân tích biến động sử dụng đất
Mô phỏng dòng chảy
SWAT
ĐẦU RA
Các thông số về lưu lượng
dòng chảy)
Số liệu về thay đổi diện
tích, phân bố các loại hình
sử dụng đất
Đánh giá ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến lưu
lượng dòng chảy lưu vực sông
Hình 2. Sơ đồ nội dung phương pháp nghiên cứu
3.3. Mô hình SWAT
1
SW SW
R
Qsurf Ea Wseep Qgw
t
o
day
i
i1
Nghiên cứu này sẽ tập trung sử dụng dữ
liệu đã xử lý khi đưa vào mô hình SWAT trên
hai kịch bản sử dụng đất của lưu vực sông Vu
Gia năm 2005 và năm 2010 (hình 3). Dựa trên
hai kịch bản này so sánh sự khác nhau về sử
dụng đất, dữ liệu về thời tiết và thủy văn, kết
hợp với lý thuyết về chuỗi Markov để đánh giá
tác động của thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng
dòng chảy. Mô hình SWAT tổng hợp dòng
chảy, bồi lắng và tải lượng dưỡng chất từ mỗi
tiểu lưu vực, HRU và sau đó dẫn kết quả này
vào các kênh dẫn, ao, hồ chứa đến cửa xả lưu
vực [13]. SWAT mô hình hóa chu trình thủy
văn dựa trên phương trình cân bằng nước sau
[14]:
Trong đó,
- SWt: lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm
H2O)
- SWo: lượng nước trong đất tại thời điểm ban
đầu trong ngày thứ i (mm H2O)
- t: thời gian (ngày)
- Rday: lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm
H2O)
- Qsurf: lượng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i
(mm H2O)
- Ea: lượng nước bốc hơi trong ngày thứi (mm H2O)
- Wseep: lượng nước thấm vào vùng chưa bão
hòa trong ngày thứ i (mm H2O)
- Qgw: lượng nước ngầm (mm) chảy ra sông
trong ngày thứ i
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
84
SWAT yêu cầu nhiều lớp dữ liệu đầu vào
ArcSWAT cho ArcGIS và MWSWAT cho
MapWindow.
theo không gian và thời gian. Để hỗ trợ quá
trình xử lý, phân tích những dữ liệu này, SWAT
sử dụng những công cụ của GIS. Vì vậy, để tạo
thuận lợi cho việc sử dụng các mô hình, hiện
nay SWAT được tích hợp vào hai phần mềm
GIS dưới dạng phần mở rộng miễn phí là
3.4. Biên tập và xử lý số liệu đầu vào
Các dữ liệu sau khi thu thập sẽ được sử lý
theo định dạng chuẩn của mô hình SWAT, chi
tiết về dữ liệu thu thập được mô tả ở bảng 1.
