Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · Tán cây có ảnh hưởng...

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

3. Chu trình thủy văn trong pha đất

(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

Nguyên lý mô phỏng SWAT

Chu trình thủy văn trong pha đất

Phương trình cân bằng nước

Các dữ liệu đầu vào và các quá trình liên quan

Khí hậu

Thủy văn

Xói mòn đất

Sự phát triển cây trồng

Các chất dinh dưỡng

Thuốc bảo vệ thực vật

Chế độ canh tác

3



Chu trình thủy văn và cân bằng nước là động lực chi

phối mọi quá trình diễn ra trong lưu vực.

4

Quá trình trên đất

Quá trình trong dòng chảy

Hệ thống lưu vực SWAT



Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành

hai nhóm chính (Susan L.N. et al., 2009):

Pha đất của chu trình thủy văn: kiểm soát lượng nước, phù sa,

dinh dưỡng và thuốc trừ sâu từ mỗi tiểu lưu vực đổ ra sông

chính.

Pha nước của chu trình thủy văn: kiểm soát quá trình di chuyển

của dòng nước, quá trình bồi lắng, v.v…diễn ra thông qua hệ

thống sông ngòi của lưu vực đến cửa xả.

5



6

Tầng rễ cây

Tầng không

bão hòa

Tầng nước

ngầm nông

Tầng ngăn

Tầng nước

ngầm sâu

Mưa



7

Tầng rễ cây

Tầng không

bão hòa

Tầng nước

ngầm nông

Tầng ngăn

Tầng nước

ngầm sâu

Thấm xuống đấtDòng chảy mặt



8

Tầng rễ cây

Tầng không

bão hòa

Tầng nước

ngầm nông

Tầng ngăn

Tầng nước

ngầm sâu

Thấm/Rễ cây hút nước,

Nước trong đất

Thấm vào tầng

nước ngậm nông

Dòng chảy trễ

Bốc thoát nước



9

Tầng rễ cây

Tầng không

bão hòa

Tầng nước

ngầm nông

Tầng ngăn

Tầng nước

ngầm sâu

Thấm ngược từ tầng


Thấm vào tầng


Thấm vào tầng nước

ngậm sâu

Dòng chảy

hồi quy



10

Tầng rễ cây

Tầng không

bão hòa

Tầng nước

ngầm nông

Tầng ngăn

Tầng nước

ngầm sâu

Dòng chảy ra khỏi lưu

vực


ngậm sâu



11

Bốc thoát nước

Ea Mưa

Rday

Tầng rễ cây

Tầng không

bão hòa

Tầng nước

ngầm nông

Tầng ngăn

Tầng nước

ngầm sâu

Thấm/Rễ cây hút nước,

Nước trong đất

Thấm ngược từ tầng


Thấm vào tầng


Dòng chảy ra khỏi lưu

vực


ngậm sâu

Dòng chảy mặt

Dòng chảy trễ

Dòng chảy

hồi quy

Qsurf

wseep

SWt

Qgw


Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất

12

SWt = SWo +

i=1

t

(Rday − Qsurf − Ea −wseep − Qgw)

SWt: lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O)

SWo: lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm H2O)

t : thời gian (ngày)

Rday : lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm H2O)

Qsurf: lượng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i (mm H2O)

Ea: lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H2O)

wseep: lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm H2O)

Qgw: lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H2O)


Trình tự quá trình mô phỏng pha đất của chu trình

thủy văn trong SWAT

Vòng lặp tính toán cho

tiểu lưu vực/HRU

13

Đ

S

Bắt đầu vòng lặp tính

HRU/tiểu lưu vực

Nhập hoặc tạo số liệu

mưa, nhiệt độ

tối cao/tối thấp

Nhập hoặc tạo số liệu

bức xạ Mặt trời, độ ẩm

không khí, tốc độ gió

Tính toán nhiệt độ

đất

Tính toán tuyết,

tuyết tan

Mưa +

tuyết tan >

0?

