Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool)

Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn 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: nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Bài giảng: Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 2 1. Tổng quan về mô hình 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 What is that? Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Nội dung  Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Thủy văn là gì? Thủy văn học là gì? Mô hình thủy văn là gì? Phân loại?  Tổng quan về SWAT  Tên gọi, tổ chức phát triển Mục đích, đặc điểm Quá trình phát triển Phạm vi ứng dụng  Nguyên lý mô phỏng SWAT  Tiến trình mô phỏng SWAT 3 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Thủy văn Sự vận động, phân bố của nước trên Trái Đất  Thủy văn học Khoa học nghiên cứu sự vận động và phân bố của nước trên Trái Đất  Phạm vi thủy văn học Các tác động của các quá trình vật lý, hóa học, sinh học của nước trong tự nhiên và môi trường sống Số lượng, chất lượng của nước. Mối liên hệ của nước với tự nhiên, môi trường sống. 4 Cho ví dụ các quá trình vật lý, hóa học, sinh học của nước? Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Nước vận động có tính hệ thống, theo chu trình thủy văn  Theo Dooge (1964), hệ thống là bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó,  thực hay trừu tượng, được gắn với bước thời gian nhất định,  liên hệ giữa lượng vào (nguyên nhân, năng lượng, thông tin) với lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng). Hệ thống thuỷ văn là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn) diễn ra trên thực tế trong một vùng không gian nhất định. 5 (Xử lý)(Đầu vào) (Đầu ra)(Xử lý) Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Chu trình thuỷ văn Hệ thống gồm các thành phần là bốc hơi, lượng mưa, dòng chảy và các pha khác nhau của chu trình. Các thành phần này tập hợp thành các hệ thống con của chu trình lớn  Để phân tích hệ thống toàn cục, có thể phân tích riêng rẽ các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên mối quan hệ qua lại giữa chúng. 6 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Minh hoạ lưu vực như một hệ thống thủy văn Cấu trúc của hệ thống là tập hợp các đường đi của dòng chảy trên mặt đất hoặc trong đất, Bao gồm cả các dòng chảy nhánh, những dòng này cuối cùng sẽ nhập lưu tại mặt cắt cửa ra, Cấu trúc của hệ thống chịu ảnh hưởng của các đặc tính lưu vực như địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, các đặc trưng hình thái lưu vực và sông. 7 Biên hệ thống thủy văn có phải luôn đóng kín? Vì sao? Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Phân loại mô hình thủy văn Mô hình vật lý biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô hình thủy lực của đập tràn. Mô hình tương tự có tính chất tương tự như mô hình nguyên thể, chẳng hạn một số mô hình điện trong thủy lực. Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng tập hợp các phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện quan hệ giữa các biến và các thông số (đặc trưng số lượng) của mô hình để mô phỏng hệ thống thủy văn. 8 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Phân loại mô hình thủy văn theo bản chất 9 Mô hình ngẫu nhiên Mô hình tất định Mô hình ngẫu nhiên – tất định Mô hình nhận thức Mô hình hộp đen Mô hình thông số tập trung Mô hình thông số phân bố Mô hình sóng động học SWAT được xếp vào mô hình nào? Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Khái quát về thủy văn, thủy văn học  Đặc điểm của mô hình toán thủy văn Phản ánh gần đúng hệ thống thủy văn có thật. Các yếu tố đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v...) và sản phẩm đầu ra (tốc độ dông chảy, mực nước, áp suất v.v...) là các biến thủy văn đo được.  Ưu điểm của mô hình toán thủy văn Ứng dụng trên quy mô lớn như quy hoạch thoát lũ, công trình thủy lợi, trên cấp độ lưu vực, Giá thành rẻ hơn, cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý,  Thay đổi phương án trong mô hình thực hiện linh hoạt, nhanh chóng.  Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng 10 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Tên gọi: SWAT là tên viết tắt của cụm từ “Soil and Water Assessment Tool”.  Tổ chức phát triển: Đây là mô hình thủy văn ở cấp độ lưu vực được phát triển bởi USDA Agricultural Research Service (USDA-ARS) và Texas A&M AgriLife Research, thuộc Texas A&M University System.  Trang chủ SWAT:  Mục đích: Mô phỏng chất và lượng tài nguyên nước mặt, nước ngầm, Dự báo tác động môi trường (đất, nước) của hoạt động sử dụng đất đai và biến đổi khí hậu. 11 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Đặc điểm:  Dựa trên cơ sở các quá trình vật lý  Yêu cầu dữ liệu đầu vào tối thiểu bao gồm: địa hình, quản lý sử dụng đất/thực phủ, thổ nhưỡng, thời tiết Có thể mô phỏng cho những lưu vực mà ở đó chưa có dữ liệu quan trắc, Đánh giá được tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào (thay đổi sử dụng đất, biến đổi khí hậu) đến tài nguyên đất, nước.  