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

Thủy văn học Mã số: 60440224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN NGỌC ANH Hà Nội – 2017 1 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 1 DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .................................................... 7 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 9 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN ........................................................................ 12 1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên ........................................................................ 12 1.1.1. Vị trí địa lý ......................................................................................... 12 1.1.2. Địa hình, địa mạo ............................................................................... 12 1.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng .......................................................................... 13 1.1.4. Thảm thực vật .................................................................................... 15 1.1.5. Khí hậu ............................................................................................... 16 1.1.6. Thủy văn – Hải văn ............................................................................ 17 1.1.7. Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông ...................... 21 1.2. Đặc điểm kinh tế- xã hội ........................................................................ 21 1.2.1. Tình hình kinh tế ................................................................................ 21 1.2.2. Đặc điểm xã hội ................................................................................. 23 1.3. Tổng quan về biến đổi khí hậu .............................................................. 23 1.3.1. Khái niệm ........................................................................................... 23 1.3.2. Biểu hiện về BĐKH ........................................................................... 23 1.3.3. Kịch bản biến đổi khí hậu cho khu vực nghiên cứu .......................... 29 1.4. Một số nghiên cứu tƣơng tự và trên lƣu vực sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hoà ..................................................................................................... 30 CHƢƠNG 2 - GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT ........................................ 33 2.1. Xuất xứ của mô hình SWAT ................................................................. 33 2.2. Cấu trúc của mô hình ............................................................................ 34 2.2.1. Pha đất của chu trình thuỷ văn ........................................................... 34 2 2.2.2. Pha diễn toán của chu trình thuỷ văn ................................................. 35 2.3. Các quá trình thành phần trong mô hình SWAT ............................... 35 2.3.1. Quá trình hình thành dòng chảy mặt .................................................. 35 2.3.2. Quá trình hình thành dòng chảy ngầm ............................................... 48 2.3.3. Quá trình diễn toán dòng chảy trong sông ......................................... 50 2.4. Các số liệu đầu vào và kết quả của mô hình ........................................ 56 2.4.1. Các số liệu đầu vào của mô hình ....................................................... 56 2.4.2. Kết quả của mô hình .......................................................................... 57 2.5. Các thông số của mô hình ...................................................................... 57 2.5.1. Các thông số tính quá trình hình thành dòng chảy mặt ..................... 57 2.5.2. Các thông số tính toán dòng chảy ngầm ............................................ 58 2.5.3. Các thông số diễn toán dòng chảy trong kênh ................................... 58 2.6. Đánh giá mô hình ................................................................................... 58 2.7. Tiến trình mô phỏng SWAT ................................................................. 59 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.................... 61 3.1. Cơ sở dữ liệu ........................................................................................... 61 3.1.1. Số liệu mặt đệm.................................................................................. 61 3.1.2. Số liệu khí tượng thủy văn ................................................................. 61 3.2. Thiết lập mô hình SWAT ...................................................................... 62 3.3. Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình ............................................................. 69 3.3.1. Đánh giá mô hình ............................................................................... 70 3.3.2. Các thông số mô hình ........................................................................ 70 3.3.3. Kết quả hiệu chỉnh ............................................................................. 71 3.3.4. Kiểm định mô hình ............................................................................ 72 3 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 ................ 74 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 ............................................ 78 3.5.1. Hiệu chỉnh .......................................................................................... 