Đánh Giá Chất Lượng Nước Mặt Lưu Vực Sông La Ngà Bằng Mô Hình SWAT

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp hệ thống thông tin môi trường ứng dụng mô hình swat đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải

• Tác giả: Nguyễn Đỗ Ngọc Uyên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Kim Lợi
• Trường học: Trường Đại Học Nông Lâm
• Chuyên ngành: Hệ thống Thông tin Môi trường
• Đề tài: Đánh Giá Chất Lượng Nước Mặt Lưu Vực Sông La Ngà Bằng Mô Hình SWAT
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: Tính cấp thiết của đề tài
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.2.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về chất lượng nước
• 2.2. Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước
• 2.2.1. Oxy hòa tan (DO)
• 2.2.2. Chất rắn lơ lửng (TSS)
• 2.2.3. Chất rắn hòa tan (TDS)
• 2.2.4. Nitrit (NO2-)
• 2.2.5. Nitrat (NO3-)
• 2.3. Nguồn gây ô nhiễm nước
• 2.4. Hiện tượng lan truyền chất trong môi trường nước
• 2.5. Phương pháp mô phỏng, đánh giá chất lượng nước
• 2.5.1. Lấy mẫu trực tiếp
• 2.5.2. Mô hình toán
• 2.5.3. Hệ thống thông tin địa lý (GIS)
• 2.5.3.1. Định nghĩa GIS
• 2.5.3.2. Thành phần của GIS
• 2.5.3.3. Chức năng của GIS
• 2.5.4. Mô hình SWAT
• 2.5.4.1. Tổng quan về mô hình SWAT
• 2.5.4.2. Nguyên lý mô hình SWAT
• 2.5.4.3. Tổng quan tình hình nghiên cứu
• 2.5.4.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 2.5.4.3.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam
• 2.6. ĐẶC ĐIỂM KHU VỰC NGHIÊN CỨU
• 2.6.1. Vị trí địa lý
• 2.6.2. Điều kiện tự nhiên
• 2.6.3. Hiện trạng phát triển kinh tế - xã hội
• 2.6.4. Tình hình phát triển dân cư
• 2.6.5. Tình hình phát triển các ngành kinh tế
• 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Tiến trình thực hiện
• 3.2. Thu thập, xử lý dữ liệu
• 3.3. Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu vào và đầu ra của SWAT
• 3.3.1. Cấu trúc dữ liệu đầu vào
• 3.4. Thu thập dữ liệu lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước thực đo
• 3.5. Xử lý dữ liệu đầu vào theo định dạng yêu cầu của SWAT
• 3.6. Tiến trình chạy mô hình SWAT
• 3.7. Phân chia lưu vực
• 3.8. Phân tích đơn vị thủy văn
• 3.9. Nhập dữ liệu thời tiết
• 3.10. Chạy mô hình
• 3.11. Đánh giá mô hình
• 4. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN
• 4.1. Đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng LLDC (1997 – 2003)
• 4.2. Đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng CLN (2010)
• 4.3. Mối quan hệ giữa LLDC và các thông số CLN
• 4.4. So sánh giá trị CLN với Quy chuẩn
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN, ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đánh Giá Chất Lượng Nước Mặt Lưu Vực Sông La Ngà

Đánh giá chất lượng nước mặt là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong quản lý tài nguyên nước. Lưu vực sông La Ngà, với diện tích 4.010 km2, là một phần của hệ thống sông Đồng Nai, đang phải đối mặt với nhiều thách thức về ô nhiễm nước. Việc áp dụng mô hình SWAT giúp mô phỏng và đánh giá chất lượng nước một cách hiệu quả, từ đó cung cấp thông tin cần thiết cho công tác quản lý và bảo vệ tài nguyên nước.

1.1. Khái Niệm Về Chất Lượng Nước

Chất lượng nước đề cập đến các tính chất hóa học, vật lý và sinh học của nước. Đánh giá chất lượng nước thường dựa vào các chỉ tiêu liên quan đến sức khỏe của con người và hệ sinh thái.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Đánh Giá Chất Lượng Nước

Đánh giá chất lượng nước không chỉ giúp phát hiện ô nhiễm mà còn cung cấp cơ sở cho việc quản lý và bảo vệ tài nguyên nước. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội.

II. Vấn Đề Ô Nhiễm Nước Tại Lưu Vực Sông La Ngà

Lưu vực sông La Ngà đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng do hoạt động kinh tế - xã hội. Rác thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp và nông nghiệp là những nguyên nhân chính gây ô nhiễm. Việc đánh giá chất lượng nước là cần thiết để xác định mức độ ô nhiễm và tìm ra giải pháp khắc phục.

2.1. Nguyên Nhân Gây Ô Nhiễm Nước

Các nguồn ô nhiễm chủ yếu bao gồm rác thải sinh hoạt, chất thải từ các khu công nghiệp và nông nghiệp. Những chất này không chỉ ảnh hưởng đến chất lượng nước mà còn đến sức khỏe cộng đồng.

