Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:86

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nhằm nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế - xã hội của tỉnh Quảng Trị nói chung và của lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng để phục vụ cho bài toán quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn; chứng minh mức độ phù hợp của việc ứng dụng mô hình SWAT cho lưu vực sông Thạch Hãn trong tính toán dòng chảy; khảo sát tác động của sử dụng đất và biến đổi khí hậu đối với dòng chảy của lưu vực sông Thạch Hãn.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: 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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ NGUYỄN QUANG BẢO 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 SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2013
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------ NGUYỄN QUANG BẢO 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 Chuyên ngành: Thủy văn học Mã số: 60440224 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THANH SƠN Hà Nội - 2013
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... 1 DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ 3 MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1...................................................................................................... 8 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN ....................... 8 1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN ........................................................................... 8 1.1.1. Vị trí địa lý .......................................................................................................... 8 1.1.2. Địa hình, địa mạo ................................................................................................ 8 1.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng ........................................................................................... 9 1.1.4. Thảm thực vật ................................................................................................... 10 1.1.5 Khí hậu ............................................................................................................... 11 1.1.6. Thủy văn ........................................................................................................... 15 1.2. HIỆN TRẠNG VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN KINH TẾ ........................ 19 1.2.1. Hiện trạng phát triển kinh tế.............................................................................. 19 1.2.1.1. Những hạn chế trong phát triển kinh tế xã hội ........................................... 19 1.2.1.2. Những thuận lợi trong phát triển kinh tế xã hội ......................................... 19 1.2.2. Chiến lược phát triển kinh tế xã hội tỉnh Quảng Trị ......................................... 20 1.2.2.1. Tình hình phát triển dân số, nguồn nhân lực .............................................. 21 1.2.2.2. Xu thế phát triển kinh tế - xã hội................................................................ 21 1.2.2.3. Quy hoạch sử dụng đất và chuyển đổi cơ cấu cây trồng tới năm 2010 ...... 23 1.3. CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT CỰC ĐOAN ...................................................... 24 1.3.1. Tình trạng hạn hán ............................................................................................ 24 1.3.2. Tình trạng úng lụt .............................................................................................. 25 1.3.3. Tình trạng lũ quét .............................................................................................. 25 CHƯƠNG 2.................................................................................................... 26 MÔ HÌNH SWAT ......................................................................................... 26 2.1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH MƯA – DÒNG CHẢY LƯU VỰC ......................... 26 2.1.1 Cấu trúc của mô hình mưa - dòng chảy lưu vực ................................................ 26
2.1.2. Giới thiệu một số mô hình mưa – dòng chảy lưu vực ....................................... 28 2.1.2.1. MIKE – SHE .............................................................................................. 28 2.1.2.2. HEC-HMS .................................................................................................. 29 2.1.2.3. NASIM ....................................................................................................... 29 2.1.2.4. SAC – SMA (Sacramento) ......................................................................... 30 2.1.2.5. HBV ........................................................................................................... 31 2.1.2.6. Mô hình NAM ............................................................................................ 