Luận văn application of swat model to assess the impact of land use changes on stream discharge in nghing tuong watershed thai nguyen province

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là một công cụ mạnh mẽ được phát triển để… 65 trang · Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry · 2015.

• Tác giả: Dinh Ngoc Huan
• Người hướng dẫn: Phan Dinh Binh, Ph.D.
• Trường học: Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry
• Chuyên ngành: Environmental Science and Management
• Đề tài: Application of SWAT model to assess the impact of land-use changes on stream discharge in Nghinh Tuong watershed, Thai Nguyen Province
• Loại tài liệu: bachelor thesis
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thai Nguyen

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. PART I: RESEARCH RATIONALE
• 1.1. Research questions and hypotheses
• 1.2. Research’s objectives
• 1.3. Limitations
• 1.4. Definitions
• 2. PART II: RESEARCH SITUATION
• 2.1. SWAT model (Arnold et al, 2000)
• 2.2. Concept of SWAT
• 2.3. The Input and Output Data of SWAT model
• 2.4. SWAT hydrologic component
• 2.4.1. The land phase of the hydrologic cycle
• 2.4.2. Climate
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• LIST OF ABBREVIATIONS

Tóm tắt

I. Giới thiệu mô hình SWAT

Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là một công cụ mạnh mẽ được phát triển để đánh giá tác động của các hoạt động quản lý đất đai đến chất lượng và lượng nước trong lưu vực. Mô hình này cho phép phân tích các yếu tố như lượng mưa, loại đất, và cách sử dụng đất, từ đó đưa ra những dự đoán chính xác về dòng chảy và sự xói mòn đất. Theo nghiên cứu của Arnold et al. (1999), mô hình SWAT đã được áp dụng thành công ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới, chứng minh khả năng của nó trong việc mô phỏng các quá trình thủy văn phức tạp. Việc áp dụng mô hình này tại lưu vực Nghĩa Tường, tỉnh Thái Nguyên sẽ giúp đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất đến dòng chảy trong khu vực, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho công tác quản lý nước và quy hoạch sử dụng đất.

II. Tác động của thay đổi sử dụng đất đến dòng chảy

Nghiên cứu cho thấy rằng dòng chảy trong lưu vực Nghĩa Tường không chỉ phụ thuộc vào lượng mưa mà còn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi thay đổi sử dụng đất. Dữ liệu từ giai đoạn 2002-2012 cho thấy sự gia tăng diện tích đất nông nghiệp, đặc biệt là cây ngô và cây chè, đã dẫn đến sự giảm sút diện tích rừng. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi diện tích đất nông nghiệp tăng lên 9,782.45%, diện tích rừng giảm 1,091.75%. Điều này không chỉ làm tăng dòng chảy mà còn gây ra hiện tượng xói mòn đất và ô nhiễm nguồn nước. Theo Gassman et al. (2007), sự thay đổi trong tỷ lệ đất nông nghiệp và rừng có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong lượng nước chảy ra, làm tăng nguy cơ lũ lụt trong mùa mưa. Do đó, việc đánh giá tác động của thay đổi sử dụng đất là rất cần thiết để bảo vệ tài nguyên nước và môi trường.

III. Phân tích kết quả mô hình SWAT

Kết quả từ mô hình SWAT cho thấy khả năng mô phỏng dòng chảy và lượng bùn trong lưu vực Nghĩa Tường là rất khả thi. Các chỉ số hiệu suất mô hình như Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) và Percent Bias (PBIAS) cho thấy mô hình hoạt động hiệu quả trong việc dự đoán dòng chảy trong các kịch bản khác nhau. Cụ thể, trong giai đoạn hiệu chỉnh, chỉ số NSE đạt 0.54%, cho thấy mô hình có thể phản ánh chính xác các biến động của dòng chảy. Hơn nữa, mô hình cũng cho thấy rằng sự gia tăng lượng mưa trong mùa ẩm có thể làm tăng dòng chảy, trong khi sự giảm sút trong mùa khô có thể dẫn đến tình trạng khô hạn. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng mô hình SWAT trong việc hỗ trợ quản lý tài nguyên nước và phát triển bền vững trong khu vực.