Tính toán dòng chảy

mặt, dòng thấmDòng chảy

mặt > 0?

Tính toán đỉnh dòng chảy,

thất thoát nước, tải lượng

bùn cát, dinh dưỡng và

thuốc bảo vệ thực vật

Tính toán dẫn dòng nước trong

đất, bốc hơi nước, sinh trưởng

cây trồng, hồ ao, đất ngập nước,

dòng chảy ngầm và độ sâu

Kết thúc vòng lặp tính

HRU/tiểu lưu vực

ĐS



Khí hậu

Khí hậu cung cấp độ ẩm và năng lượng để kiểm soát quá trình

cân bằng nước và xác định mức độ quan trọng của các thành

phần cân bằng nước.

SWAT yêu cầu các dữ liệu thời tiết theo ngày bao gồm:

Lượng mưa,

Nhiệt độ không khí lớn nhất/ nhỏ nhất,

Độ ẩm không khí tương đối,

Năng lượng bức xạ mặt trời,

Tốc độ gió.

Những dữ liệu này có thể thu thập từ các trạm khí tượng hoặc tự

mô phỏng bởi SWAT (sử dụng số liệu thống kê tháng).

14



Khí hậu

Dữ liệu khí tượng mô phỏng

Phần mềm mô phỏng giá trị trung bình ngày của các thông số khí tượng từcác giá trị trung bình tháng.

Sau đó mỗi tiểu lưu vực sẽ được gán một bộ dữ liệu khí tượng đã được tạo ra trong quá trình mô phỏng khí hậu. Các giá trị cho các tiểu lưu vựcnày được tạo ra một cách độc lập và không hề có quan hệ không gian nào giữa chúng với nhau.

Mô phỏng dữ liệu mưa/tuyết

SWAT sử dụng mô hình Markov chain-skewed (Nicks, 1974) hoặc Markov chain-exponential (Williams, 1995) để mô phỏng dữ liệu mưa cho những lưu vực không có dữ liệu quan trắc/dữ liệu còn thiếu.

Mô hình sử dụng chuỗi Markov bậc nhất để xác định một ngày sẽ có mưa hay không mưa bằng cách so sánh một số được tạo ra ngẫu nhiên (0,0-1,0) với xác suất xảy ra mưa hàng tháng mà người sử dụng phải đưa vào. Nếu ngày đó có mưa thì lượng mưa sẽ được tạo nên từ phân bố lệch chuẩn hay phân bố hàm mũ cải tiến.

15



Khí hậu

Mô phỏng dữ liệu nhiệt độ không khí và bức xạ mặt trời

Nhiệt độ cực đại và cực tiểu, cũng như bức xạ mặt trời được tạo nên

từ phân bố xác suất chuẩn.

Phần mềm sử dụng phương trình liên tục để biểu thị tác động của thời

tiết mưa nắng đối với biến động của nhiệt độ và bức xạ mặt trời.

Nhiệt độ cực đại và bức xạ mặt trời giảm xuống khi có mưa và tăng lên

khi trời không mưa. Những điều chỉnh đó được thực hiện sao cho về

lâu dài thì các giá trị trung bình tháng phải trùng hợp với giá trị của dữ

liệu đầu vào.

16



Khí hậu

Mô phỏng dữ liệu tốc độ gió

Phần mềm sử dụng phương trình hàm mũ để tạo ra dữ liệu tốc độ gió

ngày từ dữ liệu tốc độ gió trung bình tháng.

Mô phỏng dữ liệu độ ẩm không khí tương đối

Mô hình độ ẩm tương đối hàng ngày sử dụng phân bố tam giác từ giá

trị trung bình tháng.

Giống như đối với nhiệt độ và bức xạ mặt trời, giá trị trung bình ngày

của độ ẩm tương đối cũng được điều chỉnh để biểu thị tác động của

ngày có mưa và không có mưa.