83 3.5.2. Kiểm định ........................................................................................... 84 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 .................................. 87 3.6. Thảo luận ................................................................................................ 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 97 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ lưu vực sông Cái Nha Trang ................................................. 13 Hình 1.2. Đường mực nước trận lũ lịch sử năm 2009 .................................... 20 Hình 1.3. Đường mực nước trận lũ lớn năm 1998 .......................................... 20 Hình 1.4. Đường mực nước trận lũ lớn năm 2010 .......................................... 21 Hình 1.5.Chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu thời kỳ 1850-2012 (so với thời kỳ 1961-1990) .......................................................................................... 24 Hình 1.6. Chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu (oC) thời kỳ 1950-2015 ... 24 Hình 1.7. Biến đổi của nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 1901-2012 .............. 25 Hình 1.8. Biến đổi của lượng mưa năm thời kỳ 1901-2010 và thời kỳ 1951- 2010 ................................................................................................................. 26 Hình 1.9. Chuẩn sai nhiệt độ (oC) trung bình năm (a) và nhiều năm (b) trên quy mô cả nước ....................................................................................................... 27 Hình 1.10. Chuẩn sai nhiệt độ trung bình năm (oC) đối với các trạm ven biển và hải đảo .............................................................................................................. 28 Hình 1.11. Thay đổi nhiệt độ trung bình năm (oC) thời kỳ 1958-2014 .......... 28 Hình 1.12. Thay đổi lượng mưa năm (%) thời kỳ 1958-2014 ........................ 28 Hình 2.1. Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo phương trình Green và Ampt và trong thực tế ................................................ 38 Hình 2.2. Hình dạng kênh chính hoặc kênh nhánh ........................................ 51 Hình 2.3. Mô phỏng đoạn sông theo phương pháp Muskingum .................... 54 Hình 2.4. Tiến trình mô phỏng của SWAT ..................................................... 60 Hình 3.1. Tiến trình chạy trong SWAT .......................................................... 62 Hình 3.2. Bản đồ DEM lưu vực sông Cái Nha Trang, trạm Đồng Trăng ....... 63 Hình 3.3. Phân chia tiểu lưu vực khu vực nghiên cứu .................................... 65 Hình 3.4. Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Cái Nha Trang ........................... 66 Hình 3.5. Bản đồ thảm phủ lưu vực sông Cái Nha Trang............................... 67 Hình 3.6. Hình ảnh kết quả mô phỏng dòng chảy mùa lũ .............................. 69 Hình 3.7. Dòng chảy bình quân ngày tính toán và thực đo trạm Đồng Trăng 71 Hình 3.8. Dòng chảy bình quân ngày tính toán và thực đo trạm Đồng Trăng 72 Hình 3.9. % Thay đổi lượng mưa theo mùa theo kịch bản RCP 4.5 .............. 75 Hình 3.10. % Thay đổi lượng mưa theo mùa theo kịch bản RCP 8.5 ............ 75 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 ................................ 77 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 ................................ 78 Hình 3.13. Dữ liệu mưa đầu vào thời đoạn tính toán ngắn hơn (theo giờ, phút, giây) trong mô hình SWAT............................................................................. 79 5 Hình 3.14. Cài đặt bước thời gian tính toán thời đoạn ngắn hơn (theo giờ, phút, giây) trong mô hình SWAT ................................................................... 80 Hình 3.15. File .cio được sửa file đọc kết quả ................................................ 81 Hình 3.16. File.cio được sửa theo mưa đầu vào thời đoạn ngắn hơn ............. 82 Hình 3.17. File .bsn được sửa để đọc kết quả theo thời đoạn ngắn hơn ......... 83 Hình 3.18. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Đồng Trăng của trận lũ từ 1 - 4/XI năm 2009 ......................................................... 84 Hình 3.19. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Đồng Trăng của trận lũ từ 11-14/XII/2016 ............................................................... 85 Hình 3.20. % Thay đổi lượng mưa 5 ngày lớn nhất theo các kịch bản .......... 87 Hình 3.21. So sánh mức độ phù hợp giữa đường tần suất lý luận và đường thực nghiệm của lượng mưa 5 ngày lớn nhất giai đoạn 1986-2005 ............... 89 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 ................................................... 91 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 ................................................... 92 6 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Diện tích các loại đất đai tỉnh Khánh Hòa ...................................... 14 Bảng 1.2. Cán cân nước các lưu vực[7] .......................................................... 18 Bảng 1.3. Các trạm đo KTTV trên lưu vực sông ........................................... 21 Bảng 1.4. Thay đổi lượng mưa (%) trong 57 năm qua (1958-2014) .............. 29 Bảng 1.5. % Thay đổi lượng mưa 5 ngày lớn nhất theo các kịch bản ............ 29 Bảng 1.6. % thay đổi lượng mưa mùa theo các kịch bản................................ 30 Bảng 3.1. Diện tích các tiểu lưu vực trên lưu vực sông Cái Nha Trang tính đến trạm Đồng Trăng ............................................................................................. 