Báo cáo Ứng dụng mô hình SWAT để quản lý xói mòn đất theo các tiểu lưu vực sông ở xã Dương Hòa, thị xã Hương Thủy, tỉnh Thừa Thiên Huế

HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 310 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐỂ QUẢN LÝ XÓI MÒN ĐẤT THEO CÁC TIỂU LƯU VỰC SÔNG Ở XÃ DƯƠNG HÒA, THỊ XÃ HƯƠNG THỦY, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ (APPLICATION SWAT FOR SOIL EROSION MANAGEMENT AT RIVER SUB- BASINS IN DUONG HOA COMMUNE, HUONG THUY TOWN, THUA THIEN HUE PROVINCE) Trần Lê Minh Châu *, Nguyễn Quang Tuấn ** * Học viên Cao học khoa Địa lý - Địa chất, trường Đại học Khoa học Huế ** Khoa Địa lý - Địa chất, trường Đại học Khoa học Huế Email: minhchau4789@gmail.com hoặc tuanhuegis@gmail.com Abstract: Soil erosion are being problem care very much over the World and in Viet Nam. Soil erosion process causes huge aftermaths not only for community population is above regional but also affection come to entourages. Specially, with climate change soil erosion process become more inappreciative and cause more serious aftermath. Today, have many model and method research this process, in which the SWAT model (Soils and Water Assessment Tool) is considered one of the model is most effective when the study of soil erosion. In recent years, SWAT had widely used in various fields related to sustainable management of natural resources and environment (Garrity, D.P. 1995; L. V. Du. 2011; N.K. Loi et al. 2011). In this paper, we have chosen the theme:” Using SWAT Model to setup soil erosion zoning map follow watershed at Duong Hoa commune, Huong Thuy district, Thua Thien Hue province.” Keywords: SWAT, GIS, soil erosion, watershed management. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Sự suy thoái lưu vực là một vấn đề rất được quan tâm trên thế giới. Nguyên nhân là do việc sử dụng các nguồn tài nguyên không hợp lý. Hậu quả là những trận lũ lụt, sạt lở đất, bồi lắng dòng chảy, xói mòn đất không những ảnh hưởng đến cộng đồng dân cư sống trên lưu vực mà nó còn tác động đến sự sinh hoạt và sản xuất của người dân ở vùng hạ lưu. Ngày nay do sự gia tăng dân số và sự phát triển kinh tế xã hội của xã Dương Hòa, đã làm cho tình hình xói mòn đất tại lưu vực sông Hương thuộc địa bàn xã đang trở nên nghiêm trọng và đây là một vấn đề đang rất được quan tâm của người dân và chính quyền địa phương. Ngoài ra, hiện nay ở xã Dương Hòa đang có một dự án rất lớn, đó là công trình hồ thủy điện Tả Trạch đã có sự tác động rất lớn đến lớp phủ thực vật, chất lượng nước và tài nguyên đất và từ đó tác động đến quá trình xói mòn đất của địa phương. Hiện nay, ở trên thế giới có rất nhiều phương phương pháp và nhiều mô hình kỹ thuật để đánh giá về sự xói mòn đất. Trong đó SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là một trong những mô hình được sử dụng phổ biến nhất và mang lại hiệu quả cao nhất khi nghiên cứu về quá trình xói mòn đất (Arnold et al.,1998). Mô hình SWAT là công cụ đánh giá chất lượng đất và nước, được phát triển bởi Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ. Trong những năm gần đây, SWAT được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực có liên quan đến quản lý bền vững tài nguyên thiên nhiên và môi trường (Garrity, D.P. 1995; L. V. Du. 2011; N.K. Loi et al., 2011). Trong khuôn khổ bài báo này, chung tôi tiến hành “Ứng dụng mô hình SWAT để thành lập bản đồ phân vùng xói mòn đất theo lưu vực sông ở xã Dương Hòa, thị xã Hương Thủy, HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 311 tỉnh Thừa Thiên Huế” nhằm hổ trợ cho việc kiểm soát tình hình xói mòn đất của chính quyền địa phương có hiệu quả cao hơn. 2. VỊ TRÍ ĐỊA LÝ, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN 2.1. Vị trí địa lý Xã Dương Hòa thuộc thị xã Hương Thủy nằm ở vị trí phía Tây Nam thành phố Huế và cách thành phố Huế 20 km. Xã Dương Hòa có diện tích tự nhiên là 26.160,48 ha với dân số khoảng 1879 người (năm 2010) chiếm khoảng 1,9% dân số thị xã Hương Thủy. 2.2. Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu hiện trạng về quá trình xói mòn đất ở khu vực nghiên cứu. - Thu thập và biên tập các bản đồ liên quan phục vụ cho việc nghiên cứu quá trình xói mòn đất ở xã Dương Hòa: bản đồ địa hình, bản đồ đất, bản đồ hiện trạng sử dụng đất, bản đồ thủy văn - Chuẩn hóa các bản đồ thu thập được theo chuẩn cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc ứng dụng mô hình SWAT để thành lập bản đồ xói mòn đất lưu vực sông xã Dương Hòa. - Xây dựng bản đồ phân vùng xói mòn đất bằng mô hình SWAT tại khu vực nghiên cứu. 2.3. Phương pháp luận Tình hình khai thác, sử dụng đất của người dân kết hợp với lượng mưa rất lớn ở địa phương có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình xói mòn đất. Từ dữ liệu thực của khu vực nghiên cứu tương ứng với điều kiện địa hình, hiện trạng sử dụng đất và dữ liệu về khí hậu. Bằng cách sử dụng mô hình SWAT để thành lập bản đồ phân vùng xói mòn đất được tiến hành như sơ đồ sau: Hình 1: Khu vực nghiên cứu HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 312 . Thượng nguồn lưu vực sông Hương Đánh giá xói mòn đất thượng nguồn sông Hương Mô hình số độ cao (DEM) Setup and Preprocessing Network Delineation by Threshold Method Custom Outlet/Inlet Definition and Delineation Đầu vào Đối tượng nghiên cứu Mô phỏng lưu vực Phân tích đơn vị thủy văn Trạm thời tiết Nhiệt độ Lượng mưa Thiết lập và chạy mô hình Hiệu chỉnh mô hình Thông qua mô hình Kết quả Mô hình số độ cao Mạng lưới thủy văn BD HTSDĐ Bản đồ đất Bản đồ độ dốc Chấp nhận Chấp nhận Chấp nhận Đầu vào Đầu vào Đầu vào Không chấp nhận Không chấp nhận Hình 2: Quy trình ứng dụng mô hình SWAT trong nghiên cứu xói mòn đất ở xã Dương Hòa HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 313 3. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3.1. Giới thiệu về mô hình SWAT SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất. SWAT được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp (ARS - Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA - United States Department of Agriculture ). SWAT là mô hình dùng để dự báo những ảnh hưởng của sự quản lí sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài. Mô hình là sự tập hợp những giải thuật toán để thể hiện mối quan hệ giữa giá trị thông số đầu vào và thông số đầu ra. SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lí trên cùng một lưu vực. Ý nghĩa của mô hình SWAT là một lưu vực lớn có thể được chia thành nhiều tiểu lưu vực, mô hình hóa theo tiểu lưu vực mang lại lợi ích khi những vùng này tương đồng về đặc điểm sử dụng đất và tính chất đất. Sự phân chia này giúp người sử dụng có thể áp dụng kết quả nghiên cứu của một vùng này vào một vùng khác khi chúng có sự tương đồng nhất định. Thông tin đầu vào đối với mỗi tiểu lưu vực sẽ được tập hợp và phân loại thành những nhóm chính sau: khí hậu, HRUs, hồ, nước ngầm, sông chính và nhánh, đường phân thủy. Để dự báo một cách chính xác sự di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và dưỡng chất thì mô hình cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong lưu vực. Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính, chúng có thể tồn tại riêng lẻ: Chu trình thủy văn nước ngầm: kiểm soát lượng nước, sự bồi lắng, dinh dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính. Chu trình nước trong hệ thống sông: kiểm soát quá trình di chuyển của dòng nước và quá trình bồi lắng diễn ra từ trong hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa sông. 3.2. Dữ liệu đầu vào của mô hình SWAT Dữ liệu đầu vào của SWAT được sắp xếp theo từng cấp độ chi tiết: lưu vực, tiểu lưu vực hay đơn vị thủy văn. Những đối tượng đơn lẻ như: hồ, nguồn điểm có dữ liệu đặc trưng của đối tượng đó, và cũng nằm trong của lưu vực. Phương pháp được lựa chọn để mô hình hóa khả năng bốc hơi trực tiếp và gián tiếp sẽ ứng