IV. Đề xuất và ứng dụng thực tiễn

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể đưa ra một số đề xuất cho việc quản lý nước và quy hoạch sử dụng đất tại lưu vực Nghĩa Tường. Việc duy trì và phục hồi diện tích rừng là rất quan trọng để giảm thiểu tác động tiêu cực của thay đổi sử dụng đất đến dòng chảy. Ngoài ra, cần có các biện pháp quản lý nông nghiệp bền vững nhằm giảm thiểu xói mòn đất và ô nhiễm nguồn nước. Mô hình SWAT có thể được sử dụng như một công cụ hỗ trợ trong việc lập kế hoạch và đưa ra các quyết định chính sách liên quan đến quản lý tài nguyên nước. Việc áp dụng mô hình này không chỉ giúp cải thiện chất lượng môi trường mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững của khu vực.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Lưu vực sông Nghinh Tường là vùng thượng lưu của lưu vực sông Cầu, đóng vai trò then chốt trong việc cung cấp nguồn nước phục vụ sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp và các ngành công nghiệp của tỉnh Thái Nguyên. Đây là nguồn tài nguyên sống còn đối với các hoạt động dân sinh và kinh tế - xã hội trong khu vực. Tuy nhiên, sự gia tăng dân số và tăng trưởng kinh tế nhanh chóng đã tạo ra áp lực lớn lên tài nguyên môi trường. Lưu vực đang đối mặt với tình trạng suy thoái nghiêm trọng do các hoạt động nông nghiệp thâm canh (đặc biệt trên đất dốc), việc lạm dụng phân bón hóa học và thuốc bảo vệ thực vật, nạn phá rừng và tình trạng khai thác khoáng sản (vàng, cát sỏi) trái phép. Các hoạt động này làm gia tăng xói mòn đất, bồi lắng bùn cát, suy giảm chất lượng nước và làm trầm trọng thêm các hiện tượng thời tiết cực đoan như hạn hán trong mùa khô và lũ lụt trong mùa mưa. Trước thực tế chưa có đánh giá toàn diện nào về tác động của thay đổi sử dụng đất đến chế độ dòng chảy tại đây, đề tài "Application of SWAT model to assess the impact of land-use changes on stream discharge in Nghinh Tuong watershed, Thai Nguyen Province" được thực hiện.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể gồm:

1. Ứng dụng mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) trên một lưu vực sông nhỏ tại Thái Nguyên để đánh giá tác động dài hạn của thay đổi sử dụng đất đến lưu lượng dòng chảy.
2. Nắm bắt và làm rõ quy luật ứng xử thủy văn của dòng sông tương ứng với từng loại hình sử dụng đất.
3. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý phù hợp nhằm duy trì, bảo vệ bền vững tài nguyên đất và nước.

Nghiên cứu giải quyết hai câu hỏi và nhiệm vụ cốt lõi:

• Các hoạt động nông nghiệp thâm canh, khai thác khoáng sản quá mức và mất rừng đã và đang làm phát sinh những tác động tiêu cực nào đối với lưu vực Nghinh Tường?
• Quy trình mô hình hóa thủy văn nào có thể mô phỏng và định lượng chính xác các tác động này để hỗ trợ công tác quản lý tài nguyên lưu vực?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Lưu lượng dòng chảy mặt và quá trình bồi lắng bùn cát dưới tác động của sự biến đổi các loại hình sử dụng đất.
• Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Nghinh Tường thuộc địa bàn huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên (tọa độ từ 105°17' đến 106°17' kinh độ Đông và 21°36' đến 21°56' vĩ độ Bắc) với tổng diện tích 397 km² (39.700,58 ha). Sông có chiều dài khoảng 46 km, bắt nguồn từ dãy núi vòng cung Bắc Sơn, chảy qua các xã Nghinh Tường, Sảng Mộc, Thượng Nung, Thần Sa và hợp lưu vào sông Cầu tại xã Vạn Lãng, huyện Đồng Hỷ.
• Phạm vi thời gian: Dữ liệu khí tượng thu thập liên tục 30 năm (1983 - 2012); dữ liệu lưu lượng dòng chảy thực đo tại trạm cửa ra Nghinh Tường từ năm 2002 đến 2012 (phục vụ hiệu chỉnh giai đoạn 2002 - 2007 và kiểm định giai đoạn 2008 - 2012); mô phỏng dự báo theo các mốc kịch bản sử dụng đất năm 2020 và 2030.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận vận dụng khung lý thuyết thủy văn lưu vực và mô hình hóa toán học với các thành phần cốt lõi:

• Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool): Mô hình thủy văn phân bố bán liên tục, theo quy mô lưu vực do TS. Jeff Arnold phát triển cho Cục Nghiên cứu Nông nghiệp thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA-ARS). Mô hình hoạt động dựa trên cơ chế vật lý để mô phỏng dòng chảy, bùn cát và hóa chất nông nghiệp trong thời gian dài.
• Phương trình cân bằng nước tổng quát (The land phase of hydrologic cycle): $$SW_t = SW_0 + \sum_{i=1}^{t} (R_{day} - Q_{surf} - E_a - W_{seep} - Q_{gw})$$ Trong đó: $SW_t$ là lượng nước cuối kỳ (mm); $SW_0$ là lượng ẩm ban đầu (mm); $t$ là thời gian (ngày); $R_{day}$ là lượng mưa ngày (mm); $Q_{surf}$ là dòng chảy mặt (mm); $E_a$ là lượng bốc thoát hơi nước (mm); $W_{seep}$ là lượng nước thấm xuống tầng dưới (mm); $Q_{gw}$ là lượng dòng ngầm quay trở lại dòng chính (mm).
• Tính toán dòng chảy mặt (SCS Runoff Model): Sử dụng phương pháp số đường cong Curve Number (CN) của Cơ quan Bảo tồn Đất đai Hoa Kỳ (SCS): $$Q_{surf} = \frac{(R_{day} - I_a)^2}{(R_{day} - I_a + S)}$$ Với $I_a = 0,2S$ (tổn thất ban đầu) và tham số lưu giữ tiềm năng $S = 25,4 \times \left(\frac{1000}{CN} - 10\right)$. Hệ số CN được xác định dựa trên nhóm đất thủy văn (A, B, C, D), loại hình sử dụng đất và 3 cấp độ ẩm của đất (loại I: khô, loại II: trung bình, loại III: ẩm ướt).
• Tính toán xói mòn và bùn cát (MUSLE): Ứng dụng phương trình mất đất tổng quát sửa đổi của Williams (1975, 1995): $$Sed = 11,56 \times (Q_{surf} \times q_{peak} \times area_{hru})^{0,56} \times K_{USLE} \times C_{USLE} \times P_{USLE} \times LS_{USLE} \times CFRG$$ Trong đó: $Sed$ là lượng bùn cát (tấn); $q_{peak}$ là lưu lượng đỉnh lũ ($m^3/s$); $area_{hru}$ là diện tích đơn vị đáp ứng thủy văn (ha); các hệ số $K, C, P, LS, CFRG$ lần lượt là chỉ số xói mòn đất, lớp phủ, biện pháp canh tác, chiều dài - độ dốc sườn đồi và mảnh vụn thô.

Phương pháp nghiên cứu và công cụ kỹ thuật triển khai:

• Công cụ phần mềm: Ứng dụng mô-đun AVSWAT2000 tích hợp trên nền tảng phần mềm ArcView GIS 3.x.
• Phân chia lưu vực: Sử dụng mô hình số độ cao DEM (Digital Elevation Model) với ngưỡng diện tích 1.000 ha để trích xuất tự động mạng lưới sông suối và chia nhỏ lưu vực thành các tiểu lưu vực (sub-watersheds) cùng các đơn vị phản hồi thủy văn (Hydrologic Response Units - HRUs).
• Chuẩn hóa cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng: Chuyển đổi hệ thống phân loại đất Việt Nam (Tôn Thất Chiểu và cs., 1996) sang chuẩn định danh của FAO, từ đó ánh xạ sang nhóm đất thủy văn (HSG) và thuật ngữ phân loại của USDA để xây dựng tệp thuộc tính đất cho SWAT.
• Đánh giá hiệu suất mô hình: Sử dụng ba chỉ số thống kê toán học tiêu chuẩn: Hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe (NSE), tỷ số giữa sai số căn bậc hai trung bình và độ lệch chuẩn của số liệu thực đo (RSR), cùng phần trăm sai số thiên lệch (PBIAS).

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu:

• Dữ liệu không gian: Bản đồ DEM, bản đồ mạng lưới sông suối số hóa, bản đồ hiện trạng sử dụng đất năm 2012 và bản đồ thổ nhưỡng năm 2012 của huyện Võ Nhai.
• Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu 30 năm (1983 - 2012) gồm lượng mưa, nhiệt độ tối đa/tối thiểu, độ ẩm tương đối, tốc độ gió và bức xạ mặt trời từ các trạm khí tượng Thái Nguyên, Lạng Sơn và Võ Nhai.
• Dữ liệu thủy văn: Lưu lượng dòng chảy quan trắc theo ngày từ năm 2002 đến năm 2012 tại trạm cửa ra Nghinh Tường.

