tài liệu hướng dẫn sử dụng swat phiên bản 2012 · pdf file3.4. so...

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

TRUNG TÂM NGHIÊN CỨU BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

------------------ ------------------

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG

MÔ HÌNH SWAT PHIÊN BẢN 2012 (ArcSWAT 2012, ArcGIS 10.0/10.1)

Biên soạn: PGS.TS. Nguyễn Kim Lợi

KS. Lê Hoàng Tú

KS. Nguyễn Duy Liêm

TP. Hồ Chí Minh, Tháng 10/2013

Tài liệu hướng dẫn sử dụng SWAT phiên bản 2012 10/2013

1

MỤC LỤC

MỤC LỤC ............................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT .................................................... 2

1.1. Tổng quan về mô hình SWAT .................................................................... 2 1.2. Quá trình phát triển của SWAT .................................................................. 3 1.3. Ứng dụng của mô hình SWAT ................................................................... 6 1.4. Nguyên lý mô phỏng SWAT ...................................................................... 9 1.5. Tiến trình mô phỏng SWAT ..................................................................... 12

CHƯƠNG 2. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ArcSWAT ......................................... 14 2.1. Giới thiệu ArcSWAT ................................................................................ 14 2.2. Cài đặt ArcSWAT ..................................................................................... 14

2.2.1. Yêu cầu hệ thống ................................................................................ 14 2.2.2. Tiến trình cài đặt ArcSWAT .............................................................. 15 2.2.3. Nội dung bên trong thư mục cài đặt ................................................... 18

2.3. Biên tập dữ liệu đầu vào cho ArcSWAT .................................................. 19 2.3.1. Dữ liệu không gian ............................................................................. 19 2.3.2. Dữ liệu dạng bảng (table), kí tự (text) ................................................ 20

2.4. Tiến trình chạy mô hình SWAT trong ArcSWAT ................................... 24 2.4.1. Kích hoạt ArcSWAT trong môi trường ArcMap (ArcGIS) ............... 24 2.4.2. Tạo mới đồ án SWAT, thiết lập thư mục làm việc và geodatabases . 25 2.4.3. Phân chia lưu vực ............................................................................... 26 2.4.4. Phân tích đơn vị thủy văn ................................................................... 31 2.4.5. Ghi chép bảng dữ liệu đầu vào ........................................................... 38 2.4.6. Chỉnh sửa dữ liệu đầu vào của SWAT ............................................... 40 2.4.7. Thiết lập các tùy chọn và chạy mô hình ............................................. 40 2.4.8. Đọc kết quả đầu ra, lưu kịch bản chạy mô hình ................................. 41

CHƯƠNG 3. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SWAT Plot/Graph ............................ 44 3.1. Giới thiệu SWAT Plot/Graph ................................................................... 44 3.2. Cài đặt SWAT Plot/Graph ........................................................................ 44 3.3. Trích xuất, hiển thị kết quả đầu ra từ SWAT ........................................... 47 3.4. So sánh dữ liệu mô phỏng từ SWAT với dữ liệu quan trắc ..................... 49 3.5. Hiển thị kết quả đầu ra từ SWAT dưới dạng bản đồ ................................ 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 51


2

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH SWAT

1.1. Tổng quan về mô hình SWAT

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) là công cụ đánh giá nước và đất

được xây dựng bởi tiến sĩ Jeff Arnold ở Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông

nghiệp (ARS- Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ

(USDA- United States Department of Agriculture) và giáo sư Srinivasan thuộc

Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ.

SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực.

Mô hình được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng

nguồn tài nguyên đất của đến nguồn nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra

từ mất rừng và hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp

trong khoảng thời gian dài. Mặc dù được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện

bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên với việc sử dụng các phương trình tương

quan, hồi qui để mô tả mối quan hệ giữa thông số đầu vào (Sử dụng đất/thảm

thực vật, đất, địa hình và khí hậu) và thông số đầu ra (lưu lượng dòng chảy, bồi

lắng, … ), SWAT còn yêu cầu các số liệu về thời tiết, sử dụng đất, địa hình, thực

vật và tình hình quản lý tài nguyên đất trong lưu vực.

Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mô hình trước đó là khi mô

phỏng SWAT sẽ phân chia lưu vực lớn thành các tiểu lưu vực, các đơn vị thủy văn

dựa trên bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, địa hình để tăng mức độ chi tiết mô

phỏng về mặt không gian. Mô hình SWAT sẽ trực tiếp tính toán các quá trình tự

nhiên liên quan tới chuyển động của nước, lắng đọng bùn cát, tăng trưởng mùa

màng, chu trình chất dinh dưỡng,… dựa vào các thông số dữ liệu đầu vào. Do vậy

mô hình còn có khả năng dự báo thông qua việc thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí

sử dụng đất, khí hậu, thực vật…) đều định lượng được những tác động của sự thay

đổi đến dòng chảy ra của các lưu vực hoặc các thông số khác; có hiệu quả cao, có

thể tính toán và mô phỏng trên lưu vực rộng lớn hoặc hỗ trợ ra quyết định đối với

những chiến lược quản lí đa dạng, phức tạp với sự đầu tư kinh tế và thời gian thấp;

cho phép người sử dụng nghiên cứu những tác động trong thời gian dài. Nhiều vấn

đề hiện nay được SWAT xem xét không những lưu lượng dòng, đỉnh lũ mà còn

đến như sự tích lũy chất ô nhiễm và những ảnh hưởng đến vùng hạ lưu. Hiện nay

trong nước đã xuất hiện nhiều mô hình thủy văn phân chia, đánh giá tài nguyên

nước, tính toán lũ cho các lưu vực như MIKEBASIN, HEC-HMS, ANSWERS,

AGNPS... nhưng hầu các mô hình thường không đi kèm các công cụ hiệu chỉnh,

kiểm định một cách tự động để tăng độ tin cậy. SWAT cung cấp công cụ cho việc

hiệu chỉnh và kiểm định một cách tự động SWAT-CUP, nhằm rút gọn thời gian

nhưng vẫn mang lại tính chính xác và hiệu quả cho người sử dụng.


3

1.2. Quá trình phát triển của SWAT

SWAT tích hợp nhiều mô hình của ARS, nó được phát triển từ mô hình mô

phỏng tài nguyên nước lưu vực nông thôn (Simulator for Water Resources in

Rural Basins - SWRRB) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990). Những mô

hình góp phần vào sự phát triển của SWAT bao gồm: hệ thống quản lí nông

nghiệp về hóa chất, rửa trôi và xói mòn (Chemicals, Runoff, and Erosion from

Agricultural Management Systems - CREAMS) (Knisel, 1980); mô hình những

ảnh hưởng của sự tích trữ nước ngầm (GLEAMS - Groundwater Loading

Effects on Agricultural Management Systems) (Leonard et al., 1987), đây là

phần mở rộng của CREAMS bao gồm bốn thành phần: thủy văn, xói mòn/ bồi

lắng, sự di chuyển của thuốc bảo vệ thực vật và dinh dưỡng và mô hình tính toán

những ảnh hưởng của các hoạt động sản xuất đến sự xói mòn (EPIC – Erosion

Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984).

Hình 1. Sơ đồ phát triển của mô hình SWAT

(Nguồn: Philip W.G. et al., 2009)

Quá trình phát triển của SWRRB bắt đầu với việc sửa đổi mô hình thủy văn

về lượng mưa ngày của mô hình CREAMS. Các thay đổi chính so với mô hình

thuỷ văn CREAMS bao gồm: a) mô hình đã được mở rộng để cho phép đồng

thời tính toán trên nhiều lưu vực con để dự đoán dòng chảy từ nước mưa; b) bổ

sung thêm mô hình về nước ngầm, hay mô hình về dòng chảy hồi lưu; c) bổ

sung mô-đun hồ chứa nhằm tính toán tác động của ao hồ nông trại và hồ chứa

nước đến chế độ dòng chảy và lưu lượng bùn lắng; d) thêm mô hình mô phỏng


4

thời tiết chứa đựng các dữ liệu cho lượng mưa, bức xạ mặt trời, và nhiệt độ

nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho các mô phỏng lâu dài và cung cấp biến động

thời tiết theo thời gian và không gian; e) phương pháp dự báo giá trị cực đại của

tốc độ dòng chảy mặt đất đã được cải thiện; f) mô hình phát triển cây trồng

EPIC đã được bổ sung nhằm mô phỏng tác động của phát triển cây trồng hàng

năm; g) bổ sung mô-đun tính truyền lũ; h) bổ sung mô-đun vận chuyển bùn cát

nhằm mô phỏng chuyển vận của phù sa bùn cát qua các ao, hồ chứa, dòng sông

suối và thung lũng; và i) các tính toán về tổn thất truyền dẫn.

