Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · PDF...

Chuyên đề SWATCopyright © 2014 | [email protected] 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

KS. Nguyễn Duy Liêm

Điện thoại: 0983.613.551

Email: [email protected]

Bài giảng: Chuyên đề SWAT

(Soil and Water Assessment Tool)

Copyright © 2014 | [email protected] Chuyên đề SWAT 2

1. Tổng quan về mô hình SWAT

(Soil and Water Assessment Tool)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN GIS & TÀI NGUYÊN

What is that?

Chuyên đề SWATCopyright © 2014 | [email protected]

Nội dung

Khái quát về thủy văn, thủy văn học

Thủy văn là gì? Thủy văn học là gì?

Mô hình thủy văn là gì? Phân loại?

Tổng quan về SWAT

Tên gọi, tổ chức phát triển

Mục đích, đặc điểm

Quá trình phát triển

Phạm vi ứng dụng

Nguyên lý mô phỏng SWAT

Tiến trình mô phỏng SWAT

3



Thủy văn

Sự vận động, phân bố của nước trên Trái Đất

Thủy văn học

Khoa học nghiên cứu sự vận động và phân bố của nước trên Trái

Đất

Phạm vi thủy văn học

Các tác động của các quá trình vật lý, hóa học, sinh học của nước

trong tự nhiên và môi trường sống

Số lượng, chất lượng của nước.

Mối liên hệ của nước với tự nhiên, môi trường sống.

4



Nước vận động có tính hệ thống, theo chu trình thủy văn

Theo Dooge (1964), hệ thống là

bất kỳ một cấu trúc, thiết bị hoặc sơ đồ, trình tự nào đó,

thực hay trừu tượng,

được gắn với bước thời gian nhất định,

liên hệ giữa lượng vào (nguyên nhân, năng lượng, thông tin) với

lượng ra (hệ quả, phản ứng, năng lượng).

5



Nước vận động có tính hệ thống, theo chu trình thủy văn

Hệ thống thuỷ văn là các quá trình thuỷ văn (chu trình thuỷ văn)

diễn ra trên thực tế trong một vùng không gian nhất định.

6



Chu trình thuỷ văn

Hệ thống gồm các thành phần là bốc hơi, lượng mưa, dòng chảy

và các pha khác nhau của chu trình.

Các thành phần này tập hợp thành các hệ thống con của chu trình

lớn Để phân tích hệ thống toàn cục, có thể phân tích riêng rẽ

các hệ thống con đơn giản hơn và tổng hợp các kết quả dựa trên

mối quan hệ qua lại giữa chúng.

7



Minh hoạ lưu vực như một hệ thống thủy văn

Cấu trúc của hệ thống là tập hợp các đường đi của dòng chảy trên

mặt đất hoặc trong đất,

Bao gồm cả các dòng chảy nhánh, những dòng này cuối cùng sẽ

nhập lưu tại mặt cắt cửa ra,

Cấu trúc của hệ thống chịu ảnh hưởng của các đặc tính lưu vực

như địa hình, địa chất, thổ nhưỡng, các đặc trưng hình thái lưu

vực và sông.

8



Phân loại mô hình thủy văn theo bản chất

9



Phân loại mô hình thủy văn theo mục đích sử dụng

10



Phân loại mô hình thủy văn

Mô hình vật lý biểu thị hệ thống thật dưới dạng thu nhỏ như mô

hình thủy lực của đập tràn.

Mô hình tương tự có tính chất tương tự như mô hình nguyên thể,

chẳng hạn một số mô hình điện trong thủy lực.

Mô hình toán học miêu tả hệ thống dưới dạng tập hợp các

phương trình toán học, các mệnh đề logic thể hiện quan hệ giữa

các biến và các thông số (đặc trưng số lượng) của mô hình để mô

phỏng hệ thống thủy văn.

11



Đặc điểm của mô hình toán thủy văn

Phản ánh gần đúng hệ thống thủy văn có thật.

Các yếu tố đầu vào (hình dạng, điều kiện biên, lực v.v...) và sản

phẩm đầu ra (tốc độ dông chảy, mực nước, áp suất v.v...) là các

biến thủy văn đo được.

