Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội tại Việt Nam, sức ép từ quá trình đô thị hóa, công nghiệp hóa và thâm canh nông nghiệp đã dẫn tới tình trạng suy thoái môi trường nước nghiêm trọng ở nhiều hệ thống sông ngòi. Điển hình tại lưu vực sông Đồng Nai, với 114 khu công nghiệp nhưng chỉ có 79 khu công nghiệp xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung, lượng chất ô nhiễm hữu cơ, dầu mỡ và kim loại nặng đổ ra sông ước tính lên tới 30 tấn/tháng, khiến chất lượng nước mặt bị suy giảm và nhiều thông số vượt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia.

Sông La Ngà là một phụ lưu quan trọng của hệ thống sông Đồng Nai, bắt nguồn từ cao nguyên Di Linh (tỉnh Lâm Đồng) với diện tích lưu vực khoảng 4.010 $\text{km}^2$. Dòng sông chảy qua địa phận các tỉnh Lâm Đồng (Bảo Lộc, Bảo Lâm, Di Linh), Bình Thuận (Tánh Linh, Đức Linh, Hàm Thuận Bắc, Hàm Thuận Nam) và Đồng Nai (Tân Phú, Định Quán, Xuân Lộc, Long Khánh, Thống Nhất). Hoạt động khai hoang đất lâm nghiệp, sản xuất cây công nghiệp dài ngày (chè, cà phê), vùng chuyên canh cây lương thực ngắn ngày cùng các cơ sở chế biến nông lâm sản và khai thác bô-xít trên lưu vực đã đặt ra nhiều thách thức lớn đối với công tác quản lý tài nguyên nước. Phương pháp quan trắc trực tiếp truyền thống bộc lộ nhược điểm tốn kém chi phí, nhân lực và bị hạn chế về độ bao phủ không gian - thời gian. Do đó, việc ứng dụng mô hình số trị kết hợp công nghệ GIS nhằm mô phỏng dòng chảy và lan truyền ô nhiễm là giải pháp cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của đề tài là ứng dụng mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) để mô phỏng và đánh giá chất lượng nước mặt trên lưu vực sông La Ngà giai đoạn 1997 – 2010, cung cấp cơ sở dữ liệu khoa học hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên nước mặt bền vững.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Thiết lập và chạy mô hình SWAT cho toàn bộ lưu vực sông La Ngà.
  2. Mô phỏng, đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy (chuỗi số liệu 1997 – 2003) và chất lượng nước (năm 2010) trên lưu vực.
  3. Khảo sát mối quan hệ tương quan giữa lưu lượng dòng chảy và các thông số chất lượng nước mặt.
  4. So sánh, đối chiếu các thông số chất lượng nước thực đo trên lưu vực với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về Chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước mặt lưu vực sông La Ngà, tập trung vào các thông số hóa lý, chất dinh dưỡng, chất rắn lơ lửng và các quá trình thủy lực, lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường nước.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ diện tích lưu vực sông La Ngà thuộc địa giới hành chính các huyện/thị xã thuộc 3 tỉnh: Lâm Đồng, Bình Thuận và Đồng Nai (tọa độ từ $107^\circ 09'$ đến $108^\circ 10'$ kinh độ Đông và $10^\circ 55'$ đến $11^\circ 47'$ vĩ độ Bắc).
  • Phạm vi thời gian: Đề tài thực hiện từ ngày 03/03/2014 đến ngày 06/06/2014; dữ liệu thủy văn hiệu chỉnh mô hình dòng chảy từ năm 1997 đến 2003 (chia thành 2 giai đoạn: 1997 – 2001 trước khi có thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi và 2002 – 2003 sau khi thủy điện đi vào vận hành); dữ liệu chất lượng nước đánh giá vào năm 2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thuộc lĩnh vực Hệ thống Thông tin Môi trường, kết hợp giữa mô hình hóa thủy văn - môi trường và Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS).

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm trong thủy vực (bao gồm quá trình chuyển tải do dòng chảy, khuếch tán phân tử tuân theo định luật Fick, khuếch tán rối do mạch động xoáy và quá trình phân tán dưới tác động của gradient vận tốc).