Mô hình được chú trọng sử dụng trong cuối những năm 1980 chủ yếu nhằm

đánh giá chất lượng nước và sự phát triển của SWRRB đã chứng tỏ điều này.

Những cải tiến đáng kể của mô hình SWRRB vào thời gian đó bao gồm sự kết

hợp với: a) thành phần mô phỏng thuốc trừ sâu trong mô hình GLEAMS; b)

phương pháp SCS để tính toán giá trị cực đại của tốc độ dòng chảy mặt đất; và

c) phương trình mới được phát triển về bồi lắng. Những sửa đổi, bổ sung này đã

tăng cường khả năng sử dụng của mô hình trong việc giải quyết nhiều vấn đề về

quản lý lưu vực.

Vào cuối những năm 1980, Cục các vấn đề về người da đỏ (the Bureau of

Indian Affairs) cần một mô hình để ước lượng tác động vào dòng chảy hạ lưu

của công tác quản lý nguồn nước trong phạm vi lưu vực khu đất giành cho người

da đỏ ở Arizona và New Mê-hi-cô. Trong khi SWRRB đã được sử dụng một

cách dễ dàng cho các sông có diện tích lên đến vài trăm km vuông, Cục các vấn

đề về người da đỏ muốn mô phỏng dòng chảy cho lưu vực rộng hàng nghìn km

vuông. Đối với khu vực rộng lớn như vậy, lưu vực được nghiên cứu cần thiết

phải phân chia thành vài trăm lưu vực con. SWRRB chỉ cho phép chia lưu vực

thành 10 lưu vực con và mô hình tính truyền vận chuyển dòng nước và bùn lắng

ra khỏi lưu vực con trực tiếp đến điểm ra của lưu vực dòng sông. Những hạn chế

này đã dẫn đến sự phát triển của một mô hình có tên gọi là ROTO (Routing

Output To Outlet) (Arnold et al., 1995), trong đó kết quả từ nhiều lần chạy mô

hình SWRRB cho các lưu vực con được chuyển theo dòng chảy trong các kênh

và hồ chứa. ROTO cung cấp một phương pháp tiếp cận tính toán theo từng đoạn

sông và khắc phục được nhược điểm của SWRRB về giới hạn số lưu vực con

bằng cách "liên kết" nhiều lần chạy mô hình SWRRB lại với nhau. Mặc dù

phương pháp tiếp cận này rất hiệu quả, những dữ liệu đầu vào và dữ liệu đầu ra

của nhiều lần chạy SWRRB trở nên cồng kềnh và cần khả năng lưu trữ lớn trong

máy tính. Ngoài ra, tất cả các lần chạy mô hình SWRRB phải được thực hiện

độc lập và sau đó nhập kết quả vào mô hình ROTO để thực hiện bước tính

truyền theo các kênh và hồ chứa. Để khắc phục được những rắc rối này, mô hình

SWRRB và ROTO đã được kết hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là


5

SWAT. Trong khi SWAT cho phép mô phỏng khu vực rất rộng lớn, nó giữ lại

tất cả các tính năng đã làm cho mô hình SWRRB có giá trị như một mô hình mô

phỏng.

Từ khi SWAT được tạo ra vào đầu những năm 1990, nó đã liên tục trải qua

nhiều lần được xem xét, đánh giá và cải tiến nhằm mở rộng khả năng mô phỏng.

Những cải tiến đáng kể nhất của các mô hình theo các phiên bản khác nhau bao

gồm:

- SWAT94.2: Bổ sung khái niệm đơn vị thuỷ văn (HRUs).

- SWAT96.2: Phương án tự động bón phân và tưới nước được thêm vào

như là những quản lý tùy chọn; tính toán lượng nước do tán lá cây lưu trữ; thành

phần mô phỏng CO2 trong mô hình tăng trưởng cây trồng phục vụ các nghiên

cứu về biến đổi khí hậu; bổ sung phương trình Penman-Monteith về bốc thoát

nước tiềm năng; dòng chảy theo chiều ngang trong đất dựa trên mô hình lưu trữ

động thái; bổ sung phương trình chất lượng nước về thành phần dinh dưỡng của

dòng chảy từ mô hình QUAL2E; tính truyền vận chuyển thuốc trừ sâu trong

dòng chảy sông suối.

- SWAT98.1: Cải tiến chương trình con về mô phỏng lượng tuyết tan; cải

thiện tính toán chất lượng nước trong dòng sông suối; mở rộng tính truyền vòng

tuần hoàn chất dinh dưỡng; tác động chăn thả đồng cỏ, tác động cách thức áp

dụng phân bón, và thêm phương án tiêu nước sử dụng cày sâu như là một

phương thức quản lý, sửa đổi mô hình để có thể áp dụng ở khu vực Nam bán

cầu.

- SWAT99.2: Cải tiến tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, cải tiến

tính toán ruộng lúa/đầm lầy, bổ sung phần ước tính lượng tổn thất chất dinh

dưỡng do quá trình bồi lắng trong hồ chứa/ao/đầm lầy; bổ sung lượng nước chứa

được do bờ sông, bổ sung tính truyền kim loại theo thứ tự các đoạn sông suối;

tất cả các năm tài liệu tham khảo trong mô hình đã thay đổi biểu thị từ 2 chữ số

thành 4 chữ số, bổ sung phương trình ảnh hưởng các khu đô thị lên dòng chảy từ

mô hình SWMM theo phương trình quan hệ của Cơ quan Thăm dò Địa chất

(USGS).

- SWAT2000: Bổ sung tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy;

bổ sung phương trình thấm Green & Ampt, cải thiện mô hình mô phỏng thời

tiết, cho phép đọc vào hoặc mô phỏng dữ liệu bức xạ mặt trời hàng ngày, độ ẩm

tương đối, và tốc độ gió; cho phép đọc vào hoặc ước tính các giá trị bốc thoát

nước tiềm năng ET cho lưu vực; xem xét lại tất cả các phương pháp ước tính ET

tiềm năng; cải thiện quá trình liên quan đến độ cao của bờ sông; cho phép mô

phỏng không giới hạn số lượng hồ chứa; bổ sung phương pháp tính truyền


6

Muskingum; sửa đổi tính toán mô phỏng trạng thái ngưng hoạt động sống (ngủ

đông) cho phù hợp với các khu vực nhiệt đới.

- SWAT2005: Cải thiện tính truyền vận chuyển vi khuẩn trong dòng chảy;

thêm kịch bản dự báo thời tiết; bổ sung phần mô phỏng lượng mưa rơi; thông số

lưu trữ nước trong tính toán giá trị CN hàng ngày có thể là hàm số của lượng

nước trong đất (độ ẩm đất) hay của lượng bốc thoát hơi nước từ cây cối.

Phiên bản hiện tại đang được phát triển là SWAT2012. Ngoài những thay

đổi đã được liệt kê ở trên, giao diện cho các mô hình đã được phát triển cho môi

trường hệ điều hành Windows (Visual Basic), GRASS, và ArcView. Theo định

hướng phát triển trong thời gian sắp tới, SWAT sẽ tiếp tục được phát triển, tập

trung chính vào các mảng sau:

- Mở rộng phạm vi mô phỏng gồm cả thời gian và không gian

- Cung cấp nguồn dữ liệu đầu vào sẵn có, miễn phí và đảm bảo chất lượng

như thời tiết, thuỷ văn, thổ nhưỡng, hoạt động sản xuất nông nghiệp

- Hiệu chỉnh, phân tích tính bất định của mô hình

- Mô phỏng theo thời gian thực

- Tích hợp với các mô hình khác như APEX, SWMM(EPA), ALMANAC,

DSSAT

- Hợp tác phát triển mô hình với các tổ chức như CGIAR, ISRIC,…

- Tăng cường đào tạo, truyền thông về SWAT

- Xây dựng nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT về các phiên bản sử

dụng (SWAT 2005, 2009, 2012), các phần mềm hỗ trợ như ArcGIS

(ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), SWAT-CUP (Calibration and

Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT (Output Vizualization),

các tài liệu hướng dẫn đa ngôn ngữ.