17



Thủy văn

Một khi rơi gần xuống mặt đất, nước mưa có thể bị tán lá cây giữ

lại một phần và phần còn lại sẽ tiếp tục rơi xuống mặt đất.

Khi đến bề mặt đất, nước sẽ thấm vào trong đất hoặc chảy tràn

trên mặt đất tạo nên dòng chảy mặt.

Dòng chảy mặt di chuyển nhanh về phía các rãnh kênh và là yếu

tố chính tạo nên hiệu ứng dòng chảy ngắn hạn.

Lượng nước thấm xuống đất có thể nằm lại trong các lớp đất để

sau đó biến thành hơi nước hay tiếp tục chuyển động theo những

khe dẫn đến hệ thống các tầng nước ngầm.

18

Copyright © 2014 | [email protected] Chuyên đề SWAT 19

Sơ đồ vận chuyển của nước được mô

phỏng bởi SWAT trong một HRU

Giáng thủy

Tuyết

Mưa

Tuyết phủ

Tuyết tanTưới nước

Thấm

nước

Nước

trong

đất

Truyền

nước

trong

đất

Bốc

hơi

Hút

nước

Dòng

chảy

trễ

Thấm

nước

Dòng chảy

mặt

Thất thoát

Cân bằng

nước hồ/ao

Tưới

Hao

hụt

Chảy

ra

Tầng nước

ngầm nông

Tầng nước

ngầm sâuTưới nước

Thấm

ngược

Hao

hụt

Dòng chảy

hồi quy

Dòng chảy

sông

Tưới nước

Đổ vào

sông/hồ



Thủy văn

Nước lưu trữ trong tán lá cây

Tán cây có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình thấm, dòng chảy mặt và

bốc hơi nước.

Khi mưa rơi, tán cây làm giảm năng lượng xói mòn của giọt mưa và

giữ lại một phần lượng mưa trong tán.

Ảnh hưởng của tán cây lên các quá trình này là một hàm số phụ thuộc

vào mật độ che phủ thực vật và hình thái của các loài thực vật.

Trong phương pháp đường cong của SCS (The US Soil Conservation

Service) để tính toán dòng chảy mặt, lượng nước lưu trữ trong tán lá

cây cũng được tính đến trong tính toán dòng chảy mặt.

Tuy nhiên, nếu những phương pháp như của Green và Ampt được sử

dụng để tính toán dòng thấm thì lượng nước lưu trữ trong tán lá cây

phải có mô hình mô phỏng riêng biệt.

20



Thủy văn

Nước lưu trữ trong tán lá cây: I = P – TF – SF

21

Đọng lại trên tán

(Interception- I)

Chảy qua

(Throughfall- TF)

Chảy dọc thân cây

(Stemflow- SF)

Cây sồi Rừng Đồng cỏ

Mưa

(Precipitation- P)



Thủy văn

Dòng thấm vào đất

Dòng thấm đề cập đến hiện tượng dòng nước chuyển động xuyên

qua bề mặt đất để thấm vào trong lòng đất.

Khi dòng thấm này xảy ra liên tục, đất ngày càng trở nên ẩm ướt, làm

cho tốc độ thấm sẽ giảm theo thời gian cho đến khi đạt đến một giá

trị ổn định.

22



Thủy văn

Dòng thấm vào đất

Tốc độ thấm ban đầu phụ thuộc vào độ ẩm của đất trước khi nước bắt

đầu thấm vào đất. Tốc độ thấm tới hạn cuối cùng có giá trị tương

đương với hệ số dẫn nước thuỷ lực của đất bão hoà.

Lượng nước thấm vào trong đất được tính toán như là khoảng chênh

lệch giữa lượng mưa và dòng chảy mặt.

23



Thủy văn

Sự bốc thoát hơi

Bao gồm quá trình nước trong pha lỏng (sông, suối, ao, hồ) hoặc pha rắn (lớp đất tiếp xúc với không khí, bề mặt lá cây, khối băng tuyết) trởthành hơi nước trong không khí.