31 2.1.2.7. Mô hình SCS .............................................................................................. 32 2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT ............................. 33 2.2.1 Lịch sử phát triển ............................................................................................... 33 2.2.2 Tổng quan mô hình SWAT ................................................................................ 35 2.2.3. Các ứng dụng mô hình SWAT trong nước và thế giới ..................................... 36 2.2.3.1. Thế giới ...................................................................................................... 36 2.2.3.2. Việt Nam .................................................................................................... 37 2.3 CẤU TRÚC MÔ HÌNH SWAT ................................................................................ 37 2.3.1. Mô hình lưu vực ................................................................................................ 37 2.3.2. Mô hình diễn toán ............................................................................................. 38 2.4 PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH SWAT ...................................... 39 2.4.1. Dòng chảy mặt .................................................................................................. 39 2.4.1.1. Phương pháp chỉ số đường cong SCS ........................................................ 39 2.4.1.2. Phương pháp thấm Green và Ampt ............................................................ 40 2.4.1.3. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ.............................................................................. 41 2.4.1.4. Hệ số trễ dòng chảy mặt ............................................................................. 41 2.4.1.5. Tổn thất dọc đường .................................................................................... 42 2.4.2. Bốc thoát hơi ..................................................................................................... 42 2.4.2.1. Vòm cây ..................................................................................................... 42 2.4.2.2. Bốc thoát hơi tiềm năng ............................................................................. 43 2.4.2.3. Bốc thoát hơi thực tế .................................................................................. 43 2.4.3. Chuyển động của nước trong đất ...................................................................... 45 2.4.4. Nước ngầm ........................................................................................................ 45 2.4.4.1. Tầng ngậm nước nông................................................................................ 46 2.4.4.2. Tầng ngậm nước sâu .................................................................................. 46
2.4.5. Diễn toán dòng chảy trong sông........................................................................ 46 2.4.6. Diễn toán trong hồ chứa .................................................................................... 47 2.5. THÔNG SỐ MÔ HÌNH ........................................................................................... 47 2.5.1. Thông số tính toán dòng chảy trực tiếp ............................................................. 47 2.5.2. Thông số tính toán lưu lượng đỉnh lũ ................................................................ 48 2.5.3. Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt ............................................................. 48 2.5.4. Thông số tính toán tổn thất dọc đường.............................................................. 48 2.5.5. Thông số tính toán tổn thất bốc hơi................................................................... 48 2.5.6. Thông số tính toán dòng chảy ngầm ................................................................. 48 2.5.7. Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính .............................................. 48 2.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH .......................................................................... 48 CHƯƠNG 3.................................................................................................... 50 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ SỬ DỤNG ĐẤT ........................... 50 3.1 KHÁI NIỆM KỊCH BẢN ......................................................................................... 50 3.2 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ........................................................................... 51 3.2.1 Sơ lược tình hình biến đổi khí hậu hiện nay ...................................................... 51 3.2.2. Dao động các đặc trưng khí hậu của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua. ............... 52 3.2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu ........................................................................... 53 3.3 KỊCH BẢN SỬ DỤNG ĐẤT ................................................................................... 