1.3. Ứng dụng của mô hình SWAT

Mô hình SWAT đã được cộng đồng quốc tế công nhận là một mô hình

quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ. Nó được ứng dụng rộng rãi trong đánh giá

chất lượng, tiềm năng nước, kiểm soát xói mòn đất, theo dõi ô nhiễm, định

lượng tác động của biến đổi khí hậu… ở nhiều lưu vực khác nhau trên thế giới.

Theo thống kê chưa đầy đủ, đến nay đã có trên 500 người sử dụng, 30 nhà phát

triển, trên 100 học viên cao học, nghiên cứu sinh đang sử dụng SWAT và hơn

1.000 bài báo nghiên cứu về SWAT. Mỗi năm có hàng chục hội nghị, tập huấn

về mô hình SWAT được tổ chức ở khắp nơi trên thế giới.


7

Liên quan đến cảnh báo lũ, mô hình SWAT đã được ứng dụng thành công

trong nhiều nghiên cứu khác nhau trên thế giới:

- Mohammad K.A. (2006) đã phát triển mô hình dự báo lũ trước 3 ngày tại

cửa xả của lưu vực sông Hằng, Bangladesh dựa trên dữ liệu ảnh viễn thám miễn

phí của NASA, USGS, FAO, USDA, ISRIC,…, mô hình SWAT và ANN.

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng SWAT để mô phỏng các quá trình vật lý

diễn ra trên lưu vực.

- Samuel R. et al. (2007) tiến hành nghiên cứu ứng dụng mô hình thủy văn

xác định các khu vực dễ bị ngập khi xảy ra mưa lớn trong lưu vực sông Aguán,

miền Trung Honduras. Trong nghiên cứu này, mô hình SWAT đã được sử dụng

để dự đoán lưu lượng dòng chảy từ dữ liệu đầu vào bao gồm DEM, sử dụng đất,

thổ nhưỡng của lưu vực. Sau đó, giá trị lưu lượng cùng với DEM được xử lý

trong mô hình HEC-RAS để dự đoán những khu vực có nguy cơ lũ lụt ở vùng

đồng bằng Aguán.

- Mehmet C.D. et al. (2009) tiến hành dự báo dòng chảy trên lưu vực

Pracana ở Bồ Đào Nha bằng cách sử dụng mô hình SWAT và ANN. Kết quả

cho thấy mô hình ANN dự báo đỉnh lũ tốt hơn SWAT. Tuy nhiên, nếu xét về giá

trị sai số bình phương trung bình (mean squared error), SWAT lại cho kết quả

tốt hơn. Từ đó, tác giả kết luận ANN là công cụ mạnh mẽ trong dự báo dòng

chảy hàng ngày.

- Malutta S. and Kobiyama M. (2011) thực hiện nghiên cứu ứng dụng

SWAT phân tích lũ ở lưu vực sông Negrinho, Brazil. Trong nghiên cứu này, tác

giả đã phân tích những trên lũ lớn gần đây ở mức độ lưu vực bằng cách áp dụng

mô hình SWAT để cho thấy rằng mô hình SWAT là công cụ hữu ích trong phân

tích lũ.

- Winai W. and Kobkiat P. (2011) tích hợp mô hình thủy văn SWAT và mô

hình thủy lực ISIS đánh giá nguy cơ lũ lụt trên lưu vực Nam Loei, Thái Lan. Kết

quả nghiên cứu đã chứng minh việc tích hợp mô hình thủy văn và thủy lực là

một phương pháp hữu ích trong đánh giá lũ lụt, hỗ trợ các nhà quản lý lập kế

hoạch và phát triển các dự án giảm thiểu lũ lụt.

Tại Việt Nam, SWAT bắt đầu du nhập từ năm 1998. Ngay từ thời điểm đó,

mô hình SWAT đã nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Từ những

nghiên cứu nhỏ lẻ, rải rác ở một số khu vực của Việt Nam, đến nay mô hình

SWAT đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực quản lý lưu vực sông trên

cả 3 miền: Bắc, Trung, Nam với những quy mô, mức độ khác nhau. Theo ước

tính sơ bộ, tính đến tháng 11/2012 đã có khoảng 34 nghiên cứu ứng dụng SWAT

được công bố chính thức trên các tạp chí, kỉ yếu hội nghị, trong các luận văn đại


8

học-cao học-tiến sĩ. Bên cạnh đó, còn rất nhiều những nghiên cứu khác chưa

được công bố chính thức nên chưa thể thống kê đầy đủ. Những chủ đề được

quan tâm trong các nghiên cứu ứng dụng SWAT có thể được chia thành các

danh mục như sau: mô phỏng dòng chảy; đánh giá tác động của thay đổi sử

dụng đất, biến đổi khí hậu; xói mòn và bồi lắng; chất lượng nước.

Đối tượng nghiên cứu, sử dụng mô hình SWAT ở Việt Nam rất đa dạng, từ

các nhà nghiên cứu trong các trường Đại học, Viện nghiên cứu đến các cơ quan

quản lý Nhà nước, từ những nhà khoa học trong nước đến các nhà khoa học

ngoài nước. Ở miền Bắc, có thể kể đến Đại học Khoa học Tự nhiên- Đại học

Quốc Gia Hà Nội, Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, Đại học Thủy lợi, Đại học

Kinh tế Quốc dân, Đại học Nông nghiệp Hà Nội, Viện Khoa học Khí tượng

Thủy văn và Môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Ở miền

Trung và Nam, có thể kế đến Đại học Huế, Đại học Bách khoa TPHCM, Đại

học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM, Đại học Nông Lâm TPHCM, Đại học Cần Thơ,

Đại học Tài nguyên và Môi trường TPHCM, Viện Quy hoạch Thủy lợi miền

Nam,…

Với phạm vi ứng dụng rộng khắp các lưu vực trên lãnh thổ Việt Nam, cho

thấy tính phù hợp khi ứng dụng mô hình SWAT trong nghiên cứu thủy văn tại

Việt Nam. Số lượng nghiên cứu ngày càng nhiều với các chủ đề ngày càng

phong phú qua từng năm (từ 2005 đến nay) chứng tỏ mức độ quan tâm ngày

càng lớn của các nhà khoa học, nhà quản lý dành cho mô hình SWAT. Điều này

hứa hẹn triển vọng phát triển mạnh mẽ của SWAT tại Việt Nam trong thời gian

sắp tới. Tuy nhiên, do SWAT là mô hình được phát triển tại Hoa Kỳ nên khi áp

dụng tại Việt Nam cũng đã gây không ít khó khăn cho các nhà nghiên cứu. Cơ

sở dữ liệu sẵn có của chương trình chưa đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tiễn của

từng khu vực nên cần thiết phải bổ sung, biên tập, chỉnh sửa lại. Mặt khác

SWAT là mô hình đòi hỏi số lượng dữ liệu đầu vào rất lớn, trong khi đặc thù ở

Việt Nam là cơ sở dữ liệu nền còn rất thiếu và yếu, lại nằm rải rác, không thống

nhất, tính hợp tác, chia sẻ dữ liệu còn kém nên đã trở thành một trở ngại lớn khi

ứng dụng SWAT. Bên cạnh đó, do khả năng dữ liệu hạn chế nên chỉ có một số ít

nghiên cứu tiến hành hiệu chỉnh và kiểm định mô hình.

Một số nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT ở nước ta trong các lĩnh vực

quản lý lưu vực sông có thể kể đến như:

- Đánh giá việc bồi lắng trong hồ chứa nước của dự án thủy điện sông Hinh

của Trương Hoài Thế Tuyên (2005).


9

- Ứng dụng mô hình thông số phân bố SWAT để đánh giá ảnh hưởng của

việc sử dụng đất đến bồi lắng hồ chứa nước hồ Đại Lải của Phạm Thị Hương

Lan (2005).

- Năm 2005, nhóm tác giả Vũ Tấn Phương, Phạm Thị Hương Lan và

Nguyễn Thị Hải đã tập trung nghiên cứu đánh giá tác động của che phủ rừng tới

dòng chảy và xói mòn tại các lưu vực sông Chảy, sông Bồ và sông Ba. Thông

qua việc tiếp cận lưu vực, nghiên cứu sử dụng công cụ đánh giá đất và nước

(SWAT) để xác định tác động của che phủ rừng tới dòng chảy và xói mòn trên

toànlưu vực. Kết quả cho thấy, mật độ biến động về dòng chảy và xói mòn được

xác định là chịu ảnh hưởng của các yếu tố địa hình,địa chất, lượng mưa, che phủ

rừng và kỹ thuật canh tác..