2.2. Hệ Lụy Của Ô Nhiễm Nước

Ô nhiễm nước dẫn đến suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Điều này cũng gây khó khăn cho công tác quản lý tài nguyên nước.

III. Phương Pháp Đánh Giá Chất Lượng Nước Bằng Mô Hình SWAT

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là một công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng và đánh giá chất lượng nước. Mô hình này cho phép phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước trong lưu vực sông một cách chi tiết và chính xác.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Mô Hình SWAT

Mô hình SWAT sử dụng dữ liệu đầu vào về khí hậu, địa hình và sử dụng đất để mô phỏng dòng chảy và chất lượng nước. Điều này giúp đánh giá tác động của các yếu tố môi trường đến chất lượng nước.

3.2. Quy Trình Ứng Dụng Mô Hình SWAT

Quy trình ứng dụng mô hình SWAT bao gồm thu thập dữ liệu, thiết lập mô hình, chạy mô hình và phân tích kết quả. Mô hình giúp cung cấp thông tin hữu ích cho công tác quản lý tài nguyên nước.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Về Chất Lượng Nước Lưu Vực Sông La Ngà

Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lượng nước tại lưu vực sông La Ngà có sự biến động lớn theo mùa. Các thông số như oxy hòa tan, nitrat và phosphat đều cho thấy mức độ ô nhiễm khác nhau, cần có biện pháp quản lý hiệu quả.

4.1. Đánh Giá Chất Lượng Nước Qua Các Thông Số

Các thông số như oxy hòa tan, nitrat và phosphat được sử dụng để đánh giá chất lượng nước. Kết quả cho thấy nhiều thông số không đạt quy chuẩn, cần có biện pháp khắc phục.

4.2. Mối Quan Hệ Giữa Lưu Lượng Dòng Chảy Và Chất Lượng Nước

Nghiên cứu cho thấy có mối quan hệ chặt chẽ giữa lưu lượng dòng chảy và chất lượng nước. Khi lưu lượng tăng, chất lượng nước thường bị suy giảm do ô nhiễm.

V. Kết Luận Và Đề Xuất Giải Pháp Quản Lý Nước

Việc đánh giá chất lượng nước mặt lưu vực sông La Ngà bằng mô hình SWAT đã cung cấp những thông tin quan trọng cho công tác quản lý tài nguyên nước. Cần có các giải pháp đồng bộ để cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường.

5.1. Đề Xuất Giải Pháp Quản Lý Nước

Cần xây dựng các chính sách quản lý nước hiệu quả, bao gồm kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ nguồn nước. Việc nâng cao nhận thức cộng đồng cũng rất quan trọng.

5.2. Tương Lai Của Chất Lượng Nước Tại Lưu Vực Sông La Ngà

Tương lai của chất lượng nước tại lưu vực sông La Ngà phụ thuộc vào các biện pháp quản lý và bảo vệ tài nguyên nước. Cần có sự phối hợp giữa các cơ quan chức năng và cộng đồng.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong giai đoạn 2006 – 2010, Việt Nam duy trì tốc độ tăng trưởng GDP bình quân 7,08%, kéo theo sự gia tăng áp lực lên môi trường tự nhiên, đặc biệt là nguồn tài nguyên nước mặt. Toàn bộ lưu vực sông Đồng Nai tập trung 114 khu công nghiệp nhưng chỉ có 79 khu công nghiệp sở hữu hệ thống xử lý nước thải tập trung, phần còn lại xả trực tiếp ra nguồn tiếp nhận với tải lượng khoảng 30 tấn chất thải gây ô nhiễm mỗi tháng. Khu vực hạ lưu sông Đồng Nai và sông Sài Gòn tiếp nhận trung bình hơn 852.000 m³/ngày nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý triệt để, làm suy giảm nghiêm trọng nồng độ oxy hòa tan và gia tăng chỉ số COD.

Sông La Ngà là một trong những phụ lưu cấp một trọng yếu của hệ thống sông Đồng Nai, bắt nguồn từ cao nguyên Di Linh (tỉnh Lâm Đồng) với diện tích lưu vực 4.010 km². Lưu vực trải dài qua địa bàn 10 huyện, thị xã thuộc 3 tỉnh: Lâm Đồng, Bình Thuận và Đồng Nai. Hoạt động kinh tế – xã hội trên lưu vực diễn ra đa dạng, từ vùng chuyên canh cây công nghiệp dài ngày (chè, cà phê) ở thượng lưu, khai thác thủy điện ở trung lưu đến sản xuất lúa nước, công nghiệp chế biến mía đường và khai thác khoáng sản bô xít ở hạ lưu. Các hoạt động này làm phát sinh nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mặt.

