Nghiên cứu tài nguyên nước ở quy mô lưu vực được chấp nhận rộng rãi như phương pháp tiếp cận phù hợp để quản lý, đánh giá và mô phỏng các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Cùng với sự phát triển của khoa học - kĩ thuật, công nghệ GIS hỗ trợ các mô hình thủy văn dựa trên cơ sở vật lý và phân bố không gian mô phỏng chính xác các quá trình thủy văn diễn ra trên lưu vực và phản ánh sát thực tế các chức năng của hệ thống lưu vực sông. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mô phỏng dòng chảy trên lưu vực sông Cauto 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.
1. Nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, nghiên cứu tiến hành thu thập, biên tập cơ sở dữ liệu bao gồm địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng và số liệu thời tiết theo định dạng chuẩn của SWAT trên phần mềm ArcGIS. Thông qua phần mở rộng ArcSWAT chạy trên nền ArcGIS, mô hình SWAT thực hiện quá trình phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn, tích hợp các lớp dữ liệu không gian và thiết lập cơ sở dữ liệu cho mô hình. Sau đó, các thông số của mô hình được phân tích, sắp hạng độ nhạy và hiệu chỉnh thông qua phần mềm SWAT - CUP với thuật toán SUFI - 2 nhằm mô phỏng tối ưu dòng chảy trên lưu vực. Thời gian hiệu chỉnh được thiết lập từ năm 2001 đến 2006, thời gian kiểm định từ năm 2007 đến 2010. Dựa trên các chỉ số thống kê, cho thấy kết quả mô phỏng dòng chảy tốt trong cả hai quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình với hệ số xác định R2 và chỉ số Nash - Sutcliffe đều trên 0,7 tại trạm Dos Rios. Kết quả này cho thấy nếu mô hình SWAT được hiệu chỉnh tốt sẽ trở thành công cụ hỗ trợ hữu ích cho quá trình quản lý tài nguyên nước trên lưu vực.
2. Phương pháp nghiên cứu
Dữ liệu cần thiết được thu thập trong nghiên cứu được mô tả như sau:
- Mô hình độ cao số Dem
DEM được trích xuất từ dữ liệu ASTER GDEM [ASTER Global Digital Elevation Model] ở độ phân giải không gian 30m. Dựa trên nền DEM, mô hình SWAT tiến hành phân chia lưu vực, các tiểu lưu vực cũng như mô phỏng mạng lưới sông suối, các bề mặt thoát nước. Những thông số địa hình như độ dốc địa hình, độ dốc kênh dẫn hoặc chiều dài sông suối cũng được tính toán từ DEM. Trước khi đưa vào mô hình SWAT, dữ liệu DEM đã được hiệu chỉnh về hệ tọa độ UTM WGS84.
- Sử dụng đất
- Thổ nhưỡng
- Thời tiết
- Thủy văn
3. Kết quả
Phân tích độ nhạy dựa trên dòng chảy mặt cho thấy các thông số nhạy nhất trong quá trình mô phỏng thủy văn trên lưu vực Cauto đó là CN2, ALPHA_BF, GW_DELAY GWQMN. Bốn thông số này sau đó đã được lựa chọn để hiệu chỉnh thông qua phương pháp SUFI-2.
Tiến hành chạy mô hình SWAT với các giá trị tối ưu cho phép đánh giá hiệu suất của mô hình. Quá trình này được thực hiện bằng cách so sánh các giá trị lưu lượng dòng chảy quan trắc và mô phỏng tại trạm Dos Rios cho cả hai thời kì hiệu chỉnh và kiểm định. Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định được thể hiện
Dựa trên các thông số thống kê cho thấy có mối tương quan tốt giữa giá trị lưu lượng dòng chảy quan trắc và mô phỏng hàng tháng với R² đạt 0,74, NSE đạt 0,55 trong giai đoạn hiệu chỉnh. Trong giai đoạn kiểm định, kết quả mô phỏng kém hơn với R² và NSE lần lượt là 0,78 và 0,6. Như vậy, đánh giá chung, mô hình đạt kết quả tốt trong cả hai thời kì hiệu chỉnh và kiểm định.
Đường quá trình lưu lượng hiệu chỉnh tại trạm Dos Rios
Đường quá trình lưu lượng kiểm định tại trạm Dos Rios
Đánh giá kết quả mô phỏng dòng chảy giai đoạn hiệu chỉnh và kiểm định
Lưu vực
Hiệu chỉnh [2001 – 2006]
Kiểm định [2007 – 2010]
NS
R2
Pbias
NS
R2
Pbias
Dos Rios
0.55
0.74
-0.08
0.6
0.78
0.1
4. Kết luận
Qua nghiên cứu này, mô hình SWAT đã được hiệu chỉnh thành công cho lưu vực Cauto. Mô hình cho kết quả mô phỏng tốt đối với lưu lượng dòng chảy trung bình tháng. Thuật toán tối ưu hóa SUFI-2 tích hợp trong giao diện SWAT-CUP được sử dụng để hiệu chỉnh mô hình. Các giá trị tối ưu của từng thông số mô hình đã được mô tả một cách rõ ràng. Quá trình đánh giá hiệu quả của mô hình đã được thực hiện thành công với hai chỉ số thống kê là R2 và NSE. Cụ thể, so sánh giá trị dòng chảy quan trắc và mô phỏng tại trạm Dos Rios cho thấy chỉ số NSE và hệ số R² đều cao hơn 0,7 trong cả hai thời kì hiệu chỉnh và kiểm định. Nghiên cứu này đã chứng minh khả năng ứng dụng GIS xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào cần thiết cho quá trình thiết lập, chạy các mô hình thủy văn, đặc biệt là đối với những mô hình phân phối liên tục. Hướng nghiên cứu tiếp theo của nghiên cứu này đó là ứng dụng kết quả mô hình SWAT đã được hiệu chỉnh để làm số liệu đầu vào cho mô hình cân bằng nước WEAP phục vu tính toán nhu cầu sử dụng nước cho các nghành tên lưu vực sông.
5. Tài liệu tham khảo
1. Abdelhamid Fadil, Hassan Rhinane, Abdelhadi Kaoukaya, Youness Kharchaf and Omar Alami Bachir, 2011. Hydrologic Modeling of the Bouregreg Watershed [Morocco] Using GIS and SWAT Model. Journal of Geographic Information System, 2011, 3, 279-289. doi:10.4236/jgis.2011.34024
2. M. T. Vu, S. V. Raghavan, and S. Y. Liong, 2012. SWAT use of gridded observations for simulating runoff - a Vietnam river basin study. Hydrol. Earth Syst. Sci., 16, 2801-2811, 2012. www.hydrol-earthsyst-sci.net/16/2801/2012/ doi:10.5194/hess-16- 2801-2012.
3. 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, pp.3-23