Luận án tiến sĩ the effect on riparian zones on nitrate removal by denitrification at the river basin scale

Luận án tiến sĩ nghiên cứu the effect on riparian zones on nitrate removal by denitrification at the river basin scale, phân tích chuyên sâu, xây dựng mô hình lý thuyết, đề xuất

• Tác giả: Hoang Nguyen Khanh Linh
• Người hướng dẫn: Prof. Arthur Mynett
• Trường học: Delft University of Technology
• Chuyên ngành: Hydroinformatics
• Đề tài: The Effect Of Riparian Zones On Nitrate Removal By Denitrification At The River Basin Scale
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Delft

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• SUMMARY
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ RIPARIAN ZONES VÀ DENITRIFICATION
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH SWAT VÀ CÁC SỬA ĐỔI
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH TRONG LƯU VỰC SÔNG ODENSE
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Vai trò của vùng ven sông trong quá trình loại bỏ nitrat

Vùng ven sông đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nitrat thông qua quá trình khử nitrat. Đây là khu vực giao thoa giữa hệ sinh thái đất liền và thủy sinh, nơi các điều kiện yếm khí được tạo ra bởi mực nước cao, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khử nitrat. Nghiên cứu chỉ ra rằng, mặc dù chiếm diện tích nhỏ, vùng ven sông có khả năng loại bỏ đáng kể lượng nitrat từ nguồn nước. Tuy nhiên, phần lớn các nghiên cứu hiện tại chỉ tập trung vào quy mô nhỏ và thực địa, trong khi việc mô hình hóa tác động của vùng ven sông ở quy mô lưu vực sông vẫn còn hạn chế.

1.1. Cơ chế khử nitrat trong vùng ven sông

Quá trình khử nitrat trong vùng ven sông chủ yếu xảy ra dưới điều kiện yếm khí, khi nước ngầm chảy qua khu vực này trước khi đổ vào sông. Cơ chế này bao gồm hai yếu tố chính: (i) dòng nước ngầm mang theo nitrat đi qua vùng đệm ven sông và (ii) nước mặt tạm thời tích tụ trong đất ven sông trong các sự kiện lũ lụt. Sự tương tác này giúp giảm đáng kể lượng nitrat trong nước, góp phần cải thiện chất lượng nước và bảo vệ hệ sinh thái sông.

1.2. Tác động của vùng ven sông đến chất lượng nước

Vùng ven sông không chỉ giúp loại bỏ nitrat mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì chất lượng nước. Bằng cách giảm lượng nitrat, khu vực này giúp hạn chế hiện tượng phú dưỡng, một vấn đề nghiêm trọng trong quản lý tài nguyên nước. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, hiệu quả của vùng ven sông phụ thuộc vào đặc điểm địa hình và điều kiện thủy văn của khu vực.

II. Mô hình hóa quá trình loại bỏ nitrat ở quy mô lưu vực sông

Việc mô hình hóa quá trình loại bỏ nitrat ở quy mô lưu vực sông đòi hỏi sự tích hợp giữa các mô hình thủy văn và hóa học. SWAT là một trong những mô hình được sử dụng rộng rãi để mô phỏng quá trình vận chuyển chất dinh dưỡng và thủy văn. Tuy nhiên, việc tích hợp mô hình vùng ven sông vào SWAT vẫn còn hạn chế. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến SWAT bằng cách thêm mô hình Riparian Nitrogen Model (RNM) để mô phỏng quá trình khử nitrat trong vùng ven sông.

2.1. Cải tiến mô hình SWAT

Nghiên cứu đề xuất hai cải tiến chính cho SWAT: (i) thêm khái niệm định tuyến địa hình giữa các đơn vị cảnh quan khác nhau và (ii) tích hợp RNM vào SWAT để mô phỏng quá trình khử nitrat trong vùng ven sông. Cải tiến đầu tiên giúp xác định vị trí địa hình của các đơn vị thủy văn (HRU) và tạo mối quan hệ giữa các HRU ở vùng cao và vùng thấp. Cải tiến thứ hai giới thiệu mô hình RNM, giả định tốc độ khử nitrat giảm dần theo độ sâu và quá trình này được kích hoạt dưới mực nước ngầm.

2.2. Ứng dụng mô hình SWAT cải tiến

Mô hình SWAT cải tiến được thử nghiệm trên lưu vực sông Odense, một khu vực nông nghiệp với hệ thống thoát nước dày đặc ở Đan Mạch. Kết quả cho thấy, SWAT cải tiến cải thiện đáng kể độ chính xác trong mô phỏng dòng chảy và lượng nitrat, đặc biệt khi xem xét đến sự bất định của các thông số. Tuy nhiên, hiệu quả của vùng ven sông trong việc loại bỏ nitrat ở lưu vực này không đáng kể do ảnh hưởng của hệ thống thoát nước.

III. Tác động của biến đổi khí hậu và quản lý tài nguyên nước

Biến đổi khí hậu và tác động con người đang làm thay đổi đáng kể các quá trình sinh thái trong vùng ven sông. Sự gia tăng nhiệt độ và thay đổi lượng mưa có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của khử nitrat. Đồng thời, các hoạt động như thoát nước và sử dụng đất cũng làm giảm khả năng loại bỏ nitrat của vùng ven sông. Việc quản lý tài nguyên nước hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa bảo tồn vùng ven sông và các biện pháp kỹ thuật để tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải.

3.1. Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu

Biến đổi khí hậu có thể làm thay đổi chế độ thủy văn, ảnh hưởng đến hiệu quả của vùng ven sông trong việc loại bỏ nitrat. Sự gia tăng tần suất và cường độ của các sự kiện mưa lớn có thể làm tăng lượng nitrat trong nước, trong khi hạn hán có thể làm giảm khả năng khử nitrat do thiếu nước ngầm.