63 Bảng 3.2. Phân loại đất lưu vực sông Cái Nha Trang ..................................... 66 Bảng 3.3. Phân loại các loại thảm phủ lưu vực sông Cái Nha Trang ............. 67 Bảng 3.4. Số liệu mưa đầu vào mô hình SWAT ............................................. 68 Bảng 3.5. Mức độ mô phỏng tương ứng với chỉ số Nash ............................... 70 Bảng 3.6. Kết quả bộ thông số khi hiệu chỉnh mô hình SWAT ..................... 73 Bảng 3.7. % Thay đổi lượng mưa theo mùa theo các kịch bản ...................... 74 Bảng 3.8. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Cái Nha Trang . 85 Bảng 3.9. % Thay đổi lượng mưa 5 ngày lớn nhất theo các kịch bản ............ 87 Bảng 3.10. Bảng số liệu lượng mưa 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày lớn nhất ............ 89 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT A1B, A2 Các kịch bản phát thải khí nhà kính IPCC BĐKH Biến đổi khí hậu DEM Digital Elevation Model (Mô hình số độ cao) DHI Danish Hydraulic Institute (Viện nghiên cứu thủy lực Đan Mạch) ESRI Environmental Systems Research Institute (Viện nghiên cứu hệ thống môi trường) GCM Global Climate Model (Mô hình khí hậu toàn cầu) HEC-HMS Hydrologic Engineering Center’s Hydrologic Modelling System (Hệ thống mô hình hóa thủy văn trung tâm kỹ thuật thủy văn) SCS Soil Conservation Service SWAT Soil and Water Assessment Tool (Mô hình đánh giá môi trường lưu vực sông) KH KTTV& MT Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường WHO World Health Organization 8 LỜI CÁM ƠN Luận văn được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội. Trong quá trình thực hiện, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học về sự hỗ trợ chuyên môn và kĩ thuật. Tác giả cũng xin chân thành cám ơn TS. Nguyễn Xuân Hiển - Giám đốc trung tâm Nghiên cứu Khí tượng Thủy văn biển - Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, cùng các anh chị em trong trung tâm đã tạo điều kiện và giúp đỡ. Đặc biệt, xin bày tỏ sự cám ơn chân thành nhất đến thầy hướng dẫn: PGS.TS Trần Ngọc Anh đã hướng dẫn tận tình và định hướng nghiên cứu để tác giả hoàn thành luận văn này. Học viên Nguyễn Thị Phƣơng 9 MỞ ĐẦU Sông Cái Nha Trang (còn có tên gọi là sông Phú Lộc, sông Cù) là sông lớn nhất tỉnh Khánh Hòa có chiều dài khoảng 79km, tuy ngắn nhưng giữ vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển kinh tế - xã hội tỉnh Khánh Hòa. Nhìn chung, dòng chảy trên lưu vực sông Cái Nha Trang chia thành 2 mùa rõ rệt: Mùa lũ kéo dài 4 tháng, bắt đầu từ tháng IX và kết thúc vào tháng XII. Lũ các sông thuộc lưu vực sông Cái Nha Trang tương tự các sông khác ở khu vực miền Trung, khi có nước tập trung nhanh, lên xuống đột ngột, đường quá trình có dạng răng cưa. Nguyên nhân gây lũ như đã nêu chủ yếu do mưa có cường độ lớn, lũ do các hình thế thời tiết đơn độc gây ra thường là lũ thời kỳ đầu và cuối mùa, đường quá trình lũ có đỉnh nhọn (tháng IX, tháng XII); lũ do tổ hợp nhiều hình thế thời tiết phức tạp thường là thời kỳ giữa mùa lũ (tháng X – XI), đường quá trình lũ kéo dài và có nhiều ngọn kế tiếp nhau. Lượng dòng chảy 4 tháng mùa lũ chiếm từ 65% – 66% lượng dòng chảy cả năm. Tổng lượng dòng chảy (W) phụ thuộc vào độ sâu dòng chảy (Y) và diện tích lưu vực F, có giá trị lớn nhất đối với sông Cái Nha Trang 2319 triệu m3. Mùa kiệt bắt đầu từ tháng I, kết thúc vào tháng VIII, kéo dài tới 8 tháng. Dòng chảy cạn chủ yếu là phần nước còn lại của mùa lũ năm trước sau đó giảm nhanh chóng theo đường nước rút và thường đạt trị số thấp nhất vào thời kỳ cuối tháng III và tháng IV. Lượng dòng chảy tháng III, IV chỉ đạt 2,8% – 3% tổng lượng dòng chảy năm. Sang tháng V, VI một số con lũ tiểu mãn xuất hiện làm lượng dòng chảy mùa cạn đã tăng lên một ít, nhưng còn ở mức thấp. Tháng VII, VIII dòng chảy trên các khu vực tiếp tục giảm chậm, nhiều năm dòng chảy nhỏ nhất năm xảy ra trong thời kỳ này. Tính chung trong toàn tỉnh lượng dòng chảy 8 tháng mùa cạn chỉ chiếm khoảng 34% – 35% tổng lượng dòng chảy năm, trong đó nhu cầu dùng nước trong thời kỳ này lại rất lớn, nếu như không có biện pháp tích trữ và sử dụng nước hợp lý sẽ bị thiếu nước nghiêm trọng. Dòng chảy mùa lũ trên các sông tỉnh Khánh Hòa có xu hướng giảm trong những năm gần đây, số trận lũ ngày càng ít, những năm xuất hiện ít lũ và mực nước 10 đỉnh lũ thấp ngày càng nhiều. Xen kẽ những năm có đỉnh lũ thấp lại có những năm có đỉnh lũ cao, giữa năm 2002 và 2004 là hai năm có mực nước đỉnh lũ năm rất thấp thì xen vào đó là năm 2003 có mực nước đỉnh lũ rất cao. Năm 2006 và 2012 là năm có đỉnh lũ năm rất thấp thì năm 2009 lại xuất hiện lũ lịch sử. Như vậy dòng chảy lũ càng về sau càng không ổn định, có những năm mực nước đỉnh lũ năm rất thấp, xen kẽ vào đó có những năm xuất hiện mực nước đỉnh lũ năm rất cao, tần suất xuất hiện sự bất ổn định dòng chảy lũ ngày càng nhiều. Đây có thể là một trong những biểu hiện của tác động biến đổi khí hậu (BĐKH) đến dòng chảy lũ, những trận mưa lớn tập trung trong thời gian ngắn xuất hiện càng nhiều nên trận lũ lớn xuất hiện nhiều hơn, số trận lũ ngày càng ít đi, mùa lũ có xu hướng ngắn đi, trong đó đặc trưng của BĐKH là tăng tính cực đoan của dòng chảy trong đó có dòng chảy lũ thể hiện ngày càng rõ[7]. Hơn thế nữa, trong những năm gần đây, tác động của thiên tai lũ lụt và BĐKH đã gây ra những hậu quả nghiêm trọng, ảnh hưởng đến đời sống kinh tế và xã hội của người dân trên lưu vực, đặc biệt là khu vực Thành phố Nha Trang phía dưới hạ lưu. Để chỉ ra được sự tác động đó như thế nào thì cần phải hiểu được sự biến đổi khí hậu tác động đến dòng chảy và các hiện tượng thủy văn theo mùa và con lũ như thế nào. Kiến thức và các thông tin này là cần thiết cho việc quy hoạch sử dụng đất để bảo vệ nguồn nước và quản lý hiệu quả lưu vực và cũng rất quan trọng đối với môi trường sinh thái và hoạt động kinh tế xã hội của lưu vực. Để khảo sát bài toán biến đổi dòng chảy trong tương lai ở lưu vực sông Cái Nha Trang trong bối cảnh của biến đổi khí hậu, việc sử dụng các mô hình diễn toán mưa – dòng chảy là phù hợp do các kịch bản BĐKH mới chỉ cung cấp các thông tin về sự biến đổi của các yếu tố khí tượng như nhiệt độ, lượng mưa,... Một số mô hình mưa - dòng chảy được ứng dụng nhiều như: SWAT, HEC-HMS, MIKE-SHE, SAC-SMA, NASIM, HBV v.v trong đó, mô hình SWAT (Arnold và cộng sự, 2002) đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả để đánh giá tài nguyên nước và ô nhiễm với phạm vi lớn và các điều kiện môi trường trên toàn cầu. Đồng thời, mô hình SWAT còn được xây dựng để đánh giá tác động của việc sử dụng đất, của xói mòn và việc sử dụng hoá chất trong nông nghiệp trên một hệ thống lưu vực sông. 11 Bên cạnh đó, mô hình SWAT cũng đã được nhiều tác giả ứng dụng để khảo sát sự biến đổi của dòng chảy dưới các kịch bản về khí hậu và mặt đệm khác nhau và đã chứng tỏ được những ưu điểm. Chính vì vậy luận văn đã lựa chọn sử dụng mô hình SWAT để thực hiện mục tiêu của đề tài, và do đó, “Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy trạm Đồng Trăng, sông Cái Nha Trang, Tỉnh Khánh Hoà” là một đề tài có tính khoa học và thực tiễn, sẽ góp phần lớn đáp ứng yêu cầu phòng chống lũ lụt cho người dân và chính quyền địa phương nhằm giảm thiểu đến mức thấp nhất thiệt hại do lũ lụt gây ra. Việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy trạm Đồng Trăng sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hòa còn nhằm tạo tiền đề cho việc xây dựng các giải pháp giảm thiểu những tác hại do biến đổi khí hậu, giúp nhà quản lý, các nhà hoạch định chính sách xác định chiến lược phát triển kinh tế bền vững và đảm bảo an sinh xã hội. Luận văn có bố cục gồm 3 chương cùng với phần mở đầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo: Chương 1: Tổng quan. Chương 2: Mô hình SWAT. Chương 3: Ứng dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lũ trạm Đồng Trăng, sông Cái Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa. Kết luận và kiến nghị 12 CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Đặc điểm địa lý tự nhiên 1.1.1. Vị trí địa lý Sông Cái Nha Trang là con sông lớn nhất tỉnh Khánh Hòa có vị trí địa lý nằm trong khoảng 120°03' - 120°37' vĩ độ Bắc, 108°41' - 109°12' kinh độ Đông. Sông bắt nguồn từ đỉnh núi phía Tây Bắc xã Khánh Thượng cao 1477.5m, chảy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Khi đến thôn Trang xã Khánh Thượng sông đổi sang hướng Tây - Đông và nhập với sông Chò tại thôn 1 xã Diên Đồng. Sông tiếp tục chảy theo hướng Tây - Đông và nhập với sông Suối Dầu tại Cầu Hà Dừa - thị trấn Diên Khánh, sông đổ ra vịnh Nha Trang tại cầu Trần Phú. Diện tích lưu vực 2000km 2 , chiều dài sông chính 79km, độ rộng bình quân lưu vực là 25.3km với hệ số uốn khúc 1.4, hệ số hình dạng là 0.3, độ dốc sông 3.70/00, mật độ lưới sông 0.8 km/km 2 . Lưu vực sông Cái Nha Trang bao trùm toàn bộ Thành phố Nha Trang, huyện Diên Khánh, Khánh Vĩnh và một phần diện tích của huyện Cam Lâm tỉnh Khánh Hòa và MaĐrăk tỉnh ĐăkLăk. Phía bắc giáp lưu vực sông Dinh Ninh Hòa, phía Nam giáp lưu vực sông Cái Phan Rang, phía Tây giáp lưu vực sông ĐăkRông, phía Đông giáp Biển Đông. 1.1.2. Địa hình, địa mạo Địa hình lưu vực sông Cái Nha Trang có xu hướng dốc dần từ Tây sang Đông, đỉnh núi cao nhất ở phía tây là đỉnh Hòn Giao Bắc có độ cao 2038.2m, khu vực trung du có độ cao phổ biến từ 10 đến 25m, khu vực đồng bằng có độ cao phổ biến từ 2 đến 10m. Độ dốc trung bình vùng núi là 16%, độ dốc trung bình lưu vực 2,8%. Lưu vực sông Cái Nha Trang nằm ở sườn Đông của dãy Trường Sơn, địa hình bị chia cắt nhiều bởi những ngọn núi, khu vực ven biển có những dãy núi đâm ngang ra biển. Khu vực đồng bằng và trung du xen kẽ những đỉnh núi nhỏ có độ cao từ 40 đến 50m, cá biệt có đỉnh núi Chín Khúc có độ cao 592.6m, các quả đồi nhỏ có độ cao 20 đến 30m. Địa hình cao nhất và dốc nhất là khu vực phía Tây nam của lưu 13 vực, khu vực này là thượng nguồn của các nhánh sông đổ vào sông Thác Ngựa là nhánh sông chính của sông Cái Nha Trang. Hình 1.1. Sơ đồ lƣu vực sông Cái Nha Trang 1.1.3. Địa chất, thổ nhƣỡng a. Địa chất Địa chất Khánh Hòa cơ bản thuộc các nhóm: nhóm đá Macma phân bố phần lớn phía Tây tỉnh; nhóm đá phiến phân bố chủ yếu ở Khánh Vĩnh; nhóm trầm tích đệ tứ phân bố vùng ven sông, suối, sườn núi đến chân núi với thành phần bở rời. b. Thổ nhƣỡng Thổ nhưỡng Khánh Hòa gồm nhiều loại đất khác nhau, chủ yếu là: - Nhóm đất đỏ vàng: chiếm tỷ lệ lớn và phân bố rộng, nhất là những vùng đồi núi có Feralit xảy ra mạnh. Đất đỏ vàng phát triển trên đá mẹ phiến thạch ở Khánh Vĩnh. - Đất mùn vàng trên núi cao 900-1000m. - Đất thung lũng có thành phần cơ giới nhẹ đến trung bình và đất phù sa phân bố dọc các sông suối trong tỉnh. 14 - Đất pha cát thành phần cơ giới nhẹ và thô, kết cấu rời rạc, phân bố phần lớn vùng ven biển phía đông.. Bảng 1.1. Diện tích các loại đất đai tỉnh Khánh Hòa Đơn vị: 1000ha Tên đất Ký hiệu Diện tích I. Nhóm đất cát, cồn cát và cát biển C 18,350.0 1. Đất cát biển C 18,350.0 II. Nhóm đất mặn M 8,239.0 1. Đất mặn sú vẹt đước Mm 1,549.0 2. Đất mặn nhiều