- Năm 2005, Dự án GTZ nghiên cứu thiết lập bộ thông tin dữ liệu phục vụ

quản lý tài nguyên thiên nhiên ở phía Nam lưu vực sông Krông Ana. Kết quả là

bộ Atlas được xây dựng trên hệ thống GIS, bằng phần mềm ArcGIS 9.1, bộ atlas

bao gồm các số liệu về an sinh kinh tế, khí tượng thủy văn, nông lâm nghiệp.

Đây là bộ dữ liệu giúp cho các tổ chức quản lý lưu vực sông có hiệu quả hơn.

- Nhóm tác giả Nguyễn Thị Bích, Nguyễn Kiên Dũng nghiên cứu ứng dụng

mô hình SWAT tính toán dòng chảy và bùn cát lưu vực sông Sê San (2006).

- Năm 2006, Phạm Tấn Hà đã nghiên cứu tài nguyên nước Tây Nguyên và

vấn đề khai thác sử dụng hiệu quả, từ đó đưa ra các giải pháp quản lý nguồn

nước trong lưu vực.

- Năm 2008, nhóm tác giả Nguyễn Kim Lợi, Nguyễn Hà Trang đã thành

công trong việc ứng dụng mô hình SWAT đánh giá lưu lượng dòng chảy và bồi

lắng tại lưu vực sông La Ngà.

- Năm 2010, Nguyễn Kim Lợi, Huỳnh Thị Thanh Hạnh đã thành công trong

việc Tích hợp GIS và SWAT trong đánh giá tài nguyên nước cho lưu vực sông

Srepok.

1.4. Nguyên lý mô phỏng SWAT

Cho dù nghiên cứu vấn đề gì trong SWAT thì cân bằng nước vẫn là lực chi

phối phía sau tất cả những thứ xuất hiện trong lưu vực. Để dự báo chính xác sự

di chuyển của thuốc trừ sâu, phù sa và dưỡng chất thì chu trình thủy văn được

mô phỏng bởi SWAT cần phải phù hợp với những diễn biến đang xảy ra trong

lưu vực.

Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính

(Susan L.N. et al., 2009):


10

- Pha đất của chu trình thủy văn (Hình 2): kiểm soát lượng nước, phù sa,

dinh dưỡng và thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính.

Hình 2. Sơ đồ chu trình thủy văn trong pha đất

(Nguồn: Susan L.N. et al., 2009)

- Pha nước của chu trình thủy văn (Hình 3): kiểm soát quá trình di chuyển

của dòng nước, quá trình bồi lắng, v.v…diễn ra thông qua hệ thống sông ngòi

của lưu vực đến cửa xả.

Hình 3. Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy

(Nguồn: Susan L.N. et al., 2009)

Pha đất của chu trình thủy văn. SWAT mô hình hóa chu trình nước dựa

trên cơ sở phương trình cân bằng nước sau (Susan L.N. et al., 2009):


11

Trong đó,

- SWt : lượng nước trong đất tại thời điểm t (mm H2O)

- SWo : lượng nước trong đất tại thời điểm ban đầu trong ngày thứ i (mm

H2O)

- t : thời gian (ngày)

- Rday : lượng nước mưa trong ngày thứ i (mm H2O)

- Qsurf : lượng dòng chảy bề mặt trong ngày thứ i (mm H2O)

- Ea : lượng nước bốc hơi trong ngày thứ i (mm H2O)

- wseep : lượng nước thấm vào vùng chưa bão hòa trong ngày thứ i (mm

H2O)

- Qgw : lượng nước ngầm chảy ra sông trong ngày thứ i (mm H2O)

Quá trình chia nhỏ lưu vực thành các tiểu lưu vực và HRUs làm cho việc

mô tả cân bằng nước thêm độ chính xác và tốt hơn.

Trình tự các bước SWAT mô phỏng chu trình thủy văn trong pha đất được

thể hiện trong Hình 4. Các dữ liệu đầu vào và tiến trình liên quan đến pha đất

của chu trình thủy văn bao gồm: khí hậu, thủy văn, thực phủ/ sự phát triển cây

trồng, xói mòn, dưỡng chất, thuốc trừ sâu, quản lý.

Pha nước của chu trình thủy văn. SWAT xác định quá trình di chuyển

nước, phù sa, dưỡng chất và thuốc trừ sâu vào mạng lưới sông ngòi của lưu vực

bằng cách sử dụng cấu trúc lệnh (Williams and Hann, 1972 trích dẫn trong

Susan L.N. et al., 2009, p.20). Thêm vào đó, để thể hiện dòng di chuyển của hóa

chất, SWAT mô phỏng sự biến đổi của hóa chất trong kênh, rạch và sông chính.


12

Hình 4. Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực

(Phỏng theo Susan L.N. et al., 2009)

1.5. Tiến trình mô phỏng SWAT

Mô hình SWAT đòi hỏi rất nhiều dữ liệu đầu vào khác nhau. Tuy nhiên,

không phải tất cả dữ liệu đầu vào đều bắt buộc mà tùy thuộc vào từng nghiên

cứu cụ thể, có thể bỏ qua một số dữ liệu không cần thiết. Nhìn chung, quá trình

thiết lập mô hình SWAT cho bất kỳ ứng dụng nào đều có dạng như Hình 5, bao

gồm sáu bước: (1) chuẩn bị dữ liệu, (2) phân định lưu vực, (3) định nghĩa đơn vị

thủy văn, (4) nhập dữ liệu đầu vào, (5) chạy mô hình, (6) hiệu chỉnh, kiểm định

mô hình.

Trong khuôn khổ của khóa tập huấn này, tiến trình mô phỏng dòng chảy

trong SWAT được thực hiện dưới sự hỗ trợ của phần mở rộng ArcSWAT 2012

chạy trên phần mềm ArcGIS 10.0/10.1.


13

Hình 5. Tiến trình mô phỏng của SWAT


14

CHƯƠNG 2. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ArcSWAT

2.1. Giới thiệu ArcSWAT

ArcSWAT là phần mở rộng của ArcGIS hỗ trợ giao diện tương tác với mô

hình SWAT. Nó được phát triển với phiên bản đầu tiên là AVSWAT2000 trong

ArcView (Di Luzio et al., 2001). Phiên bản mới nhất hiện tại là ArcSWAT 2012

tương ứng với SWAT 2012 chạy trên nền ArcGIS 10.0/10.1.

Giao diện tương tác ArcSWAT hỗ trợ các thao tác liên quan đến xử lý dữ

liệu đầu vào cho mô hình SWAT như địa hình, sử dụng đất, thổ nhưỡng, thời

tiết, quản lý đất đai, sử dụng nước, nguồn điểm/phân tán ô nhiễm,…cho đến việc

thiết lập các thông số của mô hình và kích hoạt chạy SWAT.

Các quy trình chính trong ArcSWAT bao gồm:

- Tạo mới đồ án SWAT

- Phân chia lưu vực

- Phân tích đơn vị thủy văn

- Ghi chép bảng dữ liệu đầu vào

- (Optional) Biên tập cơ sở dữ liệu

- Thiết lập các tùy chọn và chạy mô hình

- Đọc kết quả đầu ra, lưu kịch bản chạy mô hình

- (Optional) Phân tích, hiển thị kết quả đầu ra

- (Optional) Hiệu chỉnh, kiểm định mô hình

2.2. Cài đặt ArcSWAT

2.2.1. Yêu cầu hệ thống

ArcSWAT 2012 yêu cầu cấu hình hệ thống:

- Phần cứng:

+ Tốc độ xử lý 2GHz hoặc nhanh hơn

+ RAM tối thiểu 2GB

+ Ổ cứng còn trống tối thiểu 1GB nếu cài bản tối thiểu (có thể lên tới

2GB nếu cài bản đầy đủ- bao gồm tập dữ liệu mẫu và dữ liệu thổ

nhưỡng của Mỹ)

- Phần mềm (ArcSWAT chạy trên nền ArcGIS 10.0/10.1):

+ Hệ điều hành Microsoft Windows (XP, Windows 7, Server 2008)

+ Microsoft .Net Framework 3.5


15

+ Adobe Acrobat Reader phiên bản 8 hoặc cao hơn

+ ArcGIS: ArcView 10.0 Service Pack 5 (Build 4400) hoặc ArcView

(Basic) 10.1

+ Phần mở rộng ArcGIS Spatial Analyst (ArcGIS 10.0/10.1)

2.2.2. Tiến trình cài đặt ArcSWAT

ArcSWAT 2012 được cài đặt mặc định trong thư mục C:\SWAT\ArcSWAT\

hoặc trong một thư mục khác do người sử dụng chỉ định. Lưu ý nên cài đặt

ArcSWAT trong thư mục chứa quyền truy cập đầy đủ (full permissions) cho tất

cả tài khoản người sử dụng.

