Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam bằng mô hình SWAT

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam bằng mô hình SWAT nghiên cứu sự biến đổi dòng chảy trong lưu vực sông Vu Gia theo kịch bản biến đổi khí hậu B2 của Bộ Tài nguyên và Môi trường 2012 bằng mô hình SWAT.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Vu Gia, tỉnh Quảng Nam bằng mô hình SWAT

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 67 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG VU GIA, TỈNH QUẢNG NAM BẰNG MÔ HÌNH SWAT ASSESSING INFLUENCE OF CLIMATE CHANGE ON THE FLOW OF VU GIA RIVER BASIN, QUANG NAM PROVINCE BY SWAT MODEL Kiều Thị Hòa, Phạm Phú Song Toàn Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng; kieuhoa310387@gmail.com; ppstoan@gmail.com Tóm tắt - Trong những năm gần đây, biến đổi khí hậu đã có những Abstract - In recent years, climate change has greatly impacted ảnh hưởng rõ rệt đến lưu vực sông Vu Gia – một trong hai con sông on the Vu Gia river basin, Quang Nam province; therefore the lớn của tỉnh Quảng Nam, vì vậy việc áp dụng mô hình hóa hiện đang là application of model is a new approach to solve and forecast một hướng tiếp cận mới nhằm giải quyết và dự báo các vấn đề phát environmental problems. This study applies SWAT model to sinh trong lĩnh vực môi trường. Nghiên cứu này bước đầu áp dụng mô assess impacts of climate condition on the flow of Vu Gia river. hình SWAT nhằm đánh giá các tác động của khí hậu lên dòng chảy This provides information for the orientation of management and sông, cung cấp thông tin cho việc định hướng quản lý và quy hoạch lưu planning for the river basin to contribute to the sustainable vực sông, góp phần vào phát triển bền vững cho lưu vực. Trong nghiên development of the basin. In this research, input data of SWAT cứu này, dữ liệu đầu vào cho mô hình được lấy từ năm 2001 – 2010. model is collected from 2001 to 2010. Model calibration and Kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình được dựa trên lưu lượng thực validation results are based on observed flow at Thanh My đo tại trạm thủy văn Thành Mỹ với chỉ số NSI lần lượt là 0,78 và 0,91. hydrological station with NSI of 0.78 and 0.91 respectively. It can Kết quả này cho thấy SWAT có thể ứng dụng để đánh giá diễn biến be seen that SWAT model can be applied to assess Vu Gia dòng chảy sông Vu Gia dưới tác động của biến đổi khí hậu. river’s flow changes under the impact of climate change. Từ khóa - mô hình SWAT; biến đổi khí hậu; dòng chảy; GIS; lưu Key words - SWAT model; climate change; flow; GIS; Vu Gia vực sông Vu Gia river basin 1. Đặt vấn đề tâm Phục vụ nghiên cứu nông nghiệp, Bộ Nông nghiệp Biến đổi khí hậu (BĐKH) đã, đang và sẽ ảnh hưởng Hoa Kỳ xây dựng từ những năm 90 của thế kỷ 20. Mô hình lên mọi mặt của tự nhiên và xã hội. Nó sẽ gây ra biến được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý động lên mọi thành phần trên trái đất, trong đó có tài sử dụng nguồn đất và nước của hệ thống lưu vực sông nguyên nước – một nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng trong một khoảng thời gian xác định. Mô hình SWAT sẽ đối với con người. Ở nước ta nói chung, tỉnh Quảng Nam trực tiếp tính toán các quá trình tự nhiên liên quan tới nói riêng, việc đánh giá tác động biến đổi khí hậu chưa chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa thực sự được tính toán và lồng ghép vào các quy hoạch