Lượng bốc hơi nước tiềm tàng làhàm số của bốc thoát hơi tiềm tàngvà chỉ số diện tích lá (diện tíchcây/HRU).

Lượng bốc hơi nước thực tế được ước tính sử dụng một hàm số mũcủa độ sâu đất với độ ẩm đất.

Lượng thoát hơi nước từ cây được mô phỏng như là hàm số tuyến tính giữa lượng bốc thoát nước tiềmtàng và chỉ số diện tích lá.

24



Thủy văn

Dòng chảy trễ

Là dòng chảy vào sông ngòi bắt nguồn từ tầng bên dưới sát bề mặt

đất, nhưng ở trên vùng có tầng đá bão hòa nước.

Dòng chảy ngầm sát mặt đất (độ sâu 0- 2m) được tính toán đồng thời

với quá trình phân bố độ ẩm đất như đã được mô tả ở trên.

Mô hình động thái lưu trữ nước được dùng để dự báo dòng chảy bên

trong mỗi lớp đất. Mô hình tính đến những biến động giá trị của hệ số

dẫn nước, độ dốc địa hình và độ ẩm đất.

25



Thủy văn

Dòng chảy mặt

Dòng chảy mặt, hay dòng chảy tràn trên mặt đất, là dòng chảy xảy ra

theo chiều bề mặt sườn dốc.

Mô hình SWAT sử dụng lượng mưa ngày hay mưa giờ để mô phỏng

lượng dòng chảy mặt và giá trị đỉnh của tốc độ dòng chảy tràn trên

mặt đất cho từng diện tích HRU.

26



Thủy văn

Ao vũng nước

Ao nước là các cấu trúc địa hình lưu trữ nước nằm trong một tiểu lưu

vực và cắt ngang dòng chảy tràn trên mặt đất.

Diện tích lưu vực của ao được coi là một phần nhỏ trong tổng diện

tích tiểu lưu vực.

Lượng nước lưu trữ trong ao hồ là một hàm số của thể tích ao, lượng

dòng chảy hàng ngày vào ao và thoát khỏi ao, lượng nước thấm qua

bờ và đáy ao, lượng bốc hơi từ mặt nước ao, lượng mưa rơi vào ao.

Yêu cầu đầu vào cho mô hình là dung lượng lưu trữ và diện tích bề

mặt của ao khi ao chứa đầy nước.

27



Thủy văn

Ao vũng nước

28

Dòng

Dòng chảy ra

Dòng chảy vào

Thấm

Bốc hơi

Thấm

Lượng mưa



Thủy văn

Sông nhánh

Trong một tiểu lưu vực người ta phân ra hai loại kênh: kênh chính và

kênh nhánh.

Kênh nhánh là mạng lưới các kênh tỏa ra từ kênh chính trong phạm vi

tiểu lưu vực. Mỗi kênh nhánh trong phạm vi một tiểu lưu vực chỉ tập

trung nước mưa/tuyết từ một phần của tiểu lưu vực và không nhận

được sự đóng góp của nước ngầm vào dòng chảy của kênh.

Tất cả các dòng chảy trong các kênh nhánh đều kết thúc trong dòng

của kênh chính và được tính truyền dọc theo kênh chính của tiểu lưu

vực.

SWAT sử dụng các thuộc tính của các kênh nhánh để xác định thời

gian tập trung nước cho các tiểu lưu vực.

29



Thủy văn

Sông nhánh

30

Kênh nhánh

Kênh nhánh

Kênh chính



Thủy văn

Dòng chảy hồi quy

Dòng chảy hồi quy, hoặc dòng chảy cơ bản, là tổng lượng dòng chảy có nguồn gốc từ nước ngầm.

