ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

––––––––––––––––––––––––––––––

NGUYỄN THỊ PHƢƠNG

ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

ĐẾN DÒNG CHẢY TRẠM ĐỒNG TRĂNG, SÔNG CÁI NHA TRANG

TỈNH KHÁNH HOÀ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2017

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-------------------------

NGUYỄN THỊ PHƢƠNG

ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

ĐẾN DÒNG CHẢY TRẠM ĐỒNG TRĂNG, SÔNG CÁI NHA TRANG

TỈNH KHÁNH HOÀ

Chuyên ngành: 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

2000km2, 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/km2.

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 363.9km

2.

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(km2)

Mƣa

Xo

(mm)

Dòng chảy

Yo(mm)

Bốc hơi

Zo(mm)

Hệ số

dòng

chảy

Tổng

lƣợng

dòng

chảy

(km3)

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 Khánh Hòa xuất hiện

từ 1 đến 4 trận lũ, trung bình có 2,3 trận lũ trong năm, cá biệt một số năm không

xuất hiện lũ. Số lượng các trận lũ ở tỉnh Khánh Hòa không nhiều so với các tỉnh

khác ở khu vực Nam Trung Bộ do đặc điểm khí hậu ở đây ôn hòa hơn, không khắc

nghiệt như các vùng khác thuộc khu vực Nam Trung Bộ. Các trận lũ lớn chủ yếu

xảy ra từ tháng X đến tháng XI, đó là thời kỳ hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới,

bão ảnh hưởng mạnh nhất đối với khu vực Nam Trung Bộ, mặt khác đây cũng là

thời kỳ rãnh thấp xích đạo đi qua khu vực tỉnh Khánh Hòa.

Tốc độ dòng chảy lớn nhất trên sông Cái Nha Trang đạt 2.96m/s xuất hiện vào

năm 1999. Nhìn chung, tốc độ dòng chảy của các sông tỉnh Khánh Hòa không lớn lắm.

Tốc độ dòng chảy chịu ảnh hưởng bởi khả năng tập trung nước sườn dốc lưu vực, độ

dốc và mặt cắt ngang sông. Trong những năm gần đây diện tích rừng bị thu hẹp nhiều

và mức độ che phủ rừng giảm do chặt phá rừng đầu nguồn làm mức độ tập trung dòng

chảy sườn dốc nhanh. Độ dốc địa hình và lòng sông giảm trong những năm gần đây do

19

bào mòn bề mặt lưu vực mạnh, lòng sông độ dốc giảm do xói mòn đáy sông vùng

thượng lưu vì vùng núi là khu vực có dòng chảy rối và dòng chảy xiết. Hiện tượng khai

thác cát cũng làm tăng đáng kể diện tích mặt cắt ngang sông. Do giảm độ dốc bề mặt,

lòng sông và mở rộng mặt cắt ngang đã là nguyên nhân tốc độ dòng chảy trong sông

những năm gần đây giảm so với những năm trước. Ngoài ra, tốc độ dòng chảy trong

sông còn phụ thuộc chế độ mưa, những biến đổi lượng mưa là nguyên nhân chính thay

đổi chế độ dòng chảy sông ngòi trong đó có vận tốc dòng chảy trong sông.

Biên độ lũ trung bình tại trạm Đồng Trăng là 6.2m, lớn nhất là 9.11m trong

trận lũ tháng XI năm 2009. Cường suất lũ trung bình tại trạm Đồng Trăng là 0.75m/h,

lớn nhất là 2.01m/h xuất hiện trong trận lũ tháng XI năm 1978. Biên độ và cường

suất lũ tại trạm thủy văn phụ thuộc vào đặc điểm mưa của từng đợt mưa trên các lưu

vực sông. Đối với tỉnh Khánh Hòa, các lưu vực sông thuộc loại vừa và nhỏ, trong khi

đó các trận mưa lũ lớn xảy ra trên diện rộng do các hình thế thời tiết lớn gây ra nên

đặc điểm mưa của các trận mưa lớn trên các lưu vực sông có sự khác nhau là do tác

động của địa hình. Ngoài ra, địa hình, thảm phủ thực vật, đặc điểm hình dạng sông

cũng tác động đáng kể đến biên độ và cường suất lũ. Nhìn chung, cường suất và biên

độ lũ vùng thượng lưu lớn hơn vùng hạ lưu, lưu vực sông hình dạng cành cây như

sông Cái Nha Trang có biên độ và cường suất lũ cao.

b) Một số trận lũ điển hình

Theo số liệu thống kê, trong thời gian gần đây, trên địa bàn tỉnh Khánh Hoà

xuất hiện 1 số trận lũ lịch sử, gây thiệt hại lớn về người và của.

Trận lũ lịch sử năm 2009 với mực nước đỉnh lũ đạt 13.42m xuất hiện vào lúc

21h ngày 03 tháng XI, cường suất lũ đạt 0.98m/h, biên độ lũ đạt 9.11m. Lưu lượng

đỉnh lũ đạt 2730m3/s, thời gian xuất hiện lũ từ ngày 01 đến ngày 29 tháng XI. Đây

là trận lũ có cường suất lũ lên nhanh.

20

Hình 1.2. Đƣờng mực nƣớc trận lũ lịch sử năm 2009

Trận lũ lớn năm 1998 với mực nước đỉnh lũ đạt 13.12m vào hồi 18h ngày 11

tháng XII, cường suất lũ lên cao nhất đạt 0.50m/h, biên độ lũ đạt 7.37m. Lưu lượng

đỉnh lũ đạt 2,037m3/s, thời gian xuất hiện từ ngày 9 đến ngày 12 tháng XII. Đường

quá trình lũ lên từ từ nhưng xuống nhanh.