3.2. Chiến lược quản lý tài nguyên nước

Để tối ưu hóa hiệu quả của vùng ven sông, cần thực hiện các biện pháp bảo tồn sông ngòi và hạn chế ô nhiễm nitrat từ các nguồn nông nghiệp. Việc tích hợp các mô hình như SWAT vào quy hoạch quản lý tài nguyên nước sẽ giúp đánh giá chính xác hơn tác động của các biện pháp can thiệp.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Ô nhiễm nguồn phân tán (diffuse pollution), đặc biệt là lượng nitrat ($NO_3^-$) dư thừa từ thâm canh nông nghiệp, đang là thách thức nghiêm trọng nhất đối với chất lượng nước mặt và nước ngầm toàn cầu. Trong bối cảnh Chỉ thị Khung về Nước của Liên minh Châu Âu (EU Water Framework Directive - WFD 2000/60/EC) chuyển đổi từ kiểm soát nguồn điểm (emission-based) sang quản lý tổng hợp lưu vực sông theo tiêu chuẩn chất lượng vùng tiếp nhận (immission-based), việc định lượng và mô hình hóa đường truyền chất ô nhiễm trở thành yêu cầu cấp thiết. Vùng đệm ven sông (riparian zones) - dải đất chuyển tiếp giữa hệ sinh thái trên cạn và thủy sinh - được thừa nhận là "bộ lọc sinh học" tự nhiên hiệu quả nhất nhờ quá trình khử nitrat (denitrification). Tuy nhiên, một nghịch lý khoa học lớn tồn tại: trong khi vai trò khử nitrat đã được chứng minh rõ rệt ở quy mô vi mô (field scale) với tỷ lệ loại bỏ thực tế từ 65% đến 100% (Hill, 1996), các mô hình thủy văn - chất lượng nước quy mô lưu vực (river basin scale) lại hầu như bỏ qua hoặc đơn giản hóa quá mức động lực học này.

Khoảng trống nghiên cứu then chốt (research gap) mà luận án tiến sĩ của Hoang Nguyen Khanh Linh (2013) tại Đại học Công nghệ Delft (TU Delft) và Viện Giáo dục Nước UNESCO-IHE giải quyết là: Sự thiếu vắng một khung mô hình hóa tích hợp có khả năng mô tả chính xác vị trí không gian địa hình (landscape position) và cơ chế khử nitrat theo độ sâu tầng đất của vùng đệm ven sông ở quy mô toàn lưu vực. Các mô hình lưu vực bán phân bố phổ biến như Soil and Water Assessment Tool (SWAT) truyền thống xử lý các Đơn vị Phản hồi Thủy văn (Hydrological Response Units - HRUs) một cách rời rạc, cô lập, thiếu tương tác dòng chảy giữa vùng cao (upland) và vùng trũng (lowland), đồng thời chỉ ước tính hiệu quả vùng đệm qua mô-đun lọc thực vật kinh nghiệm Vegetative Filter Strips (VFSMOD) dựa trên chiều rộng dải cây (White & Arnold, 2009) thay vì động lực học sinh địa hóa thực tế.

Luận án thiết lập 6 câu hỏi nghiên cứu và tương ứng 6 mục tiêu khoa học cụ thể:

1. Đánh giá khả năng mô phỏng dòng chảy và thông lượng nitrat của mô hình SWAT chuẩn tại một lưu vực chịu áp lực tiêu thoát nước ngầm nhân tạo dày đặc (lưu vực sông Odense, Đan Mạch).
2. So sánh đối chuẩn (benchmarking) cấu trúc mô hình SWAT với mô hình phân bố không gian 3D dựa trên vật lý DAISY-MIKE SHE.
3. Phân tích hiện tượng đồng khả năng (equifinality) và đánh giá cấu trúc mô hình khi có và không có hệ thống cống ngầm nông nghiệp (tile drainage).
4. Phát triển phiên bản cải tiến SWAT_LS tích hợp cơ chế định tuyến cảnh quan (landscape routing) giữa vùng cao và vùng thấp.
5. Xây dựng và nhúng mô hình khái niệm Riparian Nitrogen Model (RNM) vào SWAT_LS nhằm mô phỏng động học khử nitrat biến thiên theo độ sâu đất và dao động mực nước ngầm.
6. Ứng dụng SWAT_LS + RNM vào lưu vực Odense (1.046 $km^2$) kết hợp phân tích độ bất định toàn diện (GLUE với 5.000 mô phỏng Monte-Carlo) để lượng hóa vai trò khử nitrat thực tế.

Khung lý thuyết của nghiên cứu tích hợp lý thuyết thủy văn khu vực nguồn biến đổi (Variable Source Area - VSA), động học sinh hóa khử nitrat phản ứng bậc một (first-order kinetics), và lý thuyết bất định cấu trúc mô hình thủy văn. Đóng góp mang tính đột phá của công trình là đã chứng minh rằng tại lưu vực Odense, do hệ thống cống tiêu ngầm (tile drains) dẫn dòng chảy thẳng ra sông nên hiệu quả khử nitrat của vùng đệm hiện trạng chỉ đạt 4–17%; tuy nhiên, nếu phục hồi vùng đệm tự nhiên (không tiêu úng), hiệu quả loại bỏ nitrat toàn lưu vực sẽ tăng vọt lên 25–85%.

Literature Review và Positioning

Tổng quan y văn quốc tế cho thấy ba dòng nghiên cứu chính về xử lý nitrat lưu vực sông:

1. Dòng nghiên cứu sinh thái - sinh địa hóa vùng đệm ven sông: Các công trình kinh điển của Gregory et al. (1991), Mitsch & Gosselink (2000), và Hill (1996) khẳng định vùng đệm là bồn trũng dinh dưỡng (nutrient sink) quan trọng, nơi quá trình khử nitrat kỵ khí chuyển hóa $NO_3^-$ thành khí vô hại $N_2$ và $N_2O$. Về mặt y văn, tồn tại sự tranh luận sâu sắc giữa hai trường phái: Groffman et al. (1991) và Schnabel et al. (1997) chứng minh thảm cỏ (grass buffer) có tốc độ khử nitrat cao hơn rừng do sinh khối rễ nông và carbon hữu cơ dồi dào; ngược lại, Osborne & Kovacic (1993) và Haycock & Burt (1993) bảo vệ quan điểm vùng đệm thân gỗ (forested riparian) duy trì khả năng giữ nitrat ổn định và bền vững hơn quanh năm ở tầng nước ngầm sâu.
2. Dòng mô hình hóa lưu vực ô nhiễm nguồn phân tán: Phổ biến gồm các mô hình bán phân bố như SWAT (Arnold et al., 1998; Gassman et al., 2007), HSPF (Bicknell et al., 2000), INCA (Whitehead et al., 1998) và mô hình phân bố vật lý hoàn toàn DAISY-MIKE SHE (Refsgaard & Storm, 1995; Hansen et al., 1991). Mặc dù SWAT được Borah & Bera (2003) và Shepherd et al. (1999) đánh giá là công cụ tối ưu cho lưu vực nông nghiệp, mô hình này tồn tại khiếm khuyết lớn là giả định dòng chảy từ HRU đổ trực tiếp vào mạng lưới sông mà không chảy tràn qua các đơn vị cảnh quan kế cận.
3. Dòng nghiên cứu mô hình hóa vùng đệm và đất ngập nước: Bao gồm WETSAND (Kazezyılmaz-Alhan et al., 2007), WWQM (Chavan & Dennett, 2008), và Riparian Nitrogen Model - RNM (Rassam et al., 2008). Tuy nhiên, hầu hết các mô hình này chỉ chạy độc lập ở quy mô vi mô hoặc hệ thống nhân tạo. Công trình hiếm hoi nỗ lực tích hợp đất ngập nước ở quy mô lưu vực là Hattermann et al. (2006), nhưng vẫn sử dụng các phương trình giữ dưỡng chất đơn giản hóa.

Luận án định vị chính xác tại điểm giao thoa giữa mô hình hóa thủy văn lưu vực và mô hình hóa sinh địa hóa ngầm. So sánh với các nghiên cứu quốc tế tương đương, luận án vượt trội về tính chuẩn xác cơ chế:

• So với nghiên cứu của Schilling & Wolter (2009) tại lưu vực sông Des Moines (Iowa, Hoa Kỳ) và Lam et al. (2011) tại sông Kielstau (Đức) vốn chỉ sử dụng SWAT chuẩn hiệu chỉnh thông số cống ngầm, nghiên cứu của Hoang (2013) đã tái cấu trúc mã nguồn lõi để mô tả đường lan truyền dòng chảy tương hỗ giữa các đơn vị địa hình.
• So với nghiên cứu của Pohlert et al. (2005) tại sông Dill (Đức) - nơi mô hình SWAT dự báo lượng khử nitrat vượt quá mức thực tế do kích hoạt khử nitrat ngay khi độ ẩm đạt 95% dung tích ẩm đồng ruộng - mô hình RNM của luận án gắn chặt phản ứng khử nitrat với mực nước ngầm treo thực tế và hàm suy giảm hàm mũ theo độ sâu phẫu diện đất.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                        KHUNG PHÂN TÍCH TÍCH HỢP SWAT_LS + RNM                     |
+-----------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                   |
|  [VÙNG CAO (Upland HRUs)]                                                         |
|  - Dòng chảy mặt (Surface Runoff)                                                 |
|  - Dòng ngầm tầng nông & Cống tiêu (Tile/Lateral Flow)                            |
|         |                                                                         |
|         v (Landscape Routing: Định tuyến cảnh quan có độ trễ)                     |
|  [VÙNG TRŨNG / VÙNG ĐỆM VEN SÔNG (Lowland / Riparian HRUs)]                       |
|  +-----------------------------------------------------------------------------+  |
|  |  Mô hình RNM (Riparian Nitrogen Model)                                      |  |
|  |  1. Cơ chế Baseflow: Nước ngầm nông xuyên cắt qua vùng rễ kỵ khí            |  |
|  |     Tốc độ khử Nitrat suy giảm theo độ sâu: k(z) = k0 * exp(-z / z_decay)    |  |
|  |  2. Cơ chế Bank Storage: Nước lũ tràn bờ thấm tạm thời vào đất ngầm ven bờ  |  |
|  |  Kích hoạt khử Nitrat: Phụ thuộc thế oxy hóa khử Eh (<250mV) & Mực nước ngầm|  |
|  +-----------------------------------------------------------------------------+  |
|         |                                                                         |
|         v (Giảm trừ tải lượng Nitrat thực tế: Delta-NO3 = f(k, HRT, C_org))       |
|  [DÒNG CHẢY VÀO LÒNG DẪN CHÍNH (Main Reach Channel)]                              |
|                                                                                   |
+-----------------------------------------------------------------------------------+

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đóng góp trực tiếp vào lý thuyết sinh thái thủy văn (ecohydrology) và lý thuyết mô hình hóa môi trường qua các luận điểm khoa học sắc bén:

1. Mở rộng lý thuyết lan truyền thủy văn cảnh quan (Landscape Hydrological Continuum): Phá vỡ giả định truyền thống về tính độc lập của các HRU trong mô hình bán phân bố. Luận án xây dựng cơ chế topo-sequence catena, chứng minh dòng chảy từ vùng cao không chỉ đóng góp trực tiếp vào mạng lưới sông mà bị biến đổi về động học và chất lượng khi tái thấm vào tầng nước ngầm vùng trũng.
2. Lý thuyết hóa động lực học khử nitrat hai cơ chế tương tác (Dual-mechanism denitrification theory): Mở rộng mô hình lý thuyết của Rassam et al. (2008) từ quy mô dải đất hẹp lên quy mô toàn lưu vực thông qua hai tiến trình: (i) Cơ chế dòng chảy cơ bản (baseflow pathway) khi nước ngầm nông giàu nitrat di chuyển ngang qua vùng đệm kỵ khí; và (ii) Cơ chế trữ nước bờ sông (bank storage pathway) khi nước mặt dâng cao trong các trận lũ tràn bờ, thấm nhập tạm thời vào đất ven sông và kích hoạt phản ứng khử nitrat kỵ khí trước khi rút trở lại lòng sông.
3. Thách thức nhận thức luận về kiểm định thống kê mô hình (Challenging statistical goodness-of-fit dogma): Luận án đưa ra bằng chứng thực nghiệm phản biện quan niệm phổ biến cho rằng "chỉ số Nash-Sutcliffe (NSE) cao đồng nghĩa với mô hình phản ánh đúng thực tế".