Phương pháp quan trắc lấy mẫu trực tiếp truyền thống bộc lộ nhược điểm tốn kém chi phí, nhân lực và bị hạn chế về độ phân giải không gian lẫn thời gian. Việc ứng dụng công cụ mô hình hóa toán học kết hợp Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) cho phép mô phỏng động thái dòng chảy và lan truyền chất ô nhiễm liên tục trên toàn lưu vực. Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Nguyễn Đỗ Ngọc Uyên (chuyên ngành Hệ thống Thông tin Môi trường, Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, thực hiện từ ngày 03/03/2014 đến ngày 06/06/2014) tập trung giải quyết bài toán này.

Mục tiêu tổng quát của đề tài là ứng dụng mô hình SWAT để mô phỏng và đánh giá chất lượng nước mặt, cung cấp cơ sở khoa học hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên nước bền vững phục vụ phát triển kinh tế – xã hội trên lưu vực sông La Ngà.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm 4 nội dung:

1. Thiết lập và chạy mô hình SWAT cho lưu vực sông La Ngà.
2. Mô phỏng, đánh giá độ chính xác của kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy (LLDC) và chất lượng nước (CLN) trên lưu vực.
3. Khảo sát mối quan hệ tương quan giữa lưu lượng dòng chảy và các thông số chất lượng nước.
4. So sánh, đánh giá các thông số chất lượng nước lưu vực với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về Chất lượng nước mặt (QCVN 08:2008/BTNMT) do Bộ Tài nguyên và Môi trường ban hành.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Chất lượng nước lưu vực sông La Ngà, tập trung vào các thông số hóa lý và quá trình lan truyền chất trong môi trường nước.
• Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông La Ngà thuộc địa bàn các huyện Bảo Lộc, Bảo Lâm, Di Linh (Lâm Đồng); Tánh Linh, Đức Linh, Hàm Thuận Bắc, Hàm Thuận Nam (Bình Thuận); Tân Phú, Định Quán, Xuân Lộc, Long Khánh, Thống Nhất (Đồng Nai), nằm trong tọa độ 107°9' đến 108°10' kinh độ Đông và 10°55' đến 11°47' vĩ độ Bắc.
• Phạm vi thời gian: Chuỗi dữ liệu khí tượng phục vụ mô phỏng từ năm 1997 đến 2010; dữ liệu thủy văn kiểm chứng dòng chảy giai đoạn 1997 – 2003 (phân kỳ 1997 – 2001 trước khi có thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi và 2002 – 2003 sau khi thủy điện vận hành); dữ liệu quan trắc chất lượng nước năm 2010.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường nước mặt, bao gồm ba cơ chế hòa trộn chính: chuyển tải (advection), khuếch tán phân tử (theo định luật Fick), khuếch tán rối (turbulent diffusion) do mạch động xoáy và phân tán (dispersion) do gradian vận tốc và ứng suất cắt tại các bề mặt tiếp xúc (nước – không khí, đáy – nước, bờ – nước). Chín chỉ tiêu chất lượng nước được khảo sát cơ sở lý luận gồm: oxy hòa tan (DO), chất rắn lơ lửng (TSS), chất rắn hòa tan (TDS), nitrit (NO₂⁻), nitrat (NO₃⁻), ammonia (NH₄⁺), phosphat (PO₄³⁻), nhu cầu oxy hóa học (COD) và nhu cầu oxy sinh hóa (BOD).

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) do Tiến sĩ Jeff Arnold (ARS – USDA) và Giáo sư Srinivasan (Đại học Texas A&M) phát triển được lựa chọn làm công cụ tính toán chính. SWAT là mô hình bán phân bố, mô phỏng chu trình thủy văn theo hai pha:

• Pha đất: Dựa trên phương trình cân bằng nước: $$SW_t = SW_0 + \sum_{i=1}^t (R_{day} - Q_{surf} - E_a - w_{seep} - Q_{gw})$$ Trong đó: $SW_t$ là lượng nước trong đất tại thời điểm $t$; $SW_0$ là lượng nước ban đầu ngày thứ $i$; $R_{day}$ là lượng mưa; $Q_{surf}$ là dòng chảy mặt; $E_a$ là lượng bốc thoát hơi nước; $w_{seep}$ là lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa; $Q_{gw}$ là lượng dòng ngầm quay trở lại sông (tính bằng mm H₂O).
• Pha nước: Điều khiển quá trình truyền dẫn nước, bùn cát, chất dinh dưỡng và thuốc bảo vệ thực vật qua mạng lưới sông ngòi đến cửa xả thông qua tích hợp các thuật toán từ mô hình QUAL2E.

Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS) được sử dụng để số hóa, xử lý không gian, phân chia 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 lớp phủ sử dụng đất, loại đất và cấp độ dốc.