Đánh giá ảnh hưởng thay đổi
sử dụng dụng đất đến bồi
lắng và lưu lượng dòng chảy
Mục tiêu nghiên cứu
Dữ liệu
đầu vào
Xử lý DEM
Phân định lưu vực
Xử lý DEM
Bản đồ sử dụng đất
Bản đồ thổ nhưỡng
Độ dốc
Dữ liệu
đầu vào
Định nghĩa mạng lưới sông
Chọn cửa xả lưu vực
Tính toán các thông số
Định nghĩa đơn vị thủy văn
Trạm thời tiết
Lượng mưa
Nhiệt độ
Dữ liệu
Đầu vào
Chỉnh sửa cơ sở dữ liệu
Độ ẩm
Bức xạ mặt trời
Tốc độ gió
Dữ liệu
đầu vào
Hồ chứa thủy điện
Chạy SWAT
Dữ liệu
đầu vào
Hiệu chỉnh mô hình
Kiểm định mô hình
Số lượng
quan trắc
thủy văn
Chấp
nhận
Không chấp
nhận
Chấp
nhận
Không chấp
nhận
Kết quả
Hình 3. Sơ đồ phương pháp luận của mô hình SWAT
Bảng 1. Nguồn dữ liệu thu thập
Sau khi xử lý
Loại dữ liệu
Nguồn dữ liệu
Bản đồ địa hình (*.dgn)
(khoảng cao đều: 20m)
Dữ liệu được chuyển thành DEM, Sở Tài nguyên & Môi trường tỉnh
định dạng shap file (*shp)
Quảng Nam
Bản đồ hiện trạng SDĐ (2005- Phân chia thành 9 loại hìnhSDĐ
Sở Tài nguyên & Môi trường tỉnh
Quảng Nam
2010), 14 loại hình SDĐ
theo bảng mã SWAT
Bản đồ đất (năm 2010)
Phân chia thành 4 nhóm đất
Sở Tài nguyên & Môi trường tỉnh
Quảng Nam
Số liệu khí tượng (giai đoạn
1990-2010)
Lượng mưa, nhiệt độ không khí lớn Đài Khí tượng Thủy văn Trung Trung Bộ,
nhất, nhỏ nhất, độ ẩm tương đối Climate Forecast System Reanalysis
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
85
Sử dụng đất
Mô hình độ cao DEM
Dữ liệu sử dụng đất trên lưu vực sông Vu
Gia được thu thập vào năm 2005 và 2010 dưới
dạng Microstation (*.dgn) với 14 loại hình sử
dụng đất, được phân loại lại thành 9 loại sử
dụng đất theo bảng mã sử dụng đất trong
SWAT (bảng 3, hình 6, hình 7). Trong mô hình
SWAT dữ liệu này yêu cầu được chuyển về
định dạng shap file (*.shp).
Dữ liệu DEM của lưu vực sông Vu Gia được
đăng ký hệ tọa độ UTM WGS 84 múi 48 tương
ứng với vị trí của lưu vực sông Vu Gia (hình 4).
Sau đó được đưa vào dữ liệu SWAT, dựa trên
DEM mô hình sẽ xác định hướng dòng chảy,
mô phỏng mạng lưới dòng chảy, tạo cửa xả.
Thổ nhưỡng
Dữ liệu thổ nhưỡng liên quan đến dữ liệu đầu
vào khi chạy mô hình SWAT, do có sự khác nhau
giữa hệ thống phân loại thổ nhưỡng giữa Mỹ và
Việt Nam, mỗi mã sử dụng đất trong quá trình
chuyển đổi dữ liệu sẽ được mã hóa theo quy
định của SWAT. Sự chuyển đổi này căn cứ
vào tên loại đất, tính chất đất (bảng 2, hình 5).
Thời tiết
Dữ liệu thời tiết trong mô hình SWAT là một
phần quan trọng trong vòng tuần hoàn thủy văn.
Dữ liệu thời tiết cần thiết cho SWAT được thu thập
trong nghiên cứu bao gồm lượng mưa, nhiệt độ
không khí lớn nhất, nhỏ nhất và độ ẩm tương đối
theo ngày. Dựa trên vị trí phân bố, thời gian đo đạc
và chất lượng dữ liệu của các trạm quan trắc khí
tượng trên lưu vực sông Vu Gia và phụ cận, nghiên
cứu đã lựa chọn và sử dụng dữ liệu của Đài Khí
tượng Thủy văn Trung Trung Bộ trong khoảng thời
gian 1990-2010 tại 9 trạm đo phân bố trên cũng
như bao quanh lưu vực sông Vu Gia (hình 8).
Bảng 2. Thống kê diện tích các loại đất lưu vực sông
Vu Gia
TT Tên đất
Tên đất
Tỷ lệ
(%)
Diện tích
(ha)
Việt Nam theo FAO
Đất phù sa Dystric
Fluvisols
Đất xám
feralit
Đất mùn
vàng đỏ
trên núi cao
1
2
3
1,13
5.244,27
Ferralic
Acrisols
Humic
77,77 360.829,19
Ngoài ra, nghiên cứu còn sử dụng thêm 16
trạm dữ liệu khí hậu (hình 9) từ hệ thống dự báo
khí hậu (Climate Forecast System Reanalysis -
CFSR) thuộc Trung tâm Quốc gia về Dự báo
Môi trường (The National Centers for
Environmental Prediction - NCEP) của Hoa Kỳ
(http://globalweather.tamu.edu).