---

Nội dung chính theo từng chương

Part 1: Introduction

Chương mở đầu phân tích tính cấp thiết của việc bảo vệ nguồn nước lưu vực Nghinh Tường - vùng đầu nguồn cung cấp nước tưới tiêu và sinh hoạt cho hàng ngàn hecta tại huyện Võ Nhai và vùng hạ lưu sông Cầu. Tác giả chỉ ra rằng khoảng 40% chiều dài sông chảy qua các vách núi đá vôi, hẻm vực dốc đứng và đi qua khu bảo tồn thiên nhiên Thần Sa. Sự chuyển dịch kinh tế từ thời kỳ Đổi Mới đã thúc đẩy chuyển đổi đất rừng sang canh tác nông nghiệp, kéo theo nguy cơ xói mòn và suy kiệt dòng chảy. Chương này xác định rõ 3 mục tiêu nghiên cứu, hệ thống câu hỏi, giả thuyết khoa học và nêu rõ hạn chế về dữ liệu khi mô hình chỉ có thể kiểm định tại cửa ra chính mà chưa thể kiểm định tại từng cửa xả phụ do thiếu trạm đo chuyên biệt.

Part 2: Literature Review

Chương này tổng quan tình hình ứng dụng mô hình SWAT trên thế giới (như các dự án CEAP của USDA, lưu vực sông Mississippi, lưu vực Texas Gulf) và tại Việt Nam (nghiên cứu của Nguyễn Kim Lợi năm 2009 tại lưu vực Nghĩa Trung - thượng nguồn sông Đồng Nai; nghiên cứu của Phan Đình Bình và cs. năm 2011 tại sông Phú Lương). Tiếp đó, chương trình bày chi tiết cấu trúc toán học của mô hình SWAT: pha mặt đất, pha truyền dòng trong mạng lưới sông suối và hồ chứa, động học dòng ngầm (lateral subsurface flow, deep aquifer), phương trình dòng chảy mặt SCS-CN, phương trình xói mòn đất MUSLE, cùng các công thức đánh giá độ chính xác mô phỏng (NSE, RSR, PBIAS).

Part 3: Description of Study Area and Methodology

Chương 3 mô tả chi tiết địa bàn nghiên cứu và quy trình xử lý dữ liệu:

• Địa hình: Khu vực có địa hình phức tạp, nằm ở điểm tiếp giáp giữa dãy núi Ngân Sơn và dãy núi Bắc Sơn. Địa hình chia thành 3 vùng rõ rệt: Vùng núi cao (gồm 6 xã: Nghinh Tường, Sảng Mộc, Thượng Nung, Cúc Đường, Thần Sa, Vũ Chấn với khối núi đá vôi Thượng Nung rộng 300 km², cao 500 - 600 m, địa hình đá vôi chiếm 92% diện tích); Vùng đất thấp (3 xã: La Hiên, Lâu Thượng, Đình Cả chạy dọc Quốc lộ 1B); Vùng đồi (5 xã: Tràng Xá, Liên Minh, Dân Tiến, Bình Long, Phương Giao với dạng đồi bát úp). Độ cao dao động từ 100 m đến 800 m so với mực nước biển.
• Khí hậu: Khu vực mang đặc trưng nhiệt đới gió mùa, nhiệt độ trung bình năm 22°C (mùa đông lạnh khô dưới 15°C, thấp nhất 3°C; mùa hè nóng ẩm 26°C, cao nhất 39°C). Lượng mưa trung bình năm từ 2.000 đến 2.500 mm, trong đó hơn 70% tập trung từ tháng 6 đến tháng 8.
• Xây dựng cơ sở dữ liệu: Trình bày sơ đồ chuyển đổi phân loại đất Việt Nam sang FAO/USDA, tích hợp bảng mã sử dụng đất USGS và thiết lập quy trình vận hành AVSWAT2000 từ phân chia HRU, nạp dữ liệu khí tượng đến chạy mô phỏng và phân tích kết quả qua công cụ GenScn.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  QUY TRÌNH MÔ HÌNH HÓA THỦY VĂN SWAT                    |
+-------------------------------------------------------------------------+
| 1. Xử lý bản đồ: DEM, Mạng lưới sông, Bản đồ đất, Bản đồ sử dụng đất   |
| 2. Thiết lập lưu vực: Phân chia Sub-basins & Đơn vị phản hồi HRUs       |
| 3. Xây dựng CSDL: Chuẩn hóa đất (FAO/USDA) & Chuỗi khí tượng 1983-2012  |
| 4. Chạy mô hình SWAT: Cân bằng nước, Dòng chảy mặt SCS, Xói mòn MUSLE   |
| 5. Hiệu chỉnh (2002-2007) & Kiểm định (2008-2012) qua chỉ số NSE, PBIAS |
| 6. Mô phỏng kịch bản sử dụng đất: Kịch bản 1 (2020) & Kịch bản 2 (2030) |
+-------------------------------------------------------------------------+