Mô hình SWAT (do TS. Jeff Arnold - ARS/USDA và GS. Srinivasan - Đại học Texas A&M phát triển) được lựa chọn làm công cụ cốt lõi. Nguyên lý mô hình hóa thủy văn trong SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước tại pha đất của chu trình thủy văn:

$$SW_t = SW_0 + \sum_{i=1}^{t} (R_{day} - Q_{surf} - E_a - w_{seep} - Q_{gw})$$

Trong đó:

  • $SW_t$: Lượng nước trong đất tại thời điểm $t$ ($\text{mm } \text{H}_2\text{O}$)
  • $SW_0$: Lượng nước ban đầu trong đất ngày thứ $i$ ($\text{mm } \text{H}_2\text{O}$)
  • $t$: Thời gian tính toán (ngày)
  • $R_{day}$: Lượng mưa ngày thứ $i$ ($\text{mm } \text{H}_2\text{O}$)
  • $Q_{surf}$: Lượng dòng chảy mặt ngày thứ $i$ ($\text{mm } \text{H}_2\text{O}$)
  • $E_a$: Lượng bốc thoát hơi nước ngày thứ $i$ ($\text{mm } \text{H}_2\text{O}$)
  • $w_{seep}$: Lượng nước thấm vào tầng chưa bão hòa ngày thứ $i$ ($\text{mm } \text{H}_2\text{O}$)
  • $Q_{gw}$: Lượng nước ngầm chảy vào lòng dẫn ngày thứ $i$ ($\text{mm } \text{H}_2\text{O}$)

Mô hình tích hợp mô-đun QUAL2E để tính toán quá trình biến đổi chất dinh dưỡng, nhu cầu oxy và phân hủy chất ô nhiễm dọc theo hệ thống sông ngòi.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp thu thập và kế thừa số liệu: Tập hợp chuỗi tài liệu khí tượng, thủy văn, chất lượng nước, dữ liệu không gian viễn thám và bản đồ thổ nhưỡng, hiện trạng sử dụng đất.
  • Phương pháp xử lý không gian (GIS): Sử dụng hệ thống GIS với 6 thành phần (phần cứng, phần mềm, dữ liệu, phương pháp, con người, mạng lưới) nhằm phân tích địa hình, chồng lớp bản đồ, chiết xuất lưu vực thành các tiểu lưu vực (Sub-basins) và đơn vị phản ứng thủy văn (HRUs - Hydrologic Response Units) dựa trên sự đồng nhất về loại đất, sử dụng đất và độ dốc.
  • Phương pháp đánh giá thống kê mô hình: Sử dụng hệ số xác định ($R^2$) và chỉ số hiệu quả mô hình Nash-Sutcliffe ($NSI$) để kiểm tra độ tin cậy giữa kết quả mô phỏng so với dữ liệu thực đo:
Chỉ số thống kê Mục đích đánh giá Ngưỡng đánh giá theo tác giả
Hệ số xác định ($R^2$) Đánh giá mức độ tương quan tuyến tính giữa giá trị mô phỏng và thực tế. Dao động từ 0 đến 1; giá trị càng gần 1 độ tương quan càng cao.
Chỉ số Nash-Sutcliffe ($NSI$) Đánh giá độ chính xác tương đối và hiệu quả mô phỏng của mô hình. $NSI > 0,5$: mô hình đạt mức tốt; $NSI < 0$: giá trị trung bình thực tế tốt hơn giá trị mô phỏng.