1. Trước khi cài đặt, cần chắc chắn rằng:

a) Bạn đã gỡ bỏ phiên bản trước của ArcSWAT sử dụng "Add or

Remove Programs"

b) Bạn có phiên bản ArcGIS phù hợp với phiên bản ArcSWAT 2012.

2. Tải phiên bản ArcSWAT 2012 dưới dạng file nén tại địa chỉ:

http://swat.tamu.edu/software/arcswat/. Sau khi hoàn tất, tiến hành giản nén.

3. Trong thư mục "ArcSWAT_Install”, nhấp đúp chuột vào "setup.exe", xuất

hiện hộp thoại:

Click “OK”, xuất hiện hộp thoại tiếp theo:

4. Click “Next”, chọn “I Agree”, tiếp tục click “Next”.

http://swat.tamu.edu/software/arcswat/


16

5. Click “Next”, sau đó chọn thư mục cài đặt. Thư mục mặc định là

“C:\SWAT\ArcSWAT\”. Có thể chọn thư mục khác nếu bạn muốn. Chọn

“Everyone”, hoặc “Just Me”.

Click “Next”.


17

6. Click “Next”.

7. Khi hoàn tất cài đặt, sẽ hiện ra thông báo sau:


18

8. Click “Close” để hoàn tất cài đặt.

2.2.3. Nội dung bên trong thư mục cài đặt

Thư mục ArcSWAT được tạo ra sau khi cài đặt chứa chương trình

SWAT2012.exe, các thư viện mã nguồn được sử dụng bởi giao diện ArcSWAT,

các thư mục con chứa các tài liệu hướng dẫn ArcSWAT, cơ sở dữ liệu, và các

tập tin ArcMap để hiển thị các lớp bản đồ trong giao diện.

Cấp cao nhất của thư mục cài đặt có dạng như sau:

Thư mục ArcSWATHelp chứa 3 tài liệu:

- ArcSWAT_Documentation_2012.pdf: Tài liệu hướng dẫn sử dụng

ArcSWAT.

- ArcSWAT_FAQ.pdf: Các câu trả lời cho những câu hỏi thường gặp nhất

về cài đặt, định dạng dữ liệu đầu vào, lỗi…

- ArcSWAT_VersionX.X_ReleaseNotes.pdf: Tài liệu mô tả những cập nhật

trong phiên bản hiện hành.

Thư mục Databases chứa:

- Thư mục Example Dat: Thư mục “Example1”, “Example2”, và các tập

dữ liệu đầu vào mẫu cho SWAT.

- ExInputs: Thư mục chứa dữ liệu mẫu đầu vào liên quan đến thời tiết,

nguồn điểm ô nhiễm, hồ chứa, sử dụng đất/thổ nhưỡng, bảng tra dBase, text và

định dạng geodatabase.

- ArcSWAT_WeatherDatabase.mdb: Cơ sở dữ liệu chứa các bảng thống kê

thời tiết theo tháng cho các trạm khí tượng COOP trong nước Mỹ.

- SWAT2012.mdb: Tập tin geodatabase chứa tất các bảng dữ liệu của

SWAT 2012, bao gồm cơ sở dữ liệu cây trồng, tưới tiêu, thổ nhưỡng,…

- SWATOutput.mdb: Khung nền cơ sở dữ liệu mẫu chứa kết quả đầu ra tạo

bởi ArcSWAT.

- SWAT_US_Soils.mdb: Tập tin geodatabase chứa các thông số thổ

nhưỡng STATSGO trong nước Mỹ.


19

- SWAT_US_Soils.idb: Thư mục chứa lớp raster thổ nhưỡng US

STATSGO cho phép kết nối với cơ sở dữ liệu SWAT_US_Soils.mdb.

- SWAT Text Database Files: Lưu cơ sở dữ liệu đuôi “.dat”.

Thư mục LayerFiles chứa các tập tin được ArcSWAT sử dụng trong quá

trình phân chia lưu vực.

2.3. Biên tập dữ liệu đầu vào cho ArcSWAT

Bộ dữ liệu đầu vào cho mô hình SWAT có thể tồn tại ở nhiều định dạng

khác nhau như raster (GRID), vector (shapefile, feature classes), tập tin cơ sở dữ

liệu (MS Access) quản trị thông tin về lưu vực. Những dữ liệu này cần thiết phải

được chuẩn bị trước khi tiến hành chạy mô hình.

2.3.1. Dữ liệu không gian

Mô hình độ cao số (Digital Elevation Model, DEM): ESRI GRID Format

Giá trị độ cao ở dạng số nguyên hoặc số thực cho các giá trị cao.

Đơn vị đo xác định độ phân giải GRID (X, Y) và độ cao (Z) có thể khác

nhau. Ví dụ, độ phân giải GRID có thể là mét trong khi độ cao có thể là

feet.

Độ phân giải GRID được xác định theo một trong các đơn vị sau đây:

meters, kilometers, feet, yards, miles, decimal degrees.

Độ cao được xác định theo một trong các đơn vị sau đây: meters,

centimeters, yards, feet, inches.

Bản đồ sử dụng đất/thực phủ: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format

Danh mục các loại hình sử dụng đất/thực phủ cần phải được phân loại lại

theo các loại cây trồng/thực phủ quy định trong SWAT.

Phương pháp: Tạo bảng tra gán các loại hình sử dụng đất/thực phủ trên bản

đồ tương ứng với các loại cây trồng/thực phủ chứa 4 ký tự mã hóa trong

SWAT (có trong bảng crop/urban trong SWAT2012.mdb) (chi tiết xem

2.3.2).

Bản đồ thổ nhưỡng: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format

Danh mục các loại đất trong bản đồ thổ nhưỡng cần phải được kết nối với

cơ sở dữ liệu đất của Mỹ thông qua giao diện hoặc cơ sở dữ liệu đất tùy

biến cho các loại đất không có trong cơ sở dữ liệu đất của Mỹ.

Phương pháp: Bổ sung các loại đất mới (kèm các thuộc tính) vào trong

bảng usersoil (SWAT2012.mdb). Sau đó, tạo bảng tra gán các loại đất


20

trong bản đồ tương ứng với các loại đất vừa mới thêm vào trong bảng trên

(chi tiết xem 2.3.2).

Mặt nạ DEM: ESRI GRID, Shapefile, Feature Class Format

Mặt nạ DEM chứa 2 giá trị: 0 (không có dữ liệu) và giá trị lớn hơn 0.

Nếu dữ liệu DEM có mặt nạ chồng lên mang giá trị 0 thì khu vực đó sẽ

không được xử lý trong quá trình phân chia lưu vực.

2.3.2. Dữ liệu dạng bảng (table), kí tự (text)

Bảng tra sử dụng đất/thực phủ (dBase, ASCII)

Bảng tra này có thể ở định dạng bảng dBase (*.dbf) hoặc bảng ký tự phân

định bằng dấu phẩy (*.txt).

dBase Table Format (2 cột)

- VALUE: dạng chuỗi (string), mã danh mục sử dụng đất/thực phủ

- LANDUSE: dạng chuỗi 4 ký tự (string 4 chars), mã loại cây trồng/thực

phủ trong SWAT

ASCII (.txt) Table Format

Bảng tra thổ nhưỡng (dBase, ASCII)

Bảng tra này có thể ở định dạng bảng dBase (*.dbf) hoặc bảng ký tự phân

định bằng dấu phẩy (*.txt).

dBase Table Format: Name option (2 cột)

- VALUE: dạng chuỗi (string), mã danh mục đất


21

- NAME: dạng chuỗi 30 ký tự (string 30 chars), tên loại đất trong bảng

usersoil (SWAT2012.mdb) (không chứa kí tự “_”)

ASCII (.txt) Table Format

Bảng tọa độ trạm đo mưa (ASCII)

Bảng tra này cung cấp thông tin vị trí của các trạm đo mưa.