Ưu điểm của mô hình toán thủy văn

Ứng dụng trên quy mô lớn như quy hoạch thoát lũ, công trình

thủy lợi,… trên cấp độ lưu vực,

Giá thành rẻ hơn, cho kết quả nhanh hơn mô hình vật lý,

Thay đổi phương án trong mô hình thực hiện linh hoạt, nhanh

chóng.

Phạm vi ứng dụng rộng rãi, đa dạng

12



Tên gọi:

SWAT là tên viết tắt của cụm từ “Soil and Water Assessment

Tool”.

Tổ chức phát triển:

Đây là mô hình thủy văn ở cấp độ lưu vực được phát triển bởi

USDA Agricultural Research Service (USDA-ARS) và Texas A&M

AgriLife Research, thuộc Texas A&M University System.

Trang chủ SWAT: http://swat.tamu.edu/

Mục đích:

Mô phỏng chất và lượng tài nguyên nước mặt, nước ngầm,

Dự báo tác động môi trường (đất, nước) của hoạt động sử dụng

đất đai và biến đổi khí hậu.

13

http://swat.tamu.edu/



Đặc điểm:

Dựa trên cơ sở các quá trình vật lý

Yêu cầu dữ liệu đầu vào bao gồm: địa hình, quản lý sử dụng đất/thực phủ, thổ nhưỡng, thời tiết

Có thể mô phỏng cho những lưu vực mà ở đó chưa có dữ liệu quan trắc,

Đánh giá được tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào (thay đổi sử dụng đất, biến đổi khí hậu) đến tài nguyên đất, nước.

Sử dụng nguồn dữ liệu đầu vào từ GIS

Dữ liệu GIS được thu thập từ nhiều cơ quan khác nhau

Khả năng tính toán tối ưu

Ngay cả đối với các lưu vực rộng lớn với thời gian tính toán ngắn, tốn ít tàinguyên máy tính

Đánh giá tác động lâu dài

Mô phỏng tác động theo chuỗi thời gian liên tục lâu dài (ngày, tháng, năm, thế kỉ,…)

14



Giai đoạn hình thành sơ khai

SWAT kết hợp các đặc trưng từ nhiều mô hình của ARS và là kết quảthừa kế trực tiếp từ mô hình SWRRB (Simulator for Water Resources in Rural Basins) (Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990).

Những mô hình góp phần vào sự phát triển của SWAT bao gồm:

CREAMS (Chemicals, Runoff, Erosion from Agricultural Management Systems) (Knisel et al., 1980),

GLEAMS (Groundwater Loading Effects on Agricultural Management Systems) (Leonard et al., 1987),

EPIC (Erosion Productivity Impact Calculator) (Williams et al., 1984), sau đổithành Environmental Impact Policy Climate,

ROTO (Routing Outputs to Outlet) (Arnold et al., 1995),

QUAL2E (Enhanced Stream Water Quality Model) (Brown and Barnwell, 1987).

15

CREAMS EPIC SWRRB SWAT

1970’s 1980’s 1990’s

GLEAMS QUAL2E ROTO



Giai đoạn ra đời, bước đầu phát triển

Đầu những năm 1990s, mô hình SWRRB và ROTO đã được kết

hợp thành một mô hình duy nhất, có tên gọi là SWAT. Sau này

đến phiên bản SWAT96.2, mô hình QUAL2E được thêm vào.

Kể từ thời điểm ra đời, SWAT liên tục trải qua nhiều lần cải tiến

nhằm mở rộng khả năng mô phỏng với nhiều phiên bản khác

nhau bao gồm:

SWAT94.2, SWAT96.2, SWAT98.1, SWAT99.2,

SWAT2000, SWAT2005, SWAT2009, SWAT 2012 (đang xây dựng)

16



Định hướng phát triển hiện tại, tương lai

SWAT tiếp tục được phát triển, tập trung chính vào các mảng sau:

Phạm vi mô phỏng -- Thời gian và không gian

Tính sẵn có và chất lượng của dữ liệu đầu vào -- Thời tiết, thuỷ văn, Thổnhưỡng, Hoạt động sản xuất nông nghiệp

Hiệu chỉnh và phân tích tính bất định

Mô phỏng theo thời gian thực

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

Hợp tác phát triển mô hình -- CGIAR, ISRIC

Đào tạo, truyền thông

Nhiều tùy chọn cho người sử dụng SWAT

SWAT 2005, 2009, 2012

ArcGIS (ArcSWAT), Map Window (MWSWAT), SWAT-CUP (Calibration and Uncertainty Program), SWAT Plot/Graph, VIZSWAT (Output Vizualization)

Tài liệu hướng dẫn đa ngôn ngữ

17



Sơ đồ phát triển của SWAT

18



Phạm vi ứng dụng

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

quản lý tổng hợp lưu vực mạnh mẽ.