55 3.3.1. Kịch bản 1 ......................................................................................................... 55 3.3.2. Kịch bản 2 ......................................................................................................... 56 3.3.3. Kịch bản 3 ......................................................................................................... 56 3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU................... 57 3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu ................................................................... 57 3.4.2 Lựa chọn kịch bản sử dụng đất .......................................................................... 58 3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất .............. 58 CHƯƠNG 4.................................................................................................... 59 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN ĐÃ LỰA CHỌN ............................................................................................ 59 4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN .............................................................................................................................. 59
4.1.1 Số liệu đầu vào ................................................................................................... 59 4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn ........... 59 4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình ..................................................... 61 4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình ................................................................................ 64 4.1.5 Nhận xét chung .................................................................................................. 65 4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY ... 65 4.2.1 Kịch bản B2: ...................................................................................................... 65 4.2.2 Kịch bản A2 ....................................................................................................... 67 4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC ........................................................................................................................ 69 4.3.1 Kịch bản 1: ......................................................................................................... 69 4.3.2 Kịch bản 2 .......................................................................................................... 70 4.3.3 Kịch bản 3 .......................................................................................................... 71 4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY ........................................................................................ 72 KẾT LUẬN .................................................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 78
DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Bản đồ lưu vực sông Thạch Hãn .................................................................8 Hình 1.2. Sơ đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thạch Hãn.........................................................................................................15 Hình 2.1. Cấu trúc chung của mô hình thủy văn.......................................................27 Hình 2.2. Sơ đồ lịch sử phát triển của mô hình SWAT ............................................33 Hình 2.3. Sự khác nhau giữa phân phối độ ẩm theo chiều sâu mô phỏng theo phương trình Green và Ampt và trong thực tế ..........................................................40 Hình 3.1. Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu (IPCC, 2007) ..............51 Hình 3.2. Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng trên thế giới (IPCC, 2007) ...........52 Hình 3.3. Xu thế biến đổi nhiệt độ của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua theo số liệu của trạm Đông Hà .....................................................................................................53 Hình 3.4. Dao động tổng lượng mưa năm theo số liệu trạm Gia Vòng trong 3 thập niên qua .....................................................................................................................53 Hình 3.5. Thay đổi diện tích sử dụng đất của kịch bản 1 so với bản đồ năm 2000 ..56 Hình 4.1. Lưu vực sông Thạch Hãn được chia thành 04 lưu vực cơ sở ...................60 Hình 4.2. Tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thảm phủ thực vật năm 2000 của tỉnh Quảng Trị......................................................................61 Hình 4.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng (NASH = 0,713) ..............................................................................................63 Hình 4.4. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng (NASH = 0,713) ..............................................................................................63 Hình 4.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng (NASH = 0,73) ................................................................................................64 Hình 4.5a. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng (NASH = 0,73) ................................................................................................64 Hình 4.6. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 ..............................................................................66 1