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp ba lý thuyết nền tảng:

• Lý thuyết dòng chảy khu vực nguồn biến đổi (VSA) để phân định ranh giới thủy văn giữa Upland và Lowland.
• Động học khử nitrat phụ thuộc độ sâu: Tốc độ khử nitrat tiềm năng $k(z)$ suy giảm theo hàm mũ theo độ sâu $z$ của phẫu diện đất: $$k(z) = k_0 \cdot \exp\left(-\frac{z}{z_{\text{decay}}}\right)$$ trong đó $k_0$ là tốc độ khử nitrat tại bề mặt đất ($day^{-1}$), $z_{\text{decay}}$ là hằng số suy giảm độ sâu ($m$).
• Khung phân tích bất định GLUE (Generalized Likelihood Uncertainty Estimation) của Beven & Binley (1992) để đánh giá tập thông số hành vi (behavioral parameter sets).

Điều kiện biên (boundary conditions) của khung phân tích được xác định rõ ràng: mô hình chỉ kích hoạt cơ chế khử nitrat nâng cao trong các HRU thuộc dải đất thấp ven sông khi mực nước ngầm nông dâng cao tạo điều kiện yếm khí ngập nước (soil water factor $\gamma_{sw} \ge \gamma_{sw,thr}$) và thế oxy hóa khử $Eh < +250\text{ mV}$.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ triết lý khoa học thực chứng phản nghiệm (critical rationalism / post-positivism), kết hợp thiết kế nghiên cứu mô phỏng đa cấp độ (multi-level comparative design):

• Cấp độ 1: Phân tích độ nhạy và kiểm thử cấu trúc mô hình trên một lưu vực giả định đơn giản (hypothetical case study) với các kịch bản thủy văn được kiểm soát hoàn toàn (dòng mặt chiếm ưu thế, dòng ngầm sâu chiếm ưu thế, và dòng cống tiêu chiếm ưu thế).
• Cấp độ 2: Ứng dụng thực nghiệm trên lưu vực sông Odense thực tế tại đảo Funen, Đan Mạch (diện tích 1.046 $km^2$, địa hình lượn sóng từ 0 đến 131 m so với mực nước biển, lượng mưa trung bình 758 mm/năm). Lưu vực có 68% diện tích là đất canh tác nông nghiệp thâm canh, trong đó hơn 50% diện tích được lắp đặt hệ thống cống tiêu ngầm (tile drains) dày đặc từ thế kỷ 19.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu bao gồm các bước phân tích chặt chẽ:

1. Thu thập và chuẩn hóa dữ liệu vi mô: Bản đồ số độ cao địa hình (DEM 25m), bản đồ phân loại đất của GEUS (Cơ quan Khảo sát Địa chất Đan Mạch và Greenland), bản đồ lớp phủ thảm phủ đất thực tế và chuỗi số liệu đo đạc khí tượng - thủy văn hàng ngày giai đoạn 1990–2003 tại trạm thủy văn Kratholm (vị trí khống chế $486\text{ km}^2$).
2. Đối chuẩn cấu trúc mô hình song song (Cross-model benchmarking): Thiết lập độc lập mô hình SWAT và mô hình DAISY-MIKE SHE đã hiệu chuẩn trước đó của Hansen et al. (2007).
3. Triangulation phương pháp: Kết hợp đối chiếu đa nguồn giữa chuỗi số liệu quan trắc dòng chảy thực tế ($m^3/s$), nồng độ $NO_3\text{-N}$ quan trắc ($mg/L$), kết quả mô phỏng từ mô hình phân bố vật lý DAISY-MIKE SHE, và phân tích độ bất định toàn cục.

Data và phân tích

Luận án sử dụng các kỹ thuật phân tích thủy văn và sinh địa hóa hiện đại:

• Mã nguồn mô hình: Luận án trực tiếp chỉnh sửa mã nguồn Fortran của mô hình SWAT2005 để cấu trúc thành SWAT_LS và nhúng mô-đun RNM.
• Phân tích độ bất định GLUE: Thực hiện 5.000 mô phỏng Monte-Carlo ngẫu nhiên cho toàn bộ không gian thông số hiệu chuẩn thủy văn và thông số khử nitrat (bao gồm hệ số tốc độ $k_0$, độ sâu suy giảm $z_{\text{decay}}$, ngưỡng kích hoạt mực nước ngầm).
• Chỉ số đánh giá độ khớp: Sử dụng hệ chỉ số đa tiêu chí gồm Hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($NSE$), Hệ số tương quan ($R^2$), và Phần trăm sai số khối lượng ($PBIAS$): $$NSE = 1 - \frac{\sum_{t=1}^T (Q_o^t - Q_m^t)^2}{\sum_{t=1}^T (Q_o^t - \overline{Q_o})^2}$$

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Nghịch lý thống kê trong mô hình hóa cống tiêu ngầm (The Tile Drainage Calibration Paradox): Luận án phát hiện một kết quả bất ngờ: mô hình SWAT không kích hoạt cống ngầm (SWAT without tile drainage) lại đạt chỉ số Nash-Sutcliffe dòng chảy hàng ngày rất cao ($NSE > 0.82$), cao hơn cả mô hình SWAT có cống ngầm ($NSE = 0.74$). Tuy nhiên, cấu trúc mô hình không cống ngầm hoàn toàn sai lệch về mặt cơ chế vật lý tại lưu vực Odense - nơi cống ngầm chiếm hơn 50% diện tích. Quá trình tự động hiệu chuẩn (autocalibration) đã vô tình "ép" thông số thấm và dòng ngầm tầng sâu bù trừ cho lượng dòng chảy cống ngầm bị thiếu hụt.

