Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · PDF...

Chuyên đề SWATCopyright © 2014 | [email protected] 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

KS. Nguyễn Duy Liêm

Điện thoại: 0983.613.551

Email: [email protected]

Bài giảng: Chuyên đề SWAT

(Soil and Water Assessment Tool)

Copyright © 2014 | [email protected] Chuyên đề SWAT 2

2. Phân chia lưu vực trong SWAT

(Soil and Water Assessment Tool)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

Chuyên đề SWATCopyright © 2014 | [email protected]

Nội dung

Lý thuyết

Một số thuật ngữ về lưu vực

Cấu trúc lưu vực trong SWAT

Phương pháp phân chia lưu vực

Thủ công

Tự động

Phương pháp phân chia đơn vị thủy văn trong SWAT

“Dominant HRU”

“Dominant Landuse, Soil, Slope"

“Multiple HRUs”

3


Một số thuật ngữ

Lưu vực

Lưu vực là một diện tích mặt đất (được giới hạn bởi đường phân

thủy) đón nhận nước rơi và hội tụ dòng chảy về một điểm chung

nào đó thuộc một thực thể chứa nước cụ thể như sông, suối,

đầm lầy, hồ.

4

Thượng nguồn

Ranh giới lưu vực

(đường phân thủy)

Dòng chảy

nhánh

Cửa sông

(cửa xả)

Lưu vực kín:

Phân thủy mặt = Phân thủy ngầm

Lưu vực hở:

Phân thủy mặt ≠ Phân thủy ngầm

Dòng chảy chính


Lưu vực không tuân theo ranh giới hành chính!

5


Ranh giới lưu vực theo địa hình có thể khác với

thực tế!

6

Lưu vực (theo địa hình) Lưu vực (theo địa hình)

Lưu vực

(trên thực tế)Lưu vực

(trên thực tế)

Lượng mưa

Bốc hơi

Dòng

chảy mặt

Thấm hút

Tầng thấm

Tầng không thấm

Suối


Ranh giới lưu vực có thể thay đổi do con người!

7

Hồ

chứa

Đường giao thông

Chuyển nước



Trong mỗi lưu vực có thể bao gồm nhiều lưu vực nhỏ

hơn (gọi là tiểu lưu vực).

Lưu vực được xác định dựa trên đường ranh giới của

nó. Ranh giới lưu vực là một đường khép kín vẽ theo

đường phân thủy mặt tính từ cửa xả của lưu vực.

8

Lưu vực (tiểu lưu vực) Ranh giới lưu vực

(đường phân thủy)

Cửa xả



Cửa xả của lưu vực

Là điểm thoát nước chủ yếu của lưu vực tính từ điểm đó trở lên.

Chẳng hạn như:

điểm xả nước chính của một đập thủy điện,

điểm thu nước của một nhà máy cấp nước sạch hoặc cơ sở sản xuất

công nghiệp có sử dụng nước trực tiếp từ nguồn nước.

9



Bản đồ địa hình

Thể hiện sự thay đổi độ cao của bề mặt đất dưới dạng điểm độ

cao, đường đồng mức.

Là dữ liệu đầu vào của quá trình xác định ranh giới lưu vực.

10



Mô hình độ cao số

Thể hiện dưới dạng số sự thay đổi liên tục của độ cao trong

không gian.

DEM là một trong những dữ liệu đầu vào của các quá trình xử lý

số liệu liên quan đến xác định ranh giới lưu vực.

11



Trong SWAT, lưu vực được chia thành các tiểu lưu vực,

trong mỗi tiểu lưu vực được chia thành các đơn vị thủy

văn (HRUs).