Mô hình được đánh giá độ chính xác thông qua hai chỉ số thống kê toán học:

• Hệ số xác định ($R^2$): Đánh giá mức độ tương quan giữa giá trị thực đo và mô phỏng (dao động từ 0 đến 1).
• Chỉ số hiệu quả Nash – Sutcliffe (NSI): Đánh giá mức độ phù hợp giữa đường quá trình mô phỏng và thực đo, xác định theo công thức: $$NSI = 1 - \frac{\sum (Q_{obs} - Q_{sim})^2}{\sum (Q_{obs} - \overline{Q}_{obs})^2}$$

Dữ liệu đầu vào thu thập từ các cơ quan chuyên môn:

• Bản đồ độ cao số (DEM): ASTER GDEM độ phân giải không gian 30 m của METI/NASA.
• Bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thổ nhưỡng: Cung cấp bởi Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam (VQHTLMN).
• Dữ liệu khí tượng hàng ngày (1997 – 2010) tại 3 trạm (Bảo Lộc, Tà Pao, Xuân Lộc): Gồm lượng mưa, nhiệt độ tối cao/tối thấp, độ ẩm, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, do VQHTLMN và Dự án GPCP thuộc Chương trình WCRP cung cấp.
• Dữ liệu thủy văn lưu lượng dòng chảy (1997 – 2003): Quan trắc tại 2 trạm Tà Pao và Phú Điền do VQHTLMN quản lý.
• Dữ liệu chất lượng nước thực đo năm 2010: Quan trắc tại 2 điểm SW_LN_01 và SW_LN_02 do Sở Tài nguyên và Môi trường Đồng Nai và VQHTLMN cung cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính cấp thiết của đề tài

Tác giả phân tích tổng quan sức ép ô nhiễm môi trường nước tại Việt Nam và lưu vực hệ thống sông Đồng Nai. Làm rõ vai trò vị trí của lưu vực sông La Ngà, chỉ ra hạn chế của phương pháp lấy mẫu hiện trường và khẳng định sự cần thiết của việc ứng dụng mô hình SWAT tích hợp GIS. Chương này xác định mục tiêu tổng quát, 4 mục tiêu cụ thể, đối tượng nghiên cứu (thông số chất lượng nước, quá trình lan truyền chất) và phạm vi nghiên cứu theo ranh giới hành chính, không gian lưu vực cùng chuỗi thời gian 1997 – 2010.

Chương 2: Tổng quan cơ sở lý thuyết

Nội dung chương hệ thống hóa các định nghĩa về chất lượng nước, 9 chỉ tiêu hóa lý điển hình, các nguồn gây ô nhiễm tự nhiên và nhân tạo (sinh hoạt, công nghiệp, y tế, nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản). Phân tích bản chất vật lý của các quá trình vận chuyển chất: chuyển tải, khuếch tán phân tử, khuếch tán rối, phân tán. Trình bày tổng quan 9 mô hình toán mô phỏng chất lượng nước phổ biến trên thế giới (WASP7, AQUATOX, QUAL2K, DELFT 3D, SMS-RMA4, ECOSMO, BASINS, MIKE, SWAT) và nêu rõ 4 tiêu chí lựa chọn SWAT (mô hình một chiều, độ chính xác được kiểm chứng, tích hợp GIS, mã nguồn miễn phí). Trình bày lý thuyết 6 thành phần và 4 chức năng của GIS, nguyên lý cân bằng nước pha đất và pha nước của SWAT, đồng thời lược khảo các công trình nghiên cứu ứng dụng SWAT trong và ngoài nước.

Chương 3: Đặc điểm khu vực nghiên cứu

Chương 3 mô tả chi tiết điều kiện tự nhiên và kinh tế – xã hội lưu vực sông La Ngà (diện tích 4.010 km²). Địa hình lưu vực được chia làm 3 vùng: thượng lưu (1.280 km², chiếm 31%, cao độ 700 – 900 m, đồi bát úp), trung lưu (720 km², chiếm 18%, núi dốc hiểm trở, thuận lợi thủy điện) và hạ lưu (2.100 km², chiếm 51%, đồi lượn sóng cao độ 80 – 150 m và đồng bằng lòng chảo 105 – 120 m). Mạng lưới sông ngòi gồm 2 nhánh chính Đargna và Đariam ở thượng lưu, chuyển dòng qua vùng trung lưu thác ghềnh và uốn khúc chữ S tại hạ lưu với vùng ngập trũng Biển Lạc.

Khí hậu mang tính chất nhiệt đới gió mùa phân hóa 2 mùa mưa – khô rõ rệt:

Đặc trưng khí hậu	Trạm Bảo Lộc (Thượng lưu)	Trạm Xuân Lộc (Hạ lưu)
Nhiệt độ trung bình năm (°C)	21,8	25,7
Độ ẩm trung bình năm (%)	86,0	82,2
Bốc hơi trung bình năm (mm)	638,4	1.104,0
Tổng số giờ nắng trung bình năm (giờ)	2.048	2.491
Tốc độ gió trung bình năm (m/s)	1,6	1,5