Hình 4.7. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 ......................................................................66 Hình 4.8. Thay đổi dòng chảy năm của các kịch bản biến đổi khí hậu ....................67 Hình 4.9. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 ..............................................................................68 Hình 4.10. Thay đổi dòng chảy trung bình tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 ..............................................................68 Hình 4.11. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 1 ............................70 Hình 4.12. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 2 ............................71 Hình 4.13. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 3 ............................72 Hình 4.14. Thay đổi dòng chảy năm tương ứng với kết hợp điều kiện khí hậu khác nhau và bản đồ sử dụng đất theo kịch bản 3 .............................................................73 Hình 4.15. Thay đổi dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu-sử dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu...........................................................74 Hình 4.16. Biến đổi % dòng chảy tháng giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu A2 – sử dụng đất 3 so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu A2 .............................................74 2
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Diễn biến tài nguyên rừng ở Quảng Trị và hiệu quả ................................11 Bảng 1.2. Chuẩn mưa năm và sai số quân phương tương đối tính chuẩn mưa năm của các trạm trên lưu vực sông Thạch Hãn ...............................................................11 Bảng 1.3. Các cực trị của lượng mưa năm trong thời kỳ quan trắc (1977 – 2004) ..12 Bảng 1.4. Kết quả phân mùa mưa - khô trong tỉnh Quảng Trị .................................12 Bảng 1.5. Phân phối mưa năm theo tháng tại các trạm đo mưa trên lưu vực sông Thạch Hãn .................................................................................................................13 Bảng 1.6. Nhiệt độ bình quân tháng tại trạm ĐôngHà ..............................................13 Bảng 1.7. Độ ẩm tương đối trạm Đông Hà (%) ........................................................13 Bảng 1.8. Bốc hơi bình quân tháng trạm Đông Hà ...................................................14 Bảng 1.9. Số giờ nắng trạm Đông Hà .......................................................................14 Bảng 1.10. Đặc trưng hình thái sông trong vùng nghiên cứu ...................................16 Bảng 1.11. Kết quả phân mùa dòng chảy lưu vực sông Thạch Hãn .........................16 Bảng 1.12. Phân phối dòng chảy năm theo tháng lưu vực sông Thạch Hãn ............17 Bảng 1.13. Trữ lượng nước hồ, đập trên lưu vực sông Thạch Hãn ..........................17 Bảng 1.14. Mạng lưới trạm khí tượng thủy văn trên lưu vực sông Thạch Hãn ........18 Bảng 1.15. Dân số trung bình phân theo giới tính và phân theo khu vực .................21 Bảng 1.16. Tốc độ tăng trưởng kinh tế bình quân qua các thời kỳ (%) ....................22 Bảng 1.17. Cơ cấu quỹ đất đến 2010 tỉnh Quảng Trị ...............................................23 Bảng 1.18. Quy hoạch sử dụng đất đến 2010 của tỉnh Quảng Trị ............................23 Bảng 2.1. Bảng kết quả đánh giá Mô hình bằng chỉ tiêu Nash .................................49 Bảng 3.1. Các kịch bản sử dụng đất ..........................................................................56 Bảng 3.2. Gia tăng nhiệt độ theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) ..................57 Bảng 3.3. Biến đổi % lượng mưa theo mùa tại Bắc Trung Bộ thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn 1980-1999 tương ứng với các kịch bản phát thải (A2 và B2) ........58 3
Bảng 4.1. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Thạch Hãn .................62 Bảng 4.1a. Số liệu thực đo dòng chảy trung bình tháng của trạm Gia Vòng giai đoạn nền 1980 - 1999 .........................................................................................................65 Bảng 4.2. Thay đổi dòng chảy năm theo các kịch bản biến đổi khí hậu ...................67 Bảng 4.3. Biến đổi dòng chảy tháng so với số liệu thực đo trong thời đoạn nền .....67 Bảng 4.4. Thay đổi dòng chảy mùa theo kịch bản 1 .................................................69 Bảng 4.5. Khoảng dao động của biến đổi dòng chảy mùa của kịch bản 1 ...............70 Bảng 4.6. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 2 .........70 Bảng 4.7. Thay đổi lưu lượng theo mùa ứng với sử dụng đất theo kịch bản 3 .........71 Bảng 4.8. Tỉ lệ giảm dòng chảy trong tháng mùa lũ (%) ..........................................71 Bảng 4.9. Thay đổi dòng chảy năm giữa kịch bản kết hợp biến đổi khí hậu -sử dụng đất so với kịch bản chỉ biến đổi khí hậu ....................................................................73 4
MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Sông Thạch Hãn là con sông lớn nhất của tỉnh Quảng Trị, diện tích lưu vực sông Thạch Hãn là 2660 km2, chiếm tới 56% diện tích tỉnh Quảng Trị. Nhìn chung, dòng chảy trên lưu vực sông Thạch Hãn chia thành 2 mùa rõ rệt: - Mùa lũ mặc dù chỉ kéo dài 4 tháng (từ tháng VIII đến tháng XI hoặc từ tháng IX đến tháng XII) nhưng mức độ tập trung dòng chảy trong mùa lũ khá lớn, chiếm tới 62,5 - 80% tổng lượng dòng chảy cả năm. Đây là thời kỳ mưa lớn trong năm và thời kỳ này có thể xảy ra lũ quét sườn dốc gây đất đá lở hay lũ ngập tràn ở hạ du. Lũ này thường đi liền với bão gây thiệt hại lớn cho kinh tế xã hội, gây chết người và hư hỏng các công trình, cơ sở hạ tầng. Tính chất lũ kéo dài từ 5 - 7 ngày, đỉnh lũ cao, tổng lượng lớn. Với tình hình phát triển kinh tế hiện tại lũ này chỉ có thể tránh và chủ động làm giảm mức thiệt hại do lũ gây ra. - Mùa kiệt bắt đầu từ tháng XII hoặc tháng I, kết thúc vào tháng VII hoặc VIII, kéo dài tới 8 tháng nhưng tổng lượng dòng chảy mùa kiệt chỉ chiếm khoảng 20 - 37,5% tổng lượng dòng chảy cả năm. Sự phân phối không đều đã gây ảnh hưởng lớn cho sinh hoạt và sản xuất. Tình trạng đó càng trở nên khốc liệt vào các năm và các tháng có gió Tây Nam (gió Lào) hoạt động mạnh. Tuy nhiên, hiện nay, việc sử dụng tài nguyên nước trên lưu vực sông Thạch Hãn còn tồn tại một số vấn đề sau: - Nguồn nước đang được khai thác và sử dụng cho những mục đích riêng rẽ, gây lãng phí và kém hiệu quả. Việc phân bổ nguồn nước cũng chưa hợp lý, chưa đáp ứng mục tiêu cho các hộ dùng nước. - Dấu hiệu khan hiếm nước ngày càng cao (lượng nước suy giảm về mùa kiệt, mặn xâm nhập sâu vào nội đồng, ô nhiễm nước thải và chất thải tăng .v.v…). - Tài nguyên đất đang được khai thác và sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như phát triển công nghiệp, dịch vụ, thủy sản, chuyển đổi giống cây trồng và vật nuôi .v.v… cũng gây tác động rất lớn đến nguồn nước. Sự lặp lại của các sự kiện cực đoan ở ở tỉnh Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng trong thời gian gần đây đã khiến mọi người quan tâm đến tác động của biến đổi khí hậu khu vực, sử dụng đất và những thay đổi cảnh quan do con người gây ra đối với các hiện tượng cực đoan đó. Để chỉ ra được sự tác động đó như thế nào thì cần phải hiểu được sự biến đổi khí hậu, sử dụng đất và thảm phủ tác động đến dòng chảy và các hiện tượng thủy văn theo năm và mùa như thế nào. Kiến thức này là cần thiết cho việc quy hoạch sử dụng đất để bảo vệ nguồn nước và quản 5
lý hiệu quả lưu vực. Nó cũng rất quan trọng đối với môi trường sinh thái và hoạt động kinh tế xã hội của lưu vực. Ngoài ra, hiện nay, trên lưu vực sông Thạch Hãn không có trạm quan trắc lưu lượng thường xuyên, duy nhất chỉ có trạm Rào Quán đo đạc từ năm 1983 - 1985, nhằm mục đích phục vụ việc thiết kế và thi công công trình thủy điện Rào Quán, vì vậy đã gây nhiều khó khăn cho công tác tính toán lượng nước đến trên lưu vực cũng như dự báo lũ, kiệt; không có khả năng khái quát được số liệu dòng chảy theo không gian và thời gian, phục vụ các mục đích nghiên cứu cũng như quy hoạch sử dụng nước của lưu vực. Trong khi đó, các trạm đo mưa trong phạm vi tỉnh Quảng Trị lại tương đối nhiều và tiến hành đo tương đối đồng bộ và liên tục từ năm 1977 đến nay. Hầu hết các tính toán và đánh giá tài nguyên nước trên lưu vực đều phải sử dụng các biện pháp khôi phục số liệu dòng chảy từ mưa. Để khảo sát bài toán biến đổi dòng chảy ở lưu vực sông Thạch Hãn trong điều kiện số liệu dòng chảy không đầy đủ, việc sử dụng các mô hình diễn toán mưa – dòng chảy là cần thiết. 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. Từ những ưu điểm đó, sau khi cân nhắc nghiên cứu, luận văn đã lựa chọn sử dụng mô hình SWAT để thực hiện mục tiêu của đề tài. Do vậy, “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” là một đề tài có tính khoa học và thực tiễn, góp phần giải quyết những khó khăn trên và giúp cho các nhà quản có thể quản lý tài nguyên nước và đưa ra được những quyết định chiến lược phát triển kinh tế xã hội có hiệu quả hơn. 2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI  Nghiên cứu đặc điểm địa lý tự nhiên, kinh tế - xã hội của tỉnh Quảng Trị nói chung và của lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng để phục vụ cho bài toán quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn.  Chứng minh mức độ phù hợp của việc ứng dụng mô hình SWAT cho lưu vực sông Thạch Hãn trong tính toán dòng chảy.  Khảo sát tác động của sử dụng đất và biến đổi khí hậu đối với dòng chảy của lưu vực sông Thạch Hãn. 6
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU  Đối tượng: Dòng chảy của sông Thạch Hãn dưới tác động của biến đổi khí hậu và sử dụng đất.  Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Thạch Hãn. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ứng dụng mô hình SWAT 5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN Luận văn gồm 4 chương chính cùng phần mở đầu, kết luận, phụ lục, tài liệu tham khảo:  Chương 1: Đặc điểm tự nhiên lưu vực sông Thạch Hãn  Chương 2: Mô hình SWAT  Chương 3: Kịch bản biến đổi khí hậu và sử dụng đất  Chương 4: Ứng dụng mô hình SWAT tính toán cho các kịch bản lựa chọn 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 đến các thầy, các cô trong khoa Khí tượng – Thuỷ văn & Hải dương học về sự hỗ trợ chuyên môn và kỹ thuật. Đặc biệt, xin bày tỏ sự cảm ơn chân thành nhất đến hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Thanh Sơn đã tận tình chỉ đạo và góp ý để tác giả hoàn thành luận văn này. 7
CHƯƠNG 1 ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN 1.1. ĐẶC ĐIỂM ĐỊA LÝ TỰ NHIÊN 1.1.1. Vị trí địa lý Lưu vực Sông Thạch Hãn nằm trong phạm vi từ 16 018 đến 16054’ vĩ độ Bắc và từ 106036’ đến 107018’ kinh độ Đông. Phía đông giáp Biển Đông, phía tây giáp lưu vực sông Sê Pôn phía nam giáp lưu vực sông Ô Lâu và tỉnh Thừa Thiên Huế, phía bắc giáp lưu vực sông Bến Hải. Hình 1.1. Bản đồ lưu vực sông Thạch Hãn Sông Thạch Hãn bắt nguồn từ dãy Trường Sơn, có chiều dài 150 km. Dòng chính Thạch Hãn, đoạn thượng nguồn (sông Đakrông) chảy quanh dãy núi Da Ban, khi về tới Ba Lòng, sông chuyển hướng Đông Bắc và đổ ra biển tại cửa Việt với diện tích lưu vực 2660 km2 (hình 1.1). Đặc điểm các sông của tỉnh Quảng Trị nói chung và sông Thạch Hãn nói riêng là: lòng sông dốc, chiều rộng sông hẹp, đáy sông cắt sâu vào địa hình, phần đồng bằng hạ du lòng sông mở rộng, có chịu ảnh hưởng của thuỷ triều. [10, 13, 18] 1.1.2. Địa hình, địa mạo Lưu vực sông Thạch Hãn có thể phân chia thành các vùng địa hình như sau: vùng cát ven biển, vùng đồng bằng, vùng núi thấp và đồi, vùng núi cao. [11, 12] 8
- Vùng cát ven biển chạy dọc từ cửa Tùng đến bãi biển Mỹ Thuỷ theo dạng cồn cát. Chiều rộng cồn cát nơi rộng nhất tới 3 - 4 km, dài đến 35 km. Dốc về 2 phía: đồng bằng và biển, cao độ bình quân của các cồn cát từ 4 đến 6m. Vùng cát có lớp phủ thực vật nghèo nàn. Cát ở đây di chuyển theo các dạng cát chảy theo dòng nước mưa, cát bay theo gió lốc, cát di chuyển theo dạng nhảy do mưa đào bới và gió chuyển đi; dạng cồn cát này có nguy cơ di chuyển chiếm chỗ của đồng bằng. - Vùng đồng bằng ở đây là các thung lũng sâu kẹp giữa các dải đồi thấp và cồn cát hình thành trên các cấu trúc uốn nếp của dãy Trường Sơn, có nguồn gốc mài mòn và bồi tụ. Ở đây có các vùng đồng bằng rộng lớn như: + Đồng bằng dọc sông Cánh Hòm: là dải đồng bằng hẹp chạy từ phía Nam cầu Hiền Lương tới bờ Bắc sông Thạch Hãn, thế dốc của dải đồng bằng này là từ 2 phía Tây và Đông dồn vào sông Cánh Hòm. Cao độ bình quân dạng địa hình này từ +0,5  1,5m. Dạng địa hình này cũng đã được cải tạo để gieo trồng lúa nước. + Đồng bằng hạ du sông Vĩnh Phước và đồng bằng Cam Lộ: dạng địa hình bằng phẳng, tập trung ở Triệu Ái, Triệu Thượng (Vĩnh Phước). Cao độ bình quân dạng địa hình này từ 1,0  3,0m. Đây là cánh đồng rộng lớn của Triệu Phong và thị xã Đông Hà. Địa hình đồng bằng có cao độ bình quân từ 2,0  4,0m, dải đồng bằng này hẹp chạy theo hướng Tây - Đông, kẹp 2 bên là các dãy đồi thấp. + Ngoài ra, còn một số các thung lũng hẹp cũng đã được khai thác để trồng lúa nước. - Vùng núi thấp và đồi có dạng đồi bát úp liên tục. Độ dốc vùng núi bình quân từ 15  180. Địa hình này rất thuận lợi cho việc phát triển cây trồng cạn, cây công nghiệp và cây ăn quả; cao độ của dạng địa hình này là 200 – 1000 m, có nhiều thung lũng lớn. - Vùng núi cao xen kẽ các cụm đá vôi được hình thành do quá trình tạo sơn xảy ra vào đầu đại mêzôzôi tạo nên dãy Trường Sơn. Dạng này phân bố phía Tây, giáp theo biên giới Việt - Lào theo hướng Tây Bắc – Đông Nam với bậc địa hình từ 1000 - 1700 m với bề mặt bị xâm thực và chia cắt mạnh. Địa hình này thích hợp cho cây lâm nghiệp và rừng phòng hộ đầu nguồn. 1.1.3. Địa chất, thổ nhưỡng a. Địa chất Trên lưu vực sông Thạch Hãn, nhìn chung địa tầng phát triển không liên tục, các trầm tích từ Paleozoi hạ tới Kainozoi trong đó trầm tích Paleozoi chiếm chủ yếu, gồm 9 phân vị địa tầng, còn lại 6 phân vị thuộc Meôzoi và Kainozoi. Các thành tạo xâm nhập phân bố rải rác, song chủ yếu ở phần Tây Nam với diện tích gần 400 km2, thuộc các hệ Trà Bồng, Bến Giàng - Quế Sơn và các đá mạch không phân chia. Phức hệ Trà Bồng nằm trên vùng Làng Xoa (Hướng Hoá) với lộ diện 120 km2, khối có dạng kéo dài theo hướng Tây Bắc - Đông Nam nằm dọc đứt gẫy Đakrông - A Lưới. Phức hệ Bến Giàng - Quế Sơn nằm dọc theo dải núi và vùng Vít Thu Lu gồm các khối Tam Kỳ, Ta Băm và động Voi Mẹp. Địa chất trong vùng có những đứt gãy chạy theo hướng từ đỉnh Trường Sơn ra biển tạo thành các rạch sông chính cắt theo 9