"Statistical metrics, which are useful for evaluating the goodness-of-fit of simulated results versus measured data, are unable to fully distinguish whether a model is capable of representing water and pollutant pathways correctly." (Hoang, 2013, p. xii).

2. Sự tương đồng về thông lượng nhưng phân kỳ về đường truyền giữa SWAT và DAISY-MIKE SHE: Khi so sánh cân bằng nước hàng năm, DAISY-MIKE SHE mô phỏng gần như toàn bộ dòng chảy ngầm ($95%$) thoát ra qua hệ thống cống tiêu (tile flow), trong khi SWAT phân bổ tương đối cân bằng: $50%$ qua cống tiêu và $50%$ qua dòng ngầm nông (groundwater baseflow). Mặc dù vậy, cả hai mô hình đều chỉ ra rằng nitrat tải qua cống tiêu là nguồn phát thải thống trị toàn lưu vực.

3. Ưu thế vượt trội của cấu trúc phân định cảnh quan SWAT_LS: So với SWAT2005 nguyên bản, SWAT_LS chuyển hướng một phần dòng chảy tràn mặt từ vùng cao vào tầng nước ngầm vùng trũng, làm giảm đỉnh lũ dòng mặt và kéo dài thời gian tập trung nước (lag-time). Trong phân tích bất định với 5.000 lần chạy Monte-Carlo, SWAT_LS mang lại số lượng bộ thông số hành vi (behavioral models đạt chuẩn) cao hơn hẳn SWAT chuẩn ở cả bước thời gian ngày và tháng, chứng minh xác suất phản ánh đúng cơ chế thủy văn của SWAT_LS vượt trội hơn.

4. Lượng hóa hiệu quả khử nitrat và "hiệu ứng đoản mạch" của cống ngầm (Tile drain short-circuiting): Tại lưu vực giả định, vùng đệm hoàn toàn mất tác dụng nếu dòng chảy bề mặt hoặc dòng ngầm sâu chiếm ưu thế tuyệt đối. Quá trình khử nitrat chỉ diễn ra mạnh nhất khi vùng đệm tiếp nhận lượng lớn dòng tiêu ngầm nông nạp vào tầng nước ngầm treo.

"The importance of a riparian zone in a landscape exceeds the minor proportion of the land area that it covers" (Hoang, 2013, p. 2). Tại lưu vực Odense thực tế: "In the present condition, the nitrate removal is only about 4~17% taking into account uncertainty. However, if all riparian zones in the area are not drained and can really perform their retention function, the effectiveness of the riparian zones on nitrate removal will increase dramatically to about 25~85%." (Hoang, 2013, p. xiii).

Implications đa chiều

• Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu cung cấp bằng chứng thực nghiệm quan trọng cho thấy ranh giới địa hình và độ sâu phẫu diện đất kiểm soát trực tiếp thế oxy hóa khử ($Eh$) và thời gian lưu thủy lực ($HRT$), từ đó quyết định hiệu suất khử nitrat toàn lưu vực.
• Về mặt phương pháp luận: Mở ra hướng tiếp cận mới trong việc tái cấu trúc các mô hình thủy văn bán phân bố (như SWAT), cho phép tích hợp các tiến trình sinh thái ngầm phức tạp mà không làm bùng nổ nhu cầu tính toán như các mô hình 3D hoàn toàn.
• Về ứng dụng thực tiễn và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học đắt giá cho các nhà quản lý lưu vực thuộc Liên minh Châu Âu khi thực thi Chỉ thị WFD: Việc chỉ khôi phục diện tích thảm thực vật vùng đệm ven sông trên bề mặt sẽ hoàn toàn vô hiệu nếu không tháo dỡ hoặc ngắt kết nối hệ thống cống tiêu ngầm bên dưới. Các cống ngầm này đã hoạt động như những "đường ống đoản mạch", dẫn thẳng nitrat từ đồng ruộng vào lòng sông mà không hề tiếp xúc với vùng đệm sinh học.

Limitations và Future Research

Tác giả thẳng thắn chỉ ra 4 giới hạn nghiên cứu chính:

1. Độ bất định do thiếu dữ liệu đo đạc trực tiếp về tốc độ khử nitrat: Do không có chuỗi số liệu đo khí $N_2/N_2O$ phát thải thực địa tại lưu vực Odense, việc hiệu chỉnh thông số khử nitrat phải dựa trên phân tích độ bất định và giá trị y văn.
2. Giả định đồng nhất đặc tính vùng đệm: Luận án giả định tất cả các dải ven sông trong toàn lưu vực Odense có đặc tính thổ nhưỡng và khả năng khử nitrat như nhau, bỏ qua tính dị đồng nhất cao độ của các "điểm nóng sinh địa hóa" (biogeochemical hot-spots).
3. Đơn giản hóa cơ chế ngập lũ: Mô hình trữ nước bờ sông (bank storage) trong SWAT_LS được xử lý ở dạng khái niệm đơn giản hóa, chưa phản ánh đầy đủ động lực học dòng chảy hai chiều phi ổn định giữa sông và tầng chứa nước ngầm khi có triều hoặc lũ lớn.
4. Bỏ qua các dạng nitơ khác: Nghiên cứu tập trung chuyên biệt vào nitrat ($NO_3^-$) mà chưa liên kết chi tiết với chu trình chuyển hóa amoni ($NH_4^+$) và phát thải khí nhà kính $N_2O$ vào khí quyển.

Hướng nghiên cứu tương lai được đề xuất bao gồm:

• Tích hợp công nghệ cảm biến vi mô và đồng vị bền ($^{15}N/^{18}O$) để đo đạc trực tiếp thông lượng khử nitrat thực địa tại các vùng đệm đại diện.
• Nâng cấp mô-đun RNM để mô phỏng sự phân chia tỷ lệ phát thải khí giữa $N_2$ và $N_2O$ phụ thuộc vào độ pH và nhiệt độ đất.
• Áp dụng SWAT_LS + RNM cho các vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa và các lưu vực có hoạt động nông nghiệp tưới tiêu quy mô lớn.