dụng trên tất cả các đơn vị thủy văn (HRU). Dữ liệu ở mức độ tiểu lưu vực là những số liệu giống nhau trên tất cả HRUs trong tiểu lưu vực đó nếu dữ liệu thuộc một quá trình được mô hình trong HRU. Tương tự với dữ liệu ở cấp HRUs. a. Dữ liệu không gian - Dữ liệu địa hình: Dữ liệu địa hình thể hiện bằng bản đồ số mô hình độ cao (DEM - Digital Elevation Model). DEM là dữ liệu dạng raster, được xác định dựa trên tập hợp các điểm độ cao. - Dữ liệu đất: Đầu vào của mô hình SWAT được phân chai thành hai dạng đặc trưng về tính chất vật lý và tính chất hoá học. Đặc tính vật lý của đất chi phối sự di chuyển của nước và không khí xuyên qua các lớp đất và đó gây tác động chính lên vòng tuần hoàn của nước trong phạm vi của HRU. Trong khi các đặc trưng về tính chất vật lý là bắt buộc thì các đặc trung về mặt hoá học thì lại không bắt buộc. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 314 - Dữ liệu sử dụng đất: Hình thức sử dụng đất thể hiện các hoạt động của con người trên khu vực nghiên cứu. Đây là một thành phần quan trọng của dữ liệu đầu vào trong SWAT. Trên mỗi đơn vị diện tích ứng với mỗi loại hình sử dụng đất, SWAT sẽ ứng dụng các mô hình để tính toán, xác định, mô phỏng sự di chuyển chất ô nhiễm trong đất, nước trên phạm vi toàn khu vực nghiên cứu. b. Dữ liệu thời tiết Cơ sở dữ liệu thời tiết được chứa trong file Access gồm: - Hệ thống file dữ liệu trạm đo thời tiết. - Hệ thống file chứa số liệu mưa theo ngày của từng trạm. - Hệ thống file chứa số liệu nhiệt độ theo ngày của từng trạm. Dữ liệu thời tiết bao gồm các thành phần: - Trạm đo - Lượng mưa + tuyết rơi. - Nhiệt độ không khí. - Độ ẩm không khí tương đối. - Năng lượng bức xạ mặt trời. - Tốc độ gió. Trong đó các số liệu về vị trí địa lý trạm đo, khí hậu, lượng mưa của khu vực nghiên cứu là các số liệu bắt buộc phải có. Các số liệu về độ ẩm không khí, năng lượng bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí, tốc độ gió có thể tùy chọn có hoặc không phụ thuộc vào điều kiện số liệu. Hình 3: Dữ liệu đất Hình 4: Dữ liệu sử dụng đất HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 315 Hình 5: Sơ đồ cấu trúc dữ liệu thời tiết 3.3. Kết quả nghiên cứu Từ các dữ liệu về hiện trạng sử dụng đất, loại đất, mô hình số độ cao (DEM), độ dốc thì mô hình SWAT sẽ tự động tạo ra các đơn vị thủy văn (HRUs) tại khu vực nghiên cứu. Sau khi tạo ra các đơn vị thủy văn thì mô hình SWAT báo cáo cho chúng ta biết tỷ lệ diện tích của khu vực thuộc vào từng đơn vị thủy văn mà chúng ta đang xem xét (hình 6), bên cạnh đó mô hình SWAT cũng sẽ báo cáo cho chúng ta biết sự tác động của các yếu tố trên đến tình hình xói mòn đất của từng lưu vực sông tại khu vực nghiên cứu (hình 7, 8). Trạm đo thời tiết (WEATHER) - Số thứ tự ID - Tên trạm - Tọa độ địa lý - Độ cao so với mực nước biển Lượng mưa (PCP) - Số thứ tự ID - Tên trạm - Tọa độ địa lý - Độ cao so với mực nước biển Nhiệt độ (TMP) - Số thứ tự ID - Tên trạm - Tọa độ địa lý - Độ cao so với mực nước biển HỆ THỐNG CÁC FILE DỮ LIỆU THỜI TIẾT Hình 6: Elevation report HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 316 Sau khi mô hình SWAT phân tích sự tác động của các yếu tố hiện trạng sử dụng đất, loại đất, độ dốc đến tình hình xói mòn đất của khu vực nghiên cứu, tiến hành cung cấp về dữ liệu thời tiết cho mô hình (Hình 9). Hình 7: Basin report Hình 8: HRUs report HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 317 Cuối cùng, khi đã được cung cấp đầy đủ dữ liệu đầu vào thì mô hình SWAT sẽ tiến hành phân vùng xói mòn đất theo từng cấp độ từ nhỏ đến lớn cho khu vực nghiên cứu bằng các công cụ tích hợp (hình 10). Hình 9: Nhập dữ liệu thời tiết Hình 10: Sơ đồ phân vùng xói mòn đất khu vực nghiên cứu HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 318 3.4. Đánh giá chung Mô hình SWAT còn có khả năng tự động tính toán được lượng đất bị xói mòn trên từng tiểu lưu vực theo các cấp độ của chúng. Trong đề tài này chúng tôi đã