Hình 1.3. Đƣờng mực nƣớc trận lũ lớn năm 1998

Trận lũ lớn năm 2010 với mực nước đỉnh lũ đạt 12.66m xuất hiện vào lúc

15h ngày 05 tháng XI, cường suất lũ lớn nhất đạt 0.79m/h, biên độ lũ đạt 8,14m.

Lưu lượng đỉnh lũ đạt 1,890m3/s, thời gian của trận lũ kéo dài từ ngày 29 tháng X

đến ngày 13 tháng XI. Trận lũ này có đường quá trình diễn biến rất phức tạp với lũ

kép 3 đỉnh (Hình 1.4).

Nhận xét chung:

350

550

750

950

1150

1350

1550

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116

550

650

750

850

950

1050

1150

1250

1350

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 101 105

cm

giờ

cm

giờ

21

Qua số liệu thống kê ở trên có thể thấy rằng các trận lũ lớn thừờng xảy ra vào

tháng XI kéo dài 4-5 ngày. Càng về sau, lũ xuất hiện càng phức tạp hơn gây bất lợi

nghiêm trọng cho người dân phía dưới hạ lưu.

Hình 1.4. Đƣờng mực nƣớc trận lũ lớn năm 2010

1.1.7. Mạng lƣới trạm khí tƣợng thủy văn trên lƣu vực sông

Hiện trên địa bàn tỉnh Khánh Hoà, có tất cả 4 trạm đo cơ bản (Hình 1.1)

Trong đó, có 1 trạm khí tượng Nha Trang, 1 trạm mưa Khánh Vĩnh, 2 trạm thuỷ văn

là Diên An đo mực nước và Đồng Trăng đo lưu lượng, mực nước, mưa.

Bảng 1.3. Các trạm đo KTTV trên lƣu vực sông

STT Tên trạm Vị trí Yếu tố

đo

Thời gian

đo Ghi chú

1 Nha Trang TP. Nha Trang X,… 1976- nay Trạm cơ bản

2 Diên An Thị trấn Diên Khánh H 1976-1985 Trạm cơ bản

3 Đồng Trăng Diên Lâm, Diên Khánh H,Q,X 1976- nay Trạm cơ bản

4 Khánh Vĩnh Thị trấn Khánh Vĩnh X 1976- nay Trạm cơ bản

1.2. Đặc điểm kinh tế- xã hội

1.2.1. Tình hình kinh tế

* Sản xuất kinh doanh

Giá trị sản xuất nông nghiệp năm 2009 trên lưu vực sông Cái Nha Trang đạt

khoảng 36 tỷ đồng, công nghiệp đạt 8343 tỷ đồng, sản lượng nuôi trồng thủy sản đạt

350

550

750

950

1150

1350

1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151

cm

giờ

22

38279 tấn. Trên lưu vực có 15 doanh nghiệp nhà nước (chiếm 78,9% so với toàn

tỉnh), 488 doanh nghiệp tư nhân (chiếm 75,9%), 11 doanh nghiệp có vốn đầu tư

nước ngoài (chiếm 39,3%). Có 2551 cơ sở sản xuất, chiếm 39,3% và 7586 công

nhân, chiếm 37,9%. Doanh nghiệp thương mại là 20 (chiếm 100%), doanh nghiệp

vận tải là 3 (chiếm 75%). Trọng điểm của sản xuất kinh doanh thuộc địa phận thành

phố Nha Trang, trong đó có ngành du lịch rất phát triển.

* Một số khu công nghiệp và vùng kinh tế trọng điểm

Trên lưu vực sông Cái Nha Trang bao gồm huyện Khánh Vĩnh, huyện Diên

Khánh và Thành phố Nha Trang. Trong đó về kinh tế TP. Nha Trang là trung tâm

chính trị, văn hóa, kinh tế của tỉnh Khánh Hòa. Sự phát triển của Nha Trang luôn

được đánh giá là có tính chất đầu tàu, làm động lực phát triển chung cho cả tỉnh.

Hiện nay, cơ cấu kinh tế của TP. Nha Trang đã hình thành khá rõ nét theo hướng

dịch vụ, du lịch - công nghiệp - nông nghiệp. Hướng tới, TP. Nha Trang sẽ tiếp tục

đầu tư phát triển mạnh lĩnh vực dịch vụ, du lịch nhằm xây dựng TP. Nha Trang

thành một trung tâm du lịch có tầm cỡ quốc gia, quốc tế.

- Khu công nghiệp Suối Dầu: đã có 21 doanh nghiệp trong và ngoài nước

đang hoạt động; khu công nghiệp Ninh Thủy đang xây dựng; ngoài ra các khu công

nghiệp Nam và Bắc như: Cam Ranh, Vạn Ninh chuẩn bị xây dựng sẽ tạo điều kiện

thuận lợi cho các nhà đầu tư.

- Cụm công nghiệp Bình Tân (Nha Trang): bao gồm các ngành sản xuất

chính là chế biến thủy sản, dệt, nhuộm, thuốc lá, song mây. Trong cụm có nhà máy

Dệt Tân Tiến, nhà máy thuốc lá Khánh Hòa, xí nghiệp chế biến song mây xuất khẩu

Nha Trang, công ty sản xuất hàng thủ công xuất khẩu Nha Trang.

- Cụm công nghiệp Suối Hiệp (Diên Khánh): bao gồm các ngành sản xuất

chính là đường Diên Khánh, nhà máy bia Rồng Vàng, phân xưởng sản xuất cồn

công nghiệp, phân xưởng sản xuất giấy Hoa Hồng, nước ngọt Suối Tiên và cụm khu

công nghiệp Suối Dầu.

- Cụm công nghiệp Hòn Khô (Nha Trang): bao gồm các ngành khai thác và

chế biến thủy sản, sản xuất vật liệu xây dựng.