18,11
2,31
84.045,60
10.728,30
Acrisols
4
5
Đất xám có Plinthic
tầng loang lổ Acrisols
Mặt nước
Water
0,67
3.102,07
Tổng
100,00
463.959,35
Hình 4. Bản đồ mô hình số độ cao (DEM) lưu vực sông Vu Gia
Hình 5. Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Vu Gia
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
86
TT
Bảng 3. Các loại hình sử dụng đất năm 2005 và 2010 trên lưu vực sông Vu Gia
Diện tích (ha)
Tên theo Việt Nam
Tên theo SWAT
2005
2010
1 Đất sản xuất nông nghiệp (SXN)
1.1 Đất trồng cây hàng năm (CHN)
1.2 Đất trồng cây lâu năm (CLN)
2 Đất lâm nghiệp (LNP)
17.700,79
14.369,71
3.331,08
33.414,96
28.804,00
4.610,96
Agricultural Land-Row Crops (AGRR)
Agricultural Land-Generic (AGRL)
Forest-Evergreen (FRSE)
296.065,89 385.333,63
3 Đất ở (OTC)
12.290,37
11.910,64
379,73
9.208,97
76,67
9.132,30
742,90
3.1 Đất ở tại nông thôn (ONT)
3.2 Đất ở tại đô thị (ODT)
4 Đất chuyên dùng (CDG)
Residential-Low Density (URLD)
Residential-Medium Density (URMD)
219,56
4.1 Đất sản xuất, kinh doanh phi nông nghiệp (CSK) Industrial (UIDU)
4.2 Đất trụ sở cơ quan, công trình sự nghiệp (CTS) Institutional (UINS)
65,53
154,03
542,00
200,90
5 Đất sông suối, mặt nước chuyên dùng (SMN)
6 Đất chưa sử dụng (CSD)
Water (WATR)
Range-Brush (RNGB)
2.281,59
135.401,15
463.959,35
1.620,26
33.638,63
463.959,35
Tổng số
Hình 6. Bản đồ sử dụng đất năm 2005
Hình 7. Bản đồ sử dụng đất năm 2010
Bảng 4. Ma trận chuyển đổi sử dụng đất giai đoạn 2005-2010 lưu vực sông Vu Gia
Năm 2010
Nhóm
sử dụng đất
SXN
SXN
4.795,05
10.124,01 265.771,15
2.209,08
21,83
LNP
9.595,36
OTC
CDG
97,87
352,79
116,60
7,41
SMN
28,35
275,54
10,68
CSD
Tổng số
1.290,13
1.952,72
1.122,95
26,44
1.894,01
17.589,67
249,79
0,23
17.700,77
296.065,88
12.290,39
219,51
LNP
OTC
CDG
SMN
CSD
Tổng số
8.581,29
163,60
387,50
0,00
32,06
699,54
1,73
1.145,89
159,80
1.620,26
14,89
2.281,61
16.232,94 100.834,76
33.414,97 385.333,66
4.117,12
9.208,90
166,53
742,93
13.890,04 135.401,19
33.638,63 463.959,35
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
87
Hình 8. Vị trí phân bố các trạm đo khí tượng thủy văn
Hình 9. Vị trí 16 trạm dữ liệu khí hậu của CFSR
- CDG: có đến 82% diện tích đất chuyên
dùng chuyển sang đất lâm nghiệp, đất ở và đất
nông nghiệp, chỉ có 3% diện tích đất chuyên
dùng được giữ lại.
4. Kết quả thảo luận
4.1. Biến động sử dụng đất giai đoạn 2005-2010
- SMN: 50% diện tích mặt nước được giữ
lại, phần còn lại chuyển sang các nhóm khác,
chủ yếu là đất ở, đất lâm nghiệp và đất nông
nghiệp.
