Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy trạm Đồng trăng, sông cái Nha trang tỉnh Khánh Hoà

ng sông Mô hình SWAT xác định lượng chuyển tải lượng nước, bồi lắng, chất dinh dưỡng và thuốc bảo vệ thực vật tới kênh chính rồi diễn toán theo mạng lưới sông suối trên lưu vực. SWAT tính cho kênh chính hoặc kênh nhánh mà mặt cắt ngang có dạng hình thang. 1. Đặc tính kênh. SWAT tính cho kênh chính hoặc kênh nhánh mà nó có hình dạng như sau: 51 Hình 2.2. Hình dạng kênh chính hoặc kênh nhánh Chiều rộng mặt cắt kênh được tính như sau: bnkfullchbnkfullbtm depthz2ww  (2.49) trong đó: Wbtm là chiều rộng của đáy kênh (m) Wbankfull là chiều rộng mặt trên của kênh khi kênh đầy nước (m) Zch là độ dốc mái ngiêng của kênh Depthbnkfull là chiều sâu cột nước (m) với bnkfull btmbankfull ch depth2 )ww( z    (2.50) Chiều rộng mặt cắt kênh được tính như sau: depthz2ww chbtm  (2.51) Diện tích mặt cắt kênh được tính như sau:   depthdepthzwA chbtmch  (2.52) Chu vi ướt của mặt cắt kênh được tính như sau: 2 chbtmch z1depth2wP  (2.53) Bán kính thuỷ lực được tính như sau: ch ch ch P A R  (2.54) 52 2. Tỷ lệ dòng chảy và vận tốc dòng chảy Phương trình Manning tính cho dòng không đều trong kênh được sử dụng để tính toán tỷ lệ dòng chảy và vận tốc dòng chảy trong đoạn kênh với bước thời gian cho trước: n slpRA q 2/1 ch 3/2 chch ch   (2.55) n slpR v 2/1 ch 3/2 ch c   (2.56) trong đó: qch là tỷ lệ dòng chảy trong kênh (m 3 /s) Ach là diện tích mặt cắt ướt của kênh (m 2 ) Rch là bán kính thuỷ lực ứng với độ sâu dòng chảy (m) slpch là độ đốc đáy kênh (m/m) n là hệ số nhám Manning của kênh vc là vận tốc dòng chảy (m/s) 3. Phƣơng pháp diễn toán lƣợng trữ Với mỗi đoạn sông, diễn toán lượng trữ được dựa trên phương trình liên tục: storedoutin VVV  (2.57) trong đó: Vin là tổng lượng dòng chảy vào trong thời đoạn tính toán (m 3 ) Vout là tổng lượng dòng chảy ra trong thời đoạn tính toán (m 3 ) Vstored là chênh lệch tổng lượng dòng chảy vào và ra trong thời đoạn tính toán (m3) Phương trình trên có thể được viết như sau: 1,stored2,stored 2,out1,out2,in1,in VV 2 qq t 2 qq t                (2.58) trong đó: t là bước thời gian tính toán 53 qin,l là dòng chảy vào tại đầu thời điểm tính toán (m3/s) qin,2 là dòng chảy vào tại cuối thời điểm tính toán (m3/s) qout,1 là dòng chảy ra tại đầu thời điểm tính toán (m3/s) qout,2 là dòng chảy ra tại cuối thời điểm tính toán (m3/s) Vstored,1là tổng lượng trữ tại đầu thời điểm tính toán (m3) Vstored,2 là tổng lượng trữ tại cuối thời điểm tính toán (m3) Phương trình (2.58) có thể được viết lại như sau: 2 q t V 2 q t V q 2,out2,stored1,out1,stored ave,in      (2.59) Trong đó qin,ave là tỷ lệ dòng chảy vào trung bình trong thời đoạn tính toán và nó được tính theo công thức sau: 2 qq q 2,in1,in ave,in   (2.60) Thời gian chảy truyền được tính bởi công thức sau: 2,out 2,stored 1,out 1,stored out stored q V q V q V TT  (2.61) Khi đó phương trình (2.59) được viết lại như sau: 2 q q V TT t V 2 q q V TT t V q 2,out 2,out 2,stored 2,stored1,out 1,out 1,stored 1,stored ave,in                                  (2.62) Rút gọn phương trình (1.82) ta có: 1,outave,in2,out q tTT2 t2 1q tTT2 t2 q                  (2.63) Đặt tTT2 t2 SC    được gọi là hệ số lượng trữ, khi đó ta có phương trình sau: 1,outave,in2,out q)SC1(qSCq  (2.64) 54 hay         t V qSCq 1,stored ave,in2,out (2.65) Tổng lượng dòng chảy ra đựoc tính như sau:  1,storedin2,out VVSCV  (2.66) 4. Phƣơng pháp diễn toán Muskingum Phương pháp diễn toán Muskingum mô phỏng thể tích lượng trữ trong một đoạn kênh dẫn là sự kết hợp thể tích của phần lăng trụ và phần gia tăng Hình 2.3. Mô phỏng đoạn sông theo phƣơng pháp Muskingum Khi sóng lũ chảy vào một đoạn sông, dòng chảy vào sẽ lớn hơn dòng chảy ra và sẽ sinh ra thể tích nêm. Khi sóng lũ giảm, dòng chảy ra lại lớn hơn dòng chảy vào, thể tích nêm sẽ bị âm. Ngoài thể tích nêm, đoạn sông còn một phần thể tích lăng trụ được hình thành bởi diện tích mặt cắt ngang không đổi dọc kênh. Chia đoạn sông làm nhiều đoạn nhỏ, phương trình diễn toán lũ cho từng đoạn sông được viết như sau:  outinoutstored qqXKqKV  (2.67) trong đó Vstored là thể tích lượng trữ (m 3 ) qin là lưu lượng dòng chảy vào (m 3 /s) qout là lưu lượng dòng chảy ra (m 3 /s) 55 K là hệ số thời gian trữ X là hệ số trọng số Phương trình trên có thể được viết dưới dạng sau: )q)X1(qX(KV outinstored  (2.68) Hệ số trọng số X có giá trị giới hạn dưới là 0,0 và giá trị giới hạn trên là 0,5. Hệ số này là hàm số của kho dạng nêm. Đối với kho trữ dạng hồ chứa thì không có nêm này và X = 0,0. Với nêm đầy thì X = 0,5. Với sông, X nhận giá trị từ 0,0 đến 0,3 và thường lấy giá trị trung bình là 0,2. Kết hợp phương trình trên với phương trình (2.67) ta có phương trình sau: 1,out31,in22,in12,out qCqCqCq  (2.69) trong đó: t)X1(K2 XK2t C1    (2.70) t)X1(K2 XK2t C2    (2.71) t)X1(K2 t)X1(K2 C3    (2.72) Trong đó 1CCC 321  . Để phép giải ổn định và không sinh nghiệm âm, cần có điều kiện sau: )X1(K2tXK2  (2.73) Hệ số thời gian trữ được xác định như sau: bnkfull1,02bnkfull1 KcoefKcoefK  (2.74) trong đó: K là hệ số thời gian trữ coef1; coef2 là hệ số Kbnkfull là hệ số thời gian trữ khi dòng chảy đầy kênh K0,1bnkfull là hệ số thời gian trữ khi dòng chảy đạt 0,1 so với dòng chảy khi đầy kênh. 56 5. Tổn thất chảy truyền trong kênh Trong thời gian kênh dẫn không có sự đóng góp của thành phần dòng chảy ngầm, nước có thể tổn thất từ kênh dẫn qua hai bên bờ và đáy kênh khi chảy truyền. Tổn thất chảy truyền trong kênh được xác định theo phương trình sau: chchch LPTTKtloss  (2.75) trong đó: tloss là tổn thất chảy truyền trong kênh (m 3 ) Kch là hệ số độ dẫn thuỷ lực của đất tạo nên bờ kênh (mm/giờ) TT là thời gian chảy tryền trên kênh (giờ) Lch là chiều dài kênh (km) Pch là chu vi mặt cắt ướt (m) Hệ số Kch phụ thuộc vào vật liệu đáy kênh, được tra trong Lane (1983). 