23

1.2.2. Đặc điểm xã hội

* Dân số

Theo số liệu niên giám thống kê tỉnh Khánh Hoà năm 2009 dân số trên lưu

vực sông Cái Nha Trang là 552060 người (trong đó nam là 271602 người chiếm

49,2%, nữ là 280458 người chiếm 50,8%). Dân số ở thành thị là 317496 người

chiếm 57,5%, nông thôn là 234564 người chiếm 42,5%; nơi có mật độ dân số cao

nhất là Thành phố Nha Trang với 1540 người/km2.

* Giáo dục

Trên lưu vực sông Cái Nha Trang có 82 trường tiểu học, chiếm 25,6% so

với toàn tỉnh; 37 trường trung học cơ sở, chiếm 37%; 14 trường trung học phổ

thông, chiếm 50%. Giáo viên tiểu học là 2010, chiếm 42,4% so với toàn tỉnh; 1756

giáo viên trung học cơ sở, chiếm 41,8%; 873 giáo viên trung học phổ thông, chiếm

47,9%. Trên lưu vực có 5 trường đại học, 3 trường cao đẳng, tập trung ở thành phố

Nha Trang.

* Y tế

Tổng số giường bệnh các huyện, thành phố trên lưu vực sông Cái Nha Trang

là 1941, chiếm 64,5% so với toàn tỉnh, có 410 bác sĩ (chiếm 68,8%), 399 y sĩ

(chiếm 60,1%), 600 y tá (chiếm 64,2%), 20 dược sĩ cao cấp (chiếm 76,9%), 124

dược sĩ trung cấp (chiếm 76%), 39 dược tá (chiếm 52%) [3].

1.3. Tổng quan về biến đổi khí hậu

1.3.1. Khái niệm

Biến đổi khí hậu, theo cách sử dụng của IPCC, chỉ sự biến đổi trong trạng

thái khí hậu nhận biết được thông qua những thay đổi về giá trị trung bình hoặc tính

chất của nó diễn ra trong một thời đoạn dài hàng thập kỷ hoặc hơn thế. Nó chỉ ra bất

cứ thay đổi nào của khí hậu theo thời gian cho dù là do biến đổi tự nhiên hay do tác

động của con người [1].

1.3.2. Biểu hiện về BĐKH

a) Quy mô toàn cầu

Nhiệt độ

24

Nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng khoảng 0,89oC (dao động từ 0,69 đến

1,08oC) trong thời kỳ 1901-2012. Nhiệt độ trung bình toàn cầu có chiều hướng tăng

nhanh đáng kể từ giữa thế kỷ 20 với mức tăng khoảng 0,12oC/thập kỷ trong thời kỳ

1951-2012.

Giáng thủy trung bình toàn cầu kể từ năm 1901 có xu thế tăng ở vùng lục địa

vĩ độ trung bình thuộc bắc bán cầu.

Số ngày và số đêm lạnh có xu thế giảm, số ngày và số đêm nóng cùng với

hiện tượng nắng nóng có xu thế tăng rõ rệt trên quy mô toàn cầu từ khoảng năm

1950. Mưa lớn có xu thế tăng trên nhiều khu vực, nhưng lại giảm ở một số ít khu

vực.

Hình 1.5.Chuẩn sai nhiệt độ trung

bình toàn cầu thời kỳ 1850-2012

(so với thời kỳ 1961-1990)

(Nguồn: IPCC, 2013)

Hình 1.6. Chuẩn sai nhiệt độ

trung bình toàn cầu (oC) thời kỳ 1950-

2015 (Nguồn: WMO, 2016)

Theo thông báo của Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO, 2016), những năm

nóng kỷ lục đều được ghi nhận là xảy ra trong những năm gần đây, đặc biệt là

những năm đầu của thế kỷ 21. Trong đó, năm 2015 được ghi nhận là năm nóng nhất

theo lịch sử quan trắc, với chuẩn sai nhiệt độ trung bình năm toàn cầu đạt giá trị

khoảng 0,76oC.

25

Hình 1.7. Biến đổi của nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 1901-2012 (Nguồn: IPCC, 2013)

Chú thích: Các ô lưới được thể hiện (được tô màu) nếu đảm bảo điều kiện: có đủ tối thiểu 70% số

liệu trong thời kỳ 1901-2012; trong đó, tối thiểu giai đoạn đầu chỉ được thiếu 20% số liệu và giai

đoạn cuối thiếu 10% số liệu. Những ô lưới màu trắng (không được tô màu) là những ô không đảm

bảo điều kiện tính toán. Những ô được đánh dấu + là những ô lưới có xu thế biến đổi ở mức ý

nghĩa 10% (hay mức tin cậy 90%) trở lên.

Lƣợng mƣa

Lượng mưa có xu thế tăng ở đa phần các khu vực trên quy mô toàn cầu trong

thời kỳ 1901-2010. Trong đó, xu thế tăng rõ ràng nhất ở các vùng vĩ độ trung bình

và cao; ngược lại, nhiều khu vực nhiệt đới có xu thế giảm. Xu thế tăng/giảm của

lượng mưa phản ánh rõ ràng hơn trong giai đoạn 1951-2010 so với giai đoạn 1901-

2010. Trong đó, xu thế tăng rõ ràng nhất ở khu vực Châu Mỹ, Tây Âu, Úc; xu thế

giảm rõ ràng nhất ở khu vực Châu Phi và Trung Quốc.

IPCC cũng tiếp tục khẳng định số vùng có số đợt mưa lớn tăng nhiều hơn số

vùng có số đợt mưa lớn giảm. Hạn hán không có xu thế rõ ràng do hạn chế về số

liệu quan trắc và đánh giá hạn. Xu thế về tần số bão là chưa rõ ràng, tuy nhiên gần

như chắc chắn rằng số cơn bão mạnh cũng như cường độ của các cơn bão mạnh đã

tăng lên (IPCC, 2013).