Lưu vực (Basin)

Tiểu lưu vực (Subbasin)

Đơn vị thủy văn (Hydrological Response Unit)

12



13

Sông ngòiTiểu lưu vựcHRUsSử dụng đất,

thổ nhưỡng,

độ dốc

Lưu vực

Forest

Feralit



Lưu vực, Tiểu lưu vực, Dòng chảy

14



Đơn vị thủy văn

15

Lưu vực

Tiểu lưu vực


Thổ nhưỡng

Sử dụng đất

Độ dốc

DEM




16




17



Sự phân chia này giúp người sử dụng có thể áp dụng kết

quả nghiên cứu của một vùng này vào một vùng khác khi

chúng có sự tương đồng nhất định.

18



Hiện nay, có 2 phương pháp xác định lưu vực sông như

sau:

Thủ công trên nền bản đồ địa hình (dạng giấy)

Tự động trên nền DEM với sự hỗ trợ của GIS (SWAT)

19



Bước 1: Đánh dấu vị trí cửa xả

Bước 2: Đánh dấu vị trí các điểm cao nhất nằm gần thực

thể nước (hồ, sông)

Bước 3: Nối các điểm này lại với nhau tạo thành đường

chia nước lưu vực. Lưu ý đường này luôn vuông góc với

các đường đồng mức

Bước 4: Xác định diện tích lưu vực và các đặc trưng cần

thiết khác. Diện tích lưu vực thường được thực hiện

bằng phương pháp đếm ô vuông hoặc dùng máy đo diện

tích chạy theo đường phân nước được xác định trên bản

đồ địa hình.

20



Ưu điểm:

Thực hiện khá đơn giản, không cần các thiết bị máy tính

Có thể phác họa lưu vực trên bản đồ giấy

Nhược điểm:

Mất nhiều thời gian để khoanh lưu vực, tính diện tích lưu vực

hoặc độ dốc

Phụ thuộc nhiều vào yếu tố chủ quan khi tiến hành công việc trên

bản đồ

Độ chính xác phụ thuộc rất lớn vào trình độ và kinh nghiệm của

người thực hiện

Không linh hoạt khi có sự thay đổi về vị trí cửa xả

26


Tự động trên nền DEM với sự hỗ trợ của GIS

Bước 1: Xây dựng DEM

Bước 2: Hiệu chỉnh DEM

Bước 3: Xác định hướng dòng chảy theo mô hình 8

hướng (Flow Direction)

Bước 4: Tính toán sự tích lũy dòng chảy giữa các ô lưới

(Flow Accumulation)

Bước 5: Phân định ranh giới lưu vực sông và tính toán

các đặc trưng của nó.

27



Khắc phục được những nhược điểm của phương pháp

xác định bằng bản đồ giấy địa hình

Bên cạnh đó, việc ứng dụng công nghệ GIS không chỉ

dừng lại ở việc xác định ranh giới lưu vực sông tự động

mà nó còn phát huy được các chức năng của GIS như

cải tiến tốc độ xử lý, phân tích, tinh toán các đặc trưng

sau đó (diện tích, độ dốc,…).

28



Xây dựng DEM

Mô hình DEM có thể được

xây dựng từ bản đồ địa hình.

Kích thước ô lưới (grid cell)

phụ thuộc vào quy mô lưu

vực và tỷ lệ bản đồ địa hình,

tuy nhiên, thường dao động

trong khoảng từ 10 – 100m.

Trong trường hợp nếu DEM

đã có sẵn thì trước khi sử

dụng cần kiểm tra tính phù

hợp của các thông tin cơ

bản, bao gồm kích thước ô

lưới và hệ quy chiếu.

29



Hiệu chỉnh DEM

Mô hình DEM nếu chưa hiệu chỉnh có thể có một số lỗi về những

điểm lồi hoặc lõm không mong muốn.

Vì vậy, cần hiệu chỉnh dữ liệu này, bằng việc sử dụng hàm “Fill”

trong công cụ “Hydrology” của ArcGIS.