Part 4: Results and Discussion

Chương kết quả tập trung phân tích đặc tính lưu vực và mô phỏng các kịch bản:

• Phân chia không gian: Lưu vực được chia thành các tiểu lưu vực và quy về 3 cụm cửa ra phụ (Sub-outlets) với đặc tính thổ nhưỡng và cây trồng chủ đạo:
  • Sub-outlet I (diện tích 16.733,04 ha; gồm các tiểu lưu vực 1, 5, 6, 7): Đất chính ACf, ACfe, LVf, FLe; cây trồng chính là lúa, ngô, cây ăn quả và rừng.
  • Sub-outlet II (diện tích 10.874,15 ha; gồm các tiểu lưu vực 2, 3): Đất chính ACf, ACfe, FLe, ACu; chủ yếu là lúa và rừng thường xanh.
  • Sub-outlet III (diện tích 12.092,81 ha; gồm các tiểu lưu vực 4, 8, 9): Đất chính ACf, Ach, FLe; canh tác lúa, cây hoa màu và rừng.
• Xây dựng các kịch bản sử dụng đất:
  • Kịch bản nền (2012): Tổng diện tích 39.700,58 ha gồm 10 loại hình sử dụng đất. Rừng hỗn giao chiếm diện tích lớn nhất (10.338,04 ha - 26,04%), rừng thường xanh (4.307,85 ha), rừng rụng lá (3.112,84 ha); đất nông nghiệp gồm lúa (4.335 ha), cây hàng năm (4.224,33 ha), ngô (1.175 ha).
  • Kịch bản 1 (2020): Dự báo dân số đạt 62.744 người (tăng 4.883 người), 15.200 hộ (tăng 1.090 hộ so với 2012). Đất đô thị tăng 306 ha (chuyển đổi 120,12 ha đất ngô và 186,59 ha đất vườn quả). Để đảm bảo an ninh lương thực, đất canh tác cần mở rộng 1.091,77 ha thông qua việc chuyển đổi 1.091,77 ha đất rừng hỗn giao sang trồng ngô.
  • Kịch bản 2 (2030): Dân số đạt 76.330 người (tăng 18.469 người so với 2012), 15.856 hộ (tăng 1.746 hộ). Đất đô thị tăng thêm 489,13 ha (chuyển 198,48 ha đất vườn quả và 91,31 ha đất rừng hỗn giao). Đất canh tác mở rộng 1.749 ha bằng cách chuyển đổi 1.191,80 ha rừng hỗn giao sang trồng ngô và cây hàng năm.
• Kết quả mô phỏng thủy văn: Mô hình SWAT tái hiện tương quan chặt chẽ giữa lượng mưa và lưu lượng dòng chảy. Giai đoạn hiệu chỉnh (2002 - 2007) ghi nhận hệ số $NSE = 0,54$. Dưới các kịch bản suy giảm diện tích rừng và mở rộng đất nông nghiệp/đô thị, lưu lượng dòng chảy mùa mưa tăng đáng kể trong khi lưu lượng dòng chảy kiệt trong mùa khô có xu hướng suy giảm.

Part 5: Conclusions and Discussion

Chương cuối tổng kết tính khả thi và độ tin cậy của mô hình SWAT trong việc mô phỏng chế độ dòng chảy và bồi lắng bùn cát tại lưu vực miền núi Nghinh Tường, đồng thời thảo luận các khuyến nghị quản lý lưu vực bền vững cho chính quyền địa phương.