Thủy văn có 3 trạm quan trắc (Đại Nga, Tà Pao, Phú Điền); lưu lượng dòng chảy tập trung cao vào các tháng mùa lũ (tháng VIII – IX) và kiệt nhất vào tháng III (Đại Nga: 2,41 m³/s; Tà Pao: 12,56 m³/s; Phú Điền: 19,11 m³/s). Thời gian truyền lũ đoạn Đại Nga – Tà Pao (dài 85 km) rất nhanh, chỉ từ 10 – 12 giờ. Dân số toàn lưu vực năm 2005 là 226.945 hộ với 1.096.969 nhân khẩu. Sản xuất nông nghiệp phân hóa thành 43.467 ha cây công nghiệp dài ngày ở thượng lưu và 116.937 ha cây lương thực, cây ngắn ngày ở hạ lưu. Diện tích rừng chiếm 172.607 ha (42%), song ghi nhận khoảng 50.000 ha rừng bị tàn phá và lấn chiếm. Công nghiệp tập trung vào chế biến chè (195 tấn búp tươi/ngày), tơ tằm (920 tấn tơ/năm), nhà máy đường La Ngà (2.000 tấn mía/ngày) và khai thác bô xít Bảo Lộc (80.000 tấn quặng/năm).

Chương 4: Phương pháp nghiên cứu

Thiết lập quy trình kỹ thuật gồm 6 bước: thu thập dữ liệu; chuẩn hóa dữ liệu bản đồ và thuộc tính; nạp dữ liệu khí tượng; chạy mô hình SWAT theo bước thời gian ngày và tháng giai đoạn 1997 – 2003; đánh giá độ chính xác qua $R^2$ và NSI; phân tích tương quan dòng chảy – chất lượng nước và so sánh với QCVN 08:2008/BTNMT. Tác giả lập bảng tổng hợp chi tiết cấu trúc 17 tập tin đầu vào (.cio, .pcp, .tmp, .slr, .wnd, .hmd, .pet, .sub, .wgn, .pnd, .wwq, .swq, .hru, .sol, .chm, .gw, .lwq) và 6 tập tin đầu ra (.std, .hru, .sub, .rch, .wql, .sed). Mô tả các bảng thông số cây trồng (CropRng), đất đô thị (UrbanRng), các chỉ tiêu thổ nhưỡng theo 4 nhóm thủy văn đất (HYDGRP: A, B, C, D) cùng các thuộc tính cơ lý hóa (SOL_Z, SOL_BD, SOL_AWC, SOL_CBN, CLAY, SILT, SAND, ROCK, USLE_K).

Chương 5: Kết quả, thảo luận

Tác giả trình bày kết quả kiểm chứng mô hình dòng chảy và chất lượng nước:

• Mô phỏng lưu lượng dòng chảy (1997 – 2003): Giá trị $R^2$ tại 2 trạm Tà Pao và Phú Điền dao động từ 0,331 đến 0,944, nằm trong giới hạn chấp nhận được. Mô phỏng theo bước tháng đạt độ chính xác cao hơn mô phỏng theo ngày. Trong mùa khô, lưu lượng mô phỏng bám sát thực tế; mùa mưa có xu hướng cao hơn thực đo. Giai đoạn 1997 – 1998, chỉ số NSI đạt mức khá (0,004 đến 0,724). Tuy nhiên, sau khi công trình thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi đi vào vận hành năm 2001, chỉ số NSI các năm 2002 và 2003 sụt giảm xuống mức âm rất thấp, phản ánh sự sai lệch lớn do ảnh hưởng điều tiết nhân tạo của hồ chứa thủy điện.
• Mô phỏng chất lượng nước năm 2010: Khảo sát trên 6 thông số (DO, NH₄⁺, NO₂⁻, NO₃⁻, PO₄³⁻, TSS). Kết quả cho thấy $R^2$ chỉ dao động xấp xỉ từ 0 đến 0,4; chỉ số NSI rơi vào khoảng -188 đến -2. Tất cả giá trị mô phỏng đều thấp hơn giá trị thực tế đo đạc, độ tin cậy mô hình chưa đạt yêu cầu. Nguyên nhân được xác định là do thiếu số liệu thống kê chi tiết về tải lượng các nguồn thải điểm (khu công nghiệp, bệnh viện) và nguồn thải phân tán (nông nghiệp, phân bón).
• Mối quan hệ giữa dòng chảy và chất lượng nước: Đồ thị tương quan tại 2 điểm đo SW_LN_01 và SW_LN_02 chỉ ra hầu hết các chỉ tiêu ô nhiễm tỷ lệ thuận với lưu lượng dòng chảy, do nước mưa chảy tràn cuốn trôi chất bẩn vào sông.
• Đánh giá theo QCVN 08:2008/BTNMT: Dữ liệu thực đo năm 2010 cho thấy phần lớn các thông số đều đạt ngưỡng cho phép đối với các mục đích sử dụng nước, ngoại trừ hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) vượt quy chuẩn vào tháng X (thời điểm đỉnh lũ).

