ỨNG DỤNG MÔ HÌNH GIS VÀ SWAT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC MẶT TẠI Lưu vực sông Đăk-Bla, tỉnh Kon Tum. Triển khai mô hình SWAT: xây dựng mô hình, đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực sông Đăk-Bla.
MỞ ĐẦU
Đặt vấn đề
Tuy nhiên, sự phát triển của công nghệ GIS đã tạo động lực góp phần hoàn thiện và thúc đẩy việc ứng dụng các mô hình này trên toàn thế giới. Mô hình đánh giá chất lượng đất và nước SWAT (Công cụ đánh giá đất và nước) cũng là một phần của hệ thống GIS.
Mục tiêu - nội dung của đề tài
Vì những lý do trên, tôi lựa chọn thực hiện dự án nghiên cứu “Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT nhằm cải thiện chất lượng nước mặt lưu vực sông Đăk-Bla, tỉnh Kon Tum”.
Giới hạn đề tài
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
Khái quát lưu vực sông Đak-Bla – tỉnh Kon Tum
Điều kiện tự nhiên lưu vực sông Đak-Bla
- Vị trí địa lí
- Địa hình
- Địa chất, thổ nhưỡng và sử dụng đất
- Khí hậu
- Thuỷ văn
Lưu vực sông Đăk-Bla nói riêng và tỉnh Kon Tum nói chung nằm ở phía Tây Trường Sơn nên đặc điểm địa hình khá đa dạng. Hiện nay, lưu vực sông Đăk Bla có độ che phủ rừng cao.
Kinh tế - xã hội lưu vực sông Đak-Bla
- Dân cư - xã hội
- Hiện trạng phát triển kinh tế
- Công trình thuỷ điện trên sông Đak-Bla
Lưu lượng trung bình năm của sông Đăk-Bla theo thượng nguồn thủy điện Kon Tum khoảng 15,2 m3. Tuy nhiên, việc vận hành nhà máy thủy điện thượng nguồn Kon Tum có nguy cơ biến sông Đăk-Bla thành dòng sông chết.
Tổng quan về hệ thống thông tin địa lí (GIS)
- Định nghĩa
- Lịch sử phát triển
- Các thành phần của GIS
- Các dạng dữ liệu của GIS
- Chức năng của GIS
Dữ liệu không gian (dữ liệu bản đồ): biểu diễn các đối tượng không gian dưới dạng điểm, đường, vùng hoặc biểu diễn bề mặt. Có hai loại biểu diễn dữ liệu không gian: vector và raster.
Tổng quan về mô hình SWAT
- Giới thiệu về mô hình SWAT
- Lịch sử phát triển của SWAT
- Định nghĩa lưu vực
- Định nghĩa tiểu lưu vực
- Định nghĩa đơn vị thuỷ văn (HRU)
- Dữ liệu đầu vào sử dụng trong SWAT
Các quá trình xói mòn được dự đoán riêng cho từng tiểu lưu vực và sẽ được sử dụng để tính toán tổng lượng xói mòn trên toàn bộ lưu vực. Thời tiết: mô hình sẽ tạo bộ dữ liệu thời tiết cho từng tiểu lưu vực. SWAT cho phép xác định các tiểu lưu vực nằm trong ranh giới của lưu vực nghiên cứu.
Các đơn vị thủy văn cho phép SWAT thể hiện sự đa dạng của khu vực trong ranh giới lưu vực. Phải chấp nhận rằng không có sự tương tác giữa các đơn vị thủy văn trong lưu vực. Dữ liệu đầu vào SWAT được tổ chức theo từng cấp độ chi tiết: lưu vực, tiểu lưu vực hoặc đơn vị thủy văn.
Dữ liệu đầu vào được sử dụng để chạy mô hình các quá trình diễn ra trong lưu vực. Dữ liệu ở cấp tiểu lưu vực nếu dữ liệu thuộc về một quy trình được mô hình hóa trong HRU.
Tổng quan các công trình nghiên cứu ứng dụng GIS – SWAT trong đánh giá chất
- Thế giới
- Việt Nam
Tổng quan các dự án nghiên cứu ứng dụng GIS - SWAT để đánh giá chất lượng nước mặt. Xây dựng các thông số chất lượng nước lưu vực hồ Dầu Tiếng. Kết quả đánh giá phần nào chất lượng nước của lưu vực và hồ Dầu Tiếng.
Nguyễn Hà Trang (2009) ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT để đánh giá, dự báo chất lượng nước lưu vực sông Đồng Nai. Dự án đã kết hợp các công cụ trong hệ thống thông tin địa lý GIS (ArcGis, MapInfo,.) và mô hình SWAT để phục vụ cho việc nghiên cứu. Xác định một số nguyên nhân chính dẫn đến sai sót lớn trong quá trình triển khai mô hình SWAT trên thực tế.
Tuy nhiên, dự án vẫn chưa thành công trong việc thu thập mẫu và tiến hành thí nghiệm xác định các thông số đất với độ tin cậy thấp.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Vật liệu nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập và xử lý dữ liệu
- Dữ liệu địa hình
- Dữ liệu thổ nhưỡng
- Dữ liệu sử dụng đất
- Dữ liệu thời tiết
- Tiến trình thực hiện trên SWAT
- Quá trình tính toán mô phỏng
- Phương trình thuật toán tính lượng DO
- Phương trình thuật toán tính lượng NO-3
- Phương trình thuật toán tính lượng NH+4
- Phương trình thuật toán tính lượng PO3-4
- Đánh giá độ chính xác
Dữ liệu địa hình được thể hiện bằng bản đồ mô hình độ cao kỹ thuật số (DEM - Digital Elevation Model) (Borrough, 1986). Mục tiêu của dự án là đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực sông Đăk-Bla nên dự án đã sử dụng mô hình SWAT trong nghiên cứu. Dữ liệu đầu vào trong mô hình SWAT bao gồm bản đồ DEM, bản đồ đất, bản đồ sử dụng đất và dữ liệu thời tiết.
Trong nghiên cứu này, tôi chỉ sử dụng 4 thông số sau: oxy hòa tan DO, nitrat NO-3, amoni NH+4 và photphat PO3-4 để đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực sông Đăk. TT: dòng chảy trong thời gian vận động của lưu vực sông (ngày, giờ). Lượng nitrat trong lưu vực sông có thể tăng lên do quá trình oxy hóa NO-2.
Nồng độ amoni trong các vùng nước có thể giảm do chuyển đổi NH+4 thành NO-2 hoặc hấp thụ NH+4 bởi tảo. Lượng amoni (PO3-4) trong lưu vực nguồn nước có thể tăng lên bằng cách chuyển hóa phốt pho trong sinh khối tảo thành phốt pho hữu cơ.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
- Bản đồ địa hình (DEM)
- Thổ nhưỡng
- Sử dụng đất
- Bản đồ thời tiết
- File dữ liệu Weather Generator
- File dữ liệu mưa (Rainfall)
- File dữ liệu nhiệt độ (Temperature)
Trong nghiên cứu này, số liệu đất được cung cấp từ Cục Thống kê tỉnh Kon Tum, với 5 loại đất của lưu vực (Bảng 4.1 và Hình 4.2) được phân loại theo FAO, trong đó phổ biến nhất là đất xám và đất xám. feralit. Bản đồ nông nghiệp lưu vực sông Đăk-Bla năm 2010 được thành lập dựa trên số liệu thu thập từ Cục Thống kê tỉnh Kon Tum, với 8 loại hình sử dụng đất khác nhau (Bảng 4.2 và Hình 4.3) được phân loại theo mã sử dụng đất trong SWAT, phổ biến nhất là là rừng rụng lá và rừng thường xanh. Việt Nam là nước nhiệt đới, không có tuyết nên lượng mưa được tính bằng lượng mưa (Rainfall Data).
Trong đó, ba thành phần phải được cung cấp cho SWAT: trạm đo, lượng mưa, nhiệt độ. Hệ thống file dữ liệu hàng ngày về nhiệt độ cao nhất và thấp nhất cho mỗi trạm.