30



Xác định hướng dòng chảy

Hướng dòng chảy cho một pixel bấtkỳ được xác định trên cơ sở so sánhđộ chênh cao giữa điểm đó với 8 điểm xung quanh (mô hình D8)

∆𝐡i = (H – Hi)/ Di

Trong đó, ∆hi là độ chênh cao, H là độ cao tạipixel cần xác định hướng dòng chảy, Hi là độcao của pixel lân cận, Di là khoảng cách giữa 2

pixel trên (1 hoặc 2)

Hướng dòng chảy được xác định làhướng tới điểm có độ chênh cao làlớn nhất.

Quá trình tính toán được lặp lại đểxác định hướng dòng chảy cho toànbộ các điểm trong lưu vực.

Bản đồ hướng dòng chảy có thểđược xác định tự động trong cácphần mềm GIS từ mô hình DEM đãđược hiệu chỉnh.

31

(78 – 74)/1 = 4

(78 – 72)/1 = 6

(78 – 67)/ 2 = 6,36max

Do nước chỉ chảy từ

cao xuống thấp nên

pixel này chỉ có thể

chảy về pixel 11

(47 – 22)/ 2 = 17,68

(47 – 21)/1 = 26

(47 – 12)/ 2 = 24,75

(47 – 34)/1 = 13

4 pixel còn lại (53,61,58,55) với độ

cao lớn hơn không cần tính

max



Tính toán sự tích lũy dòng chảy

Sự tích lũy dòng chảy cho một ô

nào đó trong khu vực trên nền mô

hình DEM được xác định bằng

cách tính tổng số ô lưới tập trung

nước về ô đó theo hướng dòng

chảy (trực tiếp lẫn gián tiếp).

Sự tích lũy dòng chảy có thể được

xác định tự động trong các phần

mềm GIS từ bản đồ hướng dòng

chảy.

Bản đồ tích lũy dòng chảy cũng

chính là bản đồ sông suối của lưu

vực trong điều kiện tự nhiên.

32

27



Mô phỏng mạng lưới dòng chảy

Mạng lưới dòng chảy của lưu vực trên nền mô hình DEM được

xác định bằng cách thiết lập ngưỡng giá trị cho dòng chảy tích

lũy. Khi đó, những ô lưới nào có số dòng chảy tích lũy lớn hơn

giá trị ngưỡng trên thì sẽ được mô phỏng.

Hình ảnh dưới đây minh họa mạng lưới dòng chảy của lưu vực

khi thiết lập giá trị ngưỡng lớn hơn 3 ô lưới.

33



Phân định ranh giới lưu vực

Hiển thị tọa độ điểm đầu ra của lưu vực lên bản đồ tích lũy dòng

chảy, sau đó sử dụng chức năng chuyên dụng trong các phần

mềm GIS để vẽ tự động ranh giới lưu vực.

Diện tích, hình dạng và các đặc trưng cơ bản khác của lưu vực sẽ

được xác định dễ dàng từ bản đồ ranh giới của lưu vực.

34


Bài tập kiểm tra trên lớp

Cho dữ liệu DEM như hình vẽ

(cell size= 2)

Sử dụng mô hình D8, xác định

hướng dòng chảy (mũi tên)? Nếu

pixel nào không xác định được hướng

thì ghi Na

Tính toán dòng chảy tích lũy?

Xác định mạng lưới dòng chảy của

lưu vực (ngưỡng dòng chảy tích

lũy lớn hơn 1 pixel)?

Phác họa ranh giới lưu vực đến

pixel màu đỏ (ngưỡng dòng chảy

tích lũy lớn hơn 1 pixel)?

35

36 32 38 43 46

39 36 31 35 34

47 38 34 30 29

49 45 40 35 33

52 50 47 41 37


Bài tập về nhà

Dựa trên bản đồ địa hình (khoảng cao đều 10m) như hình

vẽ, hãy phác họa ranh giới lưu vực của con sông?