Loại hình sử dụng đất trên toàn lưu vực sông
Vu Gia bao gồm 6 nhóm sử dụng đất chính: Đất
sản xuất nông nghiệp (SXN), Đất lâm nghiệp
(LNP), Đất ở (OTC), Đất chuyên dùng (CDG),
Đất sông suối, mặt nước chuyên dùng (SMN) và
Đất chưa sử dụng (CSD).
- CSD: đa số diện tích đất chưa sử dụng
được đưa vào sử dụng với 75% diện tích
chuyển thành đất lâm nghiệp, 11% thành đất
nông nghiệp, chỉ còn khoảng 10% vẫn chưa
được sử dụng.
Nhìn dưới góc độ động thái thay đổi trong
giai đoạn trên, các nhóm sử dụng đất đã có sự
chuyển hóa qua lại với nhau như trình bày trong
bảng 4, bảng 5 và hình 10. Theo đó, có thể rút ra
một số điểm nổi bật sau:
Bảng 5. Mức độ thay đổi các loại hình sử dụng đất
trong giai đoạn 2005-2010
Nhóm Năm 2005 Năm 2010 Mức độ thay đổi
- SXN: khoảng 54% diện tích đất nông
nghiệp chuyển sang đất lâm nghiệp, chỉ có
khoảng 27% được giữ lại, phần còn lại được
chuyển qua các nhóm khác.
sử dụng
đất
Diện tích Diện tích Diện tích Tỷ lệ
(ha)
(ha)
(ha)
(%)
SXN
LNP
OTC
CDG
SMN
CSD
17.700,77 33.414,97 ↑15.714,20 ↑88,78
296.065,88 385.333,66 ↑89.267,78 ↑30,15
- LNP: gần như toàn bộ diện tích đất lâm
nghiệp được giữ lại (khoảng 90%), số ít diện
tích còn lại được chuyển thành các nhóm sử
dụng đất khác như đất nông nghiệp hoặc chưa
sử dụng.
12.290,39
219,51
9.208,9 ↓3.081,49 ↓25,07
742,93
↑523,42 ↑238,45
↓661,35 ↓28,99
2.281,61 1.620,26
135.401,19 33.638,63 ↓101.762,56 ↓75,16
Chú dẫn: mũi tên đi lên (↑) tương ứng với tăng, mũi tên đi
xuống (↓) tương ứng với giảm.
- OTC: phần lớn diện tích đất ở được chuyển
sang đất lâm nghiệp (69%), đất nông nghiệp
(18%), chỉ có 9% diện tích đất ở được giữ lại.
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
88
lượng tác động của thay đổi sử dụng đất đến dòng
chảy. Khoảng thời gian đánh giá là giai đoạn
2005-2010 (15 năm đầu được xác lập là thời kì
“warm up” cho quá trình mô phỏng).
Hình 10. Tỉ lệ chuyển đổi sử dụng đất giai đoạn
2005-2010 lưu vực sông Vu Gia
Kết quả của sự chuyển đổi qua lại về diện
tích giữa các nhóm sử dụng đất trong giai đoạn
2005-2010 dẫn đến diện tích đất nông nghiệp,
đất lâm nghiệp và đất chuyên dùng đã có sự gia
tăng, trong đó đất chuyên dùng tăng mạnh nhất
với 238,45%, tiếp đến là đất nông nghiệp và đất
lâm nghiệp. Điều này phản ánh định hướng phát
triển kinh tế của vùng: ưu tiên nông nghiệp,
công nghiệp đi đôi với bảo vệ tài nguyên rừng.
Hình 11. Lưu vực sông Vu Gia và các tiểu lưu vực
a. Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến các
thành phần cân bằng nước
Để đạt được mục tiêu trên, diện tích đất
chưa sử dụng, mặt nước và đất ở đã thu hẹp
đáng kể. So với năm 2005, diện tích hoang hóa,
chưa sử dụng năm 2010 chỉ bằng 25%, hai
nhóm đất còn lại được quy hoạch, bố trí lại theo
hướng tập trung, sử dụng hợp lý, hiệu quả và
tiết kiệm nguồn tài nguyên đất đai hơn.
Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến các
thành phần cân bằng nước trên lưu vực được thể
hiện như trong hình 12. Theo đó, trong giai đoạn
2005-2010, lưu lượng dòng chảy giảm 5,7%,
dòng chảy ngầm (GW_Q) tăng 30,69%, lượng
nước trong kênh (WYLD) tăng 26,48%, các thành
phần dòng chảy trễ (LAT_Q) và lượng nước trong
đất (SW) gia tăng khoảng 24%, thành phần dòng
chảy mặt (SUR_Q) giảm 9,39%. Nguyên nhân
gây nên sự thay đổi trên có thể là do việc mở rộng
diện tích đất nông nghiệp, đất ở, đất chuyên dùng
cùng với hoạt động bảo vệ và phát triển rừng.
4.2. Ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến lưu
lượng dòng chảy lưu vực sông Vu Gia
Trong nghiên cứu này, lưu vực sông Vu Gia
được phân chia thành 78 tiểu lưu vực khác nhau
như hình 11. Mô hình SWAT mô phỏng dòng
chảy lưu vực theo hai kịch bản, kịch bản 1 (KB1)
ứng với bản đồ sử dụng đất năm 2005, kịch bản 2
(KB2) ứng với bản đồ sử dụng đất năm 2010. Hai
kịch bản trên chỉ khác nhau về dữ liệu sử dụng
đất, các dữ liệu còn lại như thổ nhưỡng, thời tiết là
như nhau. Sau đó, kết quả đầu ra của SWAT liên
quan đến dòng chảy, bồi lắng sẽ được xem xét, so
sánh giữa hai kịch bản. Sử dụng đất năm 2005 và
2010 sử dụng chuỗi số liệu khí tượng chung từ
năm 1990 - 2010, qua đó cho phép đánh giá định
Với phạm vi phân bố rộng (tỉ lệ che phủ rừng
83%), tầng đất sâu, hệ thống rễ chằng chịt, tán
cây lớn, khả năng thấm hút cao, đất lâm nghiệp
giữ vai trò điều tiết nước quan trọng trên lưu vực,
khiến cho GW_Q, LAT_Q, SW tăng, SUR_Q
giảm. Trong khi đó, để đáp ứng nhu cầu phát
triển kinh tế - xã hội, một phần diện tích rừng đã
chuyển đổi sang đất nông nghiệp, đất ở và đất
chuyên dùng (khu công nghiệp, công trình thủy
điện,…), kết quả tạo nên sự gia tăng WYLD.
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
89
dòng chảy bề mặt. Cả hai kịch bản, vào những
tháng mùa khô dòng chảy thấp, khi lượng mưa
tăng (các tháng 9, 10, 11, 12) thì lưu lượng
dòng chảy tăng, đặc biệt là các tháng cao điểm
trong mùa mưa. Về độ lớn của dòng chảy qua
hai kịch bản cho thấy sự khác biệt mà nguyên
nhân là do độ che phủ rừng tăng nên lưu lượng
của dòng chảy ở kịch bản 2 giảm.
Hình 12. Sự thay đổi các thành phần cân bằng
nước giữa hai kịch bản
Bảng 6 thể hiện lưu lượng dòng chảy tại cửa
ra của lưu vực. Theo đó, lưu lượng dòng chảy
trung bình ứng với kịch bản 1 là 174,4 m3/s, ứng
với kịch bản 2 là 164,9 m3/s; lưu lượng dòng
chảy thấp nhất là 5,6 m3/s (tháng 2/2005), lưu
lượng lớn nhất vào tháng 09/2009 (927,7 m3/s).