màng, chu trình chất dinh dưỡng,… dựa vào các thông số phát triển kinh tế - xã hội. Vì vậy, việc áp dụng một công dữ liệu đầu vào. Trong SWAT, lưu vực nghiên cứu được cụ hỗ trợ hiệu quả để ước lượng mức độ ảnh hưởng của chia thành các tiểu lưu vực theo địa hình và mạng lưới thủy biến đổi khí hậu nhằm đưa ra các phương án thích ứng văn, sau đó mỗi tiểu lưu vực lại được chia nhỏ thành các với nó trong tương lai là thực sự cần thiết. đơn vị thủy văn (HRUs – Hydrological Response Units) – mỗi HRU có những đặc điểm riêng về đất và sử dụng đất. Một số ứng dụng của mô hình SWAT trong nghiên cứu Trong số các mô hình thủy văn, SWAT là một sự lựa chọn tác động của biến đổi khí hậu trên thế giới và trong nước như: thích hợp để ứng dụng tính toán cho những lưu vực rộng - Muttiah và Wurbs (2002) đã dùng SWAT để mô lớn, nhưng số liệu đo đạc lại hạn chế [3]. phỏng tác động của khuynh hướng biến đổi khí hậu vào giai đoạn năm 2040 - 2059 lên 7300 km2 diện tích lưu vực sông San Jacinto ở Texas. Báo cáo cho thấy theo kịch bản biến đổi khí hậu thì dòng chảy trung bình sẽ cao hơn bởi vì sự gia tăng lũ lụt [1]. - Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn (2009) đã sử dụng mô hình SWAT để đánh giá tác động tiềm năng của thay đổi sử dụng đất đối với sự hình thành dòng chảy dưới số liệu mưa thực tế ở lưu vực sông Bến Hải [2]. Hình 1. Các bước chạy mô hình trong SWAT Bài báo này nhằm nghiên cứu sự biến đổi dòng chảy trong Hiệu quả mô phỏng của mô hình được đánh giá theo lưu vực sông Vu Gia theo kịch bản biến đổi khí hậu B2 của các mức độ [4]: Bộ Tài nguyên và Môi trường 2012 bằng mô hình SWAT. 0,75 < NSI ≤ 1 : Rất tốt; 2. Nội dung nghiên cứu 0,65 < NSI ≤ 0,75 : Tốt; 2.1. Mô hình SWAT 0,50 < NSI ≤ 0,65 : Thỏa mãn; Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tools) là NSI < 0,50 : Không thỏa mãn, bộ mô hình vật lý, do tiến sỹ Dr. Jeff Arnold thuộc Trung lúc đó phải xem xét lại cách hiệu chỉnh các thông số của mô hình cũng như số liệu đầu vào.
68 Kiều Thị Hòa, Phạm Phú Song Toàn Ngoài ra, còn dùng thêm hệ số tương quan R2 để xem xét mức độ phù hợp của mô hình, nếu hệ số R2 càng tiến về 1 thì chứng tỏ sự tương quan cao giữa kết quả mô phỏng và giá trị thực đo, giá trị này được tính toán dễ dàng trong Microsoft Excel. 2.2. Số liệu được sử dụng trong mô hình 2.2.1. Dữ liệu bản đồ  Bản đồ mô hình số hóa độ cao (DEM) của lưu vực: Được lấy từ trang web http://www.gdex.cr.usgs.gov của USGS/NASA với độ phân giải không gian 30 m. Độ cao khu vực nghiên cứu được chia thành 8 nhóm: 1 - 235 m, 235 - 415 m, 415 - 567 m, 567 - 719 m, 719 - 881 m, 881 Hình 4. Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Vu Gia – 1065 m, 1065 - 1297 m, 1297 – 2196 m (Hình 2).  Bản đồ độ dốc: Được suy ra từ bản đồ DEM của lưu vực. Độ dốc của lưu vực sông Vu Gia được chia thành 3 nhóm như sau: 0 – 16,75%; 16,75 – 39,65%; trên 39,65% (Hình 3).  Bản đồ sử dụng đất của lưu vực năm 2010 (Hình 4): Từ bản đồ sử dụng đất tỉnh Quảng Nam của Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Quảng Nam, sau khi xử lý dữ liệu, phân tích và mã hóa các loại hình sử dụng đất theo yêu cầu của mô hình SWAT ta có được bản đồ sử dụng đất của lưu vực sông Vu Gia với 7 loại hình sử dụng đất: AGRL – Đất nông nghiệp, FRSE – Rừng thường xanh, FRST – Rừng hỗn giao, RICE – Đất trồng lúa, UCOM – Đất thương mại, URBN – Đất dân cư, WATR – Mặt nước. Hình 5. Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Vu Gia  Bản đồ thổ nhưỡng của lưu vực (Hình 5): Được 2.2.2. Dữ liệu thuộc tính lấy từ Sở Tài nguyên và Môi Trường tỉnh Quảng Nam ở  Dữ liệu khí tượng: Vì số liệu thống kê về khí tượng ở định dạng của phần mềm Map Info. Tiến hành biên tập lại lưu vực sông Vu Gia không được đầy đủ, nên trong nghiên bản đồ và mã hóa các loại đất theo bảng mã của SWAT, cứu này số liệu thời tiết được thu thập tại 6 trạm khí tượng ta được bản đồ thổ nhưỡng của lưu vực sông Vu Gia như (Hình 6) từ năm 2000 – 2010, kết hợp cả dữ liệu thực đo thu Hình 5, gồm 5 loại đất: Jd – Đất phù sa chua, Ao – Đất thập được từ Đài khí tượng thủy văn Trung Trung Bộ và dữ xám trên phù sa cổ, Ah – Đất xám mùn trên núi, Ap – Đất liệu thời tiết toàn cầu (http://globalweather.tamu.edu/). Vị trí xám có tầng loang lổ, WATER – Mặt nước. các trạm khí tượng của lưu vực sông Vu Gia được thể hiện như ở Hình 6 và Bảng 1.  Dữ liệu thủy văn tại trạm thủy văn Thành Mỹ được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình: Giai đoạn hiệu chỉnh từ năm 2001 – 2005 và giai đoạn kiểm định từ năm 2006 -2010.  Kịch bản biến đổi khí hậu: Nghiên cứu này đã kế thừa kịch bản biến đổi khí hậu B2 từ “Kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam” năm 2012 của Bộ Tài nguyên và Môi trường [5]. Số liệu về sự thay đổi nhiệt độ và lượng mưa của kịch bản B2 được thể hiện ở Bảng 2, Bảng 3. Hình 2. Bản đồ số hóa độ cao lưu vực sông Vu Gia Hình 3. Bản đồ độ dốc lưu vực sông Vu Gia Hình 6. Vị trí các trạm khí tượng
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 69 Bảng 1. Tọa độ địa lý các trạm khí tượng và dữ liệu thu thập TT Tên trạm Vĩ độ(o) Kinh độ(o) Dữ liệu thu thập Cửa ra 1 u1551075 15,455 107,500 lưu vực 2 u1551078 15,455 107,812 Nhiệt độ, lượng 3 u1581072 15,768 107,188 mưa, bức xạ mặt 4 u1581075 15,768 107,500 trời, độ ẩm và tốc độ gió. 5 Thành Mỹ 15,767 107,830 6 Hội Khách 15,820 107,909 Bảng 2. Mức tăng nhiệt độ theo thời kỳ trong năm (oC) so với Hình 7. Bản đồ phân chia lưu vực, tiểu lưu vực sông Vu Gia thời kỳ 1980 - 1999 theo kịch bản B2 của tỉnh Quảng Nam [4] 3.2. Diễn biến lưu lượng dòng chảy theo kịch bản 1 Thời kỳ Giữa thế kỷ 21 Sau khi phân tích đơn vị thủy văn, các file đầu vào của Mùa đông (Tháng XII – II) 1,0 – 1,4 SWAT được nhập vào với số liệu khí tượng từ năm 2000 Mùa xuân (Tháng III – V) 1,2 – 1,6 - 2010 tại trạm Thành Mỹ, trong đó năm 2000 được dùng để “warm-up” mô hình (chỉ chạy mô hình chứ không cho Mùa hè (Tháng VI – VIII) 1,0 – 1,4 ra kết quả). Kết quả lưu lượng dòng chảy tại Thành Mỹ Mùa thu (Tháng IX – XI) 1,0 – 1,6 theo mô phỏng của SWAT từ năm 2001 – 2010 sẽ dùng cho việc hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Bảng 3. Mức tăng lượng mưa theo thời kỳ trong năm (%) so với thời kỳ 1980 -1999 theo kịch bản B2 của tỉnh Quảng Nam [4] Việc hiệu chỉnh mô hình được thực hiện tự động bằng công cụ SWAT-CUP 2012 theo phương pháp SUFI2 Thời kỳ Giữa thế kỷ 21 (Sequential Uncertainty Fitting, version 2) với việc sử Mùa đông (Tháng XII – II) -2 ÷ -12 dụng lưu lượng dòng chảy (LLDC) thực đo theo tháng tại trạm Thành Mỹ giai đoạn 2001 – 2005. Công cụ SUFI2 sẽ Mùa xuân (Tháng III – V) -2 ÷ -6 tiến hành thực hiện các vòng lặp để hiệu chỉnh nhằm tìm Mùa hè (Tháng VI – VIII) Đến 6 ra bộ thông số mô hình mà có chỉ số NSI tốt nhất. Mùa thu (Tháng IX – XI) 4 ÷ 10 Sau hiệu chỉnh, thu được chỉ số NSI là 0,78 và hệ số R2 = 0,871 (Hình 8) và bộ thông số chính của mô