Chương 6: Kết luận, đề xuất

Tổng kết các phát hiện chính, khẳng định tiềm năng của SWAT trong tính toán dòng chảy tự nhiên và chỉ ra điểm nghẽn về dữ liệu nguồn ô nhiễm. Đề xuất hoàn thiện bộ cơ sở dữ liệu xả thải, đo đạc bổ sung và tích hợp thông số vận hành hồ chứa thủy điện vào mô hình.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã xây dựng thành công cơ sở dữ liệu số hoàn chỉnh phục vụ chạy mô hình SWAT trên lưu vực sông La Ngà, tích hợp bản đồ DEM 30 m, bản đồ thổ nhưỡng, bản đồ hiện trạng sử dụng đất và chuỗi số liệu khí quyển 14 năm (1997 – 2010).

Kết quả kiểm định thống kê dòng chảy và chất lượng nước được tổng hợp trong bảng sau:

Đối tượng đánh giá	Chuỗi thời gian / Điểm đo	Hệ số xác định ($R^2$)	Hệ số Nash – Sutcliffe (NSI)	Nhận xét độ chính xác
Dòng chảy tự nhiên	1997 – 1998 (Tà Pao, Phú Điền)	0,331 – 0,944	0,004 – 0,724	Chấp nhận được; bước tháng tốt hơn bước ngày
Dòng chảy có thủy điện	2002 – 2003 (Tà Pao, Phú Điền)	Biến động	Giá trị âm sâu	Kém; sai lệch do tác động hồ chứa Hàm Thuận – Đa Mi
Chất lượng nước (6 thông số)	Năm 2010 (SW_LN_01, SW_LN_02)	0,000 – 0,400	-188 đến -2	Rất thấp; giá trị mô phỏng thấp hơn nhiều so với thực đo

Đóng góp khoa học của khóa luận thể hiện qua việc so sánh với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam:

• Nghiên cứu của Nguyễn Kim Lợi và Nguyễn Hà Trang (2008) trên sông La Ngà chỉ dừng ở mức tính toán dòng chảy và bồi lắng nhưng chưa tiến hành hiệu chỉnh, kiểm chứng mô hình. Đề tài này đã thực hiện kiểm chứng chi tiết qua chuỗi số liệu thực đo 7 năm (1997 – 2003).
• Nghiên cứu của Nguyễn Hà Trang (2009) trên sông Đồng Nai chưa đi sâu vào cơ chế lan truyền chất ô nhiễm; nghiên cứu của Nguyễn Thanh Tuấn (2011) ở hồ Dầu Tiếng sử dụng dữ liệu toàn cầu độ phân giải thấp và không có kiểm nghiệm. Đề tài của tác giả đã sử dụng dữ liệu DEM ASTER 30 m, bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng cấp địa phương và thực hiện kiểm định đồng thời cả dòng chảy lẫn 6 chỉ tiêu chất lượng nước chuyên sâu.
• Làm rõ định lượng tác động của công trình thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi đến tính quy luật của dòng chảy hạ lưu khi sử dụng mô hình thủy văn thuần túy.

Các kiến nghị tác giả đề xuất:

• Cần tổ chức điều tra, thống kê toàn diện dữ liệu về các nguồn thải điểm (nước thải công nghiệp, sinh hoạt đô thị, bệnh viện) và nguồn thải phân tán (thuốc bảo vệ thực vật, phân bón nông nghiệp, chất thải chăn nuôi) để bổ sung vào tập tin đầu vào (.wwq, .swq) của SWAT.
• Cập nhật bản đồ hiện trạng sử dụng đất mới hơn thay cho bản đồ năm 2000 để phản ánh đúng thực tế diễn biến độ che phủ rừng và mở rộng đất nông nghiệp.
• Thiết lập module hồ chứa (.pnd, .res) tích hợp quy trình vận hành xả lũ, điều tiết của thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi nhằm nâng cao độ chính xác mô phỏng dòng chảy sau năm 2001.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra hai hạn chế mang tính cốt lõi xuất phát từ điều kiện dữ liệu thực tế:

• Thiếu hụt nghiêm trọng dữ liệu đầu vào về tải lượng các nguồn gây ô nhiễm dạng điểm và dạng phân tán, dẫn đến kết quả mô phỏng 6 chỉ tiêu chất lượng nước có độ tin cậy thấp, sai số chênh lệch lớn so với thực đo ($R^2 \le 0,4$; $NSI < 0$).
• Chưa tích hợp được thông số kỹ thuật và chế độ vận hành thực tế của công trình hồ chứa thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi vào mô hình, khiến kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy giai đoạn 2002 – 2003 mất đi độ chính xác vốn có trong giai đoạn dòng chảy tự nhiên (1997 – 1998).
• Chuỗi số liệu quan trắc chất lượng nước dùng để kiểm chứng còn quá ngắn (chỉ có số liệu năm 2010 tại 2 vị trí quan trắc).

Hướng nghiên cứu mở rộng được đề xuất:

• Bổ sung công tác khảo sát thực địa nhằm định lượng hệ số phát thải từ canh tác nông nghiệp và công nghiệp chế biến trên lưu vực.
• Xây dựng kịch bản mô phỏng có xét đến sự vận hành liên hồ chứa thủy điện để hoàn thiện module thủy lực dòng chảy.
• Mở rộng mạng lưới quan trắc chất lượng nước định kỳ theo không gian để phục vụ hiệu chỉnh bộ thông số QUAL2E trong SWAT.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường và Tài nguyên, Hệ thống Thông tin Môi trường, Địa tin học (GIS), Thủy văn và Tài nguyên nước.

Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

• Quy trình chuẩn bị, tiền xử lý và số hóa dữ liệu không gian (DEM, bản đồ đất, bản đồ sử dụng đất) theo đúng cấu trúc chuẩn của mô hình SWAT.
• Bảng giải thích chi tiết cấu trúc các tập tin đầu vào (.cio, .pcp, .tmp, .sol, .hru, .sub...) và đầu ra (.std, .rch, .wql...) của SWAT cùng các bảng mã thông số cây trồng (CropRng), đất đô thị (UrbanRng).
• Phương pháp luận kết hợp bộ chỉ số kép $R^2$ và Nash – Sutcliffe (NSI) trong việc đánh giá hiệu quả mô hình thủy văn.
• Nguồn số liệu khí tượng, thủy văn và đặc điểm tự nhiên lưu vực sông La Ngà được tổng hợp bài bản từ Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam.

Câu hỏi thường gặp

Mô hình SWAT mô phỏng lưu lượng dòng chảy theo bước thời gian tháng đạt kết quả tốt hơn bước thời gian ngày vì lý do gì?
Do dữ liệu lượng mưa tính toán đầu vào theo tháng được lấy từ giá trị trung bình tháng, giúp triệt tiêu các sai số ngẫu nhiên của các trận mưa dông cục bộ ngắn hạn. Trong khi đó, các trận mưa rào cục bộ cường suất lớn trong ngày thường không được mạng lưới trạm đo thưa thớt ghi nhận đồng bộ, dẫn đến mô phỏng theo ngày có độ lệch pha cao hơn.

Sự vận hành của công trình thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi tác động ra sao đến kết quả mô phỏng dòng chảy giai đoạn 2002 – 2003?
Thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi vận hành từ năm 2001 đã làm thay đổi chế độ thủy văn tự nhiên thông qua việc tích nước và xả nước nhân tạo. Do mô hình SWAT trong nghiên cứu chưa được thiết lập module điều tiết hồ chứa, lưu lượng mô phỏng vẫn phản ánh dòng chảy tự nhiên theo mưa, dẫn đến chỉ số NSI năm 2002 – 2003 đột ngột sụt giảm xuống giá trị âm sâu và xuất hiện độ lệch lớn giữa số liệu thực đo và mô phỏng.

Tại sao kết quả mô phỏng 6 thông số chất lượng nước năm 2010 lại có chỉ số NSI âm sâu (-188 đến -2)?
Nguyên nhân chính là do mô hình hoàn toàn thiếu dữ liệu đầu vào về các nguồn xả thải dạng điểm (khu công nghiệp, đô thị, bệnh viện, nhà máy chế biến) và dạng phân tán (phân bón, thuốc bảo vệ thực vật từ 50.249 ha đất nông nghiệp thượng lưu và 116.937 ha hạ lưu). Do đó, mô hình chỉ tính toán được lượng chất rửa trôi tự nhiên, làm cho nồng độ chất mô phỏng luôn thấp hơn nhiều so với nồng độ thực đo tại các trạm trắc nghiệm.

Mối quan hệ giữa lưu lượng dòng chảy và các thông số chất lượng nước trên lưu vực sông La Ngà diễn ra theo xu hướng nào?
Kết quả khảo sát tại 2 điểm đo SW_LN_01 và SW_LN_02 cho thấy hầu hết các thông số chất lượng nước đều có mối tương quan thuận với lưu lượng dòng chảy. Khi lưu lượng dòng chảy tăng lên trong mùa mưa lũ, dòng chảy tràn bề mặt gia tăng cuốn theo lượng lớn bùn đất, chất hữu cơ và hóa chất nông nghiệp từ các sườn dốc đổ vào lòng sông.