Phiên bản SWAT 2012 chỉ chấp nhận bảng ở định dạng ký tự phân định

bằng dấu phẩy (*.txt).

ASCII Table Format: (5 cột)

Mã số (số nguyên),

Tên (tối đa 8 ký tự),

Vĩ độ, Kinh độ (độ thập phân)

Cao độ (m)

Bảng dữ liệu mưa theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu lượng mưa ngày quan trắc tại từng trạm đo

(mm).

Tên của bảng dữ liệu mưa có dạng “name.txt” với name là tên trạm đo

tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo mưa.



ASCII Table Format


22

YYYYMMDD (năm, tháng, ngày bắt đầu của chuỗi số liệu)

Lượng mưa ngày 1

….

….

….

….

….

….

Lượng mưa ngày n

Bảng tọa độ trạm đo nhiệt độ không khí (ASCII) tương tự Bảng tọa độ

trạm đo mưa

Bảng dữ liệu nhiệt độ không khí theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu nhiệt độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất ngày

quan trắc tại từng trạm đo (oC).

Tên của bảng dữ liệu nhiệt độ không khí có dạng “name.txt” với name là

tên trạm đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo nhiệt độ

không khí.



ASCII Table Format


Nhiệt độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất ngày 1

….

….

….

….

….

….

Nhiệt độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất ngày n

Bảng tọa độ trạm đo bức xạ Mặt Trời, tốc độ gió, độ ẩm không khí tương

đối (ASCII) tương tự Bảng tọa độ trạm đo mưa

Bảng dữ liệu bức xạ Mặt Trời theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ tổng lượng bức xạ Mặt Trời ngày quan trắc tại từng

trạm đo ((MJ/m2/day).

Tên của bảng dữ liệu bức xạ Mặt Trời có dạng “name.txt” với name là tên

trạm đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo bức xạ Mặt

Trời.



23


ASCII Table Format


Lượng bức xạ Mặt Trời ngày 1

….

….

….

….

….

….

Lượng bức xạ Mặt Trời ngày n

Bảng dữ liệu tốc độ gió theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu tốc độ gió trung bình ngày quan trắc tại từng

trạm đo (m/s).

Tên của bảng dữ liệu tốc độ gió có dạng “name.txt” với name là tên trạm

đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo tốc độ gió.



ASCII Table Format


Tốc độ gió trung bình ngày 1

….

….

….

….

….

….

Tốc độ gió trung bình ngày n

Bảng dữ liệu độ ẩm không khí tương đối theo ngày (ASCII)

Bảng tra này lưu trữ số liệu độ ẩm không khí tương đối ngày quan trắc tại

từng trạm đo (số thập phân).

Tên của bảng dữ liệu độ ẩm không khí tương đối có dạng “name.txt” với

name là tên trạm đo tương ứng trong cột NAME của bảng vị trí trạm đo độ

ẩm không khí tương đối.



ASCII Table Format


24


Độ ẩm không khí tương đối ngày 1

….

….

….

….

….

….

Độ ẩm không khí tương đối ngày n

2.4. Tiến trình chạy mô hình SWAT trong ArcSWAT

2.4.1. Kích hoạt ArcSWAT trong môi trường ArcMap (ArcGIS)

Bước 1

- Khởi động ArcMap, tạo tài liệu trống

(Blank Map)

- Trên thanh menu, chọn

Customize/Extensions.

- Chọn các phần mở rộng sau:

+ SWAT Project Manager,

+ SWAT Watershed delineator,

+ SWAT HRU Delineator,

+ Spatial Analyst

Bước 2

- Click Customize/Toolbars, chọn

ArcSWAT để mở giao diện ArcSWAT


25

2.4.2. Tạo mới đồ án SWAT, thiết lập thư mục làm việc và geodatabases

Bước 1. Tạo mới đồ án SWAT

- Click SWAT Project Setup, chọn

New SWAT Project.

- Xuất hiện hộp thoại, chọn No.

Bước 2. Thiết lập thư mục làm việc và geodatabases

- Trong cửa sổ Project Setup, khai báo các thông tin sau:

+ Project Directory: Thư mục lưu trữ đồ án SWAT

+ SWAT Project Geodatabase: Tập tin quản trị của đồ án SWAT

+ Raster Storage: Tập tin lưu trữ raster của đồ án SWAT

+ SWAT Parameter Geodatabase: Tập tin chứa các tham số của SWAT

Quy tắc đặt tên thư mục, tập tin:

- Thư mục lưu trữ đồ án SWAT không nên quá 3 cấp thư mục (vd: E:\WORKING\

SWATDakBla )

- Không nên sử dụng các ký tự sau khi đặt tên và lưu đồ án SWAT: khoảng trắng,

dấu phẩy, -, _, *, &, ^, %, $, ?, #, @, ~, ', ", :, ;, /, \, |

- Độ dài tập tin và thư mục không quá 8 ký tự

- Tên tập tin nên bắt đầu bằng kí tự, KHÔNG dùng số (vd: project1 thay vì 1project).

- Click OK.


26

- Khi đó, đồ án SWAT được tạo ra trong thư mục lưu trữ. Cấu trúc của thư mục này bao

gồm 2 thư mục, 3 geodatabases, và 1 tập tin <Project Directory>.mxd (chính là tập tin

ArcMap đang được sử dụng).

2.4.3. Phân chia lưu vực

Bước 1. Thêm dữ liệu DEM

- Click biểu tượng Add Data trên thanh

công cụ.

- Click chọn dữ liệu DEM trong thư mục

lưu trữ và click Add.

- Khi đó trong cửa sổ Table Of Content,

xuất hiện lớp dữ liệu DEM của lưu vực.


27

Bước 2. Mở chức năng phân chia lưu vực (Watershed Delineation)

- Click Watershed Delineator, chọn Automatic Watershed Delineation.

- Xuất hiện hộp thoại Watershed Delineation. Chức năng của công cụ này là phân chia

lưu vực thành các tiểu lưu vực thông qua quy trình 5 bước: DEM setup, Stream

Definition, Outlet and Inlet Definition, Watershed Outlet(s) Selection and Definition,

Calculation of Subbasin Parameters.

Bước 3. Thiết lập DEM (DEM Setup)

- Click biểu tượng

- Xuất hiện hộp thoại Open DEM với 2 tùy

chọn. Sử dụng tùy chọn Select from Map,

click OK.

- Chọn lớp dữ liệu DEM, click OK.

- Click biểu tượng kiểm tra thông tin thuộc tính của DEM (đơn vị đo, kích thước,

diện tích pixel, hệ tọa độ).

- Khai báo đơn vị đo độ cao (Z-Unit) là mét cho DEM. Click OK.


28

Bước 4. Mô phỏng mạng lưới sông suối

(Stream Definition)

- Chọn tùy chọn DEM-based để tiến hành

mô phỏng mạng lưới sông suối trên lưu

vực.

- Click biểu tượng để tính toán hướng

dòng chảy và dòng chảy tích lũy.

- Xuất hiện hộp thoại thông báo hoàn tất,

click OK.

- Khai báo ngưỡng diện tích tối thiểu của

tiểu lưu vực cần mô phỏng vào ô Area (vd:

2000 ha).

- Click biểu tượng để tiến hành mô

phỏng mạng lưới sông suối và các cửa xả.


click OK.


29

- Kết thúc bước này sẽ tạo ra mạng lưới

sông suối với các điểm liên kết được sử

dụng để định nghĩa cửa xả sau này.

Bước 5. Định nghĩa điểm đổ nước vào, cửa xả

của tiểu lưu vực (Outlet and Inlet Definition)

- Điểm đổ nước vào lưu vực có thể là bất kì

nguồn điểm cấp nước cho lưu vực hoặc một

phần diện tích thượng lưu đổ nước vào lưu vực.

- Cửa xả của tiểu lưu vực là điểm thoát nước

cuối cùng của tiểu lưu vực đó. Nó có thể là điểm

xả nước của đập thủy điện hoặc trạm quan trắc

thủy văn.

Bước 6. Chọn cửa xả của lưu vực (Watershed Outlet(s) Selection and Definition)

- Click biểu tượng để tiến hành chọn cửa xả lưu vực.

- Giữ chuột trái, kéo hình chữ nhật bao phủ cửa

xả lưu vực. Nếu muốn chọn nhiều cửa xả, giữ

phím SHIFT (vd: chọn 1 cửa xả).