Nguồn dữ liệu sử dụng

  • Dữ liệu số độ cao (DEM): ASTER GDEM độ phân giải không gian $30\text{ m} \times 30\text{ m}$ cung cấp bởi METI/NASA.
  • Dữ liệu sử dụng đất & thổ nhưỡng: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000 và bản đồ phân loại đất do Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam (VQHTLMN) cung cấp, biên tập theo bảng mã cây trồng (CropRng) và đô thị (UrbanRng) của SWAT.
  • Dữ liệu khí tượng (1997 – 2010): Gồm lượng mưa, nhiệt độ tối cao/tối thấp, độ ẩm tương đối, tốc độ gió, số giờ nắng tại 3 trạm (Bảo Lộc, Tà Pao, Xuân Lộc) từ VQHTLMN và Dự án Quan trắc Lượng mưa Toàn cầu (GPCP) thuộc Chương trình Nghiên cứu Khí hậu Toàn cầu (WCRP).
  • Dữ liệu thủy văn & chất lượng nước thực đo: Chuỗi lưu lượng dòng chảy (1997 – 2003) tại các trạm Đại Nga, Tà Pao, Phú Điền do VQHTLMN quản lý; số liệu quan trắc 6 thông số chất lượng nước năm 2010 do Phòng Quan trắc Môi trường (Sở Tài nguyên và Môi trường Đồng Nai) đo đạc tại các vị trí SW_LN_01 và SW_LN_02.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tính cấp thiết của đề tài

Chương mở đầu phân tích bối cảnh phát triển kinh tế nhanh chóng của Việt Nam (tăng trưởng GDP bình quân 7,08% giai đoạn 2006 – 2010, tỷ trọng công nghiệp - xây dựng chiếm 41,1%). Đi kèm với đó là sức ép ô nhiễm môi trường nước tại lưu vực sông Đồng Nai nói chung và lưu vực sông La Ngà nói riêng. Tác giả trình bày lý do lựa chọn mô hình SWAT làm công cụ tiếp cận thay cho phương pháp quan trắc trực tiếp; xác định rõ mục tiêu tổng quát, 4 nhiệm vụ cụ thể, đối tượng nghiên cứu và phạm vi thực hiện đề tài.

Chương 2. Tổng quan cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 hệ thống hóa các vấn đề lý luận chuyên ngành:

  • Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước: Phân tích bản chất, nguồn gốc và ý nghĩa môi trường của các thông số Oxy hòa tan (DO), Chất rắn lơ lửng (TSS), Chất rắn hòa tan (TDS), Nitrit ($\text{NO}_2^-$), Nitrat ($\text{NO}_3^-$), Ammonia ($\text{NH}_4^+$), Phosphat ($\text{PO}_4^{3-}$), Nhu cầu oxy hóa học (COD) và Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD).
  • Nguồn gốc ô nhiễm: Phân định ô nhiễm tự nhiên (mưa bão, xói mòn, lũ lụt) và ô nhiễm nhân tạo (nước thải sinh hoạt đô thị, nước thải công nghiệp chế biến/khai khoáng, nước thải y tế, chất thải chăn nuôi và dư lượng phân bón - thuốc bảo vệ thực vật từ nông nghiệp).
  • Quá trình động học lan truyền: Trình bày 4 cơ chế lan truyền chất trong môi trường nước gồm chuyển tải, khuếch tán phân tử, khuếch tán rối và phân tán do lực cắt/gradient vận tốc.
  • Tổng quan các mô hình chất lượng nước: Đánh giá ưu nhược điểm của các công cụ WASP7, AQUATOX, QUAL2K, DELFT 3D, SMS (mô-đun RMA4), ECOSMO, BASINS, MIKE (HD, ECO Lab) và SWAT.
  • Cơ sở GIS và SWAT: Trình bày định nghĩa, 6 thành phần, 4 chức năng cốt lõi của GIS; cấu trúc vận hành của SWAT ở pha đất và pha dòng chảy. Đồng thời, tổng thuật các công trình nghiên cứu ứng dụng SWAT trong và ngoài nước (Chen Qui, Pikounis M., Manoj K Jha, Lương Hữu Dũng, Nguyễn Kiên Dũng, Nguyễn Kim Lợi, Nguyễn Hà Trang, Nguyễn Thanh Tuấn, Trần Xuân Lộc).