Tác động và ảnh hưởng

• Ảnh hưởng học thuật: Luận án tạo ra một bước nhảy vọt trong cộng đồng người dùng SWAT toàn cầu (SWAT Community), đặt nền tảng phương pháp luận cho việc phát triển các mô hình thế hệ mới (như SWAT+ hiện nay) trong việc phân chia cảnh quan (landscape units). Công trình ước tính mang lại giá trị trích dẫn học thuật lâu dài trong các lĩnh vực Mô hình hóa Thủy văn, Khoa học Môi trường và Kỹ thuật Sinh thái (Eco-engineering).
• Tác động chính sách môi trường: Đóng góp trực tiếp vào Kế hoạch Hành động Môi trường Nước của Đan Mạch (Danish Action Plans for the Aquatic Environment) và hướng dẫn kỹ thuật thực hiện WFD của Ủy ban Châu Âu. Bằng chứng định lượng về hiệu quả tăng từ 4–17% lên 25–85% khi ngắt cống tiêu ngầm là căn cứ khoa học trực tiếp để chính phủ Đan Mạch đầu tư hàng triệu Euro vào các chương trình tái tự nhiên hóa vùng đất ngập nước ven sông.
• Lợi ích kinh tế - xã hội: Giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư công trình môi trường, hướng dẫn vị trí quy hoạch dải đệm ven sông hiệu quả nhất thay vì trồng rừng ven sông dàn trải, giảm thiểu nguy cơ phú dưỡng hóa (eutrophication) vùng biển Baltic và bờ biển Bắc Hải.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới nghiên cứu Thủy văn: Tiếp cận khung mô hình mã nguồn mở tiên tiến SWAT_LS + RNM, kế thừa phương pháp phân tích độ bất định cấu trúc mô hình và nghịch lý đồng khả năng (equifinality).
• Các Giáo sư và Chuyên gia Mô hình hóa Môi trường: Cơ sở lý thuyết sâu sắc để phát triển các thuật toán định tuyến dòng chảy ngầm và liên kết mô hình sinh hóa trong các công cụ mô phỏng lưu vực.
• Kỹ sư R&D Quản lý Tài nguyên Nước & Nông nghiệp: Áp dụng bộ công cụ để tính toán Tải lượng Ô nhiễm Tối đa Hàng ngày (TMDL), thiết kế các giải pháp thuận thiên (Nature-based Solutions - NbS) như dải lọc thực vật có kiểm soát tiêu thoát nước.
• Nhà hoạch định chính sách Nông nghiệp và Môi trường: Sở hữu luận cứ định lượng chính xác để ban hành các quy định về hành lang bảo vệ nguồn nước và trợ cấp nông nghiệp xanh có mục tiêu.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Đóng góp độc đáo nhất là việc mở rộng Lý thuyết Khu vực Nguồn Biến đổi (VSA Theory) và Lý thuyết Lan truyền Thủy văn Cảnh quan vào mô hình bán phân bố, kết hợp với Động học Khử Nitrat Biến thiên theo Chiều sâu (Depth-dependent Denitrification Kinetics). Tác giả đã chứng minh bằng toán học và thực nghiệm rằng hiệu quả lọc nitrat của vùng đệm ven sông là hàm số phi tuyến của vị trí cảnh quan, mực nước ngầm treo và sự tương tác giữa dòng chảy ngầm nông với phẫu diện đất giàu carbon hữu cơ.

2. Điểm đổi mới phương pháp luận khi so sánh với ít nhất 2 nghiên cứu quốc tế trước đây? So với nghiên cứu của Schilling & Wolter (2009) tại sông Des Moines (Hoa Kỳ) và Lam et al. (2011) tại sông Kielstau (Đức) vốn chỉ sử dụng mô hình SWAT nguyên bản và tinh chỉnh hệ số tiêu nước, đổi mới của Hoang (2013) là: (i) Tái lập trình thuật toán lõi của SWAT để phân định tiểu lưu vực thành 2 đơn vị cảnh quan Upland và Lowland với cơ chế định tuyến dòng chảy bề mặt và dòng ngầm tầng nông liên tục; (ii) Thay thế mô-đun VFSMOD kinh nghiệm bằng mô hình khái niệm sinh địa hóa RNM có cơ chế phản ứng bậc một theo gradient oxy và độ sâu; (iii) Áp dụng kiểm định bất định GLUE 5.000 mô phỏng Monte-Carlo để so sánh trực tiếp không gian thông số hành vi giữa hai cấu trúc mô hình.

3. Phát hiện gây ngạc nhiên nhất được hỗ trợ bởi dữ liệu là gì? Phát hiện gây ngạc nhiên nhất là "Nghịch lý Hiệu chỉnh Cống tiêu" (Tile Drainage Paradox): Mô hình SWAT hoàn toàn bỏ qua hệ thống cống ngầm lại đạt hệ số $NSE > 0.82$, cao hơn mô hình có mô tả cống ngầm ($NSE = 0.74$). Điều này chứng minh rằng việc đánh giá mô hình chỉ dựa vào các chỉ số thống kê tổng lượng ở cửa ra lưu vực có thể dẫn đến việc chấp nhận các mô hình "đúng kết quả nhưng sai hoàn toàn về cơ chế vật lý bên trong" (right results for wrong reasons).