---

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã số hóa và định lượng chi tiết cơ cấu sử dụng đất tại lưu vực Nghinh Tường qua các giai đoạn:

Loại hình sử dụng đất	Mã SWAT	Kịch bản nền 2012 (ha)	Kịch bản 1 - 2020 (ha)	Kịch bản 2 - 2030 (ha)
Đất trồng lúa	RICE	4.335,00	4.335,00	4.335,00
Cây hàng năm	AGRR	4.224,33	4.224,33	4.779,00
Rừng rụng lá	FRSD	3.112,84	3.112,84	3.112,84
Rừng thường xanh	FRSE	4.307,85	4.307,85	4.307,85
Rừng hỗn giao	FRST	10.338,04	9.246,27	8.499,93
Đất trồng ngô	CORN	1.175,00	2.146,65	2.366,80
Đất đô thị / Dân cư	URBN	3.969,00	4.275,00	4.458,13

Những kết quả khoa học chính rút ra từ mô hình:

• Độ tin cậy của mô hình: SWAT mô phỏng thành công dòng chảy tại cửa ra lưu vực Nghinh Tường với hệ số Nash-Sutcliffe giai đoạn hiệu chỉnh đạt $NSE = 0,54$, chứng minh mô hình đáp ứng tốt yêu cầu đánh giá thủy văn ở cấp độ lưu vực sông miền núi.
• Tác động của kịch bản 1 (2020): Việc gia tăng diện tích đất nông nghiệp và đô thị làm suy giảm 1.091,75 ha rừng hỗn giao. Kết hợp với biến động lượng mưa (tăng 3,74% trong mùa mưa và giảm 0,5% trong mùa khô), dòng chảy mặt gia tăng vào mùa mưa làm tăng nguy cơ lũ lụt và gia tăng tải lượng bùn cát bồi lắng xuống hạ lưu.
• Tác động của kịch bản 2 (2030): Khi diện tích rừng hỗn giao bị thu hẹp thêm 1.838,11 ha để nhường chỗ cho đất nông nghiệp và đô thị, sự mất cân bằng thủy văn tiếp tục gia tăng, dòng chảy kiệt mùa khô bị suy giảm nghiêm trọng.

Các giải pháp và kiến nghị tác giả đề xuất:

• Chính quyền huyện Võ Nhai và tỉnh Thái Nguyên cần quy hoạch sử dụng đất hợp lý, nghiêm cấm việc chặt phá rừng tự nhiên và rừng phòng hộ trên các sườn dốc thuộc khối núi đá vôi Thượng Nung và khu bảo tồn Thần Sa.
• Kiểm soát chặt chẽ hoạt động khai thác vàng, cát sỏi tại các xã vùng cao (Nghinh Tường, Thần Sa) nhằm hạn chế bồi lắng lòng dẫn và ô nhiễm kim loại nặng.
• Áp dụng các mô hình nông - lâm kết hợp, kỹ thuật canh tác bảo vệ đất trên đất dốc đối với diện tích trồng ngô và cây hàng năm nhằm giảm thiểu xói mòn đất và rửa trôi chất dinh dưỡng.

Đóng góp của đề tài:

• Thiết lập quy trình chuẩn hóa và tích hợp cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng địa phương theo phân loại của Tôn Thất Chiểu và cs. (1996) sang chuẩn FAO/USDA phục vụ mô hình SWAT tại Việt Nam.
• Cung cấp luận cứ khoa học định lượng đầu tiên về phản hồi thủy văn đối với các kịch bản chuyển đổi đất tại lưu vực thượng nguồn sông Cầu.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Yêu cầu dữ liệu đầu vào của mô hình SWAT rất lớn và đòi hỏi nhiều thời gian xử lý, chuyển đổi không gian và thuộc tính.
• Quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình mới chỉ được thực hiện tại một trạm đo cửa ra chính (main outlet) của lưu vực Nghinh Tường, chưa thể tiến hành kiểm định chi tiết tại từng cửa xả phụ (sub-outlets I, II, III) do mạng lưới quan trắc thực địa còn thưa thớt.
• Số liệu đo đạc thực tế về bùn cát và các chỉ tiêu hóa lý chất lượng nước phục vụ kiểm định trực tiếp phương trình MUSLE còn hạn chế.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Lắp đặt thêm các điểm quan trắc thủy văn và đo đạc bùn cát tại các nhánh sông thuộc các tiểu lưu vực trọng điểm.
• Tích hợp thêm các kịch bản biến đổi khí hậu chi tiết (nhiệt độ, lượng mưa cực đoan) kết hợp đồng thời với kịch bản sử dụng đất để dự báo toàn diện hơn về tài nguyên nước trong tương lai.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