- Xuất hiện bảng thông báo số cửa xả được

chọn, click OK.

- Nếu muốn chọn lại cửa xả, click , lặp lại

bước trên.

- Click biểu tượng để phân chia lưu vực

thành các tiểu lưu vực.


30

- Xuất hiện hộp thoại thông báo hoàn tất, click

OK.

Bước 7. Tính toán các tham số của tiểu lưu

vực (Calculation of Subbasin Parameters)

- Click biểu tượng để tiến hành tính toán

các tham số đặc trưng liên quan đến địa hình

của lưu vực và tiểu lưu vực.

- Có thể bỏ qua việc tính toán biểu đồ phân bố độ cao của tiểu lưu vực (Reduced report

output), kiểm tra hình học mạng lưới sông (Skip stream geometry check), tính toán dòng

chảy lớn nhất (Skip longest flow path calculation) để tiết kiệm thời gian xử lý.

- Xuất hiện hộp thoại thông báo hoàn tất, click

OK.

- Nếu cần thêm hồ chứa, click biểu tượng

Bước 8. Thoát hộp thoại phân chia lưu vực

- Click Exit để hoàn tất.


31

Bước 9. Xem báo cáo địa hình lưu vực

- Click chọn chức năng Watershed Report trong Watershed Delineator để xem thống kê

về độ cao trên toàn lưu vực và từng tiểu lưu vực.

2.4.4. Phân tích đơn vị thủy văn

Bước 1. Thêm lớp dữ liệu sử dụng đất,

thổ nhưỡng

- Click biểu tượng Add Data trên thanh

công cụ.

- Click chọn dữ liệu sử dụng đất, thổ nhưỡng trong thư mục lưu trữ và click Add.


32

- Khi đó trong cửa sổ Table Of Content,

xuất hiện lớp dữ liệu sử dụng đất, thổ

nhưỡng của lưu vực.

Bước 2. Định nghĩa lớp sử dụng đất/thổ nhưỡng/độ dốc (Land Use/Soils/Slope

Definition)

- Click HRU Analysis, chọn Land Use/Soils/Slope Definition.

- Định nghĩa lớp sử dụng đất (Land Use Data)

+ Lựa chọn lớp sử dụng đất.


33

+ Xuất hiện hộp thoại thông báo (chú ý: dữ

liệu sử dụng đất cần chồng lớp tối thiểu

95% lên ranh giới lưu vực), click OK.

+ Chọn trường VALUE lưu trữ chỉ số của

các loại hình sử dụng đất. Click OK.

+ Xuất hiện hộp thoại Land Cover Lookup

Table, chọn User Table. Click OK.

1

2


34

+ Chọn bảng tra sử dụng đất (*.txt).

+ Kết quả tra mã các loại hình sử dụng đất

theo SWAT được điền vào cột

LandUseSwat.

+ Click Reclassify để phân loại lại các loại

hình sử dụng đất theo SWAT.

+ Xuất hiện hộp thoại thông báo hoàn tất,

click OK.

- Định nghĩa lớp thổ nhưỡng (Soil Data)

+ Lựa chọn lớp thổ nhưỡng.

1

2


35

+ Các bước tiếp theo làm tương tự như sử dụng đất.

- Định nghĩa lớp độ dốc (Slope)

+ Có 2 phương pháp phân cấp độ dốc:

Single Slope (gán giá trị độ dốc trung bình

cho toàn lưu vực), Multiple Slope (phân

chia độ dốc theo các lớp khác nhau).

+ Nếu chọn phương pháp Multiple Slope,

khai báo số lớp độ dốc (Slope Classes), cận

trên của từng lớp độ dốc (Class Upper

Limit- %).

+ Click Reclassify để phân lớp độ dốc.


36

+ Xuất hiện hộp thoại thông báo hoàn tất,

click OK.

+ Click Overlay để chồng lớp 3 lớp sử

dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc.

+ Xuất hiện thông báo hoàn tất, click OK.

+ Kết quả phân loại sử dụng đất, thổ nhưỡng theo SWAT, phân cấp độ dốc hiển thị

trong Table Of Content.


37

Bước 3. Xem báo cáo chồng lớp sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc

- Click chọn chức năng HRU Analysis Reports trong HRU Analysis để xem thống kê

chồng lớp sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc trên toàn lưu vực và từng tiểu lưu vực.

Bước 4. Định nghĩa đơn vị thủy văn

- Click HRU Analysis.

- Có 3 phương pháp: 1 HRU cho toàn lưu vực

(Dominant Land Use, Soils, Slope), 1 HRU cho từng

tiểu lưu vực (Dominant HRU), nhiều HRU cho từng

tiểu lưu vực (Multiple HRUs).

- Nếu chọn phương pháp Multiple HRUs, khai báo

ngưỡng tỉ lệ (% hoặc diện tích) cho từng lớp dữ liệu.

- Click Create HRUs để bắt đầu tạo HRU.


38

- Xuất hiện hộp thoại thông báo hoàn tất, click OK.

2.4.5. Ghi chép bảng dữ liệu đầu vào

Bước 1. Nhập dữ liệu khí tượng

- Click Weather Station trong Write Input

Tables.

- Xuất hiện hộp thoại Weather Data

Definition.

- Ở mục Weather Generator Data, chọn

bảng WGEN_user lưu trữ dữ liệu thống kê

của trạm đo thời tiết tổng quát.

- Ở mục Rainfall Data, chọn Raingages, Daily (Precip Timestep), bảng tọa độ trạm đo

mưa.

- Ở mục Temperature Data, chọn Climate Stations, bảng tọa độ trạm đo nhiệt độ.

- Các mục còn lại, chọn mặc định. Sau đó, click OK.


39

- Xuất hiện thông báo hoàn tất, click OK.

Bước 2. Ghi chép bảng dữ liệu đầu vào

- Click Write SWAT Input Tables trong

Write Input Tables.

- Xuất hiện hộp thoại Write SWAT

Database Tables.

- Click Select All.

- Click Create Tables.

- Xuất hiện hộp thoại, click Yes.


click OK.


40

2.4.6. Chỉnh sửa dữ liệu đầu vào của SWAT

Chức năng này cho phép người dùng thay đổi giá trị mặc định của dữ liệu

đầu vào trong SWAT. Trong khuôn khổ khóa tập huấn này, chưa cần sử dụng

chức năng này.

2.4.7. Thiết lập các tùy chọn và chạy mô hình

- Click Run SWAT trong SWAT Simulation.

- Xuất hiện hộp thoại Write SWAT Database Tables.

- Khai báo các thông tin sau:

+ Ngày bắt đầu (Starting Date), ngày kết thúc (Ending Date) mô phỏng.

+ Bước thời gian của kết quả đầu ra: ngày (Daily), tháng (Monthly), năm (Yearly).

+ Lựa chọn các tập tin đầu ra muốn in: Print WTR Output.

- Click Setup SWAT Run để cập nhật thiết lập mô hình.

- Xuất hiện hộp thoại hoàn tất, click OK.


41

- Click Run SWAT để bắt đầu tiến trình mô phỏng.


2.4.8. Đọc kết quả đầu ra, lưu kịch bản chạy mô hình

- Click Read SWAT Output trong SWAT

Simulation.

- Lựa chọn các tập tin đầu ra cần nhập vào cơ sở dữ liệu.

Sau đó click Import Files to Database.



42

- Click Open SWATOutput.mdb để xem chi tiết các tập tin đầu ra đã được nhập vào cơ

sở dữ liệu.

- Click Open output.std để xem thống kê kết quả đầu ra của mô hình.

- Click Open input.std để xem thống kê dữ liệu đầu vào của mô hình.


43

- Đặt tên kịch bản, click Save Simulation

để lưu lại kịch bản vừa chạy.


click OK.


44

CHƯƠNG 3. HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG SWAT Plot/Graph

3.1. Giới thiệu SWAT Plot/Graph

SWAT Plot là một công cụ độc lập cho phép người dùng trích xuất kết quả

đầu ra từ SWAT. Người sử dụng có thể trích xuất dữ liệu đầu ra theo đối tượng

sông suối (reach), tiểu lưu vực (subbasin), HRU, ao, hồ chứa trong cùng kịch

bản hay khác kịch bản chạy SWAT. Ngoài ra, nó cũng hỗ trợ tích hợp dữ liệu

quan trắc nhằm đánh giá mô hình. Kết quả trích xuất dữ liệu từ SWAT Plot cho

ra định dạng tập tin *.csv.