26

Hình 1.8. Biến đổi của lƣợng mƣa năm thời kỳ 1901-2010 và thời kỳ 1951-2010 (Nguồn: IPCC, 2013)

b) Biến đổi khí hậu ở Việt Nam

Việt Nam được đánh giá là một trong những quốc gia bị ảnh hưởng nặng nề

nhất của biến đổi khí hậu. Trong những năm qua, dưới tác động của biến đổi khí

hậu, tần suất và cường độ các thiên tai ngày càng gia tăng, gây nhiều tổn thất to lớn

về người, tài sản, cơ sở hạ tầng, về kinh tế, văn hoá, xã hội, tác động xấu đến môi

trường. Tác động của biến đổi khí hậu đối với nước ta là rất nghiêm trọng, là nguy

cơ hiện hữu cho mục tiêu xóa đói giảm nghèo, cho việc thực hiện các mục tiêu thiên

niên kỷ và sự phát triển bền vững của đất nước. Việt Nam đã rất nỗ lực ứng phó với

biến đổi khí hậu, thể hiện qua các chính sách và các chương trình quốc gia.

Năm 2009, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã xây dựng và công bố kịch bản

biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam và được cập nhật qua các năm

2011, năm 2016.

Với phiên bản cập nhật năm 2016, mô hình khí hậu toàn cầu và khu vực là

những công cụ chính được sử dụng để đánh giá xu thế và mức độ biến đổi của khí

hậu tương lai, đặc biệt là các cực đoan khí hậu. Các mô hình được sử dụng trong

tính toán xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho Việt Nam, gồm: (i) Mô hình

AGCM/MRI của Viện Nghiên cứu Khí tượng Nhật Bản, (ii) Mô hình PRECIS của

Trung tâm Hadley - Vương quốc Anh, (iii) Mô hình CCAM của Cơ quan Nghiên

27

cứu Khoa học và Công nghiệp Liên bang Úc (CSIRO), (iv) Mô hình RegCM của

Trung tâm quốc tế về Vật lý lý thuyết của Ý (ICTP), (v) Mô hình clWRF của Mỹ.

Nhiệt độ

Nhiệt độ có xu thế tăng ở hầu hết các trạm quan trắc, tăng nhanh trong những

thập kỷ gần đây. Trung bình cả nước, nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 1958-2014 tăng

khoảng 0,62oC, riêng giai đoạn (1985-2014) nhiệt độ tăng khoảng 0,42

oC. Tốc độ

tăng trung bình mỗi thập kỷ khoảng 0,10oC, thấp hơn giá trị trung bình toàn cầu

(0,12oC/thập kỷ, IPCC 2013).

Nhiệt độ tại các trạm ven biển và hải đảo có xu thế tăng ít hơn so với các trạm ở

sâu trong đất liền. Có sự khác nhau về mức tăng nhiệt độ giữa các vùng và các mùa

trong năm. Nhiệt độ tăng cao nhất vào mùa đông, thấp nhất vào mùa xuân. Trong 7

vùng khí hậu, khu vực Tây Nguyên có mức tăng nhiệt độ lớn nhất, khu vực Nam Trung

Bộ có mức tăng thấp nhất[1].

Hình 1.9. Chuẩn sai nhiệt độ (oC) trung bình năm (a) và nhiều năm (b) trên quy

mô cả nƣớc

28

Hình 1.10. Chuẩn sai nhiệt độ trung bình năm (oC) đối với các trạm ven biển và

hải đảo

Hình 1.11. Thay đổi nhiệt độ trung

bình năm (oC) thời kỳ 1958-2014

Hình 1.12. Thay đổi lƣợng mƣa năm

(%) thời kỳ 1958-2014

Lƣợng mƣa

Trong thời kỳ 1958-2014, lượng mưa năm tính trung bình cả nước có xu thế

tăng nhẹ. Trong đó, tăng nhiều nhất vào các tháng mùa đông và mùa xuân; giảm

vào các tháng mùa thu. Nhìn chung, lượng mưa năm ở các khu vực phía Bắc có xu

thế giảm (từ 5,8% ÷ 12,5%/57 năm); các khu vực phía Nam có xu thế tăng (từ 6,9%

÷ 19,8%/57 năm). Khu vực Nam Trung Bộ có mức tăng lớn nhất (19,8%/57 năm);

khu vực đồng bằng Bắc Bộ có mức giảm lớn nhất (12,5%/57 năm).

Đối với các khu vực phía Bắc, lượng mưa chủ yếu giảm rõ nhất vào các

tháng mùa thu và tăng nhẹ vào các tháng mùa xuân. Đối với các khu vực phía Nam,

29

lượng mưa các mùa ở các vùng khí hậu đều có xu thế tăng; tăng nhiều nhất vào các

tháng mùa đông (từ 35,3% ÷ 80,5%/57 năm) và mùa xuân (từ 9,2% ÷ 37,6%/57

năm)[1].