SWAT chia nước ngầm thành hai hệ thống tầng nước ngầm (Arnold et al., 1993):

một tầng nước ngầm ở độ sâu nông, có mặt nước tự do, không có áp,

một tầng nước ngầm ở sâu dưới đất, bị ngăn phía trên bởi một tầng địa chất không thấm nước, và có đóng góp cho dòng chảy của dòng sông suối ở bên ngoài lưu vực

Nước chuyển động thấm qua vùng rễ cây hoạt động được phân thành hai dạng nước, mà mỗi dạng cung cấp nước cho một trong hai loại tầng nước ngầm.

Ngoài dòng chảy hồi quy, nước được lưu giữ trong các tầng nước ngầm nông có thể bổ sung độ ẩm cho tầng đất trong điều kiện đất trở nên rất khô hay trực tiếp được rễ cây sử dụng.

Nước trong tầng nước ngầm nông hoặc sâu đều có thể được con người khai thác bằng bơm nước.

31



Thủy văn

Dòng chảy hồi quy

32



Xói mòn đất

“Xói mòn” bắt nguồn từ động từ “erodere” trong tiếng Latinh có

nghĩa là “gặm, ăn mòn”.

Xói mòn đất là quá trình tách rời lớp thổ nhưỡng khỏi bề mặt trái

đất bởi các lực ngoại sinh như gió hoặc nước, sau đó vận chuyển

và lắng đọng tại các vị trí khác.

Quá trình này khiến cho đồi núi bị bào mòn, trong khi lại bồi đắp

cho các thung lũng và hình thành nên các đồng bằng màu mỡ.

33



Xói mòn đất

Quá trình xói mòn đất do nước mưa bao gồm 3 giai đoạn sau:

tách rời, vận chuyển, lắng đọng.

34

Tách rời

Vận chuyển

Lắng đọng

Bóc tách các hạt đất ra

khỏi mặt đất, chuyển

thành trầm tích

Thổ nhưỡng

Vận chuyển trầm tích

theo dòng chảy dọc

sườn dốc (tải lượng

trầm tích)Lắng đọng trầm tích

trên mặt đất/ dòng chảy



Xói mòn đất

35

Tách rời

(sườn dốc bị xói mòn)

Lắng

đọng

Trầm tích

lắng đọng

Vận

chuyển

Tải lượng trầm tích

(sông suối, ao hồ,…)

Lượng đất

bị mất



Xói mòn đất

36

Tách rời Vận chuyển

Lắng đọng



Xói mòn đất

Trong SWAT, xói mòn và trầm tích được ước tính cho mỗi HRU

theo phương trình MUSLE (Modified Universal Soil Loss Equation)

(Williams, 1975).

MUSLE là phiên bản sửa đổi của USLE (Universal Soil Loss

Equation) phát triển bởi Wischmeier and Smith (1965, 1978).

Trong khi USLE xem lượng mưa là nguồn năng lượng gây xói

mòn, thì MUSLE sử dụng dòng chảy mặt.

Cải tiến này mang lại một số ích lợi:

độ chính xác của dự báo xói mòn đất tốt hơn,

không cần đến thông số tỷ lệ bào mòn, và

có thể tính toán lượng đất xói mòn trong mỗi trận mưa.

37



Xói mòn đất

Phương trình MUSLE (Williams, 1995) có dạng như sau:

sed là lượng trầm tích trong ngày (tấn),

Qsurf là lượng dòng chảy mặt (mm H2O/ha),

qpeak là đỉnh lưu lượng dòng chảy (m3/s),

areahru là diện tích HRU (ha)

K USLE là hệ số xói mòn của đất (0,013 tấn m2 hr/(m3 tấn cm))

CUSLE là hệ số thảm thực vật

PUSLE là hệ số thực hành kiểm soát xói mòn

LSUSLE hệ số chiều dài sườn dốc và độ dốc

CFRG là hệ số thô của đất

38




SWAT sử dụng mô hình sinh trưởng cây trồng để mô phỏng lớp

phủ thực vật. Mô hình có khả năng phân biệt giữa các cây hàng

năm và cây lâu năm.