SWAT Graph được thiết kế để hiển thị trực quan dữ liệu lấy từ SWAT Plot

dưới dạng đồ thị.

3.2. Cài đặt SWAT Plot/Graph

Tải phiên bản SWATPlot tại địa chỉ:

ftp://ftp.iist.unu.edu/pub/waterbase/SWATPlot.exe

Sau khi hoàn tất, nhấp đúp chuột vào "SWATPlot.exe ", xuất hiện hộp thoại:

Click “Next”, chọn “I accept the agreement”, tiếp tục click “Next”.


45

Chọn thư mục cài đặt, click “Next”.

Click Install.


46

Khi hoàn tất cài đặt, sẽ hiện ra thông báo sau:

Click “Finish” để hoàn tất cài đặt.


47

3.3. Trích xuất, hiển thị kết quả đầu ra từ SWAT

- Khởi động SWAT Plot.

- Lựa chọn thư mục Scenarios. Click OK.

- Chọn thời gian trích xuất dữ liệu (ngày bắt đầu, ngày kết thúc).

- Khai báo kịch bản (Scenario), đối tượng (Source), tiểu lưu vực (Sub-basin), Hru, biến

đầu ra (Variable) cần trích xuất.

- Một số chức năng: thêm (Add plot), xóa (Delete plot), sao chép (Copy plot), di

chuyển lên trên (Move up), di chuyển xuống dưới (Move down).


48

- Click Plot.

- Xuất hiện hộp thoại Save As, đặt tên tập tin lưu. Click Save.

- Ứng dụng SWAT Graph hiển thị kết quả trích xuất dưới dạng đồ thị.


49

3.4. So sánh dữ liệu mô phỏng từ SWAT với dữ liệu quan trắc

- Khai báo tập tin quan trắc (vd: lưu lượng dòng chảy tại trạm Kon Tum).

- Thêm kịch bản mô phỏng lưu lượng dòng chảy (tiểu lưu vực 51) và kịch bản quan

trắc lưu lượng dòng chảy (trạm Kon Tum).

- Click Plot.

- Xuất hiện hộp thoại Save As, đặt tên tập tin lưu. Click Save.


50

- Ứng dụng SWAT Graph hiển thị kết quả trích xuất dưới dạng đồ thị.

- Kết quả so sánh thể hiện qua hệ số tương quan R2 = 0,626, chỉ số NSI = -3,818.

3.5. Hiển thị kết quả đầu ra từ SWAT dưới dạng bản đồ

Kết quả đầu ra của SWAT chỉ đơn thuần là các bảng số liệu hoặc các tập

tin. Để đưa những dữ liệu này hiển thị lên bản đồ theo từng tiểu lưu vực, từng

nhánh sông, cần thiết lập mối liên kết 1:1 dựa theo trường định danh tiểu lưu

vực, nhánh sông.

Ví dụ, chúng ta có bảng số liệu thống kê mức độ xói mòn từ tháng 4-

11/2000 (tấn/ha) của 95 tiểu lưu vực và lớp bản đồ ranh giới tiểu lưu vực.


51

Khi đó, thông qua chức năng Join của ArcGIS, tiến hành nối bảng số liệu

trên vào bảng thuộc tính của lớp ranh giới tiểu lưu vực dựa theo trường định

danh Subbasin. Từ đó, thành lập bản đồ mức độ xói mòn theo từng tiểu lưu vực

như hình dưới đây.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Arnold, J.G., P.M. Allen, and G. Bernhardt. 1993. A comprehensive

surfacegroundwater flow model. J. Hydrol. 142:47-69.

Arnold, J.G., J.R. Williams, A.D. Nicks, and N.B. Sammons. 1990. SWRRB: A

basin scale simulation model for soil and water resources management.

Texas A&M Univ. Press, College Station, TX.

Arnold, J.G., J.R. Williams and D.R. Maidment. 1995. Continuous-time water

and sediment-routing model for large basins. Journal of Hydraulic

Engineering 121(2):171-183.

Bagnold, R.A. 1977. Bedload transport in natural rivers. Water Resources Res.

13(2):303-312.


52

Brown, L.C. and T.O. Barnwell, Jr. 1987. The enhanced water quality models

QUAL2E and QUAL2E-UNCAS documentation and user manual. EPA

document EPA/600/3-87/007. USEPA, Athens, GA.

Chapra, S.C. 1997. Surface water-quality modeling. McGraw-Hill, Boston.

Green, W.H. and G.A. Ampt. 1911. Studies on soil physics, 1. The flow of air

and water through soils. Journal of Agricultural Sciences 4:11-24.

Hargreaves, G.L., G.H. Hargreaves, and J.P. Riley. 1985. Agricultural benefits

for Senegal River Basin. J. Irrig. and Drain. Engr. 111(2):113-124.

Jones, C.A. 1983. A survey of the variability in tissue nitrogen and phosphorus

concentrations in maize and grain sorghum. Field Crops Res. 6:133-147.

Knisel, W.G. 1980. CREAMS, a field scale model for chemicals, runoff and

erosion from agricultural management systems. USDA Conservation

Research Rept. No. 26.

Leonard, R.A. and R.D. Wauchope. 1980. Chapter 5: The pesticide submodel. p.

88-112. In Knisel, W.G. (ed). CREAMS: A field-scale model for chemicals,

runoff, and erosion from agricultural management systems.

U.S. Department of Agriculture, Conservation research report no. 26.

Leonard, R.A., W.G. Knisel, and D.A. Still. 1987. GLEAMS: Groundwater

loading effects on agricultural management systems. Trans. ASAE

30(5):1403-1428.

McElroy, A.D., S.Y. Chiu, J.W. Nebgen, A. Aleti, and F.W. Bennett. 1976.

Loading functions for assessment of water pollution from nonpoint sources.

EPA document EPA 600/2-76-151. USEPA, Athens, GA.

Monteith, J.L. 1965. Evaporation and the environment. p. 205-234. In The state

and movement of water in living organisms. 19th Symposia of the Society

for Experimental Biology. Cambridge Univ. Press, London, U.K.

Nicks, A.D. 1974. Stochastic generation ofthe occurrence, pattern and location

of maximum amount of daily rainfall. p. 154-171. In Proc. Symp. Statistical

Hydrology, Tucson, AZ. Aug.-Sept. 1971. USDA Misc. Publ. 1275. U.S.

Gov. Print. Office, Washington, DC.

Priestley, C.H.B. and R.J. Taylor. 1972. On the assessment of surface heat flux

and evaporation using large-scale parameters. Mon. Weather Rev. 100:81-

92.


53

Ritchie, J.T. 1972. A model for predicting evaporation from a row crop with

incomplete cover. Water Resour. Res. 8:1204-1213.

USDA Soil Conservation Service. 1983. National Engineering Handbook

Section 4 Hydrology, Chapter 19.

USDA Soil Conservation Service. 1972. National Engineering Handbook

Section 4 Hydrology, Chapters 4-10.

Williams, J.R. 1980. SPNM, a model for predicting sediment, phosphorus, and

nitrogen yields from agricultural basins. Water Resour. Bull. 16(5):843-848.

Williams, J.R. 1975. Sediment routing for agricultural watersheds. Water

Resour. Bull. 11(5):965-974.

Williams, J.R. 1969. Flood routing with variable travel time or variable storage

coefficients. Trans. ASAE 12(1):100-103.

Williams, J.R., A.D. Nicks, and J.G. Arnold. 1985. Simulator for water

resources in rural basins. Journal of Hydraulic Engineering 111(6): 970-986.

Williams, J.R. and R.W. Hann. 1978. Optimal operation of large agricultural

watersheds with water quality constraints. Texas Water Resources Institute,

Texas A&M Univ., Tech. Rept. No. 96.

Williams, J.R. and R.W. Hann. 1972. HYMO, a problem-oriented computer

language for building hydrologic models. Water Resour. Res. 8(1):79-85.

Williams, J.R., C.A. Jones and P.T. Dyke. 1984. A modeling approach to

determining the relationship between erosion and soil productivity. Trans.

ASAE 27(1):129-144.

Wischmeier, W.H., and D.D. Smith. 1978. Predicting rainfall losses: A guide to

conservation planning. USDA Agricultural Handbook No. 537. U.S. Gov.

Print. Office, Washington, D. C.

tài liệu hướng dẫn sử dụng swat phiên bản 2012 · pdf file3.4. so...

Documents