Luận văn Ứng dụng mô hình swat khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn

LUẬN VĂN THẠC SỸ Ứng dụng mô hình SWAT khảo sát biến đổi dòng chảy do biến đổi khí hậu và sử dụng đất lưu vực sông Thạch Hãn 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 ........................ 18 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. Xu thế phát triển dân số, nguồn nhân lực ................................................. 20 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 ...... 22 1.3. CÁC HIỆN TƯỢNG THỜI TIẾT CỰC ĐOAN .................................................... 23 1.3.1. Tình trạng hạn hán ......................................................................................... 23 1.3.2. Tình trạng úng lụt ........................................................................................... 24 1.3.3. Tình trạng lũ quét ........................................................................................... 24 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 ............................................... 27 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 .............................................................................................. 28 2.1.2.3. NASIM ................................................................................................... 29 2.1.2.4. SAC – SMA (Sacramento)....................................................................... 30 2.1.2.5. HBV........................................................................................................ 30 2.1.2.6. Mô hình NAM ......................................................................................... 30 2.1.2.7. Mô hình SCS ........................................................................................... 31 2.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN VÀ TỔNG QUAN MÔ HÌNH SWAT ............................ 32 2.2.1 Lịch sử phát triển ............................................................................................ 32 2.2.2 Tổng quan mô hình SWAT ............................................................................. 34 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 ................................................................................................. 36 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 ...................................... 38 2.4.1. Dòng chảy mặt ............................................................................................... 38 2.4.1.1. Phương pháp chỉ số đường cong SCS ...................................................... 38 2.4.1.2. Phương pháp thấm Green và Ampt .......................................................... 39 2.4.1.3. Hệ số lưu lượng đỉnh lũ ........................................................................... 40 2.4.1.4. Hệ số trễ dòng chảy mặt .......................................................................... 40 2.4.1.5. Tổn thất dọc đường.................................................................................. 41 2.4.2. Bốc thoát hơi .................................................................................................. 42 2.4.2.1. Vòm cây .................................................................................................. 42 2.4.2.2. Bốc thoát hơi tiềm năng ........................................................................... 42 2.4.2.3. Bốc thoát hơi thực tế................................................................................ 43 2.4.3. Chuyển động của nước trong đất .................................................................... 44 2.4.4. Nước ngầm .................................................................................................... 45 2.4.4.1. Tầng ngậm nước nông ............................................................................. 45 2.4.4.2. Tầng ngậm nước sâu ................................................................................ 45 2.4.5. Diễn toán dòng chảy trong sông ..................................................................... 46 2.4.6. Diễn toán trong hồ chứa ................................................................................. 46 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 .............................................................. 47 2.5.3. Thông số tính hệ số trễ dòng chảy mặt ............................................................ 47 2.5.4. Thông số tính toán tổn thất dọc đường ............................................................ 47 2.5.5. Thông số tính toán tổn thất bốc hơi ................................................................. 47 2.5.6. Thông số tính toán dòng chảy ngầm ............................................................... 47 2.5.7. Thông số diễn toán dòng chảy trong kênh chính ............................................. 47 2.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ HÌNH ........................................................................ 48 CHƯƠNG 3 ................................................................................................................................ 49 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ THAY ĐỔI MẶT ĐỆM .............................................. 49 3.1 KHÁI NIỆM KỊCH BẢN ...................................................................................... 49 3.2 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ......................................................................... 50 3.2.1 Sơ lược tình hình biến đổi khí hậu hiện nay ..................................................... 50 3.2.2. Dao động các đặc trưng khí hậu của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua. ............... 51 3.2.3. Các kịch bản biến đổi khí hậu ......................................................................... 52 3.3 KỊCH BẢN THAY ĐỔI MẶT ĐỆM ..................................................................... 54 3.3.1. Kịch bản 1...................................................................................................... 54 3.3.2. Kịch bản 2. ..................................................................................................... 55 3.3.3. Kịch bản 3. ..................................................................................................... 55 3.4 LỰA CHỌN KỊCH BẢN PHÙ HỢP VỚI KHU VỰC NGHIÊN CỨU ................... 56 3.4.1 Lựa chọn kịch bản biến đổi khí hậu ................................................................. 