6. Tổn thất do bốc hơi Tổn thất bốc hơi trên một đoạn kênh được xác định theo phương trình sau: tchoevch frWLEcoefE  (2.76) Trong đó: Ech là lượng bốc hơi từ kênh trong một ngày (m 3 ) coefev là hệ số bốc hơi Eo là lượng bốc hơi tiềm năng (mm) Lch là chiều dài kênh (km) W là chiều rộng bề mặt nước (m) frt là phần thời gian mà nước chảy vào trong kênh Phần thời gian mà nước chảy vào kênh được tính bằng cách chia bước thời gian cho tổng chiều dài của bước thời gian. 2.4. Các số liệu đầu vào và kết quả của mô hình 2.4.1. Các số liệu đầu vào của mô hình Yêu cầu số liệu đầu vào của mô hình được biểu diễn dưới hai dạng: dạng số liệu không gian và số liệu thuộc tính. * Số liệu không gian dƣới dạng bản đồ 57 - Bản đồ địa hình lưu vực. Dùng mô hình số hoá độ cao bằng phần mềm ARCGIS để chuyển bản đồ địa hình thành dạng DEM. - Bản đồ sử dụng đất - Bản đồ loại đất - Bản đồ mạng lưới sông suối, hồ chứa trên lưu vực * Số liệu thuộc tính dƣới dạng Database - Số liệu về khí tượng bao gồm nhiệt độ không khí, bức xạ, tốc độ gió, mưa, .... - Số liệu về thuỷ văn bao gồm dòng chảy, bùn cát, hồ chứa... - Số liệu về đất bao gồm: loại đất, đặc tính loại đất theo lớp của các phẫu diện đất... - Số liệu về loại cây trồng trên lưu vực, độ tăng trưởng của cây trồng... - Số liệu về loại phân bón trên lưu vực canh tác.... 2.4.2. Kết quả của mô hình - Đánh giá cả về lượng và về chất của nguồn nước - Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực - Đánh giá quá trình canh tác đất thông qua module chu trình chất dinh dưỡng - Đánh giá công tác quản lý lưu vực 2.5. Các thông số của mô hình 2.5.1. Các thông số tính quá trình hình thành dòng chảy mặt Các thông số tính lƣợng mƣa hiệu quả a. Phƣơng pháp đƣờng cong SCS (1972) thấm tính lƣợng mƣa hiệu quả CN2 : Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (trong file *.mgt) b. Phƣơng pháp thấm Green & Ampt tính tổng lƣợng dòng chảy SOL_K : Ksat : Độ dẫn thuỷ lực ở trường hợp bão hòa (trong file *.sol) SOL_BD : b : Mật độ khối của đất (mg/m3) (trong file *.sol) CLAY : mc : % đất sét (trong file *.sol) SAND : ms : % đất cát (trong file *.sol Các thông số tính lƣu lƣợng đỉnh lũ OV_N : n : Hệ số nhám Manning cho dòng chảy mặt (trong file *.hru) 58 CH_N(1) : n : Hệ số nhám kênh dẫn (trong file *.sub) Các thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt SURLAG : hệ số trễ dòng chảy mặt (trong file *.bsn) Thông số tính tổn thất dọc đường CH_K(1) : Kch : Độ dẫn thuỷ lực của kênh dẫn (trong file *.sub) Thông số tính tổn thất do bốc hơi CANMX : canmx : Lượng trữ lớn nhất của tán cây (trong file *.hru) ESCO : esco : Hệ số bốc hơi của đất (trong file *.sub) 2.5.2. Các thông số tính toán dòng chảy ngầm GWQMN : aqshthr,q : Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (mm) (trong file *.gw) ALPHA_BF : gw : Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm (trong file *.gw) REVAPMN : aqsthr,rvp : Ngưỡng sinh dòng thấm xuống tầng ngậm nước sâu (mm) (trong file *.gw) 2.5.3. Các thông số diễn toán dòng chảy trong kênh CH_N(2) : n: Hệ số nhám của kênh chính (trong file *.rte) MSK_X : X : Hệ số trọng số trong phương pháp Muskingum (trong file *.bsn) MSK_CO1 : coef1 : Hệ số C1 trong phương pháp Muskingum (trong file *.bsn) MSK_CO2 : coef2 : Hệ số C2 trong phương pháp Muskingum (trong file *.bsn) CH_K(2) : Độ dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/giờ) (trong file *.bsn) EVRCH :coefev : Hệ số hiệu chỉnh bốc hơi của kênh chính (trong file *.bsn) GW_REVAP :rev : Hệ số Revap (trong file *.gw) ALPHA_BNK : hệ số tỷ lệ bờ kênh (trong file *.rte) 2.6. Đánh giá mô hình Mô hình SWAT dùng chỉ tiêu của Nash – Sutcliffe (1970) để đánh giá mô hình. Chỉ tiêu đó được viết như sau: 59          n 1i 2 i n 1i n 1i 2 i ' i 2 i 2 )xx( )xx()xx( R (2.77) Trong đó: R 2 : Hệ số hiệu dụng của mô hình i : Chỉ số xi : Giá trị đo đạc x’i : Giá trị tính toán theo mô hình x : Giá trị thực đo trung bình Hệ số hiệu dụng của mô hình thường nhỏ hơn 1 và lớn hơn 0. Nếu R2 lớn hơn 0,9 và nhỏ hơn 1,0 thì mô hình cho kết quả tốt. Nếu R2 lớn hơn 0,7 và nhỏ hơn 0,9 thì mô hình cho kết quả khá. Nếu R2 lớn hơn 0,5 và nhỏ hơn 0,7 thì mô hình cho kết quả trung bình. Nếu R2 lớn hơn 0,3 và nhỏ hơn 0,5 thì mô hình cho kết quả kém, lúc đó phải xem xét lại cách hiệu chỉnh các thông số của mô hình cũng như số liệu đầu vào. 2.7. Tiến trình mô phỏng SWAT Mô hình SWAT đòi hỏi rất nhiều dữ liệu đầu vào khác nhau. Tuy nhiên, không phải tất cả dữ liệu đầu vào đều bắt buộc mà tùy thuộc vào từng nghiên cứu cụ thể, có thể bỏ qua một số dữ liệu không cần thiết. Nhìn chung, quá trình thiết lập mô hình SWAT cho bất kỳ ứng dụng nào đều có dạng như Hình 2.4, bao gồm sáu bước: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) phân định lưu vực, (3) định nghĩa đơn vị thủy văn, (4) nhập dữ liệu đầu vào, (5) chạy mô hình, (6) hiệu chỉnh, kiểm định mô hình [16]. 60 Hình 2.4. Tiến trình mô phỏng của SWAT 61 CHƢƠNG 3 - ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY LŨ TRẠM ĐỒNG TRĂNG, SÔNG CÁI NHA TRANG, TỈNH KHÁNH HÒA 3.1. Cơ sở dữ liệu 3.1.1. Số liệu mặt đệm Số liệu bao gồm: - Bản đồ DEM toàn khu vực nghiên cứu có độ phân giải 30m/pixel lấy từ trang web www.usgs.gov; - Bản đồ thổ nhưỡng năm 2005 của tỉnh Khánh Hòa tỷ lệ 1:50.000 xuất bản bởi Chi cục Kiểm Lâm tỉnh Khánh Hòa; - Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2005 của tỉnh Khánh Hòa tỷ lệ 1:50.000 xuất bản bởi Liên đoàn Quy hoạch điều tra Tài nguyên nước; - Bản đồ mạng lưới sông lấy từ Atlas Việt Nam; Dữ liệu về bản đồ thu thập trên đều được số hoá và chỉnh lý sử dụng phần mềm MAPINFO và có thể truy xuất dễ dàng qua các phần mềm GIS thông dụng. 3.1.2. Số liệu khí tƣợng thủy văn 3.1.2.1. Số liệu mưa - Luận văn đã thu thập số liệu mưa thời đoạn 1 ngày tại trạm thuỷ văn Đồng Trăng và trạm đo mưa Khánh Vĩnh thời đoạn ngày mùa lũ năm 2003 (bắt đầu từ 1/IX đến 31/XII năm 2003) và năm 2009 (bắt đầu từ 1/IX đến 31/XII năm 2009); - Luận văn đã thu thập số liệu mưa ốp 6 giờ tại trạm thủy văn Đồng Trăng và trạm đo mưa Khánh Vĩnh trận lũ tháng XI năm 2009 và trận lũ tháng XII năm 2016. Tất cả các tài liệu này do Đài Khí tượng Thủy Văn Nam Trung Bộ cung cấp. 3.1.2.2. Số liệu dòng chảy thực đo - Số liệu lưu lượng dòng chảy theo ngày tại trạm Đồng Trăng năm từ ngày 1/IX/2003 đến 31/XII/2003 và từ ngày 