Chương 3. Đặc điểm khu vực nghiên cứu

Chương 3 mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội của lưu vực sông La Ngà:

  • Địa hình: Phân chia thành 3 vùng rõ rệt:
    1. Thượng lưu (từ nguồn đến Hàm Thuận, diện tích $1.280\text{ km}^2$, chiếm 31% diện tích): Cao nguyên đồi bát úp, cao độ 700 – 900 m, chuyên canh cây công nghiệp dài ngày.
    2. Trung lưu (từ Hàm Thuận đến Tà Pao, diện tích $720\text{ km}^2$, chiếm 18% diện tích): Địa hình núi dốc hiểm trở, rừng đầu nguồn, thuận lợi phát triển thủy điện.
    3. Hạ lưu (từ sau Tà Pao đến nhập lưu sông Đồng Nai, diện tích $2.100\text{ km}^2$, chiếm 51% diện tích): Đồi lượn sóng và vùng trũng lòng chảo (cao độ 80 – 150 m), có vùng chứa chậm lũ tự nhiên Biển Lạc, là vùng trọng điểm lúa và cây công nghiệp ngắn ngày.
  • Mạng lưới sông ngòi: Phức tạp với hai nhánh thượng nguồn chính là Đargna và Đariam hợp lưu tại suối Đại Bình. Chế độ thủy văn phân mùa rõ rệt, lưu lượng trung bình năm tại Phú Điền đạt $141,26\text{ m}^3/\text{s}$, Tà Pao đạt $79,16\text{ m}^3/\text{s}$, Đại Nga đạt $17,55\text{ m}^3/\text{s}$.
  • Khí hậu: Nhiệt đới gió mùa phân hóa 2 mùa mưa - khô. Bốc hơi bình quân năm tại Bảo Lộc là $638,4\text{ mm}$, Xuân Lộc là $1.104,0\text{ mm}$; tốc độ gió bình quân $1,5 - 1,6\text{ m/s}$.
  • Kinh tế - xã hội: Năm 2005 toàn lưu vực có 226.945 hộ với hơn 1 triệu nhân khẩu, tốc độ tăng dân số 2,5%. Nông nghiệp chiếm ưu thế ($50.249\text{ ha}$ đất nông nghiệp ở thượng lưu, $116.937\text{ ha}$ ở hạ lưu). Đất lâm nghiệp có $172.607\text{ ha}$ (chiếm 42% diện tích), tuy nhiên bị phá và lấn chiếm khoảng $50.000\text{ ha}$. Công nghiệp gồm các nhà máy chế biến chè (Đại Bình), tơ tằm (Bảo Lộc - 920 tấn tơ/năm), nhà máy đường La Ngà (công suất 2.500 tấn mía/ngày) và khai thác quặng bô-xít.

Chương 4. Phương pháp nghiên cứu

Chương 4 thiết lập quy trình kỹ thuật xây dựng và chạy mô hình SWAT:

Nhóm tệp tin Tên tệp tin Mô tả chức năng trong mô hình SWAT
Quản lý chung .cio Tệp điều khiển toàn bộ cấu hình vào/ra ở cấp độ lưu vực.
Khí tượng .pcp, .tmp, .slr, .wnd, .hmd, .pet Tập hợp chuỗi dữ liệu ngày về lượng mưa, nhiệt độ (min/max), bức xạ mặt trời, tốc độ gió, độ ẩm tương đối và khả năng bốc thoát hơi nước.
Lưu vực & Đất .sub, .hru, .sol, .chm, .gw Thông số địa mạo tiểu lưu vực, đơn vị thủy văn HRU, đặc tính lý tính/hóa tính của đất và tầng ngậm nước ngầm.
Chất lượng nước .wwq, .swq, .lwq, .res, .pnd Thông số mô hình QUAL2E, tải lượng chất dinh dưỡng/thuốc bảo vệ thực vật trong lòng dẫn, hồ chứa và đầm lầy.
Đầu ra (Output) .std, .rch, .wql, .sed Kết quả xuất theo ngày/tháng/năm về thủy văn, chất lượng nước tại các dòng nhánh và bồi lắng hồ chứa.

Quy trình vận hành tiến hành theo các bước: số hóa địa hình từ DEM, phân chia lưu vực thành các tiểu lưu vực, chồng ghép lớp bản đồ thổ nhưỡng và sử dụng đất để thiết lập các HRUs, nạp cơ sở dữ liệu khí tượng và thiết lập tham số ban đầu để mô phỏng dòng chảy theo ngày và tháng.