4. Luận án có cung cấp giao thức tái lập nghiên cứu (Replication Protocol) không? Có. Luận án cung cấp chi tiết toàn bộ hệ thống phương trình toán học của mô hình RNM, quy trình tích hợp vào mã nguồn SWAT2005, thông số cấu hình của mô hình DAISY-MIKE SHE, bảng danh mục 15 thông số hiệu chuẩn thủy văn và khử nitrat kèm khoảng biến thiên (parameter ranges), cùng quy trình phân tích độ nhạy và phân tích bất định GLUE.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm (10-year research agenda) được phác thảo như thế nào? Chương trình nghiên cứu dài hạn tập trung vào: (1) Chuẩn hóa mô-đun SWAT_LS thành gói chuẩn quốc tế cho cộng đồng mã nguồn mở; (2) Tích hợp quan trắc viễn thám độ ẩm đất và dữ liệu đồng vị phóng xạ để hiệu chỉnh nồng độ nitrat ngầm phân bố không gian; (3) Mở rộng mô hình để lượng hóa cân bằng phát thải khí nhà kính ($N_2O$ vs $N_2$) tại vùng đệm; (4) Tích hợp mô hình kinh tế - sinh thái để đánh giá chi phí - lợi ích của các kịch bản phục hồi đất ngập nước trên diện rộng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Hoang Nguyen Khanh Linh (2013) là một công trình khoa học mẫu mực, giải quyết trọn vẹn bài toán mô hình hóa sinh thái thủy văn quy mô lưu vực với các đóng góp cốt lõi:

1. Xây dựng thành công phiên bản mô hình SWAT_LS, tiên phong tích hợp khái niệm định tuyến cảnh quan giữa các đơn vị vùng cao và vùng trũng ven sông trong cấu trúc bán phân bố.
2. Phát triển và nhúng thành công mô hình khái niệm Riparian Nitrogen Model (RNM) vào mô hình lưu vực, mô tả chính xác cơ chế khử nitrat kỵ khí phụ thuộc vào mực nước ngầm và độ sâu đất.
3. Cung cấp bằng chứng thực nghiệm vạch trần giới hạn của các chỉ số thống kê truyền thống ($NSE, R^2$), thúc đẩy sự chuyển dịch mô thức (paradigm shift) sang đánh giá mô hình dựa trên tính chân thực của đường truyền vật lý (pathway representation).
4. Thực hiện so sánh đối chuẩn quy mô lớn chưa từng có giữa hai cấu trúc mô hình SWAT và DAISY-MIKE SHE trên lưu vực nông nghiệp tiêu thoát nước ngầm điển hình.
5. Lượng hóa chính xác tác động của hệ thống cống ngầm nông nghiệp, chỉ ra rằng hiệu quả khử nitrat vùng đệm hiện trạng chỉ đạt 4–17% nhưng có thể đạt tới 25–85% khi dỡ bỏ cống tiêu ngầm.
6. Mở ra 3 nhánh nghiên cứu chuyên sâu mới về: mô hình hóa thủy văn cảnh quan đa tỉ lệ, động lực học sinh địa hóa vùng đệm ven sông kết hợp phát thải khí nhà kính, và kỹ thuật đánh giá độ bất định cấu trúc mô hình trong quản lý lưu vực bền vững theo tiêu chuẩn quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THE EFFECT OF RIPARIAN ZONES ON NITRATE REMOVAL BY DENITRIFICATION AT THE RIVER BASIN SCALE hoang nguyen khanh linh THE EFFECT OF RIPARIAN ZONES ON NITRATE REMOVAL BY DENITRIFICATION AT THE RIVER BASIN SCALE by HOANG NGUYEN KHANH LINH THE EFFECT OF RIPARIAN ZONES ON NITRATE REMOVAL BY DENITRIFICATION AT THE RIVER BASIN SCALE DISSERTATION Submitted in fulfillment of the requirements of the Board for Doctorates of Delft University of Technology and of the Academic Board of the UNESCO-IHE Institute for Water Education for the Degree of DOCTOR to be defended in public on Wednesday, 4 December, 2013 at 10:00 hours in Delft, The Netherlands by HOANG Nguyen Khanh Linh born in Ho Chi Minh city, Vietnam Master of Science in Hydroinformatics (with distinction) UNESCO-IHE, Delft, The Netherlands This dissertation has been approved by the supervisors: Prof. van Griensven Members of the Awarding Committee: Chairman Rector Magnificus, Delft University of Technology Vice-chairman Rector, UNESCO-IHE Prof. Mynett UNESCO-IHE/Delft University of Technology, supervisor Prof. van Griensven UNESCO-IHE/VU Brussel, supervisor Prof.

Savenije Delft University of Technology Prof. McClain UNESCO-IHE/Delft University of Technology Prof. Rousseau Ghent University, Belgium Prof. Fohrer University of Kiel, Germany Prof.

van de Giesen Delft University of Technology, reserve member CRC Press/Balkema is an imprint of the Taylor & Francis Group, an informa business ©2013, Linh Hoang All rights reserved. No part of this publication or the information contained herein may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, by photocopying, recording or otherwise, without written prior permission from the publishers. Although all care is taken to ensure the integrity and quality of this publication and the information herein, no responsibility is assumed by the publishers or the author for any damage to property or persons as a result of the operation or use of this publication and/or the information contained herein. Published by: CRC Press/Balkema PO Box 11320, 2301 EH Leiden, The Netherlands e-mail: Pub.com ISBN: 978-1-138-02405-2 To my dear family ACKNOWLEDGEMENT Delft has been my second home for the past 6 years while I worked towards my MSc and PhD degrees.

Undoubtedly, this is the most important and meaningful chapter of my life when I learned the most, enjoyed the most, fell down sometimes but then grew up more and more. This is the chapter that I will treasure and remember for my whole life. Before closing this chapter, I would like to express my sincere gratitude to all the people, related or not related to my PhD work, who gave me help and support to finish my research. First of all, I would like to convey my sincere gratitude to my promoter, Prof.

Arthur Mynett, who played the most important role to make this PhD finalisation come true. Thank you very much not only for your continuous support but also for your push at the final stages. Although I felt really stressed and exhausted sometimes by the pressure, I know I could not have finished my PhD without it. I thank you for always believing in me and encouraging me by saying ‘Linh, you can do it’, and then I also told myself ‘Yes, I will try as much as I can’.

I am really grateful to you for giving me the chance to attend the IAHR World Congress 2013 in Chengdu, China with you and present our paper. And finally, thank you for all the discussions with you that helped me to find some light in the darkness of this PhD road and feel more confident. Secondly, I would like to express my gratitude to my co-promoter, Prof. Ann van Griensven, who was my supervisor in both Master and PhD theses.

I am truly grateful to you for giving me a chance to continue my PhD following the AQUAREHAB project. Thank you for your guidance, suggestions and help throughout my PhD, especially on SWAT as the main tool for my PhD. I would like to send my deep appreciation to Prof. Jens Christian Refgaards who always gave me very useful suggestions and ideas for my PhD research.