Có sự thay đổi này bởi vì ở Quảng Nam mùa
mưa bắt đầu vào tháng 9, đến tháng 10 thường
có lũ nên lưu lượng dòng chảy tại thời điểm này
tăng cao. Đến tháng 2 mùa khô bắt đầu, do đó
có sự giảm mạnh về dòng chảy.
b. Ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến lưu
lượng dòng chảy
Lưu lượng dòng chảy là đại lượng thể hiện
lượng nước chảy qua một mặt cắt bất kỳ (sông,
suối) trong thời gian một giây. Nghiên cứu này
sử dụng các số liệu về lưu lượng dòng chảy tại
cửa xả của lưu vực. Lưu lượng dòng chảy bề
mặt phụ thuộc vào lượng mưa, độ che phủ của
rừng trong lưu vực. Ở thời gian đầu hoàn toàn
không sinh dòng chảy, khi mưa xuất hiện và
cường độ tăng dần thì trên mặt đất xuất hiện
Bảng 6. Bảng thống kê lưu lượng dòng chảy tại cửa ra của lưu vực ứng với 2 kịch bản (đơn vị tính: m3/s)
KB 1
Năm 2005
35,16 33,43 160,6 139,9 80,15 73,62 124,5 110,4 209,6 185,3 89,63 81,23
5,912 5,639 56,21 50,03 27,8 25,24 56,85 52,59 68,98 60,56 36,86 31,94
12,52 12,49 28,96 26,76 19,46 18,68 65,81 61,92 39,77 36,66 8,611 7,436
27,06 27,14 21,07 20,47 19,77 19,51 50,37 48,34 131,6 126,7 23,5 23,1
KB 2
KB1
KB 2
KB 1
KB 2
KB 1
KB 2
KB 1
KB 2
KB 1
KB 2
Tháng
Năm 2006
Năm 2007
Năm 2008
Năm 2009
Năm 2010
1
2
3
4
5
6
7
102,5 104,5 39,16 38,87 41,44 41,24 76,37 75,66 206,7 196,2 33,77 33,73
33,33 32,99 24,85 24,61 45,33 46,95 44,54 43,39 91,79 86,82 49,39 49,92
226,6 226,3 30,21 30,96 52,77 51,26 28,24 28,63 35,61 32,92 73,46 72,38
8
9
10
11
12
185,6
347,3
176 82,01 83,31 225,5 221,1 123,2 119,8 84,02
330 236,1 229,2 269,7 255,7 286,5 276,4 927,7 920,7 571,2 549,2
501 412,9 388,2 384,7 351,4
80,4 377,9
371
281,7 260,8 255,4 237,1 688,3 663,5 521,9
278,1 257,3
248,6 224,4
113 101,3 661,8
113 106,7 281,4
629 495,4 466,4 361,6 334,5 440,4 404,4
251 278,5 251,2 159,7 139,4 228,6 200,9
R2 (Krause, 2005) và chỉ số Nash-Sutcliffe
(NSI) (Nash & Sutcliffe, 1970). Giá trị R2 nằm
trong khoảng từ 0 đến 1, thể hiện mối tương
quan giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng.
Chỉ số NSI có giá trị (-∞, 1) để đo lường sự phù
hợp giữa giá trị thực đo và giá trị mô phỏng trên
đường thẳng 1:1.
4.3. Đánh giá mô hình
Trong mô hình SWAT để đánh giá kết quả
mô phỏng, độ tin cậy người ta dựa trên giá trị lưu
lượng dòng chảy thực đo và dựa vào các chỉ số:
giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, hệ số xác định
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
90
2
giá trị mô phỏng nhìn chung cao hơn giá trị
thực đo (bảng 7, hình 13, hình 14).
2
n
n
__
__
O P
i
i
O O P P
i
i
i1
i1
R2
NSI 1
2
n
__
__ 2
__ 2
n
n
Bảng 7. Thống kê so sánh lưu lượng dòng chảy tháng
tại tiểu lưu vực số 16 theo hai kịch bản 2005, 2010
Tiểu lưu vực số 16
O O
i
O O
P P
i
i
i1
i1
i1
__
Trong đó, O là giá trị thực đo;
là giá trị thực
O
(105°50'0"E, 15°46'0"N)
Thông số
đo trung bình; n là số lượng giá trị tính toán; P là giá
__
KB1 (2005)
155.367
KB2 (2010)
155.37
trị mô phỏng; và P là giá trị mô phỏng trung bình.