Mn 674.0 3. Đất mặn ít và trung bình M 6,016.0 III. Nhóm đất phèn S 920.0 1. Đất phèn tiềm tàng Sp2M 920.0 IV. Nhóm đất phù sa P 33,056.0 1. Đất phù sa được bồi chua Pbc 541.0 2. Đất phù sa không được bồi chua Pc 9,243.0 3. Đất phù sa Glei Pg 15,540.0 4. Đất phù sa có tầng loang lổ đỏ vàng Pf 2,481.0 5. Đất phù sa ngòi suối Py 5,251.0 V. Nhóm đất xám và bạc màu X;B 25,332.0 1. Đất xám trên phù sa cổ X;B 3,838.0 2. Đất xám trên đá Macma acid và đá cát Xa 21,494.0 VI. Nhóm đất đỏ vàng F 300,850.0 1. Đất đỏ vàng trên đá biến chất Fs 50,516.0 2. Đất đỏ vàng trên đá Macma acid Fa 239,264.0 3. Đất vàng nhạt trên đá cát Fq 1,833.0 4. Đất đỏ vàng trên phù sa cổ Fp 5,395.0 5. Đất đỏ vàng biến đổi do trồng lúa Fl 3,842.0 VII.Nhóm đất mùn vàng đỏ trên núi H 57,743.0 15 1. Đất mùn vàng đỏ trên đá Macma acid Ha 57,743.0 VIII. Nhóm đất thung D 2,881.0 1. Đất thung do sản phẩm dốc tụ d 2,881.0 IX. Nhóm đất xói mòn trơ sỏi đá E 14,141.0 Cộng (Trừ Trƣờng Sa và sông suối, mặt nƣớc) 61,512.0 (Nguồn: Phân viện QH và TKNN Miền Trung) 1.1.4. Thảm thực vật Vùng thượng lưu sông Cái Nha Trang chủ yếu là rừng nguyên sinh lá rộng, xen kẽ là rừng hỗn giao tre nứa và trảng cỏ cây bụi. Tùy theo độ cao của địa hình có sự phân hóa về thảm phủ thực vật như sau: - Khu vực đỉnh núi ở độ cao trên dưới 2000m: Thảm thực vật thân gỗ chỉ cao khoảng 7 - 10m, tán xen kẽ. Sự phân tầng của thảm thực vật không thật sự rõ rệt. Ở đây chủ yếu là sự góp mặt của các loài thực vật có nhiều thân trên một gốc. Trên thân cây phủ lớp rêu mỏng. Một số loài thực vật bì sinh phát triển trên cành, nhánh cây. Điểm đáng lưu ý là các sườn của đỉnh núi rất dốc, nhưng vẫn được bao phủ bởi thảm thực vật rừng khá dày với sức sống tốt. Dưới tán rừng, lớp lá rụng 3 - 4cm với quá trình phân giải chậm. Cây có độ cao đạt tới 10m, đường kính 50 - 100cm, tán đan xen. Cây có sự phân cành sớm, ở độ cao khoảng 2 - 3m. - Khu vực đỉnh - sườn núi ở độ cao 1400 - 1700m: Rừng á nhiệt đới thường xanh cây lá rộng và cây lá rộng, lá kim núi trung bình. Rừng có diện tích lớn với cây đa trội và cấu trúc thảm phức tạp. Rừng phân ra nhiều tầng nhưng có 2 tầng chủ đạo, các tầng trung gian không liên tục, xen kẽ nhau. Ngoài ra ở độ cao này còn có rừng lá kim núi trung bình (rừng thông 3 lá tự nhiên). - Khu vực có độ cao dưới 1400m: Rừng chủ yếu là rừng trồng, loại cây lá rộng thường là cây keo, cao su, cà phê, hồ tiêu, ca cao và cây lá kim là cây thông. - Khu vực trung du có độ cao dưới 100m thường là các trảng cây cỏ bụi, các cây lá rộng với tán cây có đường kính từ 2 đến 4m, thân cây có đường kính từ 10 đến 30cm, độ cao từ 2 đến 5m. Các cây được trồng chủ yếu là mía và cây keo từ 2 đến 5 năm tuổi. 16 Theo niên giám thống kê tỉnh Khánh Hòa, khu vực trung du và đồng bằng lưu vực sông Cái Nha Trang là đất nông nghiệp với diện tích 1262.2km2, đất phi nông nghiệp với diện tích 131.1km2, đất chưa sử dụng 363.9km2. 1.1.5. Khí hậu Nhìn chung lưu vực sông Cái Nha Trang tỉnh Khánh Hòa chịu sự chi phối chung của khí hậu nội chí tuyến nhiệt đới gió mùa, có ảnh hưởng khí hậu đại dương. So với các vùng phía Bắc thì mùa đông ít lạnh hơn, mùa khô nóng kéo dài hơn; so với các vùng phía Nam thì mùa mưa muộn hơn. Mùa khô bắt đầu từ tháng I và kết thúc vào tháng VIII, trong mùa khô xuất hiện thời kỳ mưa tiểu mãn vào khoảng trung tuần tháng V đến hạ tuần tháng VI; mùa mưa, bắt đầu từ tháng IX và kết thúc vào trung tuần tháng XII. a. Mƣa Do địa hình phức tạp nên lượng mưa giữa các khu vực có sự chênh lệch nhau khá lớn. Lượng mưa trung bình năm trên lưu vực sông Cái Nha Trang thì lớn hơn khoảng từ 1300 - 1931mm. Tổng lượng mưa mùa mưa khoảng 900 - 1059mm, chiếm khoảng 67 - 75% lượng mưa năm; tổng lượng mưa mùa khô khoảng 300 - 450mm. Những trận mưa, lũ lớn chủ yếu tập trung vào tháng X và XI. b. Nhiệt độ không khí Nhiệt độ trung bình năm ở vùng đồng bằng và ven biển dao động từ 26,3°C đến 26,9°C, lên đến độ cao 400m nhiệt độ giảm xuống khoảng 23,0 -24,0°C. Nhìn chung trong năm ít xảy ra các đợt nắng nóng kéo dài nhiều ngày gây ảnh hưởng lớn đến sản xuất và đời sống. c. Độ ẩm tƣơng đối Độ ẩm khá thấp, trung bình năm vào khoảng 80% tại Nha Trang. Hàng năm chỉ có 2 - 3 tháng đầu mùa đông (tháng X, XI, XII) là khá ẩm với độ ẩm trung bình 85%. Còn trong nửa cuối mùa đông độ ẩm giảm xuống 80 - 83%. Tháng ẩm nhất là tháng XI có độ ẩm khoảng 85 - 87%. d. Bốc hơi 17 Tổng lượng bốc hơi trung bình nhiều năm dao động từ 1000 - 1100mm/năm tức là bằng 2/3 lượng mưa. Trong 3 tháng (từ tháng VI - VIII), mỗi tháng lượng bốc hơi đạt tới 120 - 150mm, vượt quá lượng mưa các tháng này. Thời kỳ bốc hơi ít nhất là các tháng mùa mưa, từ tháng X - XII, lượng bốc hơi chỉ khoảng 60 - 80mm. f. Gió và bão Hướng gió thịnh hành mùa đông là hướng Đông Bắc hoặc Bắc; mùa hè, hướng gió thịnh hành là hướng Tây và Tây Nam. 1.1.6. Thủy văn – Hải văn Thủy triều Thuỷ triều ở Nha Trang là chế độ nhật triều không đều, trong một tháng có khoảng 20 ngày là chế độ nhật triều. Trong thời kỳ triều cường, nước triều lớn nhất từ 1,8 - 2,3m (tính theo 0 Hải đồ), mực nước triều nhỏ nhất từ 0,4 - 0,8m. Trong năm, các tháng XI, XII, I, II luôn luôn xuất hiện thời kỳ triều cường có mực nước đỉnh triều cao nhất năm và các tháng VI, VII, VIII luôn xuất hiện thời kỳ triều cường có mực nước đỉnh triều thấp nhất năm. Nguyên nhân là do về các tháng mùa đông xuất hiện trường gió Đông Bắc tạo nước dềnh phía Tây Biển Đông. Một nguyên nhân nữa là do ảnh hưởng của ATNĐ và bão đã tạo nên nước dâng ở vùng bờ biển. Khi xét ảnh hưởng của lũ và triều ta thấy khi gặp