Kết quả mô phỏng đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Đak-Bla giai đoạn 2001
- Kết quả mô phỏng lượng DO giai đoạn 2001 - 2010
- Kết quả mô phỏng lượng NO - 3 giai đoạn 2001 - 2010
- Kết quả mô phỏng lượng NH + 4 giai đoạn 2001 - 2010
- Kết quả mô phỏng lượng PO 3- 4 giai đoạn 2001 - 2010
Xác định nồng độ DO là một phần cơ bản của quá trình đánh giá chất lượng nước, vì oxy tham gia hoặc ảnh hưởng đến hầu hết các quá trình sinh học và hóa học trong môi trường nước (FrancisFloyd, R., 1992). DO thấp có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ dẫn đến nhu cầu oxy tăng cao làm giảm lượng oxy trong nước. Việc đo DO có thể được sử dụng để chỉ ra mức độ ô nhiễm của chất hữu cơ, sự phân hủy chất hữu cơ và mức độ tự làm sạch của nước (D.Chapman và V.Kimstach, 1996).
Ngược lại, DO cao chứng tỏ nước có nhiều tảo tham gia vào quá trình quang hợp giải phóng oxy. Nitrite có thể được tạo ra bằng cách khử nitrat, thường là trong điều kiện yếm khí. Amoni có mặt trong môi trường có nguồn gốc từ các quá trình trao đổi chất, nông nghiệp và công nghiệp.
Các hợp chất nitrit và nitrat được hình thành do quá trình oxy hóa của vi sinh vật trong quá trình xử lý, lưu trữ và vận chuyển nước cho con người. Nguồn phốt pho tự nhiên chủ yếu đến từ quá trình phong hóa quặng phốt pho và sự phân hủy chất hữu cơ.
Kết quả so sánh chất lượng nước lưu vực sông Đak-Bla giai đoạn 2001 - 2005,
- So sánh lượng DO của hai giai đoạn 2001 – 2005 và 2006 - 2010
- So sánh lượng NO - 3 của hai giai đoạn 2001 - 2005 và 2006 - 2010
- So sánh lượng NH + 4 của giai đoạn 2001 – 2005 và 2006 - 2010
- So sánh lượng PO 3- 4 của giai đoạn 2001 - 2005 và 2006 - 2010
Mặc dù có sự thay đổi liên tục trong suốt hai giai đoạn nhưng hầu hết đều dưới 2 mg/l, tương ứng với mức A1. Vì vậy, có thể thấy lượng nitrat trong nguồn nước phù hợp để sử dụng trong cấp nước sinh hoạt, bảo tồn động thực vật thủy sinh, tưới nhân tạo, tưới nhân tạo… Mặc dù có sự thay đổi liên tục trong suốt 2 giai đoạn nhưng đều ở mức dưới 0,1 mg/l, tương ứng với mức A1.
Vì vậy, có thể thấy lượng amoni trong nguồn nước khá ổn định, phù hợp để sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt, bảo tồn động thực vật thủy sinh, tưới tiêu, tưới tiêu… Mặc dù có sự thay đổi liên tục trong suốt 2 giai đoạn nhưng lượng DO đều ở mức dưới 0,1 mg/l, tương đương mức A1. Vì vậy, có thể thấy lượng lân trong nguồn nước phù hợp để sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt, bảo tồn hệ động thực vật thủy sinh, tưới tiêu, tưới tiêu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Kiến nghị
Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm hiện thực hóa tất cả lợi ích của việc sử dụng mô hình SWAT để đánh giá chất lượng nước mặt. Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT để đánh giá, dự báo chất lượng nước lưu vực sông Đồng Nai. Ứng dụng công nghệ GIS và mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước lưu vực hồ Dầu Tiếng.
Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước phục vụ quy hoạch sinh thái lưu vực sông Đa Dâng, tỉnh Lâm Đồng: Kỷ yếu Hội thảo ứng dụng GIS quốc gia năm 2011. Ứng dụng mô hình SWAT tính toán tiềm năng nước khu vực Sông Bé, 23 trang. Ứng dụng mô hình GIS và SWAT để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến lưu lượng dòng chảy và phục vụ quản lý hợp lý lưu vực sông Bé.
Sử dụng mô hình SWAT đánh giá chất lượng nước lưu vực sông Srepok - tỉnh Đăk Lăk: Kỷ yếu Hội thảo quốc gia về sử dụng GIS 2011. Sử dụng GIS trong quản lý tài nguyên thiên nhiên - Nhà xuất bản Nông nghiệp.