Mô hình sinh trưởng cây trồng được sử dụng để tính toán lượng

nước và các chất dinh dưỡng di chuyển khỏi vùng rễ cây, thoát đi

qua hô hấp của cây, và tích lũy, chuyển hóa thành sinh khối/ sản

lượng cây trồng.

39




40

Dự báo sản lượng

- Chỉ số thu hoạch, Áp lực nước

- Dư lượng (cặn bã, dưỡng chất)

Phát triển tối ưu

- Năng lượng hấp thụ (bức xạ, LAI)

- Năng lượng chuyển thành sinh khối

Ràng buộc phát triển

- Nước, nhiệt độ,

- Nitơ, phốt pho

Dư lượng

- Cặn bã, dưỡng chất

Hấp thu nước, ni tơ,

phốt phoPhát triển rễ




SWAT mô phỏng chuyển động và biến đổi của nitơ và phốt pho

trong lưu vực.

Những chất dinh dưỡng này có thể xâm nhập vào dòng chảy trên

các kênh chính và di chuyển xuống hạ lưu theo dòng chảy mặt và

dòng nước ngầm.

41




Vòng tuần hoàn biến chuyển nitơ từ các dạng khác nhau trong

đất.

42




Vòng tuần hoàn biến chuyển phốt pho từ các dạng khác nhau

trong đất.

43



Thuốc bảo vệ thực vật (TBVTV)

SWAT xem xét TBVTV trong mỗi HRU để nghiên cứu sự di chuyển

hóa chất nông nghiệp trong lưu vực.

SWAT mô phỏng xâm nhập của TBVTV vào hệ thống sông ngòi

thông qua dòng chảy mặt (dưới dạng hòa tan và bị tải lượng trầm

tích hấp phụ), hoặc chuyển động vào trong tầng sâu phẫu diện

đất và nước ngầm (dưới dạng hòa tan).

44



Thuốc bảo vệ thực vật (TBVTV)

SWAT sử dụng mô hình GLEAMS (Leonard et al., 1987) mô phỏng

quá trình vận chuyển TBVTV thông qua chu trình nước trong pha

đất.

Sự di chuyển này được kiểm soát bởi:

khả năng hòa tan của hóa chất,

chu kì bán phân rã và

hiệu quả hấp phụ C hữu cơ trong đất.

45



Chế độ canh tác

SWAT cho phép người sử dụng đưa dữ liệu về các chế độ canh

tác áp dụng cho từng HRU.

Người sử dụng có thể xác định ngày bắt đầu và kết thúc của mỗi

mùa vụ cây trồng, thời điểm áp dụng và lượng phân bón, thuốc

trừ sâu và nước tưới cũng như chế độ làm đất.

Khi một thời vụ cây trồng kết thúc, toàn bộ lượng sinh khối của

cây trồng có thể được đưa ra khỏi các HRU dưới dạng sản phẩm

nông nghiệp hay nằm trên đất dưới dạng cặn bã hữu cơ.

Ngoài các biện pháp canh tác cơ bản như trên, mô hình cũng cho

phép đưa vào tác động của những biện pháp khác như khai thác

đồng cỏ cho chăn nuôi, bón phân và tưới nước tự động, hay bất

cứ biện pháp đặc biệt nào khác.

46


Câu hỏi ôn tập

Trình bày nguyên lý mô phỏng của SWAT

Viết phương trình cân bằng nước trong pha đất

Mô tả các quá trình diễn ra trong pha đất (khí hậu, thủy

văn, xói mòn đất,…)

47


Câu hỏi kiểm tra trên lớp

Trình bày vòng lặp mô phỏng pha đất của chu trình thủy

văn diễn ra trong tiểu lưu vực/HRU? Đối với người sử

dụng mô hình, vòng lặp này có ý nghĩa như thế nào?

48

Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · Tán cây có ảnh hưởng...

Documents

Transcript of Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · Tán cây có ảnh hưởng...