Bảng 1.4. Thay đổi lƣợng mƣa (%) trong 57 năm qua (1958-2014)

ở các vùng khí hậu

Đơn vị: %

Khu vực Xuân Hè Thu Đông Năm

Tây Bắc 19,5 -9,1 -40,1 -4,4 -5,8

Đông Bắc 3,6 -7,8 -41,6 10,7 -7,3

Đồng bằng Bắc Bộ 1,0 -14,1 -37,7 -2,9 -12,5

Bắc Trung Bộ 26,8 1,0 -20,7 12,4 0,1

Nam Trung Bộ 37,6 0,6 11,7 65,8 19,8

Tây Nguyên 11,5 4,3 10,9 35,3 8,6

Nam Bộ 9,2 14,4 4,7 80,5 6,9

1.3.3. Kịch bản biến đổi khí hậu cho khu vực nghiên cứu

Trong khuôn khổ của luận văn, tác giả sử dụng kịch bản RCP4.5 và RCP 8.5

về sự thay đổi % lượng mưa do biến đổi khí hậu cho lượng mưa 5 ngày trung bình

lớn nhất (Bảng 1.5) và mưa trung bình theo mùa (Bảng 1.6) cho lưu vực nghiên

cứu được chiết xuất từ báo cáo “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt

Nam”(năm 2016) [1] để tính toán lưu lượng dòng chảy 5 ngày lớn nhất, dòng chảy

trung bình tháng mùa lũ vào giữa thế kỷ, cuối thế kỷ. Từ đó đánh giá tác động của

biến đổi khí hậu đến dòng chảy lũ trạm Đồng Trăng, sông Cái Nha Trang tỉnh

Khánh Hòa.

Bảng 1.5. % Thay đổi lƣợng mƣa 5 ngày lớn nhất theo các kịch bản

Đơn vị: %

Yếu tố Kịch bản Giai đoạn Mức biến đổi lượng mưa so với

giai đoạn nền

5 ngày

lớn

nhất

RCP4.5 Giữa thế kỷ 44.2

Cuối thế kỷ 22.6

RCP8.5 Giữa thế kỷ 18.8

Cuối thế kỷ 16.4

30

Bảng 1.6. % thay đổi lƣợng mƣa mùa theo các kịch bản

(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

1.4. Một số nghiên cứu tƣơng tự và trên lƣu vực sông Cái Nha Trang tỉnh

Khánh Hoà

Như đã được trình bày trên, lưu vực sông Cái tính đến trạm Đồng Trăng, vị

trí thượng nguồn, có vai trò quan trọng đối với phía dưới hạ lưu đặc biệt là địa bàn

Thành phố Nha Trang – khu vực phát triển kinh tế điểm của tỉnh. Chính vì vậy, lưu

vực sông Cái Nha Trang được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu của rất nhiều đề

tài.

Bùi Văn Chanh (2013)[2] đã ứng dụng mô hình thủy lực một và hai chiều kết

hợp HDM (Hydro Dynamic Model) xây dựng bản đồ ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha

Trang. Sản phẩm của đề tài là đã xây dựng bản đồ ngập lụt ứng với tần suất lũ 1%,

3%, 5% và 10% cho vùng hạ lưu sông Cái Nha Trang. Mô phỏng diễn biến ngập lụt

theo thời gian, tạo bản đồ ngập lụt và tích hợp chương trình sử dụng. Kết quả tính

toán dự tính vùng ngập lụt hạ lưu sông Cái Nha Trang bao gồm hầu hết vùng đồng

bằng của Huyện Diên Khánh và ngoại thành Nha Trang. Ngoài ra nhánh sông Chò

còn gây ngập lụt lớn tại thôn Khánh Xuân xã Diên Lâm. Vùng nội thành Nha Trang

hầu như không bị ảnh hưởng ngập lụt của lũ sông Cái mà chỉ ảnh hưởng ngập úng

do mưa lớn gây ra. Vùng ngập sâu nhất là xã Diên Thạnh, Diên Toàn và Diên Lạc

của Huyện Diên Khánh. Diện ngập và độ sâu thay đổi theo các kịch bản với tần suất

lũ 1%, 3%, 5% và 10%.

Nguyễn Ý Như (2012)[8] đã đánh giá dòng chảy năm tỉnh Khánh Hòa trong

bối cảnh biến đổi khí hậu. Mô hình MIKE – NAM được áp dụng đối với tỉnh Khánh

Hòa để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đối với dòng chảy. Biến đổi khí hậu

được dự tính theo Bộ tài nguyên và Môi trường (kịch bản B1, B2 và A2) cho giai

31

đoạn 2050 – 2100. Theo kịch bản lượng mưa trung bình năm tăng 0.7 đến 1.7% và

nhiệt độ tăng 0.4 – 1oC. Kịch bản biến đổi khí hậu được sử dụng như tác nhân bên

ngoài đối với mô hình mưa dòng chảy NAM, được cài đặt và thực hiện cho 18 tiểu

lưu vực. Dòng chảy trung bình năm trên lưu vực dao động trong khoảng 1- 7m3/s

(31 – 45%) khi so sánh kịch bản với giai đoạn nền. Những biến đổi lớn hơn được

nhận thấy ở giá trị cực trị. Dòng chảy theo mùa được dự đoán thay đổi với dòng

chảy cao hơn đáng kể trong mùa mưa, giảm đáng kể trong dòng chảy mùa kiệt.

Đặng Đình Đức (2012)[4] đã khôi phục số liệu dòng chảy tỉnh Khánh Hòa

bằng mô hình NAM. Lí do bởi các lưu vực sông thuộc tỉnh Khánh Hòa có nguồn số

liệu dòng chảy đo đạc rất hạn chế. Toàn tỉnh chỉ có duy nhất trạm thủy văn Đồng

Trăng có số liệu dòng chảy đo đạc (từ năm 1983 tới nay), trong khi đó số trạm đo

mưa trong tỉnh tương đối đầy đủ và đồng bộ từ năm 1977 tới nay. Bài toán đặt ra là

cần phải khôi phục số liệu dòng chảy từ tài liệu đo mưa. Tác giả đã sử dụng phương

pháp mô hình toán, cụ thể là ứng dụng mô hình NAM để khôi phục số liệu dòng

chảy các lưu vực sông thuộc tỉnh Khánh Hòa. Bài báo đã tính toán lưu lượng trung

bình tháng từ 1977-2010 cho 18 tiểu lưu vực thuộc tỉnh Khánh Hòa. Qua số liệu

tính toán được từ mô hình NAM đã đưa ra được một bức tranh tương đối đầy đủ về

tài nguyên nước mặt của tỉnh, sự phân bố theo không gian và thời gian trong năm.