36


Phương pháp phân chia đơn vị thủy văn

Có 3 tùy chọn để xác định sự phân bố HRU

“Dominant Landuse, Soil, Slope” – một HRU cho mỗi tiểu lưu vực

“Dominant HRU” – một HRU cho mỗi tiểu lưu vực

“Multiple HRUs” – nhiều HRU cho mỗi tiểu lưu vực

38



Nguyên tắc xác định sự phân bố HRU

“Dominant Landuse, Soil, Slope” – một HRU cho mỗi tiểu lưu vực

Lựa chọn giá trị phổ biến nhất (chiếm diện tích lớn nhất trong tiểu lưuvực) trong từng lớp sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc,

Bộ 3 giá trị trên tạo thành thuộc tính của HRU (không xét đến tínhphân bố không gian).

“Dominant HRU” – một HRU cho mỗi tiểu lưu vực

Lựa chọn tổ hợp phổ biến nhất của sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc(chiếm diện tích lớn nhất trong tiểu lưu vực),

Tổ hợp trên tạo thành thuộc tính của HRU (có xét đến tính phân bốkhông gian).

Tính toán lại diện tích sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc (tiểu lưuvực), HRU

Diện tích sử dụng đất/ thổ nhưỡng/ độ dốc = Diện tích tiểu lưu vực

Diện tích HRU = Diện tích tiểu lưu vực

39



Ví dụ 1: Cho tiểu lưu vực với mô tả như bảng sau:

Nếu chọn “Dominant Landuse, Soil, Slope", xác định sử dụngđất, thổ nhưỡng, độ dốc của HRU? Tính toán diện tích HRU, sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực?

Đáp án

HRU: đất xây dựng/đất feralit/0.6– 1.5%

Diện tích HRU = Diện tích tiểu lưu vực = 90ha

Diện tích đất xây dựng = Diện tích đất feralit = Diện tích độ dốc 0.6–1.5% = Diện tích tiểu lưu vực = 90ha

40

Sử dụng đất Thổ nhưỡng Độ dốc

40ha đất xây dựng

20ha đất rừng

30ha đất trồng lúa

30ha đất phù sa

50ha đất feralit

10ha đất mùn

30ha độ dốc 0– 0.6%

40ha độ dốc 0.6– 1.5%

20ha độ dốc 1.5– 99.99%


Phương pháp phân chia đơn vị thủy văn Ví dụ 2: Cho tiểu lưu vực với mô tả như bảng sau:

Nếu chọn “Dominant HRU", xác định sử dụng đất, thổ nhưỡng, độdốc của HRU? Tính toán diện tích HRU, sử dụng đất, thổ nhưỡng, độdốc của tiểu lưu vực?

Đáp án

HRU: đất trồng lúa/đất phù sa/0- 0.6%

Diện tích HRU = Diện tích tiểu lưu vực = 90ha

Diện tích đất trồng lúa = Diện tích đất phù sa = Diện tích 0- 0.6% = Diện tíchtiểu lưu vực = 90ha

41


40ha đất xây dựng (X)

20ha đất rừng (R)

30ha đất trồng lúa (L)

30ha đất phù sa (Ps)

50ha đất feralit (Fr)

10ha đất mùn (Mn)

30ha 0– 0.6% (I)

40ha 0.6– 1.5% (II)

20ha 1.5– 99.99% (III)

X R R

X X X

L L L

Fr Fr Fr

Mn Fr Fr

Ps Ps Ps

II II III

II II III

I I I



Nguyên tắc xác định sự phân bố HRU

“Multiple HRUs” – nhiều HRU cho mỗi tiểu lưu vực

1: Thiết lập ngưỡng giá trị cho sử dụng đất, thổ nhưỡng và độ dốc

2: Xác định và loại bỏ giá trị sử dụng đất, thổ nhưỡng và độ dốc trên

từng tiểu lưu vực chiếm diện tích nhỏ hơn ngưỡng trên.

3: Loại bỏ những HRUs chứa ít nhất một trong những giá trị sử dụng

đất/ thổ nhưỡng/ độ dốc đã bị loại bỏ ở bước 2.