• Sinh viên và học viên: Các ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Tài nguyên và Môi trường, Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Địa tin học (GIS), Thủy văn và Tài nguyên nước.
• Nội dung tham khảo giá trị: Quy trình chuyển đổi cơ sở dữ liệu đất Việt Nam sang chuẩn FAO/USDA; phương pháp thiết lập đơn vị HRU trên AVSWAT2000; quy trình xây dựng kịch bản sử dụng đất dựa trên dự báo quy mô dân số và nhu cầu lương thực tại khu vực miền núi.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Lưu vực sông Nghinh Tường có đặc điểm địa hình và quy mô không gian như thế nào?
Lưu vực có diện tích 397 km² (39.700,58 ha), chiều dài dòng chính khoảng 46 km thuộc huyện Võ Nhai, tỉnh Thái Nguyên. Địa hình rất phức tạp với độ cao từ 100 m đến 800 m, chia thành 3 vùng: vùng núi cao (chiếm 92% diện tích là núi đá vôi với khối núi Thượng Nung rộng 300 km²), vùng đất thấp thung lũng dọc Quốc lộ 1B và vùng đồi bát úp.

2. Mô hình SWAT tính toán dòng chảy mặt và lượng xói mòn bùn cát dựa trên những công thức nào?
Mô hình sử dụng phương trình số đường cong $SCS-CN$ để tính toán dòng chảy mặt $Q_{surf}$ dựa trên lượng mưa ngày $R_{day}$, độ ẩm đất và tham số lưu giữ $S$. Quá trình xói mòn và bồi lắng bùn cát được tính toán thông qua Phương trình mất đất tổng quát sửa đổi ($MUSLE$) của Williams (1975, 1995) dựa trên lưu lượng dòng chảy mặt, lưu lượng đỉnh lũ, diện tích HRU và các hệ số xói mòn $K, C, P, LS, CFRG$.

3. Cơ sở dữ liệu đất tại lưu vực Nghinh Tường được chuyển đổi sang chuẩn SWAT như thế nào?
Tác giả dựa trên bảng phân loại thổ nhưỡng Việt Nam của Tôn Thất Chiểu và cs. (1996), dịch chuyển sang định nghĩa phân loại của FAO, sau đó quy đổi tương ứng sang thuật ngữ phân loại đất của USDA và xác định nhóm đất thủy văn (HSG) để nạp vào cơ sở dữ liệu thuộc tính của SWAT.

4. Kịch bản sử dụng đất năm 2020 (Kịch bản 1) được xây dựng dựa trên những giả định nào?
Kịch bản 1 dự báo dân số lưu vực năm 2020 đạt 62.744 người (tăng 4.883 người) và 15.200 hộ (tăng 1.090 hộ so với 2012). Từ đó, đất đô thị mở rộng thêm 306 ha (lấy từ 120,12 ha đất ngô và 186,59 ha đất cây ăn quả), đồng thời đất nông nghiệp mở rộng thêm 1.091,77 ha để đảm bảo an ninh lương thực bằng cách phá 1.091,77 ha đất rừng hỗn giao sang trồng ngô.

5. Hiệu suất của mô hình SWAT tại lưu vực Nghinh Tường được đánh giá qua những chỉ số nào?
Hiệu suất mô hình được đánh giá qua hệ số hiệu quả Nash-Sutcliffe ($NSE$), tỷ số sai số chuẩn hóa $RSR$ và phần trăm sai số thiên lệch $PBIAS$. Kết quả giai đoạn hiệu chỉnh (2002 - 2007) đạt hệ số $NSE = 0,54$, chứng minh mô hình mô phỏng thành công tương quan giữa mưa và dòng chảy tại lưu vực.

---

Kết luận

Khóa luận của tác giả Đinh Ngọc Huấn đã ứng dụng thành công mô hình SWAT kết hợp công nghệ GIS để đánh giá định lượng tác động của biến động sử dụng đất đến chế độ dòng chảy tại lưu vực sông Nghinh Tường. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng việc thu hẹp diện tích rừng tự nhiên để mở rộng đất nông nghiệp và đất ở làm gia tăng dòng chảy mặt mùa mưa và suy giảm dòng chảy kiệt mùa khô. Công trình cung cấp bộ cơ sở dữ liệu khoa học và khung phương pháp tin cậy hỗ trợ chính quyền địa phương trong công tác quy hoạch sử dụng đất và quản lý bền vững tài nguyên nước lưu vực sông Cầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