Các số liệu dòng chảy tính toán cùng với số liệu dòng chảy thực đo sẽ là một nguồn

tài liệu quý giá, làm đầu vào cho các bài toán khác, đặc biệt là bài toán cân bằng

nước, quy hoạch, sử dụng hợp lý tài nguyên nước của tỉnh.

Lại Thị Hương (2012)[13] đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài

nguyên nước mặt tỉnh Khánh Hoà của thời kỳ 2000-2009 so giai đoạn 1980-1999

với việc sử dụng phương pháp thống kê. Kết quả của nghiên cứu đưa ra kết luận:

Biến đổi khí hậu tác động đến tài nguyên nước thông qua việc làm thay đổi lượng

mưa và phân bố mưa giữa các vùng trên địa bàn. Nhiệt độ tăng sẽ làm lượng nước

bốc hơi nhiều hơn kết hợp với địa hình đặc thù tỉnh Khánh Hoà dẫn đến lượng mưa

nhiều hơn. Một hậu quả của BĐKH là thay đổi về thời gian mùa mưa. Trong

khoảng 5 năm trở lại đây, mùa mưa lũ trên các sông trong tỉnh đến sớm và cũng kết

32

thúc sớm hơn so với TBNN khoảng gần 01 tháng, thường bắt đầu từ tháng IX và kết

thúc vào giữa tháng XI.

Như vậy, các nghiên cứu thực hiện trên lưu vực sông Cái Nha Trang mặc dù

đã sử dụng mô hình thông số tập trung để đánh giá tác động biến đổi khí hậu đến

dòng chảy mặt trên địa bàn tỉnh Khánh Hoà, tuy nhiên vấn đề cấp thiết đặt ra ở đây

là cần cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu bản mới nhất hiện nay cũng như sử dụng

mô hình thông số phân bố trong việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến

dòng chảy mới mang ý nghĩa cho thực tiễn. Trong những năm gần đây, Việt Nam

đã có một số công trình nghiên cứu đánh giá tác động của BĐKH đến lũ lụt cũng

như chứng minh hiệu quả của SWAT trên nhiều lưu vực[6, 7, 8, 9, 10, 11, 20].

Chính vì vậy, để giải quyết bài toán này mô hình SWAT được lựa chọn là công cụ

chính. Hơn thế nữa, mô hình đánh giá được thay đổi thuỷ văn trong lưu vực sông

Cái Nha Trang dưới tác động của BĐKH và phản ánh đuợc những thay đổi các đặc

trưng mùa lũ như: dòng chảy mùa lũ, dòng chảy 5 ngày lớn nhất. Thời gian gần đây,

nó đã mô phỏng được khá tốt cho dòng chảy ngày và giờ [15, 18, 19, 21, 22] là điều

kiện tốt cho việc tính toán dòng chảy mùa lũ và dòng chảy 5 ngày lớn nhất dưới tác

động của biến đổi khí hậu theo các kịch bản.

33

CHƢƠNG 2 - GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT

2.1. Xuất xứ của mô hình SWAT

Mô hình “Công cụ đánh giá đất và nước“ SWAT (Soil and Water Assement

Tools) là một mô hình vật lý được xây dựng từ những năm 90 do tiến sỹ Jeff Arnold

thuộc trung tâm nghiên cứu đất nông nghiệp USDA- Agricultural Research Service

(ARS) xây dựng nên. Mô hình này được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc

quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong đất

trên hệ thống lưu vực sông trong một khoảng thời gian nào đó. Tiền thân của mô

hình SWAT là mô hình SWRRB ((Simulator for Water Resources in Rural Basins)

(Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990)) và mô hình ROTO ((Routing Outputs to

Outlet) (Arnold et al., 1995)).

Các phiên bản của mô hình SWAT là:

+ SWAT94.2: Mô phỏng đường lưu lượng đơn vị

+ SWAT96.2: Trong phiên bản này được cập nhật thêm phần quản lý về hàm

lượng chất hữu cơ trong đất, trong đó nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi khí hậu

tới sự phát triển của cây trồng. Phương trình chất lượng nước từ mô hình QUAL2E

được sử dụng đến

+ SWAT98.1: Trong phiên bản này thêm phần diễn toán dòng chảy do tuyết

tan, chất lượng nước trong sông

+ SWAT99.2: Phiên bản này cập nhật thêm diễn toán chất lượng nước cho

hồ chứa, phần thuỷ văn đô thị được cập nhật từ mô hình SWMM.

+ SWAT2000: Cập nhật thêm phương trình thấm của Green & Ampt, cập

nhật thêm các yếu tố khí tượng thời tiết như bức xạ mặt trời, tố độ gió..., cho phép

giá trị bốc thoát hơi tiềm năng của lưu vực được lấy từ giá trị đầu vào của mô hình

hoặc được tính toán theo phương trình.... Đặc biệt trong phiên bản này có sử dụng

môi trường ARCVIEW là môi trường giao diện.

+SWAT2012: Đặc biệt trong phiên bản này có sử dụng môi trường ARCGIS

là môi trường giao diện. Trong luận văn này đã sử dụng phiên bản SWAT 2012 để

tính toán.

34

2.2. Cấu trúc của mô hình

Mô hình SWAT mô phỏng quá trình thuỷ văn diễn ra trên lưu vực.

Mô hình chia dòng chảy thành ba pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát

mặt, ngầm) và pha trong sông.