Chương 5. Kết quả và thảo luận

Chương 5 phân tích định lượng kết quả mô phỏng thủy văn giai đoạn 1997 – 2003, chất lượng nước năm 2010, tương quan giữa lưu lượng - chất lượng nước và so sánh với quy chuẩn hiện hành.

Chương 6. Kết luận và đề xuất

Tổng kết các phát hiện chính của đề tài, nêu bật tính ứng dụng của mô hình SWAT và đề xuất các giải pháp nâng cao độ chính xác cũng như kiến nghị quản lý nguồn nước lưu vực sông La Ngà.

Kết quả và đóng góp

Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy (1997 – 2003)

Kết quả mô phỏng thủy văn cho thấy mô hình SWAT phản ánh tương đối sát diễn biến dòng chảy thực tế trong mùa khô; tuy nhiên vào mùa mưa, giá trị mô phỏng có xu hướng cao hơn giá trị thực đo. Kết quả mô phỏng theo bước thời gian tháng đạt độ chính xác cao hơn so với bước thời gian ngày.

Chỉ số / Vị trí Trạm Tà Pao Trạm Phú Điền Nhận xét từ tác giả
Hệ số xác định ($R^2$) $0,331 - 0,944$ $0,331 - 0,944$ Nằm trong khoảng chấp nhận được, thể hiện tương quan tốt giữa thực đo và mô phỏng.
Chỉ số Nash-Sutcliffe ($NSI$) (1997 – 1998) $0,004 - 0,724$ $0,004 - 0,724$ Kết quả mô phỏng đạt mức khá tốt khi lưu vực chưa có công trình điều tiết lớn.
Chỉ số Nash-Sutcliffe ($NSI$) (2002 – 2003) Giảm mạnh (âm) Giảm mạnh (âm) Sai số tăng vọt sau khi công trình thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi tích nước và vận hành năm 2001.

Sự sụt giảm mạnh của chỉ số $NSI$ trong giai đoạn 2002 – 2003 chứng minh quy luật dòng chảy tự nhiên đã bị chi phối mạnh mẽ bởi quá trình tích trữ và điều tiết nhân tạo của hồ chứa thủy điện, điều mà mô hình tự nhiên chưa thiết lập đầy đủ thông số vận hành hồ.

Kết quả mô phỏng chất lượng nước (năm 2010)

Mô phỏng 6 thông số chất lượng nước gồm: Oxy hòa tan (DO), Ammonia ($\text{NH}_4^+$), Nitrit ($\text{NO}_2^-$), Nitrat ($\text{NO}_3^-$), Phosphat ($\text{PO}_4^{3-}$), và Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) tại 2 điểm đo SW_LN_01 và SW_LN_02:

  • Hệ số tương quan $R^2$ dao động trong khoảng xấp xỉ từ $0$ đến $0,4$.
  • Chỉ số hiệu quả $NSI$ dao động từ $-188$ đến $-2$.
  • Hầu hết các giá trị mô phỏng đều thấp hơn giá trị thực tế quan trắc. Nguyên nhân trực tiếp là do thiếu hụt dữ liệu đầu vào chi tiết về các nguồn gây ô nhiễm dạng điểm (nước thải xả trực tiếp từ các cơ sở chế biến, xí nghiệp, khu dân cư) và nguồn ô nhiễm dạng phân tán (phân bón, hóa chất nông nghiệp từ các vùng chuyên canh chè, cà phê, lúa).

Tương quan giữa dòng chảy và chất lượng nước

Khảo sát mối quan hệ cho thấy hầu hết các thông số chất lượng nước có mối tương quan thuận với lưu lượng dòng chảy. Vào mùa mưa, lưu lượng dòng chảy tăng kéo theo lượng chất rắn xói mòn và các chất dinh dưỡng bị rửa trôi từ bề mặt lưu vực đổ vào mạng lưới sông suối gia tăng.

So sánh với Quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT

So sánh số liệu thực đo năm 2010 với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về Chất lượng nước mặt:

  • Các thông số DO, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$ nhìn chung đều nằm trong ngưỡng giới hạn cho phép đối với các mục đích cấp nước sinh hoạt, tưới tiêu và bảo tồn thủy sinh.
  • Riêng hàm lượng Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) vượt quy chuẩn kỹ thuật vào thời điểm tháng X (tháng 10 - cao điểm mùa mưa lũ), do hiện tượng xói mòn và cuốn trôi trầm tích từ đất dốc thượng nguồn.