triều lên mực nước có thể dâng cao hơn trường hợp không có triều từ 20 - 30cm, khi triều xuống mực nước có thể chênh lệch so với mực nước không ảnh hưởng triều từ 9 - 10cm. Dòng chảy năm Dòng chảy trên các sông chủ yếu do mưa cung cấp, nên sự phân bố của dòng chảy tương tự sự phân bố của mưa. Độ sâu dòng chảy trên lưu vực sông Cái Nha Trang là 1159mm. 18 Bảng 1.2. Cán cân nƣớc các lƣu vực[7] STT Tên lƣu vực Sông Cái Nha Trang Diện tích F(km 2 ) Mƣa Xo (mm) Dòng chảy Yo(mm) Bốc hơi Zo(mm) Hệ số dòng chảy Tổng lƣợng dòng chảy (km 3 ) 1 Trong tỉnh 1840 1808 1129 679 0.62 2078 2 Ngoài tỉnh 160 2248 1496 752 0.66 239 3 Toàn bộ 2000 1931 1159 772 0.60 2319 Lượng dòng chảy 4 tháng mùa lũ chiếm từ 65% - 66% lượng dòng chảy cả năm, lượng dòng chảy 8 tháng mùa cạn chỉ chiếm từ 34% - 35% lượng dòng chảy cả năm. Tổng lượng dòng chảy (W) sông Cái Nha Trang 2319km3. Dòng chảy lũ giai đoạn những năm gần đây a) Chế độ dòng chảy mùa lũ Mùa lũ trên các sông suối tỉnh Khánh Hòa bắt đầu từ tháng IX đến tháng XII. Nguyên nhân chủ yếu do vùng thấp, áp thấp, bão hoặc cũng có thể do không khí lạnh kết hợp với vùng thấp. Hàng năm trên các sông suối tỉnh...rson (1973) được dùng trong mô hình SWAT để xác định dòng chảy mặt. Tốc độ thấm theo Mein and Larson (1973) được xác định như sau:           tinf, vwf etinf, F 1Kf (2.9) Trong đó: finf là tỷ lệ thấm tại thời điểm t (mm/giờ) Ke là hệ số thấm thuỷ lực (mm/giờ) wf là tiềm năng tại bề mặt phân cách (mm) v là sự thay đổi thể tích ẩm qua bề mặt phân cách (mm/mm) Finf là lượng thấm luỹ tích tại thời điểm t (mm) 39 Khi cường độ mưa nhỏ hơn cường độ thấm, tất cả lượng nước mưa rơi xuống sẽ bị thấm trong suốt quãng thời gian đó và lượng thấm trong thời đoạn này sẽ được tính như sau: t1tinf,tinf, RFF   (2.10) trong đó: Finf,t là lượng thấm luỹ tích tại bước thời gian tính toán (mm) Finf,t-1 là lượng thấm luỹ tích tại bước thời gian tính toán trước (mm) Rt là lượng mưa trong bước thời gian tính toán (mm) Tốc độ thấm được xác định trong phương trình (2.9) chính là hàm số của thể tích thấm mà nó là hàm số của tốc độ thấm tại thời điểm trước đó. Thay dt dF f infinf , khi đó phương trình (2.9) được viết lại như sau:            vwf1tinf, vwftinf, vwfe1tinf,tinf, F F lntKFF (2.11) Để giải phương trình (2.11) dùng phương pháp giải lặp để xác định lượng thấm luỹ tích tại cuối thời điểm tính toán. Thông số độ dẫn thuỷ lực trong phương trình Green & Ampt được xác định theo độ dẫn thuỷ lực ở trạng thái bão hoà. Độ dẫn thuỷ lực được tính theo công thức sau: 2 )062,0exp(051,01 82,56 286,0     CN K K sate (2.12) Trong đó: Ke là độ dẫn thuỷ lực (mm/giờ) Ksat là độ dẫn thuỷ lực ở trạng thái bão hòa (mm/giờ) CN là chỉ số đường cong trong phương pháp SCS 40 Bề mặt ướt tiềm năng được tính như là hàm số của độ rỗng, phần trăm đất sét và phần trăm cát.                    soils soilccssoilc soilssoilscs soilcsoil wf m mmmm mmmm m      2 2222 22 22 000799,0 003479,00000136,0001602,0 00168,0049837,0000344,0 809479,3001583,032561,75309,6 exp10 (2.13) Trong đó: soil là độ rỗng của đất (mm/mm) mc là phần trăm đất sét (%) ms là phần trăm cát (%) Với mỗi bước thời gian tính toán, mô hình SWAT tính toán tổng lượng nước thấm vào trong đất. Lượng nước thấm sẽ không sinh ra dòng chảy mặt. 2. Lƣu lƣợng đỉnh lũ Lưu lượng đỉnh lũ là lượng dòng chảy lớn nhất mà nó xuất hiện ứng với một lượng mưa lớn nhất. SWAT tính lượng dòng chảy đỉnh lũ bằng phương pháp mô phỏng hợp lý. Phương pháp này được sử dụng trong việc thiết kế kênh mương hay hệ thống điều khiển dòng chảy. Phương pháp này dựa trên giả thiết: nếu một trận mưa có cường độ i bắt đầu tại thời gian t = 0 và tiếp tục kéo dài, lượng dòng chảy sẽ tiếp tục tăng cho đến thời điểm t=tconc (thời gian tập trung nước trên lưu vực), khi đó toàn bộ các lưu vực thành phần sẽ đóng góp cho dòng chảy tại mặt cắt cửa ra của lưu vực. Công thức tính lưu lượng đỉnh lũ khi đó sẽ là: 6,3 AreaiC qpeak   (2.14) Trong đó: qpeak là lưu lượng đỉnh lũ (m 3 /s) C là hệ số lưu lượng I là cường độ mưa (mm/giờ) Area là diện tích lưu vực (km2) 3,6 là hệ số chuyển đổi 3. Thời gian tập trung nƣớc 41 Thời gian tập trung nước là thời gian để cho một chất điểm nước ở một thời điểm nào đó trên lưu vực di chuyển về tuyến cửa ra. Thời gian tập trung nước trên lưu vực bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn tập trung nước trên bề mặt lưu vực và giai đoạn tập trung nước trong lòng sông về tuyến cửa ra. Thời gian tập trung nước trên lưu vực được tính bằng công thức sau: chovconc ttt  (2.15) trong đó: tconc là thời gian tập trung nước của lưu vực (giờ) tov là thời gian chảy truyền (giờ) tch là thời gian tập trung nước trong kênh (giờ) Thời gian chảy truyền hay còn gọi là thời gian tập trung nước trên bề mặt lưu vực được tính toán theo phương trình sau: ov slp ov v3600 L t   (2.16) trong đó: Lslp là độ dài sườn dốc của lưu vực (m) vov là đốc độ tập trung dòng chảy trên bề mặt lưu vực (m/s) 3600 là hệ số đổi đơn vị Tốc độ tập trung nước trên bề mặt lưu vực được xác định theo phương trình Manning: 6,0 3,04,0 ov ov n slpq v   (2.17) trong đó: qov là tỷ lệ dòng chảy mặt trung bình (m 3 /s) slp là độ dốc trung bình của lưu vực (m/m) n là hệ số nhám Manning của lưu vực Hệ số nhám Manning n phụ thuộc vào đặc tính bề mặt đất của lưu vực. Thời gian tập trung nước trong kênh được tính theo phương trình sau: 42 c c ch v6,3 L t   (2.18) Trong đó: Lc là chiều dài kênh (km) vc là tốc độ chảy trong kênh (m/s) 3,6 là hệ số chuyển đổi đơn vị Chiều dài trung bình kênh được xác định theo công thức sau: cenc LLL  (2.19) trong đó: L là chiều dài kênh chính từ điểm xa nhất đến mặt cắt cửa ra (km) Lcen là khoảng cách dọc theo kênh tới tâm của lưu vực (km) Tốc độ chảy truyền trong kênh được tính theo phương trình Manning với giả thiết tỷ lệ chiều rộng với chiều sâu là 10:1 và được tính theo công thức sau: 75,0 375,0 ch 25,0 ch c n slpq489,0 v   (2.20) trong đó: vc là vận tốc chảy trung bình trong kênh (m/s) qch là tỷ lệ dòng chảy trung bình trong kênh (m 3 /s) slpch là độ dốc đáy kênh (m/m) n là hệ số nhám Manning của kênh 4. Hệ số dòng chảy Hệ số dòng chảy là tỷ lệ giữa dòng chảy đến với lượng dòng chảy đỉnh lũ. Hệ số dòng chảy thay đổi tuỳ thuộc từng trận mưa và được tính theo công thức sau: day surf R Q C  (2.21) trong đó: C là hệ số dòng chảy Qsurf là lớp dòng chảy mặt (mm) 43 Rday là lượng mưa ngày (mm) Trong mô hình SWAT, tác giả dùng công thức sau để tính lưu lượng đỉnh lũ: conc surftc peak t6,3 AreaQ q    (2.22) Cơ sở của công thức này là công thức (2.14). Trong đó tc là hệ số lượng mưa rơi xuống trong thời gian tập trung nước và được tính theo công thức sau:  )1ln(t2exp1 5,0conctc  (2.23) trong đó 0,5 là hệ số lượng mưa rơi xuống trong thời đoạn 30 phút lớn nhất. 5. Hệ số trễ dòng chảy mặt Đối với những lưu vực lớn có thời gian tập trung nước lớn hơn 1 ngày, chỉ một phần lưu lượng bề mặt sẽ đóng góp cho kênh chính. Trong mô hình SWAT sẽ dùng hệ số lượng trữ để mô tả phần dòng chảy không đóng góp cho kênh chính trong ngày. Khi dòng chảy mặt được tính toán theo phương pháp SCS hoặc phương trình thấm Green & Ampt thì lượng dòng chảy đóng góp cho kênh được tính như sau:                 conc 1i,stor ' surfsurf t surlag exp1)QQ(Q (2.24) trong đó: Qsurf là tổng lượng dòng chảy bề mặt trong kênh chính trong thời đoạn một ngày (mm) Q’surf là lớp dòng chảy sinh ra trên lưu vực trong một ngày (mm) Qsto r, i-1 là lượng dòng chảy bề mặt được lưu trữ từ thời đoạn trước (mm) Surlag là hệ số trễ tconc là thời gian tập trung dòng chảy trên lưu vực (giờ) 6. Tính tổn thất dọc đƣờng Đối với những lưu vực khô và bán khô hạn sẽ có nhiều nhánh sông bị cạn kiệt, do đó sẽ tổn thất một lượng lớn dòng chảy trong kênh. Những tổn thất này sẽ 44 làm giảm tổng lượng lũ truyền xuống hạ lưu tại mặt cắt cửa ra. Lưu lượng dòng chảy sau khi khấu trừ tổn thất dọc đường sẽ được tính toán theo phương trình sau: thri,Qsurf thri,Qsurf i,Qsurfxx f,Qsurf volvol volvol volba 0 vol         (2.25) trong đó: volQsurf,f là tổng lượng dòng chảy sau khi khấu trừ tổn thất dọc đường (m 3 ) ax là hệ số triết giảm do bị chặn bx là hệ số triết giảm theo độ dốc volQsurf,i là tổng lượng dòng chảy trước khi khấu trừ tổn thất (m 3 ) volthr là tổng lượng dòng chảy ngưỡng của kênh dẫn được xác định theo phương trình sau: x x thr b a vol  (2.26) Khi đó, lưu lượng đỉnh lũ sẽ được xác định theo phương trình sau:   i,peakxi,Qsurfxx flw f,peak qbvol)b1(a )dur3600( 1 q    (2.27) trong đó: qpeak,f là lưu lượng đỉnh lũ sau khi khấu trừ tổn thất (m 3 /s) durflw là bước thời gian tính toán (giờ) Bước thời gian tính toán được tính theo phương trình sau: peak surf flw q6,3 AreaQ dur    (2.28) 7. Tổn thất do bốc hơi 7.1. Lƣu trữ trong tán cây Tán cây có ảnh hưởng đến quá trình thấm, dòng chảy bề mặt và bốc thoát hơi. Khi mưa rơi xuống, tán cây có khả năng làm giảm năng lượng xói mòn của hạt mưa, và giữ lại một phần lượng mưa trong các tán cây. Ảnh hưởng của tán cây được biểu thị qua hàm số của mật độ che phủ của cây và hình thái của những loại cây. 45 Khi tính toán dòng chảy mặt, phương pháp chỉ số đường cong SCS xét đến lượng ngăn chặn của tánthông qua hệ số lượng trữ ban đầu và hệ số triết giảm. Khi sử dụng phương trình thấm Green & Ampt để tính toán lưu lượng và lượng thấm, khả năng trữ nước của tán phải được tính riêng rẽ. Mô hình SWAT cho phép tính lượng nước tối đa mà nó được lưu trữ lại trong tán cây thay đổi theo thời gian như một hàm của chỉ số phủ lá: mx mxday LAI LAI cancan  (2.29) trong đó: canday là lượng nước lớn nhất có thể bị chặn bởi tán cây trong thời đoạn một ngày (mm) canmx là lượng nước lớn nhất có thể bị chặn bởi tán cây trong thời đoạn vòm phát triển hoàn toàn (mm) LAI là chỉ số phủ lá trong ngày LAImx là chỉ số phủ lá lớn nhất Khi mưa rơi xuống, tán cây sẽ tích đầy nước trước, sau đó nước mưa mới có thể rơi xuống bề mặt đất: ' day)i(INT)f(INT RRR  và Rday=0 khi )i(INTday ' day RcanR  (2.30) day)f(INT canR  và )( )( ' iINTdaydayday RcanRR  khi )i(INTday ' day RcanR  (2.31) trong đó: RINT(i) là lượng nước ban đầu trữ trên vòm (mm) INT(t) là lượng nước cuối cùng trữ trên vòm (mm) R’day là lượng mưa ngày (mm) can day là lượng mưa trong ngày mà nó rơi xuống bề mặt đất (mm) 7.2 Lƣợng bốc thoát hơi tiềm năng (PET) Thornthwaite đã định nghĩa bốc thoát hơi tiềm năng như sau: Bốc thoát hơi tiềm năng là lượng bốc thoát hơi có thể xảy ra trên một vùng rộng lớn được bao phủ 46 bởi một loại cây đồng nhất. Ngoài ra còn có định nghĩa của Penman (1956) về bốc thoát hơi tiềm năng. Có rất nhiều phương pháp đã được xây dựng để xác định lượng bốc thoát hơi tiềm năng. Trong mô hình SWAT sử dụng 3 phương pháp để xác định PET, đó là: - Phương pháp Penman-Monteith (Monteith, 1965; Allen, 1986; Allen et al., 1989) - Phương pháp Priestley-Taylor (Priestley and Taylor, 1972) - Phương pháp Hargreaves (Hargreaves et al., 1985). Ba phương pháp dùng để tính PET nêu trên đòi hỏi các yêu cầu khác nhau về số liệu. Phương pháp Penman-Monteith đòi hỏi số liệu về bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và tốc độ gió. Phương pháp Priestley-Taylor đòi hỏi số liệu về bức xạ mặt trời, nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối. Phương pháp Hargreaves đòi hỏi số liệu về nhiệt độ không khí. Chi tiết các phương pháp này xem trong SWAT User Manual Version 2012. 