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.

Ai là người sử dụng SWAT?

> 500 người sử dụng, 30 nhà phát triển

> 100 học viên cao học, nghiên cứu sinh đang sử dụng SWAT

> 1000 bài báo nghiên cứu về SWAT

19



Hội nghị, tập huấn SWAT

20



Ứng dụng SWAT tại Việt Nam

SWAT du nhập vào Việt Nam từnăm 1998

> 100 nghiên cứu về SWAT (tạpchí, kỉ yếu hội thảo, luận văn thạcsĩ, luận án tiến sĩ)

Các chủ đề chính:

Mô phỏng thủy văn,

Đánh giá thay đổi sử dụng đất/biếnđổi khí hậu,

Nghiên cứu xói mòn/bồi lắng,

Mô phỏng chất lượng nước,

Kiểm soát lũ lụt

Một số khó khăn:

Cơ sở dữ liệu đầu vào

Thông số mô hình

21



Chu trình thủy văn và cân bằng nước là động lực chi

phối mọi quá trình diễn ra trong lưu vực.

22

Quá trình

trên đất

Quá trình trong dòng chảy

Hệ thống lưu vực SWAT



Mô hình thủy học trong lưu vực được phân chia thành

hai nhóm chính (Susan L.N. et al., 2009):

Pha đất của chu trình thủy văn: kiểm soát lượng nước, phù sa,

dinh dưỡng và thuốc trừ sâu từ mỗi tiểu lưu vực đổ ra sông

chính.

Pha nước của chu trình thủy văn: 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.

23


Bốc thoát nước

Ea Mưa

Rday

Tầng rễ cây

Tầng không

bão hòa

Tầng nước

ngầm nông

Tầng ngăn

Tầng nước

ngầm sâu

Thấm/Rễ cây hút nước,

Nước trong đất

Thấm ngược từ tầng

nước ngậm nông

Thấm vào tầng

nước ngậm nông

Dòng chảy ra khỏi lưu vựcThấm vào tầng nước

ngậm sâu

Dòng chảy mặt

Dòng chảy trễ

Dòng chảy

hồi quy

Qsurf

wseep

SWt

Qgw

SWt = SWo +

i=1

t

(Rday − Qsurf − Ea − wseep − Qgw)Sơ đồ chu trình thủy văn

trong pha đất


Sơ đồ các quá trình diễn ra trong dòng chảy

Phân hủy sinh học

Quang phân

Thủy phân

Bay hơi vào

khí quyển

huyền phù

Nồng độ sinh học


Tiến trình mô phỏng SWAT

26

Cơ sở dữ

liệu SWAT

Tham số

hóa

Mô hình

SWAT

Hiệu chỉnh,

kiểm tra

Kiểm định

Thông số

đầu ra

DEM

Thủy

văn

Sử dụng

đất

Thổ

nhưỡng

Thời

tiết

Phân định lưu vực

Định nghĩa HRUs Chạy

Trạm thời tiết

Dữ liệu đầu vào Tiến trình, Hiển thị


Câu hỏi ôn tập

Quá trình hình thành, phát triển của SWAT

Đặc điểm của mô hình SWAT

Mô tả phương trình cân bằng nước trong SWAT

27


Câu hỏi kiểm tra

Trên lớp

Trình bày vai trò của máy tính đến sự phát triển của mô hình toán

thủy văn nói chung, mô hình SWAT nói riêng?

Phân tích mối liên hệ giữa GIS và mô hình SWAT?

Về nhà

Làm thế nào xác định một dữ liệu bất kì có phải dữ liệu GIS hay

không? Cho 2 ví dụ minh họa tương ứng cho 2 trường hợp: là dữ

liệu GIS, không phải dữ liệu GIS?

28

Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · PDF...

Documents

Transcript of Bài giảng Chuyên đề SWAT (Soil and Water Assessment Tool · PDF...