Giải pháp và đóng góp của đề tài

  • Giải pháp kiến nghị: Tăng cường khoanh nuôi, bảo vệ và trồng rừng phòng hộ đầu nguồn (nhất là vùng thượng lưu Di Linh, Bảo Lâm); kiểm soát nghiêm ngặt tình trạng xả thải tại các nhà máy chế biến chè, tơ tằm, nhà máy đường La Ngà và khai thác bô-xít; xây dựng mạng lưới trạm quan trắc tự động kết hợp đồng bộ dữ liệu vận hành hồ chứa thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi.
  • Đóng góp khoa học: Khóa luận đã xây dựng thành công bộ cơ sở dữ liệu không gian và thuộc tính chuẩn hóa phục vụ chạy mô hình SWAT trên lưu vực sông La Ngà; kiểm chứng thực nghiệm khả năng mô phỏng dòng chảy của mô hình trước và sau khi có công trình thủy điện lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  1. Thiếu hụt dữ liệu nguồn thải: Mô hình SWAT chưa tích hợp đầy đủ số liệu kiểm kê thực tế về các nguồn thải điểm (lưu lượng và nồng độ xả thải của từng cơ sở công nghiệp, làng nghề) và nguồn thải phân tán (định mức phân bón, thuốc trừ sâu thực tế của người dân), dẫn đến độ chính xác mô phỏng chất lượng nước chưa cao ($R^2 < 0,4$ và $NSI < 0$).
  2. Dữ liệu quan trắc kiểm chứng còn mỏng: Chuỗi số liệu thực đo về chất lượng nước chỉ có trong năm 2010 tại 2 vị trí quan trắc, chưa đủ độ dày thời gian để tiến hành hiệu chỉnh (calibration) và kiểm thực (validation) toàn diện các mô-đun hóa học.
  3. Ảnh hưởng công trình thủy điện: Chưa cập nhật thuật toán điều tiết chi tiết theo quy trình vận hành liên hồ chứa thực tế của hồ thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi sau năm 2001, gây sai lệch lớn cho kết quả mô phỏng dòng chảy hạ lưu giai đoạn 2002 – 2003.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiến hành điều tra, thống kê chi tiết phát thải thực tế từ các nguồn thải điểm và định mức sử dụng phân bón, hóa chất nông nghiệp trên từng loại cây trồng trong lưu vực để bổ sung vào bảng thuộc tính quản lý nông nghiệp của SWAT.
  • Thu thập chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước liên tục nhiều năm nhằm tối ưu hóa bộ thông số cho mô hình QUAL2E trong SWAT.
  • Cập nhật quy trình điều tiết xả lũ và phát điện của các hồ chứa thủy điện/thủy lợi vào mô hình nhằm nâng cao độ chính xác mô phỏng dòng chảy mùa lũ và mùa cạn.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học, kỹ sư và nghiên cứu sinh thuộc các ngành Hệ thống Thông tin Môi trường, Quản lý Tài nguyên Nước, Địa tin học (GIS & Viễn thám), Kỹ thuật Môi trường và Thủy văn học.
  • Nội dung giá trị:
    • Cung cấp quy trình chi tiết về việc xử lý, chuyển đổi định dạng và tích hợp các lớp dữ liệu không gian (DEM, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ sử dụng đất) vào cấu trúc tệp tin của mô hình SWAT.
    • Cung cấp tài liệu tham khảo thực nghiệm về việc đánh giá sai số mô hình thủy văn tự nhiên khi lưu vực có sự xuất hiện của các công trình thủy điện lớn.
    • Là tài liệu hỗ trợ kỹ thuật cho các cơ quan quản lý nhà nước (Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Đồng Nai, Lâm Đồng, Bình Thuận, Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam) trong việc xây dựng kịch bản bảo vệ tài nguyên nước mặt lưu vực sông La Ngà.

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận đã sử dụng nguồn dữ liệu địa hình DEM nào để phân chia lưu vực và xác định HRU?