Tính toán lại diện tích sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc (tiểu lưu

vực), HRU

Diện tích mới của HRUs giữ lại được tính toán bằng cách lấy diện tích

ban đầu của nó cộng theo trọng số cho tổng diện tích của các HRUs

đã bị loại bỏ.

Từ diện tích mới của HRUs, thống kê lại diện tích sử dụng đất, thổ

nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực.

42



Ví dụ 3: Cho tiểu lưu vực với mô tả như bảng sau:

Nếu chọn “Multiple HRUs” với giá trị ngưỡng là 30% đối

với sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc,

Xác định sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của HRUs?

Tính toán diện tích HRUs, sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của

tiểu lưu vực?

43



20ha đất rừng (R)




10ha đất mùn (Mn)

30ha 0– 0.6% (I)

40ha 0.6– 1.5% (II)

20ha 1.5– 99.99% (III)

X R R

X X X

L L L

Fr Fr Fr

Mn Fr Fr

Ps Ps Ps

II II III

II II III

I I I



Đáp án ví dụ 3: Xác định sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ

dốc của HRUs

6 HRUs sẽ được tạo ra với ngưỡng 0%: X-Fr-II (20ha), X-Mn-II

(10ha), X-Fr-III (10ha), R-Fr-II (10ha), R-Fr-III (10ha), L-Ps-I (30ha).

Do đất rừng (R), đất mùn (Mn), 1.5– 99.99% (III) chiếm tỉ lệ dưới

ngưỡng 30% (27ha) diện tích tiểu lưu vực nên HRUs chứa ít nhất

1 trong 3 giá trị này sẽ bị loại bỏ. Khi đó, số lượng HRUs còn là 2.

X-Mn-II (10ha), X-Fr-III (10ha), R-Fr-II (10ha), R-Fr-III (10ha),

X-Fr-II (20ha), L-Ps-I (30ha)

Diện tích của từng HRUs được tính toán lại bằng cách lấy diện

tích 4 HRUs loại bỏ (40ha), cộng theo trọng số diện tích vào 2

HRUs còn lại.

X-Fr-II (20ha) 20 + (20/50) * 40 = 36ha

L-Ps-I (30ha) 30 + (30/50) * 40 = 54ha

44



Đáp án ví dụ 3: Tính toán diện tích sử dụng đất, thổ

nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực

Dựa trên diện tích HRUs được giữ lại, diện tích các loại hình sử

dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc của tiểu lưu vực được thống kê lại

như bảng sau:

45






54ha 0– 0.6% (I)

36ha 0.6– 1.5% (II)


Bài tập kiểm tra trên lớp

Cho tiểu lưu vực có diện tích là 200ha. Biết rằng nếu dùng tùychọn “Multiple HRUs” với giá trị ngưỡng là 0% đối với sửdụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc, sẽ có 6 HRUs được tạo ra vớidiện tích như sau:

Lúa/đất xám/< 5%: 10ha

Lúa/đất phù sa/< 5%: 60ha

Hoa màu/đất xám/5-10%: 30ha

Nếu dùng tùy chọn “Multiple HRUs” với giá trị ngưỡng là 27%đối với sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc cho tiểu lưu vựctrên,

Cho biết có bao nhiêu HRUs được tạo ra?

Diện tích của từng HRUs (theo ha) là bao nhiêu?

Tính toán lại diện tích các loại hình sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốctrên tiểu lưu vực (theo ha)?

Câu hỏi tương tự với tùy chọn “Dominant Landuse, Soil, Slope” và “Dominant HRU”?

46

Hoa màu/đất đen/< 5%: 10ha

Cà phê/đất xám/5-10%: 50ha

Cà phê/đất đen/> 10%: 40ha


Câu hỏi ôn tập

So sánh 2 phương pháp phân chia lưu vực là thủ công và

tự động về đặc điểm và khả năng áp dụng?

Phân biệt 3 phương pháp phân chia HRU trong SWAT?

47

Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · PDF...

Documents

Transcript of Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · PDF...