hình sau 2.3. Xây dựng các kịch bản để chạy mô hình hiệu chỉnh thu được như ở Bảng 4. Như vậy, kết quả hiệu Bài báo này sẽ áp dụng mô hình SWAT cho 2 kịch chỉnh mô hình đạt loại tốt. bản như sau:  Kịch bản 1: Đây là kịch bản hiện trạng với dữ liệu đầu vào cho mô hình gồm các bản đồ như Hình 2, Hình 3, Hình 4 và Hình 5, Hình 6; dữ liệu khí tượng ở các trạm khí tượng như Bảng 1 và dữ liệu thủy văn tại trạm Thành Mỹ từ năm 2000 -2010. Kịch bản này nhằm đánh giá sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng của mô hình SWAT và kết quả thực đo, từ đó hiệu chỉnh và kiểm định mô hình để tìm ra bộ thông số hiệu chỉnh mô hình phù hợp với việc mô phỏng dòng chảy cho lưu vực sông Vu Gia trong tương lai.  Kịch bản 2: Kịch bản này với dữ liệu đầu vào như sau: Dữ liệu không gian gồm các loại bản đồ được giữ Hình 8. Sự tương quan giữa lưu lượng mô phỏng và nguyên như trong kịch bản 1; dữ liệu khí tượng được sử thực đo sau hiệu chỉnh tại trạm Thành Mỹ (2001 - 2005) dụng dữ liệu theo kịch bản biến đổi khí hậu trung bình Bảng 4. Bộ thông số hiệu chỉnh mô hình (B2). Kịch bản 2 nhằm đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến dòng chảy lưu vực sông Vu Gia trong tương lai. TT Thông số Giá trị 1 CN2 77 3. Kết quả nghiên cứu 2 ESCO 0,95 3.1. Phân định ranh giới lưu vực 3 CH_N1 0,014 4 CH_N2 0,014 Mô hình SWAT 2012 chạy trên giao diện ArcMap 5 SOL_K 7,27 10.1 được sử dụng để phân chia lưu vực sông Vu Gia thành 25 tiểu lưu vực và 771 đơn vị thủy văn (HRU), diện 6 SOL_AWC 0,065 tích toàn bộ lưu vực là 454046,4 ha với cửa ra lưu vực tại 7 ALPHA_BF 0,048 xã Đại Đồng, huyện Đại Lộc, tỉnh Quảng Nam. 8 OV_N 0,1 9 GW_DELAY 31 10 GW_QMN 1000
70 Kiều Thị Hòa, Phạm Phú Song Toàn Để đánh giá hiệu quả của bộ thông số hiệu chỉnh mô hình thu được như trong Bảng 4, tiến hành kiểm định mô hình bằng cách sử dụng LLDC thực đo tại trạm Thành Mỹ giai đoạn 2006 - 2010 để so sánh với kết quả lưu lượng do SWAT mô phỏng sau khi hiệu chỉnh. Kết quả thu được chỉ số NSI đạt 0,91 và hệ số R2 = 0,916 (Hình 9). Hình 11. Mức thay đổi lưu lượng trung bình mùa khô so với giai đoạn nền 2001 - 2010 tại cửa ra lưu vực 3.3.2. Dòng chảy mùa mưa Hình 9. Sự tương quan giữa lưu lượng mô phỏng và thực đo trong giai đoạn kiểm định mô hình tại trạm Thành Mỹ (2006 - 2010) Từ kết quả hiệu chỉnh và kiểm định mô hình ở trên, ta thấy kết quả mô phỏng đạt loại tốt. Mô hình SWAT thích hợp để tính toán cho các lưu vực rộng lớn nhưng số liệu đo đạc lại hạn chế [3], cụ thể là tại cửa ra lưu vực không có trạm thủy văn tuy nhiên dữ liệu khí tượng đầu vào của mô hình ở 6 trạm khí tượng có mối quan hệ với dữ liệu thủy văn trong toàn lưu vực. Vậy Hình 12. Sự thay đổi lưu lượng trung bình mùa mưa so với nên, ta có thể sử dụng bộ thông số hiệu chỉnh mô hình ở giai đoạn nền 2001 – 2010 tại cửa ra lưu vực Bảng 4 để áp dụng vào mô hình SWAT nhằm: Ngược lại với các tháng mùa khô trong tương lai, lưu  Lấy dữ liệu LLDC tại cửa ra lưu vực trong giai lượng dòng chảy ở các tháng mùa mưa có xu hướng tăng đoạn 2001 – 2010. ở cửa ra của lưu vực và tăng so với mùa mưa giai đoạn  Mô phỏng dòng chảy lưu vực sông Vu Gia theo nền 2001 – 2010. Nguyên nhân là do vào các tháng mùa kịch bản 2. mưa thì lượng mưa có xu hướng tăng ở toàn lưu vực theo 3.3. Diễn biến lưu lượng dòng chảy theo kịch bản 2 kịch bản biến đổi khí hậu B2. Mức tăng lưu lượng dòng chảy dao động trong khoảng từ 23,79% đến 33,39%, Trong kịch bản 2, sẽ đánh giá mức độ tác động của trong đó lượng tăng lớn nhất là 260,8 m3/s vào thời kỳ biến đổi khí hậu (sự thay đổi về lượng mưa và nhiệt độ) 2020 - 2029 và thời kỳ 2040 -2049 có lượng tăng nhỏ đến lưu lượng dòng chảy của sông so với kịch bản hiện nhất là 185,8m3/s. trạng (kịch bản 1) như thế nào. 3.3.1. Dòng chảy mùa khô Mùa khô ở lưu vực sông Vu Gia từ tháng I – VIII hàng năm, so với mùa khô giai đoạn nền 2001 – 2010, lượng dòng chảy có xu thế giảm trên toàn bộ lưu vực ở tất cả các năm trong giai đoạn 2020 – 2059 và không giống nhau trong từng thời đoạn 10 năm của thế kỷ 21. Lượng giảm lớn nhất là 40,66 m3/s vào những năm 2020 – 2029 và lượng giảm nhỏ nhất là 24,36 m3/s vào những năm giữa thế kỷ 21. Hình 13. Mức thay đổi lưu lượng trung bình mùa mưa so với giai đoạn nền 2001 – 2010 tại cửa ra lưu vực 3.3.3. Dòng chảy năm Dưới tác động của biến đổi khí hậu làm cho lượng mưa năm có xu thế tăng trên toàn lưu vực từ 2020 – 2059, dẫn đến lưu lượng dòng chảy trung bình năm cũng có xu thế tăng theo từng thời đoạn 10 năm trong giai đoạn 2020 – 2059 so với giai đoạn nền 2001 – 2010, tuy nhiên mức Hình 10. Sự thay đổi lưu lượng trung bình mùa khô so với giai đoạn nền 2001 - 2010 tại cửa ra lưu vực tăng dao động không nhiều và khoảng từ 11,82% đến 16,12% từ năm 2020 – 2059.
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 71 các ban ngành liên quan cần có những giải pháp, quy hoạch hợp lý ở lưu vực sông nhằm thích ứng với biến đổi khí hậu và hướng đến phát triển bền vững cho lưu vực. Kết quả chính của bài báo này là đã phân tích được tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước của lưu vực bằng công cụ SWAT. Với kết quả đạt được này, có thể hỗ trợ ra quyết định liên quan đến tài nguyên nước tại lưu vực này TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Philip Water Gassman (2008), A simulation assessment of the Boone river watershed: baseline calibration/validation results and Hình 14. Sự thay đổi lưu lượng trung bình năm so với giai đoạn issues, and future research needs, Iowa State University. nền 2001 – 2010 tại cửa ra lưu vực [2] Nguyễn Ý Như, Nguyễn Thanh Sơn (2009), Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát ảnh hưởng của các kịch bản sử dụng đất đối với Qua phân tích sự biến động của dòng chảy sông Vu dòng chảy lưu vực sông Bến Hải, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Gia do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu (kịch bản 2) ở trên Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 25, số 3S, tr.492-498. có thể thấy rằng lưu lượng dòng chảy năm tại cửa ra lưu [3] Arnold, J.G., et al (1998), Large Area Hydrologic Modelling and vực có xu hướng tăng trong thời kỳ 2020 -2059 và sự biến Assessment Part I: Model Development, Journal of American đổi khí hậu trong tương lai sẽ làm gia tăng dòng chảy lũ, Water Resources Association 34(1): 73-89. giảm dòng chảy kiệt trên lưu vực. [4] D.N. Moriasi, et al (2007), Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations, American Society of Agricultural and Biological Engineers ISSN 4. Kết luận 0001-2351, vol. 50(3): 885-900. Lưu vực sông Vu Gia đang chịu tác động mạnh mẽ của [5] Bộ Tài nguyên và Môi trường (2012), Kịch bản biến đổi khí hậu và sự phát triển kinh tế và xã hội và cả biến đổi khí hậu. Vì vậy, nước biển dâng cho Việt Nam, NXB Tài nguyên – Môi trường và Bản đồ Việt Nam. (BBT nhận bài: 29/07/2015, phản biện xong: 26/09/2015)