Pha mặt đất diễn tả các thành phần dòng chảy mặt, phần xói mòn.

Pha sát mặt diễn tả các thành phần dòng chảy sát mặt, dòng chảy

ngầm.

Pha trong sông diễn tả diễn toán lượng dòng chảy tới mặt cắt cửa ra

của lưu vực.

2.2.1. Pha đất của chu trình thuỷ văn

Chu trình thuỷ văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình

cân bằng nước như sau:

)QWEQR(SWSW gwseepasurf

t

1iday0t

(2.1)

trong đó:

SWt là tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm)

SWo là tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm)

T là thời gian (ngày)

Rday là tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm)

Qsurf là tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm)

Ea là lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm)

Wseep là lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm)

Qgw là lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)

1. Các yếu tố khí hậu

Các yếu tố khí hậu của lưu vực cung cấp số liệu đầu vào của mô hình để

kiểm soát cân bằng nước và xác định mối liên quan giữa các thành phần khác nhau

trong chu trình thuỷ văn. Các biến khí hậu được sử dụng trong mô hình SWAT là

mưa, nhiệt độ tối cao, nhiệt độ tối thấp, độ ẩm, vận tốc gió, bức xạ. Các số liệu này

được lấy ở những trạm đo khí tượng và trạm đo mưa.

35

2. Các yếu tố thuỷ văn

Khi lượng mưa rơi xuống, nó có thể bị chặn trong tầng lá cây hoặc rơi

xuống bề mặt đất. Nước trên bề mặt đất sẽ thấm vào trong đất hoặc chảy tràn trên

bề mặt lưu vực. Nước di chuyển một cách tương đối nhanh chóng về phía kênh dẫn

tạo ra dòng chảy trực tiếp. Lượng nước thấm vào trong đất sẽ đóng góp cho dòng

chảy ngầm. Tính toán thuỷ văn trong mô hình bao gồm các thành phần sau :

- Diễn toán dòng chảy ngầm

- Tính các tổn thất

- Diễn toán dòng chảy mặt

- Diễn toán trong hồ chứa

- Diễn toán trong kênh dẫn

2.2.2. Pha diễn toán của chu trình thuỷ văn

Mô hình SWAT có thể xác định sự chuyển tải lượng nước, bồi lắng, những

chất dinh dưỡng và những thuốc bảo vệ thực vật tới kênh chính, rồi diễn toán theo

mạng lưới sông suối trên lưu vực. Ngoài việc tính toán lưu lượng nước, mô hình

còn mô tả sự biến đổi của các hoá chất trong kênh.

1. Diễn toán trong sông

Việc diễn toán trong sông có thể được chia thành bốn thành phần: Nước,

chất bồi lắng, những chất dinh dưỡng và hoá chất hữu cơ.

2. Diễn toán qua hồ chứa

Sự cân bằng nước cho những kho chứa bao gồm dòng chảy đến, dòng chảy

ra, mưa trên bề mặt, bốc thoát hơi, thấm qua đáy hồ và những công trình phân nước.

2.3. Các quá trình thành phần trong mô hình SWAT

2.3.1. Quá trình hình thành dòng chảy mặt

2.3.1.1. Tính lƣợng mƣa hiệu quả

Phương pháp đường cong thấm SCS tính lượng mưa hiệu quả

Trong mô hình SWAT, tác giả đã dùng hai phương pháp đường cong thấm

SCS (1972) và phương trình thấm Green & Ampt (1911) để xác định lượng mưa

hiệu quả. Phương trình dòng chảy SCS là phương trình thực nghiệm, nó được xây

36

dựng từ những năm 1950, dùng để xác định lượng dòng chảy mặt dưới điều kiện

khác nhau về sử dụng đất và loại đất. Phương trình đường cong SCS được viết như

sau:

)SIR(

)IR(Q

aday

2aday

surf

(2.2)

trong đó:

Qsurf là lượng dòng chảy mặt hay lượng mưa hiệu quả (mm)

Rday là lượng mưa ngày (mm)

Ia là tổn thất thấm ban đầu (mm)

S là lượng thấm cho phép tối đa có thể trữ trong đất (mm)

Lượng thấm cho phép tối đa phụ thuộc vào đặc tính đất, sử dụng đất và độ

ẩm đất tại thời điểm bắt đầu mưa và được xác định như sau:

10

CN

10004,25S (2.3)

trong đó CN chỉ số đường cong đại biểu cho đặc tính đất tính cho ngày.

Hệ số tổn thất thấm ban đầu Ia = 0,2 S ứng với những trận mưa có cường độ

mưa lớn. Khi đó phương trình (2.2) được viết thành như sau:

)S8,0R(

)S2,0R(Q

day

2day

surf

(2.4)

Dòng chảy mặt chỉ xuất hiện khi Rday >Ia . Hệ số CN được tra trong tài liệu

của SCS (1972). Hệ số CN phụ thuộc vào vấn đề sử dụng đất và lớp độ ẩm đất. Lớp

độ ẩm đất được phân làm 3 loại: lớp loại I biểu thị cho đất có độ ẩm ít hay còn gọi

lớp đất khô, lớp loại II biểu thị cho đất có độ ẩm vừa, lớp III biểu thị cho đất có độ

ẩm cao. Đất lại được phân làm 4 loại A,B,C,D. Mỗi một nhóm đất lại ứng với một

chỉ số CN khác nhau. Đường cong CN tính theo điều kiện độ ẩm loại I và III được

tính như sau:

)CN100(0636,0533,2expCN100(

)CN100(20CNCN

22

21

(2.5)

37

)CN100(00673,0expCNCN 223 (2.6)

Giá trị đường cong CN trong phương trình (2.3) được viết lại như sau:

)254S(

25400CN

(2.7)

Trong đó CN là chỉ số đường cong tính cho ngày và S là thông số diễn toán

tính hàm lượng ẩm của đất trong ngày. Điều kiện độ ẩm loại II theo phương pháp

trên là tính cho đất có độ dốc 5%. William (1995) đã phát triển mô hình trên và tính

chỉ số CN cho các loại độ dốc khác nhau với điều kiện độ ẩm loại hai như sau:

223

s2 CN)slp86,13exp(213

)CNCN(CN

(2.8)

trong đó CN2s là số đường cong thuộc điều kiện độ ẩm II thích hợp với độ

dốc cho trước, CN3 là chỉ số đường cong thuộc điều kiện độ ẩm III cho đất dốc 5%

và CN2 là chỉ số đường cong thuộc điều kiện độ ẩm III cho đất dốc 5% và slp là độ

dốc trung bình của lưu vực tính bằng %. Trong mô hình SWAT không sửa lại số

đường cong theo độ dốc. Nếu người sử dụng muốn chỉnh lại số đường cong theo độ

dốc, thì khi hiệu chỉnh trước hết cần phải đưa số đường cong đó vào file quản lý dữ

liệu vào input.

Phương pháp thấm Green & Ampt tính tổng lượng dòng chảy

Phương trình Green & Ampt (Green & Ampt, 1911) được xây dựng để xác

định lượng dòng chảy trên bề mặt sau khi đã khấu trừ tổn thất thấm tại mọi thời

điểm. Phương trình giả thiết các tầng đất là đồng nhất và độ ẩm kỳ trước phân bố

đều trong đất. Khi nước thấm vào trong đất, giả thiết đất ở tầng trên sau khi đã bão

hòa sẽ tạo thành một bề mặt phân cách.

38

Hình 2.1. Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng

theo phƣơng trình Green và Ampt và trong thực tế

Mein and Larson (1973) đã xây dựng một phương pháp xác định thời gian

giữ nước dựa trên phương trình thấm Green & Ampt. Phương pháp xác định lượng

mưa hiệu quả của Mein and Larson (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,

vwfetinf,

F1Kf (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)

Rt 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

dFf inf

inf ,

khi đó phương trình (2.9) được viết lại như sau:

vwf1tinf,

vwftinf,

vwfe1tinf,tinf,F

FlntKFF (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

82,56286,0

CN

KK sat

e (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

AreaiCqpeak

(2.14)

Trong đó:

qpeak là lưu lượng đỉnh lũ (m3/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

ovv3600

Lt

(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

3,04,0ov

ovn

slpqv

(2.17)

trong đó:

qov là tỷ lệ dòng chảy mặt trung bình (m3/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

cch

v6,3

Lt

(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

375,0ch

25,0ch

cn

slpq489,0v

(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 (m3/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

QC (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

surftcpeak

t6,3

AreaQq

(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

surlagexp1)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

0vol

(2.25)

trong đó:

volQsurf,f là tổng lượng dòng chảy sau khi khấu trừ tổn thất dọc đường (m3)

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 (m3)

volthr là tổng lượng dòng chảy ngưỡng của kênh dẫn được xác định theo

phương trình sau:

x

xthr

b

avol (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(

1q

(2.27)

trong đó:

qpeak,f là lưu lượng đỉnh lũ sau khi khấu trừ tổn thất (m3/s)

durflw là bước thời gian tính toán (giờ)

Bước thời gian tính toán được tính theo phương trình sau:

peak

surfflw

q6,3

AreaQdur

(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

mxdayLAI

LAIcancan

(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

LAIEE

'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:

wtbl2gw

satgw h

L

K8000Q

(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

gwrchrgwtblQw

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:

gwrchrggwgwrchrg2gw

satgwQwQw

L

K10

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

btmbankfullch

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

chch

P

AR (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

slpRAq

2/1

ch

3/2

chchch

(2.55)

n

slpRv

2/1

ch

3/2

chc

(2.56)

trong đó:

qch là tỷ lệ dòng chảy trong kênh (m3/s)

Ach là diện tích mặt cắt ướt của kênh (m2)

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 (m3)

Vout là tổng lượng dòng chảy ra trong thời đoạn tính toán (m3)

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,inVV

2

qqt

2

qqt

(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

Vq

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

qqq

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

VTT (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

Vq

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 qtTT2

t21q

tTT2

t2q

(2.63)

Đặt tTT2

t2SC

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

VqSCq

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 (m3)

qin là lưu lượng dòng chảy vào (m3/s)

qout là lưu lượng dòng chảy ra (m3/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

XK2tC1

(2.70)

t)X1(K2

XK2tC2

(2.71)

t)X1(K2

t)X1(K2C3

(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 (m3)

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 (m3)

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)

frt 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

2i

n

1i

n

1i

2i

'i

2i

2

)xx(

)xx()xx(

R (2.77)

Trong đó:

R2 : 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/m3)

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

hay đ

ổi

lƣợ

ng m

ƣa

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

hay đ

ổi

lƣợ

ng m

ƣa

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

Lư

u l

ượ

ng

( 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

Lư

u l

ượ

ng

(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.

11/2

/09 0

:00

11/2

/09 1

2:0

0

11/3

/09 0

:00

11/3

/09 1

2:0

0

11/4

/09 0

:00

11/4

/09 1

2:0

0

11/5

/09 0

:00

11/5

/09 1

2:0

0

11/6

/09 0

:00

Lư

u l

ượ

ng 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

%

Th

ay

đổ

i lƣ

ợn

g m

ƣa

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.

5.1mm413

620mm

%1

Xdb

XK

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

Lư

u l

ượ

ng (

m3/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

Lư

u l

ượ

ng (

m3/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.