phương Tây - Đông. Tầng đá gốc ở đây nằm sâu, tầng phủ dày. Phần thềm lục địa được thành tạo từ trầm tích sông biển và sự di đẩy của dòng biển tạo thành. [11, 12] b. Thổ nhưỡng Lưu vực sông Thạch Hãn có thể được phân chia thành các vùng thổ nhưỡng: vùng đồng bằng ven biển, vùng gò đồi, vùng đồi núi dãy Trường Sơn. [11, 12] - Vùng đồng bằng ven biển phân bố dọc bờ biển, địa hình đụn cát có dạng lượn sóng, độ dốc nghiêng ra biển. Dạng trầm tích biển được hình thành từ kỷ Q.IV. Cát trắng chiếm ưu thế, tầng dưới cùng bước đầu có tích tụ sắt, chuyển sang màu nâu hơi đỏ. Lớp vỏ phong hoá khá dày, thành phần cơ giới trên 97% là cát. - Vùng gò đồi: hầu hết có dạng địa hình đồi thấp, một số dạng thung lũng sông thuộc địa phận huyện Gio Linh, Cam Lộ trên vỏ phong hoá Mazma. Nhiều nơi hình thành đất trống, đồi trọc. Thực vật chủ yếu là cây dạng lùm bụi, cây có gai. Đất đai ở những nơi không có cây bị rửa trôi khá mạnh. Đá xuất lộ lên bề mặt tạo nên dòng chảy mạnh gây ra xói lở. - Vùng đồi, núi dãy Trường Sơn bị chia cắt mạnh, thực vật nghèo. + Tiểu vùng đất bazan Khe Sanh, Hướng Phùng thuộc các xã Tân Hợp, Tân Độ, Tân Liên, nông trường Khe Sanh, Hướng Phùng có dạng địa hình lượn sóng, chia cắt yếu, đất đai phù hợp cho phát triển trồng cây công nghiệp dài ngày. + Tiểu vùng đất sa phiến thạch thuộc địa phận Lao Bảo, Lìa: nằm trong vùng đứt gãy dọc đường 9, giáp khu vực Lao Bảo. 1.1.4. Thảm thực vật Trong thời gian chiến tranh, tỉnh Quảng Trị nằm trong vùng chiến tranh, huỷ diệt khốc liệt, lớp phủ thực vật thuộc loại bị tàn phá. Ngay khi đất nước thống nhất, kế hoạch khôi phục lớp phủ thực vật với ý nghĩa phục hồi các hệ sinh thái tối ưu, trở thành kế hoạch hành động cụ thể và tích cực. Đến 1990, nhiều diện tích rừng trồng và rừng tự nhiên tái sinh do khoanh nuôi bảo vệ đã xuất hiện. Rừng trồng theo chương trình hỗ trợ của PAM (Chương trình An toàn lương thực Thế giới) dọc các quốc lộ hoặc tỉnh lộ phát triển nhanh. Từ các Chương trình Quốc gia 327, 264 và kế hoạch trồng rừng, trồng cây nhân dân của cấp tỉnh, phát động và đầu tư, đã nâng cao tỷ lệ che phủ rừng khá nhanh. Đồng thời với các kế hoạch trồng rừng, trong giai đoạn từ 1995 đến 2000, thực hiện hạn chế khai thác rừng tự nhiên, tăng cường khoanh nuôi phục hồi rừng tự nhiên, độ che phủ rừng đã tăng bình quân 1%/năm (bảng 1.1). Đến năm 2005 độ che phủ của rừng đạt 43,2%. Tỉnh Quảng Trị gần như vùng đất vành đai trắng trong thời gian chiến tranh, chỉ hơn 25 sau chiến tranh, rừng che phủ đất đai tự nhiên đã tăng từ 7,4% lên hơn 40%, và đó là một thành quả sinh thái quan trọng. [17] 10
Bảng 1.1. Diễn biến tài nguyên rừng ở Quảng Trị và hiệu quả Năm Diễn biến rừng và hiệu quả Địa bàn tỉnh Quảng Trị Độ che phủ rừng (%) 23,2 % Rừng trồng (ha) 11.250 ha 1990 Hiệu quả Phục hồi hệ sinh thái Độ che phủ rừng (%) 26,4 % Rừng trồng (ha) 29.300 ha 1995 Hiệu quả Chống cát di động. Phục hoá đất trồng chuyển canh tác nông nghiệp Độ che phủ rừng (%) 29,7 % Rừng trồng (ha) 35.064 ha 2000 Hiệu quả Phòng hộ ven biển, đầu nguồn Độ che phủ rừng (%) 43,2 % Rừng sản xuất (ha) 65.947 ha 2005 Rừng phòng hộ (ha) 108.974 ha Rừng đặc dụng (ha) 33.593 ha Hiệu quả Phòng hộ ven biển, đầu nguồn 1.1.5 Khí hậu a. Mưa Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng nằm trong vùng mưa tương đối lớn của nước ta. Lượng mưa hàng năm tính trung bình trên phạm vi toàn lưu vực đạt trên 2400 mm, lượng mưa năm phân bố không đều theo không gian, phụ thuộc vào hướng sườn dốc và phù hợp với xu thế tăng dần của mưa theo độ cao địa hình. Do địa hình có xu thế tăng dần từ đông sang tây và từ bắc xuống nam nên lượng mưa năm cũng có xu thế tăng dần từ đông sang tây và từ bắc xuống nam. Nơi mưa ít nhất là những thung lũng khuất gió như Khe Sanh chuẩn mưa năm 2070,3 mm, Tà Rụt chuẩn mưa năm là 1936,7 mm. Nơi mưa nhiều là khu vực núi cao thượng nguồn các sông Rào Quán, Cam Lộ. Kết quả tính toán chuẩn mưa năm của một số trạm trên lưu vực được thể hiện trong bảng 1.2. [8, 11] Bảng 1.2. Chuẩn mưa năm và sai số quân phương tương đối tính chuẩn mưa năm của các trạm trên lưu vực sông Thạch Hãn Độ dài Hệ số biến Chuẩn Sai số quân Thời kỳ tính TT Tên trạm TKTTĐB Ktb đổi mưa năm mưa năm phương tương toán đại biểu (năm) Cvx Xo (mm) đối (%) (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 1 Đông Hà 78-98 21 1,00 0,21 2271,5 4,58 11