Sử dụng nguồn dữ liệu đầu vào từ GIS Dữ liệu GIS được thu thập từ nhiều cơ quan khác nhau  Khả năng tính toán tối ưu Ngay cả đối với các lưu vực rộng lớn với thời gian tính toán ngắn, tốn ít tài nguyên máy tính  Đánh giá tác động lâu dài Mô phỏng tác động theo chuỗi thời gian liên tục lâu dài (ngày, tháng, năm, thế kỉ,) 12 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Giai đoạn hình thành sơ khai  SWAT kết hợp các đặc trưng từ nhiều mô hình của ARS và là kết quả thừa kế trực tiếp từ mô hình SWRRB (Simulator for Water Resources in Rural Basins) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990).  Những mô hình góp phần vào sự phát triển của SWAT bao gồm: CREAMS (Chemicals, Runoff, Erosion from Agricultural Management Systems) (Knisel et al., 1980), GLEAMS (Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems) (Leonard et al., 1987),  EPIC (Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984), sau đổi thành Environmental Impact Policy Climate, ROTO (Routing Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995), QUAL2E (Enhanced Stream Water Quality Model) (Brown and Barnwell, 1987). 13 CREAMS EPIC SWRRB SWAT 1970’s 1980’s 1990’s GLEAMS QUAL2E ROTO Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Giai đoạn ra đời, bước đầu phát triển Đầu những năm 1990s, mô hình SWRRB và ROTO đã được kết hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là SWAT. Sau này đến phiên bản SWAT96.2, mô hình QUAL2E được thêm vào. Kể từ thời điểm ra đời, SWAT liên tục trải qua nhiều lần cải tiến nhằm mở rộng khả năng mô phỏng với nhiều phiên bản khác nhau bao gồm: SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2, SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009, SWAT 2012 (đang xây dựng) 14 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Định hướng phát triển hiện tại, tương lai  SWAT tiếp tục được phát triển, tập trung chính vào các mảng sau:  Phạm vi mô phỏng -- Thời gian và không gian  Tính sẵn có và chất lượng của dữ liệu đầu vào -- Thời tiết, thuỷ văn, Thổ nhưỡng, Hoạt động sản xuất nông nghiệp Hiệu chỉnh và phân tích tính bất định Mô phỏng theo thời gian thực  Tích hợp với các mô hình khác -- APEX, SWMM(EPA), ALMANAC, DSSAT Hợp tác phát triển mô hình -- CGIAR, ISRIC Đào tạo, truyền thông  Nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT  SWAT 2005, 2009, 2012 ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), QSWAT (QGIS), SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT (Output Vizualization)  Tài liệu hướng dẫn đa ngôn ngữ 15 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Sơ đồ phát triển của SWAT 16 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Phạm vi ứng dụng SWAT đã được cộng đồng quốc tế công nhận là một mô hình quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ. Ứng dụng rộng rãi trong đánh giá chất lượng, tiềm năng nước, kiểm soát xói mòn đất, theo dõi ô nhiễm, định lượng tác động của biến đổi khí hậu ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới.  Ai là người sử dụng SWAT?  > 500 người sử dụng, 30 nhà phát triển  > 100 học viên cao học, nghiên cứu sinh đang sử dụng SWAT  > 1000 bài báo nghiên cứu về SWAT 17 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Hội nghị, tập huấn SWAT 18 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tổng quan về SWAT  Ứng dụng SWAT tại Việt Nam  SWAT du nhập vào Việt Nam từ năm 1998  > 100 nghiên cứu về SWAT (tạp chí, kỉ yếu hội thảo, luận văn thạc sĩ, luận án tiến sĩ)  Các chủ đề chính: Mô phỏng thủy văn, Đánh giá thay đổi sử dụng đất/biến đổi khí hậu, Nghiên cứu xói mòn/bồi lắng, Mô phỏng chất lượng nước, Kiểm soát lũ lụt  Một số khó khăn: Cơ sở dữ liệu đầu vào  Thông số mô hình 19 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Nguyên lý mô phỏng SWAT  Chu trình thủy văn và cân bằng nước là động lực chi phối mọi quá trình diễn ra trong lưu vực. 20 Quá trình trên đất Quá trình trong dòng chảy Hệ thống lưu vực SWAT Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Nguyên lý mô phỏng 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.vdiễn ra thông qua hệ thống sông ngòi của lưu vực đến cửa xả. 21 Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 22 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 nước ngậm nông Thấm vào tầng nước ngậm nông Dòng chảy ra khỏi lưu vực Thấm vào tầng nước ngậm sâu Dòng chảy mặt Dòng chảy trễ Dòng chảy hồi quy Qsurf wseep SWt Qgw SWt = SWo + i=1 t (Rday − Qsurf − Ea −wseep − Qgw) Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất Copyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Chuyên đề SWAT 23 Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy Phân hủy sinh học Quang phân Thủy phân Bay hơi vào khí quyển huyền phù Nồng độ sinh học Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Tiến trình mô phỏng SWAT 24 Cơ sở dữ liệu SWAT Tham số hóa Mô hình SWAT Hiệu chỉnh, kiểm tra Kiểm định Thông số đầu ra DEM Thủy văn Sử dụng đất Thổ nhưỡng Thời tiết Phân định lưu vực Định nghĩa HRUs Chạy Trạm thời tiết Dữ liệu đầu vào Tiến trình, Hiển thị Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Câu hỏi ôn tập  Quá trình hình thành, phát triển của SWAT  Đặc điểm của mô hình SWAT  Mô tả phương trình cân bằng nước trong SWAT 25 Chuyên đề SWATCopyright © 2015 | nguyenduyliem@hcmuaf.edu.vn Câu hỏi kiểm tra  Trên lớp  Trình bày vai trò của máy tính đến sự phát triển của mô hình toán thủy văn nói chung, mô hình SWAT nói riêng? Phân tích mối liên hệ giữa GIS và mô hình SWAT?  Về nhà  Làm thế nào xác định một dữ liệu bất kì có phải dữ liệu GIS hay không? Cho 2 ví dụ minh họa tương ứng cho 2 trường hợp: là dữ liệu GIS, không phải dữ liệu GIS? 26