Giá trị thực đo
trung bình
Giá trị mô
phỏng trung bình
Hệ số xác định
(R2)
Chỉ số Nash-
Sutcliffe (NSI)
Trong nghiên cứu này, đánh giá lưu lượng
dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia đã sử dụng
số liệu quan trắc hàng tháng tại trạm thủy văn
Thạnh Mỹ. Giữa giá trị thực đo và mô phỏng trên
tiểu lưu vực 16 (đoạn qua trạm thủy văn Thạnh
Mỹ) cho thấy kết quả mô phỏng tương đối tốt,
26.6405
31.4156
0.72212244
0.72116179
-0.419711858 -0.338701738
Hình 14. Phân bố lưu lượng dòng chảy thực đo và mô
phỏng tại tiểu lưu vực 16 theo KB2
Hình 13. Phân bố lưu lượng dòng chảy thực đo và
mô phỏng tại tiểu lưu vực 16 theo KB1
Kết quả trên cho thấy, mô hình SWAT là mô
hình tích hợp, có thể mô phỏng các quá trình diễn
ra trong môi trường đất và nước. SWAT xem xét
nhiều mối quan hệ, nhiều biến khi giải quyết bài
toán môi trường. Điều này giúp người sử dụng có
thế đánh giá chất lượng nước và đất trong thời
gian dài trên khu vực rộng lớn và phức tạp.
5. Kết luận
Trong giai đoạn 2005-2010, sự thay đổi sử
dụng đất đã làm lưu lượng dòng chảy giảm 5,7%,
dòng chảy ngầm (GW_Q) tăng 30,69%, lượng
nước trong kênh (WYLD) tăng 26,48%, các
thành phần dòng chảy trễ (LAT_Q) và lượng
nước trong đất (SW) gia tăng khoảng 24%, thành
phần dòng chảy mặt (SUR_Q) giảm 9,39%.
Tài liệu tham khảo
[1] Bosch J.M. and Hewlett J.D., 1982. A review of
catchment experiments to determine the effect of
vegetation changes on water yield and
évapotranspiration. J. Hydrol. 55: 3-23.
[2] Peck A.J. and Williamson D.R., 1987. Effects of forest
clearing on groundwater. J. Hydrol. 94, 47–65.
Như vậy với hệ thống tán che phủ của các
loại rừng tăng sẽ làm lưu lượng dòng chảy giảm,
từ đó lượng xói mòn của đất, lượng đất cuốn
xuống lòng sông trong lưu vực cũng giảm. Thêm
vào đó, dòng chảy mặt giảm, lượng nước hút
xuống đất tăng làm lượng nước trong kênh và
dòng chảy ngầm tăng.
[3] Luft G., Morgenschweis G. and Vogelbacher A.,
1982. The effects of large-scale terracing on
N.T. Hồng và nnk. /Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ, Tập 30, Số 2S (2014) 80-91
91
hydrological processes. Presentation of first results of
a study comparing two small experimental basins on
the Kaiserstuhl-Mountain. Proc. Symp. Hydrol. Res.
Basins, Sonderheft Landeshydrologie, Bern, 543-553
[9] Huỳnh Thị Thanh Hạnh, 2010. Ứng dụng GIS và mô
hình SWAT đánh giá tài nguyên đất và nước tại
thượng nguồn lưu vực sông Srêpok tỉnh Đắklắk. Luận
văn thạc sĩ, Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh.
[4] Ranzi R., Bochicchio M. and Bacchi B., 2002.
Effects on floods of recent afforestation and
urbanisation in the Mella River (Italian Alps).