2 Khe Sanh 78-04 27 0,99 0,23 2070,3 4,43 3 Thạch Hãn 78-04 27 0,99 0,24 2559,8 4,62 4 Cửa Việt 79-04 26 0,99 0,22 2237,1 4,26 Xét trên toàn chuỗi quan trắc (1977-2004), lượng mưa năm cực đại tại tất cả các trạm rất lớn, đều đạt trên 3200 mm (nhỏ nhất tại Cửa Việt: 3372.4 mm và lớn nhất tại Thạch Hãn: 4030,3 mm). Lượng mưa năm cực tiểu tại tất cả các trạm rất nhỏ, dao động trong khoảng từ 1153,5 mm, tại Khe Sanh đến 1719,9 mm, tại Thạch Hãn và xuất hiện không đồng thời tại các trạm. Cực trị của lượng mưa năm được thống kê trong bảng 1.3. Bảng 1.3. Các cực trị của lượng mưa năm trong thời kỳ quan trắc (1977 – 2004) Trạm Đông Hà Khe Sanh Cửa Việt Thạch Hãn Lượng (mm) 3458,2 3424,8 3372,4 4030,3 Xmax Năm xuất hiện 1980 1990 1999 1999 Lượng (mm) 1424,5 1153,5 1305,5 1719,9 Xmin Năm xuất hiện 1988 1993 1988 1994 Xmax/Xmin 2,4 3,0 2,6 2,3 Cũng như các nơi khác ở nước ta, lượng mưa ở tỉnh Quảng Trị nói chung và lưu vực sông Thạch Hãn nói riêng cũng phân phối không đều trong năm. Một năm hình thành hai mùa là mùa mưa và mùa khô. Tổng lượng mưa của 3 đến 4 tháng mùa mưa chiếm tới 68  70% lượng mưa năm. Tổng lượng mưa của 8 - 9 tháng mùa khô chỉ chiếm khoảng 30% tổng lượng mưa năm. Kết quả phân mùa mưa - mùa khô của một số trạm trên lưu vực được thể hiện trong bảng 1.4. Bảng 1.4. Kết quả phân mùa mưa - khô trong tỉnh Quảng Trị Mùa mưa Mùa khô TT Trạm Thời gian  so với Xnăm Thời gian  so với Xnăm 1 Đông Hà IX  XI 63,97 XII  X 36,03 2 Thạch Hãn IX  XII 72,70 XII  X 27,30 3 Cửa Việt IX  XII 72,83 XII  X 27,17 4 Tà Rụt IX  XI 59,24 XII  X 40,76 5 Khe Sanh VI  XI 81,15 XI  V 18,85 Sự phân hoá mưa năm theo tháng cũng khá sâu sắc. Lượng mưa của tháng mưa nhiều nhất (tháng X) chiếm từ 20 đến 29 tổng lượng mưa năm. Lượng mưa của tháng ít mưa nhất (I, II, III hoặc IV) rất không đáng kể, chỉ chiếm từ 0,5 đến 2,1 tổng lượng mưa năm. Ba tháng mưa nhiều nhất là các tháng IX, X, XI. Ba 12
tháng mưa ít nhất là các tháng I, II, III hoặc II, III, IV (bảng 1.5). Bảng 1.5. Phân phối mưa năm theo tháng tại các trạm đo mưa trên lưu vực sông Thạch Hãn Đặc Tháng TT Trạm Năm trưng I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Đông Xth 46,1 36,8 35,0 60,5 128,5 87,4 67,2 167,3 394,3 609,7 438,4 183,4 2254,7 1 Hà (mm)  % 2,05 1,63 1,55 2,68 5,70 3,88 2,98 7,42 17,49 27,04 19,44 8,14 100 Thạch Xth 78,0 55,7 52,5 63,9 152,3 84,4 62,9 141,5 400,7 694,7 490,8 253,8 2531,1 2 Hãn (mm) % 3,08 2,20 2,07 2,52 6,02 3,34 2,48 5,59 15,83 27,45 19,39 10,03 100 Cửa Xth 64,8 49,0 37,4 59,7 118,7 64,6 59,2 158,1 374,3 575,9 454,9 234,5 2251,1 3 Việt (mm) % 2,88 2,18 1,66 2,65 5,27 2,87 2,63 7,02 16,63 25,58 20,21 10,42 100 Tà Xth 28,0 11,6 31,6 94,7 168,9 193,6 113,4 164,9 353,6 626,1 294,0 92,8 2149,9 4 Rụt  % 1,30 0,54 1,47 4,41 7,85 9,01 5,27 7,67 16,45 29,12 13,67 4,32 100 (mm) 5 Khe Xth 15,7 20,4 31,3 87,4 172,2 199,4 196,4 297,6 371,7 416,1 184,9 60,0 2053,1 Sanh (mm) Mặt khác lượng nước chênh lệch giữa hai mùa là quá lớn, do đó cần phải tính toán điều tiết để sử dụng nguồn nước một cách hợp lý tạo ra hiệu quả cao cho sản xuất, chăn nuôi cũng như là dùng cho sinh hoạt. b. Nhiệt độ không khí Nhiệt độ không khí trong vùng thấp nhất vào mùa Đông (tháng 11 tới tháng 3). Cao nhất vào mùa Hè (tháng 5 tới tháng 8). Nhiệt độ bình quân nhiều năm vào khoảng 24,30C. Chênh lệch nhiệt độ trong ngày từ 7 tới 100C. Nhiệt độ bình quân tháng tại trạm các trạm trong vùng nghiên cứu được thể hiện ở bảng 1.6. [7, 8] Bảng 1.6. Nhiệt độ bình quân tháng tại trạm ĐôngHà Đơn vị: 0C Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Đông Hà 19.2 19.3 22.5 25.6 28.2 29.3 29.6 28.8 27.1 25.1 22.5 19.9 Quảng Trị 19.4 20.4 22.6 25.6 28.1 29.4 29.5 29.0 27.1 25.1 23.2 20.8 Khe Sanh 17.6 18.4 21.8 24.4 25.6 25.6 25.3 24.6 24.0 22.8 20.4 18.2 c. Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối bình quân nhiều năm nằm trong khoảng 85 tới 89%. Bảng 1.7 trích dẫn độ ẩm tương đối tại trạm Đông Hà. Bảng 1.7. Độ ẩm tương đối trạm Đông Hà (%) Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TB 13
Đông Hà 92 91 91 93 91 79 81 79 84 85 88 89 86,9 d. Bốc hơi Bốc hơi bình quân nhiều năm nằm trong khoảng 1200 - 1300 mm. Ở vùng đồng bằng bốc hơi bình quân nhiều năm cao hơn vùng núi. Lượng bốc hơi bình quân tháng lớn nhất tại Đông Hà là 219 mm/tháng (bảng 1.8). Lượng bốc hơi ngày lớn nhất vào tháng 7, bình quân 1 ngày bốc hơi tới 7 mm. Bảng 1.8. Bốc hơi bình quân tháng trạm Đông Hà Đơn vị: mm Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm Đông Hà 53.5 49 54 71.5 126 195 219 189 100 90 71 61 1279 e. Số giờ nắng Bình quân số giờ nắng trong năm khoảng 1840 giờ. Tại Đông Hà số giờ nắng trong tháng biến đổi từ 92 giờ vào tháng 2 tới 242 giờ vào tháng 7 (bảng 1.9). Bảng 1.9. Số giờ nắng trạm Đông Hà Đơn vị: giờ Trạm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Năm Đông Hà 95 92 106 169 223 235 242 192 151 145 84 106 1840 f. Gió và bão Các lưu vực sông thuộc Quảng Trị nói chung và sông Thạch Hãn nói riêng chịu chế độ khí hậu nhiệt đới, gió mùa. Một năm có 2 chế độ gió mùa chính: Gió mùa Tây Nam hoạt động mạnh vào mùa hè từ tháng 4 đến tháng 11, tốc độ gió bình quân 2,0  2,2m/s. Gió mùa này mang độ ẩm và gây mưa cho vùng. Gió mùa Tây Bắc hoạt động mạnh từ tháng 12 đến tháng 3 năm sau, tốc độ gió bình quân từ 1,7  1,9m/s. Thời gian chuyển tiếp các hướng gió Tây Nam và Tây Bắc là thời gian giao thời và gió Tây khô nóng hoạt động vào tháng 4, tháng 5 (nhân dân địa phương gọi là gió Lào). Thời kỳ có gió Lào là thời kỳ nóng nhất trong tỉnh Quảng Trị. Bão và xoáy thuận nhiệt đới là những biến động thời tiết trong mùa hạ, hoạt động rất mạnh mẽ và thất thường. Từ tháng 5 đến tháng 8 vùng ven Thái Bình Dương không khí bị nung nóng bốc lên cao tạo thành những vùng xoáy rộng 14