Theo QCVN 08:2008/BTNMT, thông số chất lượng nước nào của sông La Ngà năm 2010 không đạt quy chuẩn?
Hầu hết các thông số đều đạt tiêu chuẩn phục vụ cho các mục đích sử dụng nước khác nhau, duy nhất chỉ có hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia vào tháng X. Đây là thời kỳ mưa lớn tập trung ở lưu vực, kết hợp với địa hình phân cắt mạnh và hiện tượng mất rừng (khoảng 50.000 ha) gây xói mòn bề mặt nghiêm trọng.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Nguyễn Đỗ Ngọc Uyên đã thiết lập quy trình ứng dụng mô hình SWAT kết hợp công nghệ GIS để đánh giá dòng chảy và chất lượng nước mặt lưu vực sông La Ngà. Kết quả nghiên cứu chứng minh SWAT có khả năng mô phỏng tốt dòng chảy tự nhiên theo bước thời gian tháng ($R^2$ đạt từ 0,331 đến 0,944), đồng thời chỉ ra độ nhạy của mô hình trước sự can thiệp của hồ chứa thủy điện và sự phụ thuộc sống còn vào dữ liệu tải lượng ô nhiễm đầu vào. Báo cáo cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho công tác nghiên cứu mô hình hóa lưu vực và quản trị bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Đồng Nai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ KLTN Thông tin địa lý CHẤT LƢỢNG NƢỚC MẶT LƢU VỰC SÔNG LA NGÀ Họ và tên sinh viên: NGUYỄN ĐỖ NGỌC UYÊN Ngành: Hệ thống Thông tin Môi trƣờng Niên khóa: 2010 – 2014 TP. Hồ Chí Minh, 06/2014 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC MẶT LƢU VỰC SÔNG LA NGÀ Tác giả NGUYỄN ĐỖ NGỌC UYÊN Khóa luận đƣợc đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng Kĩ sƣ ngành Hệ thống Thông tin Môi trƣờng KLTN Thông tin địa lý Giáo viên hƣớng dẫn PGS. NGUYỄN KIM LỢI KS. NGUYỄN DUY LIÊM Tp.

Hồ Chí Minh, 06/2014 i LỜI CẢM ƠN Trƣớc tiên, tôi xin chân thành cảm ơn thầy PGS. Nguyễn Kim Lợi và KS. Nguyễn Duy Liêm, những ngƣời đã hƣớng dẫn, chỉ bảo tận tình và động viên tôi trong suốt thời gian qua, giúp tôi hoàn thành bài báo cáo tốt nghiệp này. Trân trọng cảm ơn Ban lãnh đạo Viện Quy hoạch Thủy Lợi miền Nam đã tạo điều kiện cho tôi đƣợc thực tập tại cơ quan.

Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến NCS. Đỗ Đức Dũng, ThS. Nguyễn Vũ Huy, KS. Nguyễn Văn Hùng cùng các cán bộ công tác tại Phòng Quy hoạch Thủy Lợi Đông Nam bộ và phụ cận đã trao đổi kinh nghiệm, kiến thức quý báu cũng nhƣ chia sẻ tài liệu, dữ liệu liên quan đến đề tài.

Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc đến quý thầy cô cùng KS. Lê Hoàng Tú, trƣờng Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức quý giá dành cho tôi trong bốn năm học tập tại trƣờng. Tôi cũng cảm ơn những ngƣời bạn đồng hành cùng tôi trong quãng đời sinh viên, những ngƣời đã luôn giúp đỡ tôi khi tôi gặp khó khăn, sẵn sàng chia sẻ cho tôi KLTN Thông tin địa lý những điều hay, lẽ phải và cũng là nguồn động lực để tôi phấn đấu vƣơn lên.

Cuối cùng, để có đƣợc thành quả nhƣ ngày hôm nay, con xin nói lời biết ơn chân thành đối với cha mẹ, những ngƣời đã sinh thành nên con, chăm sóc, nuôi dạy con thành ngƣời và tạo điều kiện cho con đƣợc học tập. Sinh viên thực hiện Nguyễn Đỗ Ngọc Uyên Bộ môn Tài nguyên và GIS Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên Trƣờng Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh ii TÓM TẮT Khóa luận tốt nghiệp “Ứng dụng mô hình SWAT đánh giá chất lƣợng nƣớc mặt lƣu vực sông La Ngà” đã đƣợc thực hiện trong khoảng thời gian từ ngày 03/03/2014 đến ngày 06/06/2014. Sông La Ngà là một phụ lƣu của lƣu vực sông Đồng Nai, bắt nguồn từ cao nguyên Di Linh, Lâm Đồng với diện tích 4.010 km2, chảy qua địa bàn các huyện Bảo Lộc (Lâm Đồng), Tánh Linh (Bình Thuận), Tân Phú, Định Quán (Đồng Nai).

Quá trình phát triển kinh tế - xã hội trên lƣu vực đã và đang đặt ra những vấn đề bức xúc đối với công tác quản lý, khai thác và bảo vệ tài nguyên nƣớc. Do vậy, việc đánh giá chất lƣợng nƣớc trên lƣu vực là rất cần thiết. Mục tiêu của đề tài là ứng dụng mô hình SWAT mô phỏng, đánh giá lƣu lƣợng dòng chảy và chất lƣợng nƣớc trên lƣu vực sông La Ngà giai đoạn 1997 - 2010. Dữ liệu cần thiết cho nghiên cứu đƣợc thu thập từ nhiều nguồn khác nhau.

Dữ liệu DEM đƣợc lấy từ dữ liệu ASTER GDEM của METI/NASA, KLTN với độ phân giải không gian 30 Thông tinphân m, sử dụng để địachialý lƣu vực. Bản đồ sử dụng đất năm 2000 và bản đồ thổ nhƣỡng đƣợc cung cấp bởi Viện Quy hoạch Thủy lợi miền Nam (VQHTLMN) sau khi biên tập đƣợc sử dụng để phân tích đơn vị thủy văn.