56 3.4.2 Lựa chọn kịch bản thay đổi mặt đệm ............................................................... 57 3.4.3. Lựa chọn kết hợp kịch bản biến đổi khí hậu và kịch bản sử dụng đất .............. 57 CHƯƠNG 4 ................................................................................................................................ 58 ÁP DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN ĐỐI VỚI CÁC KỊCH BẢN ĐÃ LỰA CHỌN .. 58 4.1 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT TÍNH TOÁN DÒNG CHẢY LƯU VỰC SÔNG THẠCH HÃN .......................................................................................................................... 58 4.1.1 Số liệu đầu vào ................................................................................................ 58 4.1.2 Áp dụng mô hình để tính toán dòng chảy cho lưu vực sông Thạch Hãn ............ 58 4.1.3 Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số của mô hình .................................................... 60 4.1.4 Kết quả kiểm định mô hình ............................................................................. 63 4.1.5 Nhận xét chung ............................................................................................... 63 4.2 ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐỐI VỚI DÒNG CHẢY .... 64 4.2.1 Kịch bản B2: ................................................................................................... 64 4.2.2 Kịch bản A2 .................................................................................................... 66 4.3 NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY TRÊN LƯU VỰC .................................................................................................................... 68 4.3.1 Kịch bản 1: ..................................................................................................... 68 4.3.2 Kịch bản 2....................................................................................................... 69 4.3.3 Kịch bản 3....................................................................................................... 70 4.4. NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG TỔNG HỢP CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT TỚI DÒNG CHẢY ..................................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................................... 77 1 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ 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 .................................................... 26 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 ........................................................ 39 Hình 3.1. Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ trung bình toàn cầu (IPCC, 2007) .............. 50 Hình 3.2. Diễn biến lượng mưa năm ở các vùng trên thế giới (IPCC, 2007) .......... 51 Hình 3.3. Xu thế biến đổi nhiệt độ của Quảng Trị trong 3 thập kỷ qua theo số liệu của trạm Đông Hà ................................................................................................. 52 Hình 3.4. Dao động tổng lượng mưa năm theo số liệu trạm Gia Vòng trong 3 thập niên qua ................................................................................................................. 52 Hình 3.5. Thay đổi diện tích sử dụng đất của kịch bản 1 so với bản đồ năm 2000 .. 55 Hình 4.1. Lưu vực sông Thạch Hãn được chia thành 04 lưu vực cơ sở .................. 59 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 ................................................................... 60 Hình 4.3. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng ..................................................................................................................... 62 Hình 4.4. Quan hệ tương quan giữa lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm Gia Vòng ..................................................................................................................... 62 Hình 4.5. Đường quá trình lưu lượng tính toán và thực đo tại trạm thuỷ văn Gia Vòng ..................................................................................................................... 63 Hình 4.6. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản B2 ........................................................................... 64 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 ................................................................... 65 2 Hình 4.8. Thay đổi dòng chảy năm của các kịch bản biến đổi khí hậu ................... 66 Hình 4.9. Thay đổi % dòng chảy tháng của thời đoạn 2020-2100 so với thời đoạn nền 1980-1999 theo kịch bản A2 ........................................................................... 67 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............................................................ 67 Hình 4.11. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 1 ........................... 69 Hình 4.12. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 2 ........................... 70 Hình 4.13. Diễn biến dòng chảy tháng tương ứng với kịch bản 3 ........................... 71 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 ........................................................... 72 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 ........................................................ 73 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 3 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 ............................................. 22 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 ............................... 48 Bảng 3.1. Các kịch bản biến đổi sử dụng đất ......................................................... 55 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).................. 56 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) ....... 57 4 Bảng 4.1. Kết quả hiệu chỉnh bộ thông số cho lưu vực sông Thạch Hãn ................ 61 Bảng 4.2. Thay đổi dòng chảy năm theo các kịch bản biến đổi khí hậu .................. 65 Bảng 4.3. Biến đổi dòng chảy tháng so với tính toán kiểm tra................................ 66 Bảng 4.4. Thay đổi dòng chảy mùa theo kịch bản 1 ............................................... 68 Bảng 4.5. Khoảng dao động của biến đổi dòng chảy mùa của kịch bản 1 ............... 68 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 ........ 70 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 5 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