Hydrol. Earth Syst. Sci. 6, 239-253
[5] Beighley R.E and Moglen G.E., 2002. Trend
assessment in rainfall-runoff behavior in urbanizing
watersheds. J. Hydrol. Eng. ASCE 7, 27–34
[6] Costa M.H., Botta A. and Cardille J.A., 2003.
Effects of large-scale changes in land cover on the
discharge of the Tocantins River. Southeastern
Amazonia. J.Hydrol. 283, 206–217.
[7] Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn, 2009. Ứng
dụng mô hình SWAT khảo sát ảnh hưởng của các
kịch bản sử dụng đất đối với dòng chảy lưu vực
sông Bến Hải. Tạp chí khoa học Đại học Quốc gia
Hà Nội số 3S (2009): 492 – 498.
[10] Neitsch S.L., Arnold J.G., Kiniry J.R. and Williams
J.R., 2005. Soil and Water Assessment Tool,
Theoretical Documentation: Version 2005.
Agricultural Research Service and Texas A & M
Blackland Research Center, Temple, TX, USDA.
[11] Luzio M.D., Srinivasan R. and Arnold J.G., 2002.
Integration of Watershed Tools and the SWAT
Model into BASINS. J. Am. Water Resour. Assoc.,
38(4), 1127-1141.
[12] Ban quản lý dựán rủi ro thiên tai, Bộ NN&PTNT, 2012
[13] Arnold J.G., Allen P.M. and Morgan D.S., 2001.
Hydrologic Model for Design and Constructed
Wetlands. Wetlands 21 (2), 167-178.
[14] Neitsch S.L. et al., 2009. Overview of Soil and Water
Assessment Tool (SWAT) Model. In: Arnold, J et al.,
eds. 2009. Soil and Water Assessment Tool (SWAT):
Global Applications. Special Publication No. 4.,
World Associatiom of Soil and Water Conservation,
Bangkok: Funny Publishing, 3-23.
[8] Tô Kiều Trang, 2009. Ứng dụng GIS và mô hình
SWAT đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất tác
động đến môi trường huyện Dĩ An tỉnh Bình Dương.
Luận văn tốt nghiệp. Trường ĐH Nông Lâm TP.HCM.
Effect of Land Use Change on Water Discharge
in Vu Gia Watershed, Viet Nam using GIS and SWAT
Nguyễn Thị Hồng1,*, Nguyễn Duy Liêm2, Nguyễn Thị Bích3, Lê Duy Bảo Hiếu2,
Lê Hoàng Tú2, Nguyễn Kim Lợi2
1Faculty of Geology, VNU University of Science, Vietnam National University, Hanoi
2Ho Chi Minh City University of Agriculture and Forestry; 3Viet Nam Forestry University
Abstract: The human impact via land-use activities is one of the main reasons which affect water
discharge in watershed. The change of plant-canopy system caused by land-use activities makes a great
contribution to change of surface flow, ground water as well as sedimentation in the watershed. The GIS
and SWAT model was applied in this research to simulate water discharge using 2 scenarios of land use in
2005 and 2010 for Vu Gia watershed. The result shown that the increase area covered by plant-canopy in
the watershed made a decrease about 5,7% of surface flow and 9,39% of SUR_Q in the period of 2005 to
2010. The change also increased 30,69% of GW_Q, 26,48% of WYLD, 24% of LAT_Q and SW in the
period. The research result demonstrates that it is suitable to integrate of SWAT model in GIS for impact
assessment of the land-use change to flow quantity in the Vugia watershed, Quangnam province. The
integration can support effectively for management, land-use planning in the watershed for the need of
socio-economic development as well as the requirement of natural-resources protection (soil, water, forest).
Keywords: GIS, SWAT, Land use change, Vu Gia Watershed
12 trang
12/01/2024
16360
Free
Bạn đang xem tài liệu "Ứng dụng GIS và mô hình SWAT đánh giá ảnh hưởng thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Vu Gia", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- ung_dung_gis_va_mo_hinh_swat_danh_gia_anh_huong_thay_doi_su.pdf