1/IX/2009 đến 31/XII/2009 được cung cấp bởi Đài Khí tượng Thủy văn Nam Trung Bộ; - Số liệu lưu lượng dòng chảy theo giờ tại trạm Đồng Trăng từ ngày 1/ XI/2009 đến 4/XI/2009 và từ ngày 12/XII/2016 đến 21/XII/2016, tương ứng với 62 thời gian xuất hiện lũ và được cung cấp bởi Đài Khí tượng Thủy văn Nam Trung Bộ. 3.2. Thiết lập mô hình SWAT Phương pháp mô phỏng lưu lượng dòng chảy lưu vực sông Cái Nha Trang bằng mô hình SWAT được thể hiện như Hình 3.1. Theo đó, tiến trình thực hiện bao gồm các bước chính là phân chia tiểu lưu vực, phân tích đơn vị thủy văn HRU, nhập dữ liệu thời tiết, mô phỏng kết quả. Hình 3.1. Tiến trình chạy trong SWAT Cụ thể các bước đã thực hiện như sau: Bƣớc 1: Phân chia tiểu lƣu vực Sử dụng dữ liệu DEM lưu vực sông Cái với độ phân giải 30m*30m đưa vào SWAT (Hình 3.1) đưa sang hệ tọa độ UTM WGS84 49N tương ứng với vị trí của lưu vực sông Cái kết hợp với mạng lưới sông ngòi thực tế (từ Atlas 2009 Việt Nam) đưa vào mô hình để phân chia các tiểu lưu vực cho khu vực nghiên cứu. Dựa trên 63 bản đồ DEM, mô hình sẽ xác định hướng dòng chảy và tích lũy dòng chảy để sử dụng vào mục đích xác định mạng lưới sông ngòi và ranh giới lưu vực. Bước tiếp theo là xác định diện tích giới hạn với mục đích xác định nguồn nước của sông ngòi. Dựa trên mạng lưới dòng chảy đã mô phỏng, phải chọn điểm đầu ra (cửa xả) của toàn bộ lưu vực. Trạm Đồng Trăng được chọn là cửa xả của lưu vực. Cuối cùng mô hình sẽ tính toán thông số các lưu vực con và các đoạn sông suối. Hình 3.2. Bản đồ DEM lƣu vực sông Cái Nha Trang, trạm Đồng Trăng Kết quả ở bước này, khu vực nghiên cứu được chia ra 41 tiểu lưu vực được đánh số từ 1 đến 41. Tiểu lưu vực lớn nhất là tiểu lưu vực 14 với diện tích là 7752ha chiếm 11.89% diện tích toàn lưu vực. Tiểu lưu vực nhỏ nhất là tiểu lưu vực 25 với diện tích là 27ha chiếm 0.04% diện tích toàn lưu vực. Bảng 3.1. Diện tích các tiểu lƣu vực trên lƣu vực sông Cái Nha Trang 64 tính đến trạm Đồng Trăng Tiểu lƣu vực Diện tích (ha) % Diện tích Tiểu lƣu vực Diện tích (ha) % Diện tích 1 1567 2.40 22 1396 2.14 2 1128 1.73 23 1479 2.27 3 1312 2.01 24 147 0.23 4 2504 3.84 25 27 0.04 5 2350 3.61 26 616 0.95 6 1375 2.11 27 591 0.91 7 1110 1.70 28 1011 1.55 8 1459 2.24 29 2547 3.91 9 1332 2.04 30 2935 4.50 10 2331 3.58 31 784 1.20 11 498 0.76 32 1325 2.03 12 258 0.40 33 315 0.48 13 1041 1.60 34 555 0.85 14 7752 11.89 35 1696 2.60 15 227 0.35 36 2450 3.76 16 1028 1.58 37 1377 2.11 17 1127 1.73 38 2086 3.20 18 1107 1.70 39 2238 3.43 19 1386 2.13 40 3135 4.81 20 289 0.44 41 7217 11.07 21 71 0.11 65 Hình 3.3. Phân chia tiểu lƣu vực khu vực nghiên cứu Bƣớc 2: Phân tích đơn vị thủy văn HRU Sau khi phân chia tiểu lưu vực thành công, bản đồ thổ nhưỡng (Hình 3.4) và bản đồ thảm phủ (Hình 3.5) được đưa vào SWAT. Giá trị mã số của từng loại hình sử dụng đất được gán theo bảng mã của SWAT và giá trị mã số các loại đất phân chia lại theo mã loại đất của FAO74 tương ứng trong cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng của SWAT. Tiếp theo, độ dốc lưu vực sẽ được định nghĩa dựa trên đặc điểm địa hình thực tế làm cơ sở cho bước định nghĩa đơn vị thủy văn HRU. Kết quả ở bước này, trên khu vực nghiên cứu có 3 loại đất khác nhau thể hiện ở Hình 3.4 và Bảng 3.1. 66 Hình 3.4. Bản đồ thổ nhƣỡng lƣu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng Bảng 3.2. Phân loại đất lƣu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng theo mô hình SWAT STT Tên loại đất Kí hiệu % diện tích 1 Đất Ferarit Fr 36.29 2 Đất nâu xám Fa 63.54 3 Đất nâu đỏ Ao 0.16 Ngoài ra trên khu vực nghiên cứu, SWAT phân chia thảm phủ thành 5 loại khác nhau cụ thể trong Hình 3.5 và Bảng 3.2. 67 Hình 3.5. Bản đồ thảm phủ lƣu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng Bảng 3.3. Phân loại các loại thảm phủ lƣu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng theo mô hình SWAT STT Tên thảm phủ Kí hiệu Diện tích [ha] % diện tích 1 Đất khác SWCH 7854.9 11.7 2 Đất trống BROS 1231.9 1.8 3 Rừng giàu FRSE 9352.1 13.9 4 Rừng hỗn giao FRST 24909.0 37.1 5 Rừng trung bình FRSD 23756.4 35.4 68 Bước cuối cùng trong phân tích đơn vị thủy văn HRU là định nghĩa HRUs. SWAT giả định rằng không có sự tác động lẫn nhau giữa các đơn vị thủy văn trong tiểu lưu vực. Các quá trình thủy văn sẽ được tính toán độc lập trên mỗi đơn vị HRU. trên cơ sở đó sẽ cộng lại trên toàn bộ tiểu lưu vực. Lợi ích khi dùng đơn vị thủy văn là làm tăng độ chính xác dự báo của các quá trình. Có ba cách xác định HRUs. (1) gán chỉ một HRU cho mỗi tiểu lưu vực quan tâm đến % diện tích sử dụng đất; đất; độ dốc vượt trội; (2) gán một HRU đại diện cho tiểu lưu vực quan tâm đến % diện tích phủ chiếm ưu thế của yếu tố sử dụng đất, loại đất, độ dốc và (3) gán nhiều HRU cho mỗi tiểu lưu vực quan tâm đến độ nhạy của quá trình thủy văn dựa trên giá trị ngưỡng cho sự kết hợp sử dụng đất, đất, độ dốc. Trong khuôn khổ luận văn, phương pháp (3) được lựa chọn là phù hợp[16]. Bƣớc 4: Nhập dữ liệu thời tiết (khí tƣợng) Số liệu thời tiết trước khi đưa vào mô hình SWAT được biên tập thành các tập tin thời tiết tổng quát dạng chuỗi (chứa đựng các thông số thống kê thời tiết theo ngày, giờ) làm đầu vào cho mô hình vận hành thời tiết WXEN trong SWAT tiến hành mô phỏng thời tiết. Dữ liệu thời tiết cần thiết cho mô hình SWAT bao gồm lượng mưa, nhiệt độ không khí lớn nhất; nhỏ nhất, bức xạ Mặt Trời, tốc độ gió và độ ẩm tương đối. Trong luận văn, sử dụng số liệu mưa thời đoạn ngày từ ngày 1/IX đến 31/XII năm 2003) và từ ngày 1/IX đến 31/XII năm 2009 phục vụ cho việc hiệu chỉnh và kiểm định dòng chảy.Thời gian cụ thể như trong Bảng 3.4. Bảng 3.4. Số liệu mƣa đầu vào mô hình SWAT STT Thời gian Sử dụng mô phỏng 1 1/IX -31/XII /2003 Hiệu chỉnh bộ thông số mô phỏng dòng chảy 2 1/IX -31/XII /2009 Kiểm định bộ thông số mô phỏng dòng chảy Bƣớc 4: Chạy mô hình Sau khi đã thiết lập xong dữ liệu khí tượng, tiến hành chạy mô hình. 69 Kết quả mô phỏng lưu lượng cụ thể như Hình 3.6. Hình 3.6. Hình ảnh kết quả mô phỏng dòng chảy mùa lũ 3.3. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình Quá trình mô phỏng dòng chảy trong SWAT được tính toán theo các phương trình toán lý, bộ thông số mà SWAT tự động thiết lập chỉ mang tính chất tương đối vậy để mô hình có thể mô phỏng đúng với thực tiễn trên lưu vực thì cần phải có một bộ thông số được hiệu chỉnh và kiểm định với số liệu thực đo. Việc hiệu chỉnh thông số mô hình được tiến hành theo phương pháp thử sai nghĩa là triển khai các giả thiết rồi lần lượt loại bỏ dần các giả thuyết không đúng và chọn ra giả thiết phù hợp nhất. Để đánh giá kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy trong SWAT, nghiên cứu sử dụng số liệu quan trắc lưu lượng tại trạm Đồng Trăng và đo mưa tại trạm Khánh 70 Vĩnh và Đồng Trăng. 3.3.1. Đánh giá mô hình Luận văn lựa chọn chỉ tiêu Nash-Sutcliffe để đánh giá mức độ tin cậy của mô hình. Mức độ mô phỏng tương ứng với chỉ số Nash được miêu tả trong Bảng 3.5 Bảng 3.5. Mức độ mô phỏng tƣơng ứng với chỉ số Nash Nash >0.85 0.65-0.85 0.4-0.6 <0.4 Mức độ mô phỏng Tốt Khá Đạt Chưa đạt 3.3.2. Các thông số mô hình Trong mô hình SWAT có 27 thông số để hiệu chỉnh kết quả mô phỏng. Trong khuôn khổ của luận văn chỉ xét đến các thông số cụ thể như sau: Sử dụng phương pháp SCS SOL_K Ksat: Độ dẫn thấm thủy lực bão hòa (mm/giờ) CN2 CN2: Chỉ số CN ứng vơi điều kiện ẩm II SOL_BD b: Mật độ khối của lớp đất (Mg/m 3 ) CLAY mc: % đất sét SAND ms: % đất sét Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ OV_N n: Hệ số nhám sườn dốc CH_N(1) n: Hệ số nhám kênh dẫn Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt SURLAG surlag: Hệ số trễ dòng chảy mặt Thông số tính toán dòng chảy ngầm GWQMN aqshthr.q: Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (mm) 71 ALPHA_BF gw: Hệ số triết giảm REVAPMN aqshthr.rvp: Ngưỡng sinh dòng thấm xuống tầng nước sâu (mm) Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính Phương pháp lượng trữ CH_N(2) n: Hệ số nhám của kênh chính 3.3.3. Kết quả hiệu chỉnh Mô hình đã thiết lập được hiệu chỉnh với số liệu mưa ngày tại trạm Khánh Vĩnh và lưu lượng ngày trạm Đồng Trăng từ 1/IX đến 31/XII/2003. Kết quả biểu diễn trên Hình 3.7, cho thấy đường quá trình lưu lượng tính toán có sự phù hợp với đường quá trình dòng chảy thực đo, độ hữu hiệu của mô hình theo chỉ tiêu Nash đạt 78% với sai số về tổng lượng chỉ khoảng 3.5%. Theo chỉ tiêu của WMO[17], mô hình được đánh giá vào loại khá. Giá trị đỉnh lũ lớn nhất đã thể hiện khá tốt nhưng còn vài đỉnh lũ nhỏ chưa phù hợp nhất là giai đoạn cuối mùa. Hình 3.7. Dòng chảy bình quân ngày tính toán và thực đo trạm Đồng Trăng từ ngày 1/ IX đến 31/XII năm 2003 Mô hình SWAT mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng với mùa lũ từ ngày 1/IX/2009 - 31/XII/2009. Kết quả mô phỏng dòng chảy so với giá trị lưu lượng thực đo (m3/s) được trình bày ở Hình 3.8. 72 3.3.4. Kiểm định mô hình Giữ nguyên bộ thông số, tiến hành kiểm định mô hình với số liệu giai đoạn từ ngày 1/IX đến 31/XII/2009. Kết quả Hình 3.8 cho thấy kết quả mô phỏng cơ bản đã phù hợp với thực đo, chỉ tiêu Nash đạt 73%, sai số về tổng lượng khoảng 4.0%. thuộc loại khá. Hình 3.8. Dòng chảy bình quân ngày tính toán và thực đo trạm Đồng Trăng từ ngày 1/IX đến 31/XII năm 2009 Nhận xét Khi tăng giá trị của thông số chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II (CN2) lên thì đỉnh lũ tăng, quá trình lũ lên không tăng, trong khi đó quá trình lũ xuống giảm. Điều đó chứng tỏ lớp dòng chảy mặt phụ thuộc vào điều kiện thảm phủ và sử dụng đất cũng như độ ẩm của đất trên lưu vực. Nếu tăng hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn (CH_K(1)) thì đỉnh lũ giảm, trong khi đó quá trình lũ lên và lũ xuống không đổi. Nếu tăng hoặc giảm giá trị của thông số khả năng trữ nước của đất (SOL_AWC) cũng như giá trị của thông số độ dẫn thuỷ lực ở trường hợp bão hoà (SOL_K) thì lưu lượng đỉnh lũ cũng thay đổi. Qua đó thấy rằng, lưu lượng đỉnh lũ trên lưu vực phụ thuộc rõ rệt vào lớp phủ rừng và điều kiện ẩm của đất. Cụ thể bộ thông số thu được sau quá trình hiệu chỉnh kiểm định như trong Bảng 3.6 73 Bảng 3.6. Kết quả bộ thông số khi hiệu chỉnh mô hình SWAT với thời đoạn tính toán là ngày Thông số Ý nghĩa Ngƣỡng giá trị Giá trị I. Các thông số tính quá trình hình thành dòng chảy mặt 1 CN2 Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II 35 - 98 86 ( rừng giàu, rừng hỗn giáo, rừng trung bình) 89 ( đất khác, đất trống) 2 OV_N Hệ số nhám Manning cho dòng chảy mặt 0.01 – 0.5 0.5 (rừng giàu, rừng hỗn giáo, rừng trung bình) 0.4 ( đất khác, đất trống) 3 SOL_K Độ dẫn thấm thủy lực bão hòa (mm/giờ) 0 - 2000 1.6-1.74 4 SOL_BD Mật độ khối của lớp đất (g/cm3) 0.9 - 2.5 1.1 5 CH_K(1) Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn 0 - 300 0.5 6 CH_N(1) Hệ số nhám kênh dẫn (mm/giờ) 0.01 - 30 0.014 7 SURLAG Hệ số trễ dòng chảy mặt (ngày) 0 - 24 0.25 8 HRU_SLP Độ dốc trong tiểu lưu vực 0-0.6 0.4-0.6 II. Các thông số diễn toán dòng chảy trong sông 8 CH_N(2) Hệ số nhám của kênh chính 0.01 - 30 0.6 9 CH_K(2) Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/giờ) 0.01 - 500 0.5 74 III. Các thông số tính toán dòng chảy ngầm 10 GWQMIN Ngưỡng sinh dòng chảy ngầm (mm) 0 - 5000 5 11 ALPHA_B F Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm 0 - 1 0.4 3.4. Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mùa lũ trạm Đồng Trăng sông Cái Nha Trang Trong nghiên cứu này, kết quả được sử dụng làm đầu vào kịch bản biến đổi cho khu vực sông Cái Nha Trang chiết xuất từ Báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam” của Bộ Tài nguyên và Môi trường (2016)[2] (Bảng 3.7) Bảng 3.7. % Thay đổi lƣợng mƣa theo mùa theo các kịch bản so với giai đoạn nền (1986-2005) (Đơn vị: %) Thời đoạn Mùa Đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu RCP4.5 Giữa thế kỷ 21.1 9.1 -8.5 12.8 Cuối thế kỷ 37.0 -2.8 13.0 8.5 RCP8.5 Giữa thế kỷ 30.0 4.7 7.0 1.9 Cuối thế kỷ 55.6 -45.9 6.7 16.9 75 Hình 3.9. % Thay đổi lƣợng mƣa theo mùa theo kịch bản RCP 4.5 so với giai đoạn nền (1986-2005) Hình 3.10. % Thay đổi lƣợng mƣa theo mùa theo kịch bản RCP 8.5 so với giai đoạn nền (1986-2005) Sự thay đổi này được dùng để xây dựng kịch bản mưa ngày đầu vào cho thời kỳ giữa thế kỷ và cuối thế kỷ cho khu vực nghiên cứu dựa trên cơ sở lượng mưa ngày trung bình cho giai đoạn nền thời kỳ 1986 – 2005 được xác định dựa trên công thức sau: 21.1% 9.1% -8.5% 12.8% 37% -2.8% 13% 8.5% -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Mùa Đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu % T h a y đ ổ i lƣ ợ n g m ƣ a Giữa thế kỷ Cuối thế kỷ 30% 4.7% 7% 1.9% 55.6% -45.9% 6.7% 16.9% -50 -30 -10 10 30 50 70 Mùa Đông Mùa Xuân Mùa Hè Mùa Thu % T h a y đ ổ i lƣ ợ n g m ƣ a Giữa thế kỷ Cuối thế kỷ 76 ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ (3.1) trong đó: Rtương lai = Thay đổi của lượng mưa trong tương lai so với thời kỳ cơ sở (%), R*tương lai = Lượng mưa trong tương lai (mm), ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅ = Lượng mưa trung bình của thời kỳ cơ sở (1986-2005) (mm). Công thức này được thừa hưởng từ đơn vị tham gia xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng năm 2016 – Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi Khí hậu. Từ lượng mưa trung bình ngày của mùa lũ (từ ngày 1/IX đến 31/XII) cho giai đoạn nền thời kỳ 1986 – 2005 được dùng để mô phỏng dòng chảy mùa lũ cho giai đoạn nền đó. Kết quả này dùng làm cơ sở để so sánh sự biến đổi của dòng chảy mùa lũ trong tương lai dưới tác động của biến đổi khí hậu theo kịch bản RCP 4.5 và RCP 8.5 như đã chọn. Các kết quả mô phỏng theo các kịch bản so sánh với hiện trạng dòng chảy lũ trong thời kỳ nền (Hình 3.11, Hình 3.12) cho thấy: dòng chảy mùa lũ trạm Đồng Trăng trong tương lai đều có xu hướng tăng ở cả hai kịch bản RCP 4.5 và RCP 8.5 trong suốt thế kỷ XXI. Cụ thể, theo kịch bản RCP 4.5, mùa lũ bắt đầu từ tháng IX và kết thúc tháng XII không thay đổi so với giai đoạn nền. Vào giữa thế kỷ, tổng lượng dòng chảy mùa lũ tăng khoảng 15.3% và tăng khoảng 14.8% ở cuối thế kỷ. Thời gian xuất hiện tháng lũ lớn nhất không thay đổi so với giai đoạn nền (vào tháng XII). 77 Hình 3.11. Thay đổi dòng chảy trung bình các tháng mùa lũ vào giữa thế kỷ, cuối thế kỷ so với giai đoạn nền theo kịch bản RCP 4.5 Theo kịch bản RCP 8.5, dòng chảy mùa lũ có xu hướng đều tăng, tổng lượng lũ tăng khoảng 19.6% vào giữa thế kỷ và đến khoảng 27.2% vào cuối thế kỷ. Mùa lũ cũng bắt đầu từ tháng IX và kết thúc tháng XII không thay đổi so với giai đoạn nền. Thời gian tháng lũ lớn nhất xuất hiện trùng giai đoạn nền (vào tháng XII). ,000 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 9 10 11 12 L ư u l ư ợ n g ( m 3 /s ) Tháng Nền Giữa thế kỷ Cuối thế kỷ 78 Hình 3.12. Thay đổi dòng chảy trung bình các tháng mùa lũ vào giữa thế kỷ, cuối thế kỷ so với giai đoạn nền theo kịch bản RCP 8.5 3.5. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến giá trị đỉnh lũ trạm Đồng Trăng, sông Cái Nha Trang, tỉnh Khánh Hoà Như chúng ta đã biết, các nghiên cứu hiện nay mới chủ yếu tập trung đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến giá trị trung bình, chưa đề cập nhiều đến giá trị cực đoan. Mà thực tế cho thấy chúng ta thường phải đối mặt với giá trị cực đoan bất lợi gây nhiều thiệt hại về người và của. Vậy, yêu cầu thực tiễn đặt ra là phải có những nghiên cứu về các yếu tố cực trị mới có ý nghĩa và giá trị. Mặc dù, tính bất định của các giá trị cực đoan còn lớn, song trong khuôn khổ luận văn vẫn dùng giá trị hiện tại được chiết xuất từ kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam (2016) để giải quyết bài toán đánh giá tác động của BĐKH đến giá trị đỉnh lũ cho lưu vực nghiên cứu. Trong tương lai, khoa học kĩ thuật phát triển hơn mối quan hệ giữa khí hậu với các yếu tố cực trị được chặt chẽ hơn thì bài toán trên có giá trị thực tiễn cao hơn. ,000 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 9 10 11 12 L ư u l ư ợ n g ( m 3 /s ) Tháng Nền Giữa thế kỷ Cuối thế kỷ 79 Mô hình SWAT là phần mềm được sử dụng rộng rãi trong việc đánh giá tác động của địa hình bề mặt đến tài nguyên nước nên chú trọng thời đoạn ngày. Thời gian gần đây, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng mô hình SWAT với thời đoạn tính toán ngắn hơn [15, 22] vì version phiên bản 2005 trở đi cho phép tính toán với thời đoạn ngắn hơn (giờ, phút) được minh chứng trong Hình 3.13, Hình 3.14. Về mặt kĩ thuật: Mô hình cho phép đưa dữ liệu mưa đầu vào theo thời đoạn ngắn hơn (theo giờ, phút) bằng cách sửa file.pcp.pcp (dữ liệu file mưa đầu vào) theo định dạng “nămthángngày,phút. VD: 20090101,60 là thể hiện thời điểm đầu tiên: ngày 1 tháng 1 năm 2009 với thời đoạn 1h (60 phút) Để file đầu ra chiết xuất theo giờ, cần sửa thủ công 2 file trong output. Đó là file.cio, file.bsn. IDT and IEVENT trong file.cio and *.BSN đuợc sửa thành 60 và 3 minh chứng trong Hình 3.15, Hình 3.16, Hình 3.17. Sau đó coppy file vào file kết quả mô hình và bấm chạy. Hình 3.13. Dữ liệu mƣa đầu vào thời đoạn tính toán ngắn hơn (theo giờ, phút, giây) trong mô hình SWAT 80 Hình 3.14. Cài đặt bƣớc thời gian tính toán thời đoạn ngắn hơn (theo giờ, phút, giây) trong mô hình SWAT 81 Hình 3.15. File .cio đƣợc sửa file đọc kết quả 82 Hình 3.16. File.cio đƣợc sửa theo mƣa đầu vào thời đoạn ngắn hơn 83 Hình 3.17. File .bsn đƣợc sửa để đọc kết quả theo thời đoạn ngắn hơn Với ứng dụng mới của mô hình SWAT trong việc tính toán với thời đoạn ngắn hơn, Luận văn muốn khảo sát thử nghiệm tính toán dòng chảy thời đoạn giờ để mô phỏng đường quá trình lũ, giá trị đỉnh lũ. Để tiến hành việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến giá trị đỉnh lũ trạm Đồng Trăng cần thông qua việc hiệu chỉnh và kiểm định 1 số trận lũ điển hình có tính bất lợi cho lưu vực tính toán. 3.5.1. Hiệu chỉnh Mô hình đã thiết lập được hiệu chỉnh với số liệu mưa ốp 6 giờ tại trạm Khánh Vĩnh và lưu lượng giờ trạm Đồng Trăng từ 1 đến 4 tháng XI năm 2009. Số liệu này được cung cấp bởi Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Nam Trung Bộ. Kết quả biểu diễn trên Hình 3.18, cho thấy đường quá trình lưu lượng tính toán có sự phù hợp với đường quá trình dòng chảy thực đo, độ hữu hiệu của mô hình theo chỉ 84 tiêu Nash đạt 90% với sai số về đỉnh lũ chỉ khoảng 1.5%. Theo chỉ tiêu của WMO[17], mô hình được đánh giá vào loại tốt. Hình 3.18. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm Đồng Trăng của trận lũ từ 1 - 4/XI năm 2009 3.5.2. Kiểm định Chuỗi thời gian được sử dụng để kiểm nghiệm mô hình là quá trình lưu lượng theo giờ thực đo từ 11 - 14/XII năm 2016 tại trạm Đồng Trăng. Kết quả kiểm định của mô hình được thể hiện trong Hình 3.19. Kết quả kiểm nghiệm mô hình cho thấy hệ số tương quan giữa lưu lượng giờ tính toán và thực đo theo chỉ tiêu của Nash = 0.81, đạt kết quả khá tốt. Từ kết quả hiệu chỉnh mô hình cho trận lũ, kết quả ta được bộ thông số cho bộ số liệu giờ được thống kê trong Bảng 3.8. Bộ thông số này đã được kiểm định và được đánh giá khá tốt. Từ đây, luận văn sẽ sử dụng bộ thông số được thống kê trong Bảng 3.8 đã được kiểm nghiệm để áp dụng tính toán cho lưu vực sông Cái với các kịch bản đã lựa chọn. 1 1 /2 /0 9 0 :0 0 1 1 /2 /0 9 1 2 :0 0 1 1 /3 /0 9 0 :0 0 1 1 /3 /0 9 1 2 :0 0 1 1 /4 /0 9 0 :0 0 1 1 /4 /0 9 1 2 :0 0 1 1 /5 /0 9 0 :0 0 1 1 /5 /0 9 1 2 :0 0 1 1 /6 /0 9 0 :0 0 L ư u l ư ợ n g m 3 /s Thời gian Lưu lượng tính toán Lưu lượng thực đo 85 Hình 3.19. Đƣờng quá trình lƣu lƣợng tính toán và thực đo tại trạm Đồng Trăng của trận lũ từ 11-14/XII/2016 Bảng 3.8. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lƣu vực sông Cái Nha Trang ứng với chuỗi số liệu mƣa theo giờ Thông số Ý nghĩa Ngƣỡng giá trị Giá trị I. Các thông số tính quá trình hình thành dòng chảy mặt 1 CN2 Chỉ số CN ứng với điều kiện ẩm II 35 - 98 86 ( rừng giàu, rừng hỗn giao, rừng trung bình) 86 89 ( đất khác, đất trống) 2 OV_N Hệ số nhám Manning cho dòng chảy mặt 0.01 – 0.5 0.5 (rừng giàu, rừng hỗn giao, rừng trung bình) 0.4 ( đất khác, đất trống) 3 SOL_K Độ dẫn thấm thủy lực bão hòa (mm/giờ) 0 - 2000 0.05 4 SOL_BD Mật độ khối của lớp đất (g/cm3) 0.9 - 2.5 1.1 5 CH_K(1) Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh dẫn 0 - 300 0.5 6 CH_N(1) Hệ số nhám kênh dẫn (mm/giờ) 0.01 - 30 0.014 7 SURLAG Hệ số trễ dòng chảy mặt (ngày) 0 - 24 2 8 SLSUBBSN Độ dài đoạn dốc trong tiểu lưu vực (m) 0-1000 HRU_SLP Độ dốc của đơn vị thuỷ văn 0.3-0.6 II. Các thông số diễn toán dòng chảy trong sông 8 CH_N(2) Hệ số nhám của kênh chính 0.01 - 30 0.6 9 CH_K(2) Hệ số dẫn thuỷ lực của kênh chính (mm/giờ) 0.01 - 500 0.5 III. Các thông số tính toán dòng chảy ngầm 1 GWQMIN Ngưỡng sinh dòng 0 - 5000 1000 87 0 chảy ngầm (mm) 1 1 ALPHA_BF Hệ số triết giảm dòng chảy ngầm 0 - 1 0.048 3.5.3. Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến giá trị đỉnh lũ trạm Đồng Trăng sông Cái Nha Trang Với các nghiên cứu trước đây trên lưu vực nghiên cứu mới dừng lại ở việc lấy các giá trị % biến đổi lượng mưa theo tháng, mùa. Trong nghiên cứu này, sử dụng kịch bản biến đổi cho giá trị cực trị (lượng mưa cực trị) để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến giá trị đỉnh lũ trạm Đồng Trăng, sông Cái Nha Trang. Như trong chương 1 đã phân tích, các trận lũ lớn thường xảy ra vào tháng XI kéo dài 4-5 ngày. Trong khi kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam (2016) đề cập về % thay đổi lượng mưa 1 ngày lớn nhất và 5 ngày lớn nhất và trong khuôn khổ luận văn đã lựa chọn % thay đổi lượng mưa 5 ngày lớn nhất để giải quyết bài toán trên. Cụ thể như sau: Bảng 3.9. % Thay đổi lƣợng mƣa 5 ngày lớn nhất theo các kịch bản so với giai đoạn nền (1986-2005) (Đơn vị: %) TT RCP4.5 RCP8.5 Giữa thế kỷ 44.2 18.8 Cuối thế kỷ 22.6 16.4 Hình 3.20. % Thay đổi lƣợng mƣa 5 ngày lớn nhất theo các kịch bản 44.2% 18.8% 22.6% 16.4% 0 10 20 30 40 50 RCP4.5 RCP8.5 % T h a y đ ổ i lƣ ợ n g m ƣ a Giữa thế kỷ Cuối thế kỷ 88 Sự thay đổi này được dùng để xây dựng kịch bản mưa giờ đầu vào cho thời kỳ giữa thế kỷ và cuối thế kỷ cho khu vực nghiên cứu dựa trên cơ sở lượng mưa trung bình 5 ngày lớn nhất giai đoạn nền 1986-2005. Vì số liệu đo mưa trạm Đồng Trăng không đầy đủ nên trạm Khánh Vĩnh được sử dụng trong tính toán bài toán này. Để đánh giá tác động của BĐKH đến quá trình lũ và giá trị đỉnh lũ, cần xác định đường quá trình lũ đại biểu cho giai đoạn nền. Có nhiều cách để chọn trận lũ đại biểu và trong khuôn khổ luận văn đã lựa chọn trận lũ theo tần suất thiết kế. Có nhiều tần suất được lựa chọn và sử dụng như 1%, 2%, 5%, 10%, trong khuôn khổ luận văn tiến hành thử nghiệm trận lũ tần suất 1% vì cách này được sử dụng phổ biến trong thiết kế và quy hoạch. Nó được xác định dựa trên đường tần suất lí luận cho chuỗi lượng mưa 5 ngày lớn nhất giai đoạn 1986-2005 để xem như là trận lũ đặc trưng cho giai đoạn nền. Việc xác định lũ tần suất 1% giai đoạn nền được thông qua phân tích tần suất chuỗi lượng mưa 5 ngày lớn nhất giai đoạn 1986-2005 (Bảng 3.9) theo quy luật phân bố log chuẩn trong đó các thông số thống kê xác định bằng phương pháp momen (sử dụng phần mềm phân bố tần suất FFC2008). Phân bố log chuẩn được chọn trong nghiên cứu này bởi vì tính phổ biến và thế mạnh của nó trong phân tích cực trị, đồng thời nó cho thấy mức độ phù hợp tốt nhất giữa đường phân bố tần suất lí luận và thực nghiệm trên lưu vực sông Cái so với các phân bố khác (Hình 3.22 ). Các trận lũ với thời gian xuất hiện lại là 100 năm được phân tích vì chúng thể hiện sự kiện tương đối hiếm mang tính bất lợi. Bởi có một xu hướng chung nổi bật là lũ càng hiếm chịu tác động của biến đổi khí hậu càng lớn, kết luận này được đề cập đến trong nghiên cứu khác[7]. 