THAI NGUYEN UNIVERSITY UNIVERSITY OF AGRICULTURE AND FORESTRY DINH NGOC HUAN TOPIC TITLE: “APPLICATION OF SWAT MODEL TO ASSESS THE IMPACT OF LAND-USE CHANGES ON STREAM DISCHARGE IN NGHINH TUONG WATERSHED, THAI NGUYEN PROVINCE” BACHELOR THESIS Study Mode: Full-time Major: Bachelor of Environmental Science and Management Faculty: International Training and Development Center Batch: 2010 - 2015 Thai Nguyen, January 2015 DOCUMENTATION PAGE WITH ABSTRACT Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry Degree Program Bachelor of Environmental Science and Management Student name Dinh Ngoc Huan Student ID DTN1054110040 Thesis Tittle Application of SWAT model to assess the impact of land-use changes on stream discharge in Nghinh Tuong watershed, Thai Nguyen Province Suppervisor (s) Phan Dinh Binh, Ph. Abstract: The purpose of this research is to implement “Soil and Water Assessment Tool (SWAT)” model and GIS to evaluation, assessment impact of land-use changes on stream discharge in Nghinh Tuong watershed (riverhead Cau river watershed) in Northern Viet Nam. The watershed were cover by 56% forestry land, 30% agricultural land, and remain for others. Stream discharge observed data 2002 - 2012 were used for calibration (2002 - 2007) and validation (2008 - 2012).

The result shown that two coefficients (NSE and PBIAS) to evaluate model performance were 0.54% for calibration period and 0. Stream discharge strongly depends not only on quantity of precipitation but also on land use change. Through the scenario 1, agricultural land (corn, orchard and tea) increases 9782.45%), meanwhile forest (forest-mixed) decreases 1091.75%) as compared to baseline scenario. ii Additionally, precipitation increases 3.74% in mean wet season, but decreases 0.5% in mean dry season with respect to baseline period.

SWAT model was able to simulate stream discharge and sediment yield for Nghinh Tuong watershed successfully not only for Baseline scenario but also for Scenario 1. In brief, SWAT proves its ability in simulation stream discharge and sediment yield in watershed level. It is a useful tool to assist water quantity and quality management process in Nghinh Tuong watershed. Keywords: Key words: stream discharge, watershed, GIS, SWAT model, scenario Number of pages: 50 Date of Submision : January 15, 2015 iii ACKNOWLEDGEMENT First and foremost, I wish to express my sincere thanks to the boards of Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry, Dean of Faculty Natural Resources Management, Department of Remote sensing and Surveying of Thai Nguyen University of Agriculture and Forestry for providing me all the necessary facilities and all the teachers who built me the scientific knowledge to complete this research.

In particular, I would like to thank my principal research adviser Dr. Phan Dinh Binh who guided me wholeheartedly when I implement this research project. I place on record, my sincere gratitude to all staffs, government and people in Nghinh Tuong commune Vo Nhai district and Van Lang commune Dong Hy district, Thai Nguyen province for their expert, valuable guidance and generous support to our project. Finally yet importantly, I take this opportunity to express our deepest appreciation to our families, relatives, friends and fellow students in class of K42-Advanced Education Program who encouraged and supported me unceasingly and all who, directly or indirectly, have lent their helping hand in this venture.

Thank you very much! Thai Nguyen, January 15, 2015 Student Dinh Ngoc Huan iv TABLE OF CONTENTS ACKNOWLEDGEMENT. iv TABLE OF CONTENTS. v LIST OF TABLES. viii LIST OF FIGURES.

ix LIST OF ABBREVIATIONS. xi Part 1: INTRODUCTION. Research questions and hypotheses. 3 Part 2: LITERATURE REVIEW.

Soil and Water Assessment Tool (SWAT) Model. Concept of SWAT. SWAT hydrologic component. The land phase of the hydrologic cycle.

Routing phase of the hydrologic cycle. Routing in river. Routing through reservoirs. Component processes in model (Neitsch et al.

Lateral subsurface flow. SWAT sediment component (Neitsch et al. The Modified Universal Soil Loss Equation (MUSLE). Description and topography.

Soil classification and soil physical characteristics. Land cover classification. SWAT model performance evaluation. Overview of Nghinh Tuong basin.

Preparation input data. Land use scenarios. Assessing the impact of land-use changes on stream discharge in Nghinh Tuong watershed, Thai Nguyen Province. Land use scenario 1 (2020) .