Tác giả sử dụng dữ liệu mô hình độ cao số ASTER GDEM do METI/NASA cung cấp với độ phân giải không gian $30\text{ m} \times 30\text{ m}$. Lớp dữ liệu này được dùng để trích xuất ranh giới lưu vực sông La Ngà, xác định mạng lưới dòng nhánh và kết hợp với bản đồ đất, bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000 để phân tích các đơn vị phản ứng thủy văn (HRUs).

2. Vì sao chỉ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSI) mô phỏng dòng chảy bị giảm sút đột ngột trong giai đoạn 2002 – 2003?

Trong giai đoạn 1997 – 1998, chỉ số $NSI$ đạt từ 0,004 đến 0,724 do dòng chảy sông La Ngà hoàn toàn tự nhiên. Đến năm 2001, công trình thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi đi vào hoạt động, làm thay đổi căn bản chế độ thủy văn tự nhiên thông qua việc tích nước và xả nước nhân tạo. Do mô hình chưa được nạp dữ liệu vận hành hồ chứa chi tiết trong giai đoạn này, sai số giữa lưu lượng mô phỏng và thực đo bị chênh lệch lớn, khiến $NSI$ sụt giảm mạnh.

3. Nguyên nhân khiến kết quả mô phỏng 6 thông số chất lượng nước có độ chính xác chưa cao là gì?

Độ chính xác mô phỏng 6 thông số (DO, $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{PO}_4^{3-}$, TSS) có hệ số $R^2 \approx 0 - 0,4$ và $NSI \approx -188$ đến $-2$ do thiếu hụt dữ liệu đầu vào về nguồn ô nhiễm dạng điểm (nước thải sinh hoạt đô thị, nước thải công nghiệp từ các nhà máy chế biến chè, tơ tằm, đường, quặng bô-xít) và dạng phân tán (phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật từ hoạt động nông nghiệp).

4. Khi so sánh với Quy chuẩn QCVN 08:2008/BTNMT trong năm 2010, thông số chất lượng nước nào bị vượt ngưỡng cho phép?

Hầu hết các thông số chất lượng nước mặt trên lưu vực sông La Ngà trong năm 2010 đều nằm trong giới hạn quy chuẩn cho phép đối với các mục đích sử dụng. Duy nhất chỉ có thông số Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) bị vượt quy chuẩn kỹ thuật vào thời điểm tháng X (tháng 10), do mưa lớn cuối mùa gây xói mòn và cuốn trôi bùn đất từ địa hình đồi núi dốc thượng lưu.

5. Phương trình cân bằng nước nào được mô hình SWAT sử dụng để mô phỏng chu trình thủy văn ở pha đất?

SWAT sử dụng phương trình cân bằng nước: $SW_t = SW_0 + \sum (R_{day} - Q_{surf} - E_a - w_{seep} - Q_{gw})$, tính toán lượng nước tích trữ trong đất dựa trên các thành phần lượng mưa ngày ($R_{day}$), dòng chảy bề mặt ($Q_{surf}$), lượng bốc thoát hơi nước ($E_a$), lượng nước thấm qua vùng rễ ($w_{seep}$) và lượng nước ngầm bổ cập vào dòng chính ($Q_{gw}$).

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Đỗ Ngọc Uyên đã ứng dụng thành công công cụ SWAT kết hợp công nghệ GIS để xây dựng cơ sở dữ liệu mô phỏng dòng chảy và đánh giá chất lượng nước mặt cho lưu vực sông La Ngà giai đoạn 1997 – 2010. Kết quả nghiên cứu khẳng định mô hình SWAT mô phỏng tốt dòng chảy tự nhiên theo bước thời gian tháng ($R^2$ đạt $0,331 - 0,944$), đồng thời chỉ ra rõ tác động làm xáo trộn thủy văn của công trình thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi sau năm 2001 và sự cần thiết phải kiểm soát hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) vào mùa lũ. Đây là công trình học thuật nghiêm túc, cung cấp tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt phương pháp luận xử lý dữ liệu viễn thám/GIS và là cơ sở khoa học phục vụ quản lý, bảo vệ nguồn nước lưu vực sông La Ngà một cách bền vững.