89 Hình 3.21. So sánh mức độ phù hợp giữa đƣờng tần suất lý luận và đƣờng thực nghiệm của lƣợng mƣa 5 ngày lớn nhất giai đoạn 1986-2005 Bảng 3.10. Bảng số liệu lƣợng mƣa 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày lớn nhất trạm Khánh Vĩnh Năm Mưa 1 ngày Thời gian Mưa 3 ngày Thời gian Mưa 5 ngày Thời gian lớn nhất lớn nhất lớn nhất 1986 140.9 2/12 192.3 1-3/12 206.8 1-5/12 1987 106.3 7/11 284.2 7-9/11 396.2 6-10/11 1988 151.3 8/11 302.2 26-28/9 443.6 24-28/9 1989 150.3 16/9 265.8 16-18/9 276.4 16-20/9 1990 121.1 10/11 292.8 10-12/11 373.3 9-13/11 1991 80.6 17/3 162.5 18-20/10 234.6 18-22/10 1992 110.9 12/10 232.3 21-23/10 333.8 21-26/10 1993 134 5/12 251 27-29/11 301.5 25-29/11 1994 130.3 28/6 140.3 26-28/6 190.3 28/6-2/7 1995 108 10/5 200.2 10-12/5 214.5 10-14/5 1996 217 20/12 492.8 19-21/12 543.6 18-23/12 1997 121.5 2/11 176 30/10-1/11 226 30/10-3/11 1998 201 21/11 308 8-10/12 368 9-13/12 1999 193.1 2/12 307.2 2-4/12 431.8 2-6/12 2000 158.4 17/11 275.8 16-18/11 295 14-18/11 90 2001 94.3 4/6 201.9 18-20/3 201.9 17-21/3 2002 210.8 3/11 288.5 3-5/11 359.5 3-7/11 2003 147.2 13/11 258.4 11-13/11 259.7 11-15/11 2004 69.9 2/12 96 13-15/5 145.8 11-15/5 2005 181.8 22/10 398.4 13-15/12 530.8 11-15/12 ( Nguồn: Đài Khí tượng thuỷ văn khu vực Nam Trung Bộ) Từ việc xác định được lượng mưa 5 ngày lớn nhất tần suất 1%, ta chọn được trận mưa đại diện ( trận mưa có tổng lượng mưa xấp xỉ với lượng mưa 5 ngày lớn nhất tần suất 1%) có đường quá trình lũ có tính bất lợi nhất. Và trận mưa được chọn làm đại diện là trận mưa 5 ngày gây lên trận lũ lịch sử tháng XI năm 2009 với tổng lượng mưa là 413mm. Từ đó, xác định hệ số thu phóng K để thu phóng trận mưa đại diện cho giai đoạn nền sau đó mô phỏng lưu lượng dòng chảy đại diện cho giai đoạn đó. 5.1 mm413 620mm %1  Xdb X K trong đó: X1% là lượng mưa ứng tần suất 1% X db là lượng mưa được chọn làm đại diện Sau khi, xác định được hệ số thu phóng K = 1.5 và trận mưa được chọn làm đại diện, ta có mô hình mưa 5 ngày lớn nhất đặc trưng cho giai đoạn nền. Từ số liệu mưa này sẽ mô phỏng được dòng chảy đại diện cho giai đoạn nền. Bước tiếp theo, sẽ tiến hành đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến giá trị đỉnh lũ dựa trên số liệu mưa giờ đầu vào được tính toán theo kịch bản RCP4.5, RCP8.5 (chi tiết Bảng 3.9 và Hình 3.21). Dưới đây là một số kết quả luận văn đạt được: Kịch bản RCP4.5 Từ kết quả tính toán cho thấy với điều kiện khí hậu biến đổi theo xu thế của kịch bản này thì thời gian xuất hiện đỉnh lũ không thay đổi, nhưng tổng lượng lũ có xu hướng nhìn chung tăng so với giai đoạn nền. Theo kịch bản RCP4.5, khi lượng mưa 5 ngày lớn nhất tăng lần lượt 44.2%, 22.6% tương ứng giữa thế kỷ và cuối thế 91 kỷ thì tổng lượng lũ tăng 50.3% và 23.7% tương ứng (Hình 3.23). Qua kết quả tính toán (Hình 3.23), ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh về lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ của dòng chảy. Lưu lượng đỉnh lũ có xu hướng tăng so với giai đoạn nền, cụ thể tăng mạnh vào giữa thế kỷ, tăng nhanh nhẹ ở cuối thế kỷ. Hình 3.22. Thay đổi dòng chảy cực trị giữa thế kỷ và cuối thế kỷ so với thời đoạn nền 1986-2005 theo kịch bản RCP 4.5 Kịch bản RCP8.5 Nhìn chung ở kịch bản RCP8.5, thời gian xuất hiện đỉnh lũ không thay đổi, nhưng tổng lượng lũ có xu hướng nhìn chung tăng so với giai đoạn nền. Khi lượng mưa 5 ngày lớn nhất tăng lần lượt 18.8%, 16.4% tương ứng giữa thế kỷ và cuối thế kỷ thì tổng lượng lũ tăng 19.7% và 17.2% tương ứng ( Hình 3.24). Qua kết quả tính toán trong Hình 3.24, ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh về lưu lượng đỉnh lũ và ,000 1000,000 2000,000 3000,000 4000,000 5000,000 6000,000 7000,000 8000,000 1 4 7 101316192225283134374043464952555861646770 L ư u l ư ợ n g ( m 3 /s ) Giờ Nền Giữa Thế Kỷ Cuối thế kỷ 92 tổng lượng lũ, nhưng thấp hơn so với kịch bản RCP 4.5. Lưu lượng đỉnh lũ biến động mạnh các thời kỳ giữa thế kỷ và cuối thế kỷ so với giai đoạn nền, nhưng giữa thời kỳ giữa thế kỷ so với cuối thế kỷ thay đổi không đáng kể. Hình 3.23. Thay đổi dòng chảy cực trị giữa thế kỷ và cuối thế kỷ so với thời đoạn nền 1986-2005 theo kịch bản RCP 8.5 3.6. Thảo luận Qua các kết quả tính toán của luận văn đạt được khẳng định được rằng: - Mô hình SWAT sử dụng đáp ứng khá tốt cho việc tính toán dòng chảy ngày và giờ. - Đánh giá được các đặc trưng lũ dưới tác động của biến đổi khí hậu. + Đối với dòng chảy mùa lũ, thời gian xuất hiện lũ (từ tháng IX đến XII) không đổi so với giai đoạn nền. Tổng lượng dòng chảy mùa lũ có xu hướng nhìn chung tăng trong suốt thế kỷ XXI. ,000 1000,000 2000,000 3000,000 4000,000 5000,000 6000,000 7000,000 8000,000 1 4 7 101316192225283134374043464952555861646770 L ư u l ư ợ n g ( m 3 /s ) Giờ Nền Giữa thễ kỷ Cuối thế kỷ 93 + Đối với dòng chảy cực trị, thời gian xuất hiện đỉnh lũ không thay đổi so với giai đoạn nền. Tổng lượng lũ đều có xu hướng tăng so với giai đoạn nền. Trong tương lai, dòng chảy lũ trạm Đồng Trăng trên sông Cái Nha Trang đều có xu hướng tăng gây bất lợi cho đời sống người dân phía hạ lưu đặc biệt là Thành phố Nha Trang. 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong quá trình thực hiện luận văn, học viên đã thực hiện đựơc các nội dung như sau: 1. Tổng quan về điều kiện kinh tế tự nhiên- xã hội của lưu vực sông Cái Nha Trang nói chung và lưu vực tính đến trạm Đồng Trăng nói riêng. 2. Tìm hiểu mô hình SWAT và các điều kiện ứng dụng của nó. 3. Cập nhật kết quả đầu ra của mô hình khí hậu theo “Kịch bản biến đổi khí hậu. nước biển dâng Việt Nam” năm 2016 làm đầu vào cho bài toán đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy mùa lũ và giá trị đỉnh lũ trạm Đồng Trăng. sông Cái, Nha Trang, tỉnh Khánh Hoà. 4. Xây dựng 2 bộ thông số mô hình SWAT tính toán dòng chảy với thời đoạn tính toán là ngày và giờ. 5. Ứng dụng mô hình SWAT với 2 bộ thông số trên để đánh giá tác động sự thay đổi dòng chảy mùa lũ, sự biến đổi giá trị đỉnh lũ tại trạm Đồng Trăng dưới tác động của biến đổi khí hậu. 6. Dựa trên cơ sở đó, luận văn đưa ra các kết luận như sau: - SWAT có khả năng áp dụng cho lưu vực nghiên cứu với thời đoạn tính toán là ngày và giờ. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định khá tốt với chỉ tiêu NASH trên 80%, sai số tổng lượng không quá 4% đối với thời đoạn tính toán là ngày. Đối với thời đoạn tính toán là giờ, kết quả hiệu chỉnh và kiểm định với chỉ tiêu NASH trên 70%, sai số tổng lượng không quá 4%. - Ứng dụng mô hình SWAT cho khu vực nghiên cứu trong bối cảnh biến đổi khí hậu cho thấy: Dòng chảy trung bình mùa lũ Dòng chảy mùa lũ trạm Đồng Trăng trong tương lai đều có xu hướng tăng ở cả hai kịch bản RCP 4.5 và RCP 8.5 trong suốt thế kỷ XXI. Cụ thể: Kịch bản RCP 4.5, mùa lũ bắt đầu từ tháng IX và kết thúc tháng XII không thay đổi so với giai đoạn nền. Vào giữa thế kỷ, tổng lượng dòng chảy mùa lũ tăng 95 khoảng 15.3% và tăng khoảng 14.8% ở cuối thế kỷ. Thời gian xuất hiện tháng lũ lớn nhất không thay đổi so với giai đoạn nền (vào tháng XII). Theo kịch bản RCP 8.5, dòng chảy mùa lũ có xu hướng đều tăng, tổng lượng lũ tăng khoảng 19.6% vào giữa thế kỷ và đến khoảng 27.2% vào cuối thế kỷ. Mùa lũ cũng bắt đầu từ tháng IX và kết thúc tháng XII không thay đổi so với giai đoạn nền. Thời gian tháng lũ lớn nhất xuất hiện trùng giai đoạn nền (vào tháng XII). Đỉnh lũ Theo kịch bản RCP4.5, cho thấy với điều kiện khí hậu biến đổi theo xu thế của kịch bản này thì thời gian xuất hiện đỉnh lũ không thay đổi, nhưng tổng lượng lũ có xu hướng nhìn chung tăng so với giai đoạn nền. Lượng mưa 5 ngày lớn nhất tăng lần lượt 44.2%, 22.6% tương ứng giữa thế kỷ và cuối thế kỷ thì tổng lượng lũ tăng 50.3% và 23.7% tương ứng. Ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh về lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ của dòng chảy. Lưu lượng đỉnh lũ có xu hướng tăng so với giai đoạn nền, cụ thể tăng mạnh vào giữa thế kỷ, tăng nhanh nhẹ ở cuối thế kỷ. Theo kịch bản RCP8.5, thời gian xuất hiện đỉnh lũ không thay đổi, nhưng tổng lượng lũ có xu hướng nhìn chung tăng so với giai đoạn nền. Lượng mưa 5 ngày lớn nhất tăng lần lượt 18.8%, 16.4% tương ứng giữa thế kỷ và cuối thế kỷ thì tổng lượng lũ tăng 19.7% và 17.2% tương ứng. Ta có thể thấy mức độ biến đổi mạnh về lưu lượng đỉnh lũ và tổng lượng lũ của dòng chảy, nhưng thấp hơn so với kịch bản RCP 4.5. Lưu lượng đỉnh lũ biến động mạnh các thời kỳ giữa thế kỷ và cuối thế kỷ so với giai đoạn nền, nhưng giữa thời kỳ giữa thế kỷ so với cuối thế kỷ thay đổi không đáng kể. Hạn chế và kiến nghị - Do hạn chế về mặt thời gian và số liệu có hạn, luận văn mới nghiên cứu tập trung giá trị đỉnh lũ hình thành bởi trận mưa 5 ngày lớn nhất chưa xét đến các trận lũ trong điều kiện khác, kiến nghị nghiên cứu thêm các trận lũ khác để khẳng định tính ứng dụng của mô hình. 96 - Những khó khăn trong việc thu thập dữ liệu mưa theo giờ dẫn đến những khó khăn cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với thời đoạn tính toán giờ, vì thế trong tương lai cần thu thập được bộ số liệu tốt hơn hoặc nghiên cứu phân phối lại mưa giờ theo các quan hệ với các trạm mưa có đầy đủ dữ liệu ở khu vực lân cận. - Trong khuôn khổ dữ liệu còn hạn chế, luận văn mới chỉ tập trung nghiên cứu các trận lũ đơn. Để mang đủ tính đại diện, cần có những nghiên cứu các trận lũ kép để thể hiện tính đặc trưng lũ trên lưu vực. 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Atlas Việt Nam 2009. 2. Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2016. Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam, Hà Nội. 3. Bùi Văn Chanh, 2013. Ứng dụng mô hình thuỷ lực một và hai chiều kết hợp HDM xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang, Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học KHTN Hà Nội. 4. Cổng thông tin hành chính tỉnh Khánh Hòa, Tổng quan về Khánh Hòa: Điều kiện tự nhiên, 2008. 5. Đặng Đình Đức, 2012. Khôi phục số liệu dòng chảy tỉnh Khánh Hòa bằng mô hình NAM, Trường Đại học KHTN Hà Nội. 6. Đài Khí tượng Thuỷ văn Nam Trung Bộ, 2012. Báo cáo điều kiện khí tượng thuỷ văn tỉnh Khánh Hoà. 7. Lại Thị Hương, 2012. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước mặt tỉnh Khánh Hoà. Hội thảo khoa học Quốc gia về Khí tượng Thuỷ văn, Môi trường và Biến đổi Khí hậu lần thứ XV, Tập 1. tr270-275. 8. Nguyễn Kỳ Phùng, Lê Thị Thu An. Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Đồng Nai, Tạp chí khoa học và công nghệ thủy lợi số 12 (2012) tr 96-101. 9. Nguyễn Ý Như, 2012. Đánh giá dòng chảy năm tỉnh Khánh Hòa trong bối cảnh biến đổi khí hậu. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 28, Số 3S (2012) 100-107. 10. Nguyễn Ý Như, 2009. Ứng dụng mô hình SWAT nghiên cứu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu và sử dụng đất đến dòng chảy sông Bến Hải. Khoá luận tốt nghiệp, Trường Đại học KHTN Hà Nội. 11. Nguyễn Văn Bảo, 2012. 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. Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học KHTN Hà Nội. 12. Nguyễn Thị Hiền, 2008. Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động của quá trình sử dụng đất rừng đến xói mòn trên lưu vực sông Cả. Luận văn Thạc sĩ, Trường Đại học KHTN. 13. Ngô Liên Hương. Ứng dụng mô hình KW- 1D mô phỏng dòng chảy lũ lưu vực sông Cái Nha Trang - Trạm Đồng Trăng. Khoá luận tốt nghiệp, 2012. 14. Văn Thị Hằng, 2010. Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến biến động tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy thuộc thành phố Hà Nội. Luận văn thạc sỹ khoa học, Trường Đại học KHTN Hà Nội. 98 Tiếng Anh 1. D. L. Ficklin, M. Zhang. 2013. A comparison of the curve number and Green- Ampt model in an Agricultural watershed. Trans. ASAE 56(1): 61-69. 2. Ficklin, D. L., Y. Luo, E. Luedeling, and M. Zhang. 2009. Climate change sensitivity assessment of a highly agricultural watershed using SWAT. J. Hydrol. 374(1-2): 16-29 3. King, K. W., J. G. Arnold, and R. L. Bingner. 1999. Comparison of Green- Ampt and curve number methods on Goodwin Creek watershed using SWAT. Trans. ASAE 42(4): 919-925 4. Neitsch, S. L., J. G. Arnold, J. R. Kiniry, J. R. Williams, and K. W. King. 2005. Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation. Version 2005. College Station, Tex. Texas Water Resources Institute 5. Neitsch SL, Arnold JG, Kiniry JR, Srinivasan R, Williams JR (2005b) Soil and water assessment tool input/output file documentation. Version 2005, Grassland, soil and water research service, Temple, TX. 6. SWAT 2012 User manual. 7. WMO, Guide to Hydrological Practices Volume II_Management of Water Resources and Application of Hydrological Practices, WMO-No.168. 2008, WMO 8. Xiaoying Yang, Qun Liu, Yi He, Xingzhang Luo, Xiaoxiang Zhang. 2015 Comparison of daily and sub-daily SWAT models for daily streamflow simulatio n in the Upper Huai River Basin of China. Stoch Environ Res Risk Assess DOI 10.1007/s00477-015-1099-0.