It was my great pleasure to work with you and have very long discussions with you every time I came to Copenhagen. Although it is really a pity that you cannot be present in my defence, I would like to send my great gratitude for your warm welcome, your kind help and your precious time spent with me. I also give my sincere gratitude to Mr. Bertel Nilsson for his great help during my time in GEUS and in Copenhagen.

Thanks for finding a very good accommodation for me, arranging me an office, arranging the key, coming to say hello every morning and helping me with all the data and connections. Your gentle care made me feel warm and welcomed in GEUS and I really enjoyed that time a lot. I also thank Dr. Lars Troldborg for providing me data, Ms.

Heidi Barlebo for your warm welcome to the Hydrology group and my friends in Copenhagen: Xin, Xiulan, Kinza for spending enjoyable time with me during lunch and after working hours. vii Acknowledgement I want to send my special thanks to my landlords Inger and Hans Ole Hansen for providing me such a wonderful accommodation that made me feel like home in Copenhagen. Inger, I cannot express enough my thanks to you for always caring about me in everything I did and your comfort in one of the most terrible moments of my life. I really appreciate your kindness to let me stay in your lovely house the second time when I really needed a private place to work.

My genuine thanks are sent to Sha, my best friend during my PhD. It is such a pleasure to have you beside me in the last 3 years. Thanks for spending enjoyable time with me, considering me as ‘automatically invited guest’ for all your special dinners, helping me every time I need, and being available for me to disturb whenever I have problems. Without you, my PhD life would have been very boring.

I would like to thank my closest colleague Girma, who went along with me for the whole 4- year PhD period. Being in the same project and having the same supervisors brought us close to each other although we are from different countries. Thanks for sharing with me all the difficulties and hard times in this PhD life and having a talk with me everyday. I will not forget the many weekends that we had to spend in TU library to finish our PhD drafts.

Thanks for accompanying me during this difficult and stressful time. My thanks also go to my international friends: Fiona, Yuli, Anuar, Isnaeni, Yos, Sony, Leo for creating such a friendly atmosphere for me to join your Indonesian-Malaysian community. Thanks to Off, Pim, Nat, and Alida to welcome me to your Thai group. Thanks to Dr Suryadi for your support in my life and my PhD, your gentle care during my time in Delft and the time when we were in Chengdu, and countless number of your dinner invitations.

I genuinely feel pleasure to have met and spent such lovely time with all of you. Thanks to my Vietnamese friends in Delft: be Tam, Truong, Khai, Trang, Minh, Vinh, Thang, anh Tu, anh Ngan for sharing good times with me during our gathering which made my life in Delft more lively. Thanks anh Tu and Thang for joining me for skating practice which helped to reduce my stress in the final time of my thesis writing. And thanks to all my friends in Vietnam: my cousin Dao Chi, Phong, Duy, Chau, co Le for all your support and sharing.

Then, I would like to send my deepest and greatest gratitude to the most important persons in my life. First, thanks to my Osin for always being beside me for such a long time and sharing with me everything happening in our lives. Although we live far from each other, I feel that you are always there whenever I need you. Thanks for being such an important part of my life that I would like to treasure it for my whole life.

Your support, encouragement and funny conversations never failed to make me laugh when I was in difficult times. Whatever happens, you are always the most special person in my life. Secondly, thanks to Thuy Phuong for being my best friend for 15 years. Sorry for being away from you for such a long time although you asked me to come back soon.

I cannot express how grateful I am to have you in my life. Although we are not in close contact, our viii Acknowledgements friendship has never changed. Thanks for always being available for me whenever I need you to lift me up. Finally, I would like to send my greatest gratitude to my family: my parents and my younger brother for their unconditional love and endless belief and support for me during my whole life.

I am really grateful to have such good family who wish me the best for my life, always welcome me to return anytime I want and support me in everything I want to do. Thanks to my younger brother to be beside my parents to take care and entertain my parents during my absence. This thesis is dedicated to my family as my most genuine gratefulness to their love and support. Delft, October 2013 Linh Hoang ix SUMMARY The riparian zone, the interface between terrestrial and aquatic ecosystems, plays an important role in nitrogen removal in spite of the minor proportion of the land area that it covers.

This is verified in a large number of studies related to the effect of wetlands/riparian zones on the discharge of nutrients. The nitrogen removal in riparian zones is mostly caused by denitrification, which is favoured by anaerobic condition created by high water level in riparian zones. Most of the studies related to the effect of riparian zones on nitrogen removal are limited to small scales and field work. Very limited research has been carried out in modelling their effects at large scales or river basin scales.

Nowadays, there are many river-basin-scale models available that are able to deal with predictions of pollutant loading from diffuse sources. Several wetland/riparian models are available for simulating hydrological and chemical processes in wetlands/riparian zones. However, there are limited studies on integrating wetland/riparian zone models in river basin modelling for evaluating the effect of wetlands/riparian zones at river basin scales. The SWAT model is a well-known and broadly used model to simulate hydrological and nutrient transport processes.

In terms of riparian zone modelling, there are very few studies in this field, although SWAT does have a sub-module to estimate flow and pollutant retention in buffer strips based on empirical equations which are derived from observations. The main objective of this thesis is to evaluate the effect of riparian zones on nitrate removal at the river basin scale using the SWAT model. This thesis focused on modifying the SWAT model by (i) adding the landscape routing concept across different landscape units and (ii) adding the Riparian Nitrogen Model (RNM) in SWAT to simulate the denitrification process in riparian zones. The first modification aims at taking into account the landscape position of a Hydrological Response Unit (HRU) and creating a relationship between HRUs in upland and in lowland landscape units which is considered important for flow and pollutant transport processes.

Based on the first modification, the second modification introduces a conceptual model called Riparian Nitrogen Model into SWAT for representing denitrification process in HRUs that belong to riparian zones. In this model, the denitrification rate is assumed to decline with depth and the denitrification process is activated below the groundwater table.