7.3 Lƣợng bốc thoát hơi thực tế Lượng bốc thoát hơi thực tế được xác định khi biết lượng bốc thoát hơi tiềm năng. Trong mô hình SWAT tính toán lượng bốc hơi từ lớp nước mưa bị chặn trên tán cây, sau đó tính toán lượng bốc thoát hơi qua thảm phủ, lượng bốc thoát hơi từ lớp đất. 7.3.1 Lƣợng bốc thoát hơi của lƣợng mƣa bị chặn Lượng mưa bị giữ lại trên tán cây có thể bị bốc hơi. Nếu lượng bốc hơi tiềm năng Eo nhỏ hơn lượng nước tự do trữ trong tán cây RINT thì khi đó: ocana EEE  (2.32) can)i(INT)f(INT ERR  (2.33) trong đó: Ea là lượng bốc thoát hơi thực tế trên lưu vực trong một ngày (mm) Ecan là lượng bốc thoát hơi từ bề mặt nước tự do trữ trong tán cây trong một ngày (mm) Eo là bốc thoát hơi tiềm năng trong một ngày (mm) 47 RINT(i) là lượng nước trữ trong tán cây tại đầu thời điểm tính toán (mm) RINT(f) là lượng nước trữ trong tán cây tại cuối thời điểm tính toán (mm) Nếu lượng bốc hơi tiềm năng Eo lớn hơn lượng nước tự do trữ trong tán cây RINT thì khi đó: )i(INTcan RE  (2.34) 0R )f(INT  (2.35) 7.3.2 Lƣợng bốc thoát hơi của cây trồng Lượng bốc thoát hơi của cây trồng được tính theo phương trình sau: 0,3 LAIE E ' 0 t   Khi 0,3LAI0  (2.36) ' 0t EE  Khi LAI >3,0 (2.37) trong đó: Et là lượng thoát hơi nước cực đại trong ngày (mm) Eo’là bốc thoát hơi tiềm năng hiệu chỉnh đối với bốc hơi từ bề mặt nước tự do trong vòm (mm) LAI là chỉ số phủ lá Lượng bốc thoát hơi nước được tính toán bởi phương trình trên chính là lượng bốc thoát hơi nước có thể xảy ra với giả thiết cây trồng phát triển trong điều kiện lý tưởng. Trong thực tế, lượng bốc thoát hơi nước có thể nhỏ hơn do sự thiếu hụt nước trong đất. 7.3.3 Lƣợng bốc thoát hơi từ đất Lượng bốc thoát hơi từ đất phụ thuộc vào độ nghiêng chiếu sáng của mặt trời. Lượng bốc thoát hơi lớn nhất từ đất trong một ngày được tính toán theo phương trình sau: sol ' 0s covEE  (2.38) trong đó: Es là lượng bốc thoát hơi lớn nhất từ đất trong một ngày (mm) 48 E’o là lượng bốc thoát hơi tiềm năng hiệu chỉnh đối với bốc hơi từ bề mặt nước tự do trong vòm (mm) Covsol là chỉ số đất Chỉ số đất được tính theo phương trình sau: )CV10x0,5exp(cov 5sol   (2.39) trong đó: CV là chỉ số sinh vật trên bề mặt và trong đất (kg/ha). 2.3.2. Quá trình hình thành dòng chảy ngầm Trong mô hình SWAT chia dòng chảy ngầm thành hai thành phần: nước ngầm tầng nông hay còn gọi là dòng chảy sát mặt và nước ngầm tầng sâu hay còn gọi là dòng chảy ngầm. Nước ngầm là nước chứa trong tầng bão hoà dưới bề mặt đất. Nước vào tầng bão hoà chủ yếu do thấm. 1. Tầng ngậm nƣớc nông (Tầng sát mặt ) Phương trình cân bằng nước cho tầng sát mặt như sau: sh,pumpdeeprevapgwrchrg1j,shj,sh wwwQwaqaq   (2.40) trong đó: aqsh,j là lượng nước trữ trong tầng sát mặt trong ngày thứ i (mm) qsh,j-1 là lượng nước trữ trong tầng sát mặt trong ngày thứ i-1 (mm) Wrchrg là lượng nước đi vào tầng nước sát mặt ngày thứ i (mm) Qgw là dòng chảy ngầm đi vào kênh chính của ngày thứ i (mm) Wrevap là lượng nước di chuyển vào trong đất (lượng nước thiếu hụt) của ngày thứ i (mm) Wdeep là lượng nước thấm từ tầng ngậm nước sát mặt xuống tầng ngậm nước ngầm của ngày thứ i (mm) Wpump,sh là lượng nước di chuyển khỏi tầng nước sát mặt do bơm trong ngày thứ i (mm) Lượng nước đi vào tầng sát mặt trong ngày thứ i được tính theo phương trình sau: 49      1i,rchrggwseepgwi,rchrg w/1expw/1exp1w  (2.41) trong đó: gw là thời gian trì hoãn (ngày) wseep là lượng nước ở lớp đáy mặt cắt đất trong ngày thứ i (mm) wrchrg,i-1 là lượng nước đi vào tầng sát mặt ngày thứ i (mm) Tổng lượng nước có trong lớp đáy của mặt cắt đất trong ngày thứ i được tính theo phương trình sau: btm,crknly,percseep www   (2.42) trong đó: Wperc,ly=n là lượng nước thấm qua lớp đất cuối cùng của mặt cắt đất trong ngày thứ i (mm) Wcrk,btm là tổng lượng nước chuyển động trên tầng biên của lớp đất trong ngày thứ i (mm) Lượng nước ở tầng sát mặt đi vào kênh chính được xác định theo phương trình sau: wtbl2 gw sat gw h L K8000 Q    (2.43) trong đó: Lgw là khoảng cách từ đường biên lưu vực đến hệ thống dòng chảy ngầm của kênh chính (m) hwtbl là chiều cao mặt nước (m) Dao động của mực nước ngầm được tính theo phương trình sau:    800 gwrchrgwtbl Qw dt dh (2.44) trong đó: dt dh wtbl là sự thay đổi chiều cao mặt nước theo thời gian (mm/ngày)  là cường suất của tầng ngậm nước nông (m/m) 50 Thay phương trình (1.53) và (1.54) ta có:    gwrchrggwgwrchrg2 gw satgw QwQw L K 10 dt dQ    (2.45) Tích phân phương trình trên, sau khi rút gọn ta có :    )texp1(wtexpQQ gwrchrggw1i,gwi,gw   (2.46) Lượng nước thấm từ tầng ngậm nước sát mặt xuống tầng ngậm nước ngầm của ngày thứ i được xác định theo phương trình sau: )( )( 0 ,,, ,,,,, , mxrevaprvpshthrshmxdeepdeep mxrevaprvpshthrshrvpshthrrvpshthrmxdeepdeep rvpshthrshdeep waqaqifww waqaqaqifaqww aqaqifw    (2.47) 2. Tầng ngậm nƣớc sâu (Tầng ngầm) Phương trình cân bằng nước cho tầng ngầm là: dp,pumpdeep1i,dpi,dp wwaqaq   (2.48) trong đó: aqdp,i là lượng nước trữ vào tầng ngầm ngày thứ i (mm) aqdp,i-1 là lượng nước trữ vào tầng ngầm ngày thứ i-1 (mm) wdeep là lượng nước ngấm từ tầng sát mặt vào tầng ngầm trong ngày thứ i(mm) wpump,dp là lượng nước bơm ra khỏi tầng ngầm vào ngày thứ i (mm) 2.3.3. Quá trình diễn toán dòng chảy trong 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 vự...á 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.