dựa vào mô hình SWAT để phân chia khu vực nghiên cứu thành 5 cấp xói mòn đất theo từng tiểu lưu vực (hình 10), và mô hình SWAT đã tự động tính toán lượng đất bị xói mòn trên từng tiểu lưu vực như sau: - Những tiểu lưu vực có mức độ xói mòn cấp 1 là những khu vực có màu sắc sáng nhất và mô hình SWAT đã tính toán được lượng đất bị xói mòn của chúng là 1 - 8,8 tấn/ha/năm. - Những tiểu lưu vực có mức độ xói mòn cấp 2, 3, 4, 5 là những khu vực có màu sắc biến thiên theo chiều đậm dần và mô hình SWAT tính toán được lượng đất bị xói mòn của chúng lần lượt là: 8,8 - 16,6 tấn/ha/năm; 16,6 - 24,4 tấn/ha/năm; 24,4 - 32,2 tấn/ha/năm; >32,2 tấn/ha/năm. Bảng 1: Lượng đất bị xói mòn trên từng cấp xói mòn Cấp xói mòn Lượng đất bị xói mòn (tấn/ha/năm) 1 1 - 8,8 2 8,8 - 16,6 3 16,6 - 24,4 4 24,4 - 32,2 5 > 32,2 4. KẾT LUẬN 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. Đặc biệt, SWAT có thể mô phỏng sự lan truyền ô nhiễm điểm và ô nhiễm phân tán trong đất và nước. Mô hình SWAT là công cụ hỗ trợ đắc lực cho người ra quyết định để thực hiện bài toán quy hoạch, giúp dự báo những ảnh hưởng về mặt môi trường khi thay đổi quy hoạch sử dụng đất. Qua phân tích nhận thấy, việc xây dựng được một bản đồ phân vùng về quá trình xói mòn đất tại khu vực nghiên cứu bằng mô hình SWAT là khá chính xác giúp cho các nhà quản lý dễ dàng xác định được những khu vực có khả năng xảy ra quá trình xói mòn đất để từ đó có những biện pháp thích hợp nhằm hạn chế sự tác động của quá trình này đến đời sống sinh hoạt cũng như các hoạt động sản xuất kinh doanh của người dân địa phương. Tuy nhiên, SWAT là một mô hình còn khá mới nên cơ sở dữ liệu sẵn có của chương trình vẫn chưa đáp ứng được cho nhu cầu ứng dụng thực tiễn vào từng khu vực và từng nước cụ thể. Một vấn đề gặp phải khi sử dụng mô hình SWAT là mô hình đỏi hỏi hệ thống dữ liệu đầu vào rất lớn, do đặc thù ở Việt Nam nên cơ sở dữ liệu nền còn rất thiếu, nằm rải rác không thống nhất, đã gây khó khăn cho quá trình thực hiện nghiên cứu. HỘI THẢO ỨNG DỤNG GIS TOÀN QUỐC 2011 319 Tài liệu tham khảo 1. J.G. Arnold (2004). Soil and Water Assessment Tool Input/Output Files Documentation. 2. J.G. Arnold (2008). ArcSWAT 2.0 Interface For SWAT 2005 Use’r Guide. 3. Le Van Du, (2011). Farming practices and soil quality. In: International workshop on Vegetable agroforestry and Cashew-cacao systems in Vietnam. Ho Chi Minh City, Vietnam. WASWAC Proceedings No. 6a, pp 63-70. 4. Luis F.Leon (2010). MapWindow Interface For SWAT Version 1.8. 5. Luis F.Leon (2007). Step by step Geo - Processing and Set - up of the Required Watershed Data for MWSWAT. 6. Garrity, D.P. (1995). Improved agroforestry technologies for conservation farming: pathways toward sustainability. In: Proc. International workshop on Conservation Farming for sloping Upland in Southeast Asia: Challeges, Opportunities and Prospects. IBSRAM, Bangkok, Thailand. Proceedings No. 14, pp 145-168. 7. Nguyen Kim Loi and ect, (2011). Application SWAT for Nghia Trung subwatershed in Bu Dang district, Binh Phuoc province, Vietnam. In: International workshop on Vegetable agroforestry and Cashew-cacao systems in Vietnam. Ho Chi Minh City, Vietnam. WASWAC Proceedings No. 6a, pp 207 - 219. 8. Nguyễn Kim Lợi (2009). Ứng dụng mã nguồn mở trong đánh giá tác động của môi trường. Trường Đại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh. 9. Nguyễn Kim Lợi (2009). Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá chất lượng nước lưu vực sông La Ngà. Trường Đại học Nông lâm thành phố Hồ Chí Minh. 10. Nguyễn Ý Như (2009). Sử dụng mô hình SWAT đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố khí hậu, mặt đệm đến dòng chảy. Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN. 11. Nguyễn Ý Như (2009). Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát ảnh hưởng của các kịch bản sử dụng đất lưu vực sông Bến Hải. Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN.