Wed11222017

Last update02:00:00 PM GMT

Nghiên cứu chi tiết tài nguyên nước mặt và khả năng áp dụng mô hình thường được sử dụng để tính toán chi tiết tổng lượng và chất lượng nước mặt cung cấp cho các hồ treo tại cao nguyên đá Đồng Văn

Giải pháp cấp nước bằng hồ treo cho các vùng khan hiếm nước của tỉnh Hà Giang đã được nghiên cứu trong đề tài khoa học "Hồ treo cấp nước cho các vùng khan hiếm nước của tỉnh Hà Giang" được thực hiện bởi phòng Địa kỹ thuật - Viện Địa chất - Viện KH&CNVN từ năm 1998 do Tiến sỹ Vũ Cao Minh làm chủ nhiệm đề tài. Đến năm 2002 và 2005 hai hồ treo đã hình thành - đây là công trình điểm. Kết quả của đề tài cũng là thành công sau nhiều năm đầu tư trí tuệ công sức của tập thể cán bộ kỹ thuật phòng Địa kỹ thuật.

Mặt khác từ khi có chương trình xây dựng các hồ treo trên địa bàn huyện Đồng Văn đã thực sự mang lại hiệu quả giúp người dân địa phương có đủ nước sinh hoạt trong mùa khô. Tuy nhiên, đã có một vài hồ treo do nhiều nguyên nhân vào mùa mưa vẫn không tích được nước phục vụ cho người dân. Hiện nay, trên địa bàn huyện Đồng Văn có tổng cộng 33 hồ treo các loại. Trong đó có 32 hồ đã được đưa vào sử dụng và 1 hồ đang trong quá trình xây dựng. Hồ treo được xây dựng sớm nhất từ năm 2002 đến nay đã trên 10 năm được đưa vào sử dụng. Đã có 18/19 xã, thị trấn của huyện được đầu tư xây dựng hồ treo, nhiều xã có đến 2 đến 3 hồ. Các hồ treo đã và đang sử dụng phục vụ nước sinh hoạt cho khoảng 2.500 hộ dân trên địa bàn huyện. Hồ treo đã thật sự giúp đỡ người dân bớt đi khó khăn vào mùa khô khi nước sinh hoạt trên địa bàn huyện khan hiếm. Bên cạnh rất nhiều hồ treo phát huy hiệu quả thì đã có một vài hồ treo không tích được nước do nhiều nguyên nhân.

Hồ treo Sà Phìn A thuộc xã Sà Phìn được đưa và sử dụng từ năm 2009 do UBND huyện Đồng Văn làm chủ đầu tư với tổng mức đầu tư trên 4 tỷ đồng. Theo thiết kế, khi đi vào sử dụng hồ treo có thể cung cấp nước sinh hoạt cho hầu hết các hộ dân tại trung tâm xã. Tuy nhiên theo phản ánh của nhân dân, thì do nguồn nước cung cấp cho hồ đã cạn nên hồ tích được rất ít nước có khi chưa đến mùa khô thì hồ đã cạn. Cũng tại thôn Sà Phìn A có một hồ nước có hiện tượng tương tự, công trình đã có hiện tượng xuống cấp, lượng nước đo được chỗ sâu nhất chỉ khoảng 60cm; theo tìm hiểu của phóng viên thì được biết hồ được xây dựng từ lâu nên nền láng xi măng đã xuống cấp, ngoài ra đường ống dẫn nước nguồn vào bể cũng đã bị hư hỏng không có khả năng dẫn nước. Ngoài các hồ trên còn có một vài hồ như hồ trung tâm xã Tả Lủng, hồ Vần Chải B xã Vần Chải cũng không tích được lượng nước theo yêu cầu để có thể phục vụ đủ nước sinh hoạt cho người dân vào mùa khô.

Mặc dù hiện nay là mùa mưa, nhưng nhiều hồ treo trên địa bàn huyện Đồng Văn đã không có nước. Vậy, vấn đề đặt ra là đến mùa khô năm nay cuộc sống của các hộ dân ở những khu vực này như thế nào? Thiết nghĩ: chính quyền địa phương nên có các biện pháp cụ thể để đảm bảo việc chứa nước tại các hồ treo, có thể cung cấp nước sinh hoạt cho người dân được bền vững.

Xuất phát từ những lý do trên, nên việc đánh giá chi tiết lượng nước mưa, nước mặt khu vực cao nguyên đá Đồng Văn cung cấp cho các hồ treo là rất cần thiết, qua đó đánh giá được hiệu quả của các hồ treo mang lại và xác định được các nguyên nhân tồn tại chủ yếu gây ra hiện tượng vào mùa mưa nhiều hồ treo trên địa bàn huyện Đồng Văn không có nước.

Hiện nay để đánh giá chi tiết lượng nước mưa, nước mặt khu vực cao nguyên đá Đồng Văn, có thể sử dụng các mô hình thủy văn (như các mô hình TANK, SSARR, SWAT...) để tính toán. Bên cạnh đó để đánh giá chất lượng nước mặt, hiện nay thường sử dụng các mô hình thủy lực. Tuy nhiên qua phân tích sau đây, đề tài sẽ sử dụng mô hình Swat để tính toán chi tiết tổng lượng và chất lượng nước mặt cung cấp cho các hồ treo:

Mô hình SSARR:

Tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa. Đặc điểm của mô hình: Xây dựng một sơ đồ hình thế cho hệ thống sông, bao gồm:

- Các lưu vực bộ phận sinh dòng chảy.

- Điều kiện thủy văn tương đối đồng nhất.

- Các đoạn sông diễn toán lũ

- Các hồ chứa.

- Các đoạn sông xử lý nước vật.

- Các điểm nối và tổng hợp dòng chảy.

Kết quả tính toán phụ thuộc vào việc xác định các thông số và các quan hệ vật lý, chỉ số, chỉ tiêu được xác định khá mềm dẻo.

Nhược điểm: sử dụng nhiều quan hệ dưới dạng bảng làm cho việc điều chỉnh mô hình gặp nhiều khó khăn và khó tối ưu hóa.

Mô hình TANK:

Lưu vực được mô phỏng bằng chuỗi các bể chứa xếp theo tầng và cột phù hợp với hình dạng lưu vực, cấu trúc thổ nhưỡng, địa chất,… Mưa trên lưu vực được xem như lượng vào của bể chứa trên cùng. Mỗi bề chứa đều có một cửa ra ở đáy. Mô hình đơn giản nhất là kiểu cột bể TANK đơn: 4 bể trên một cột. Phù hợp cho các lưu vực nhỏ có độ ẩm cao.

Mô hình phức tạp hơn là mô hình TANK kép gồm một số cột bể mô phỏng quá
trình hình thành dòng chảy trên lưu vực, và các bể mô tả quá trình truyền sóng lũ trong
sông.

Ưu điểm: Ứng dụng tốt cho lưu vực vừa và nhỏ. Khả năng mô phỏng dòng chảy tháng, dòng chảy ngày, dòng chảy lũ.

Nhược điểm: có nhiều thông số nhưng không rõ ý nghĩa vật lý nên khó xác định trực tiếp. Việc thiết lập cấu trúc và thông số hóa mô hình chỉ có thể thực hiện được sau
nhiều lần thử sai, đòi hỏi người sử dụng phải có nhiều kinh nghiệm và am hiểu mô hình.

Mô hình SWAT:

Mô hình thuỷ văn SWAT là mô hình thuỷ văn 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.

sp42Tiến trình mô phỏng swat

SWAT là mô hình dùng để dự báo những ảnh hưởng của sự quản lí sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài. Mô hình là sự tập hợp những phép toán hồi quy để thể hiện mối quan hệ giữa giá trị thông số đầu vào và thông số đầu ra.

Mô hình SWAT có những ưu điểm so với các mô hình trước, đó là: lưu vực được mô phỏng mà không cần dữ liệu quan trắc; khi thay đổi dữ liệu đầu vào (quản lí sử dụng đất, khí hậu, thực vật…) đều định lượng được những tác động đến chất lượng nước 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 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 đến như sự tích lũy chất ô nhiễm và những ảnh hưởng đến vùng hạ lưu.

Cho đến nay cũng có nhiều các nghiên cứu ứng dụng mô hình SWAT cho các mục đích đánh giá nguồn nước các lưu vực sông ở Việt Nam. Hầu hết các kết quả nghiên cứu cũng đã khẳng định mô hình SWAT có khả năng ứng dụng tốt trong đánh giá, dự báo chất lượng nước các sông, suối và hồ ở Việt Nam.

Tổng quan nguồn nước ngầm karst, và các phương pháp khai thác sử dụng khai thác, sử dụng nguồn nước vùng karst Đông Bắc tại Việt Nam

Những nghiên cứu về khai thác, sử dụng nguồn nước ngầm karst đã có lịch sử phát triển lâu dài và rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới như Liên Xô, Pháp, ý, Áo... Những nghiên cứu được công bố sớm nhất vào những năm cuối thế kỷ 19. Một trong những công trình nghiên cứu về khai thác nguồn nước karst và nước ngầm ở vùng karst đầu tiên là nhà khoa học Martel.E.A người Pháp, năm 1894. Nhà khoa học này đã đưa ra hàng loạt những nghiên cứu về nước ngầm karst, sự vận động của nước karst và các giải pháp khai thác, sử dụng bền vững trong nguồn nước karst. Cũng trong thời gian này, nhà khoa học người đức Cvijic.J cũng đưa ra những nghiên cứu của mình về nước ngầm karst và sự vận động của nước karst, khả năng khai thác nguồn nước karst. Năm 1903, nhà khoa học người Đức đã có công trình nghiên cứu về nước karst ở vùng Westbonien. Bắt đầu từ những năm đầu thế kỷ 20 đến nay, đã xuất hiện nhiều công trình nghiên cứu về nước karst và khả năng khai thác bền vững trong nguồn nước này và các giải pháp khai thác, sử dụng bền vững trong nguồn nước phục vụ phát triển kinh tế xã hội khu vực hiệu quả. Một trong các công trình nghiên cứu đó là các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trường đại học Montpellier (Pháp) về quy luật phân bố, vận động và các giải pháp khai thác sử dụng nguồn nước karst.

Về các mô hình khai thác nước, hiện nay trên thế giới đang sử dụng rất nhiều mô hình khai thác nước từ truyền thống đến hiện đại. Dưới đây tổng hợp một số mô hình khai thác nước dưới đất đã và đang được áp dụng trên thế giới.

Nước dưới đất trong các tầng chứa nước khe nứt karst trên thế giới thường được khai thác bằng các giếng khoan và mạch lộ. Các hình thức khai thác này là phổ biến trên toàn thế giới, chúng có những điểm thuận lợi và khó khăn khác nhau.

Hiện nay, việc khai thác, sử dụng nguồn nước vùng karst Đông Bắc có nhiều phương pháp khác nhau, trong đó chủ yếu có các phương pháp sau:

Giếng đào: Cho đến nay giếng đào vẫn là biện pháp khai thác nước ngầm trong vùng karst một cách thủ công và phổ biến. Đối tượng khai thác thường là nước ngầm nằm nông trong các đới karst bề mặt bị phủ một phần hoặc toàn bộ. Các bề mặt này thường rộng, phẳng và nằm ở phần thấp của địa hình và thường là các cánh đồng hoặc thung lũng karst. Mực nước ngầm ở các khu vực như vậy thường nằm ở độ sâu 3 - 5m tới 20m.

Giếng khoan đứng: là biện pháp truyền thống và phổ biến nhất để khai thác nước ngầm ở vùng karst. Biện pháp này đã được áp dụng ở Việt Nam và trên thế giới. Trong khai thác nước ở vùng đá vôi, nhiều nước đã áp dụng thêm các biện pháp nổ mìn và axit hoá để mở rộng phạm vi đới thu nước. Giếng khoan đứng là biện pháp dễ thi công, kinh tế, có thể cấp nước với khối lượng lớn cho các cụm dân cư lớn, các khu công nghiệp.

Giếng khoan nghiêng và khoan ngang

Khoan nghiêng và ngang là các cải tiến về công nghệ của khoan đứng. Nhiều nước, mà đặc biệt là các tổ hợp khai thác dầu khí đã sử dụng khoan nghiêng để tăng sản lượng khai thác. Trong lĩnh vực nước ngầm, khoan nghiêng - ngang cũng đã thể hiện các ưu thế vượt trội đối với khai thác nước trong các đới chứa nước hẹp, các tầng chứa nước mỏng, các điểm chứa nước cao ngang sườn đồi núi,… Ở một số trường hợp khó khăn về địa hình, địa vật (sông suối, công trình,…) không thể sử dụng khoan đứng thì vẫn có thể sử dụng khoan nghiêng để tiếp cận đới chứa nước. Tại Việt Nam, Trung tâm Ứng dụng và Chuyển giao công nghệ - Viện Cơ học đã phối hợp với một số công ty tiến hành khoan ngang để dẫn nước karst từ hang động sâu ra sườn núi thuộc khu vực Tạ Đú - Mèo Vạc. Lưu lượng nước từ hang sâu chảy ra đạt tới 1 - 3l/s. Đây là giải pháp rất hữu hiệu, có thể thay thế một phần giải pháp bơm hút vẫn dùng bấy lâu nay.

Vách nhả nước và hồ treo:

Mô hình này chỉ áp dụng tại các nơi có thể chứa nước khe nứt Epikarst phát triển mà điều kiện sử dụng các kỹ thuật khai thác cấp nước khác (khoan, bơm hút, dẫn từ nơi khác đến...) rất khó khăn. Trên các sườn núi đá vôi thì đây là biện pháp tương đối mới để khai thác nguồn nước vách núi (epikarst) nằm cao.

sp41Hồ treo

Bơm hút nước từ hang động, mạch nước: là biện pháp phổ biến ở hầu hết các vùng đá vôi. Tuỳ vào chênh lệch mực nước trong hang và địa hình bề mặt mà sử dụng bơm hút hoặc bơm đẩy. Lưu lượng bơm hút phụ thuộc vào lưu lượng khai thác cho phép và công suất máy. Ở Việt Nam, hầu hết các địa phương có hang động chứa nước đều sử dụng bơm hút để khai thác. Phần lớn nguồn nước cấp cho thành phố Sơn La được bơm hút từ nước hang động nằm trong phạm vi thành phố. Ngay tại cao nguyên đá Đồng Văn các địa phương đã sử dụng bơm để hút nước trong các hang động nằm trên độ cao 1400 - 1500m.

Khai thác nước từ các mạch nước:

Có thể nói, đây là mô hình và giải pháp khai thác sử dụng nước ngầm vùng karst hiệu quả nhất. Ở Việt Nam, hình thức khai thác nước từ các mạch nước đã được các đô thị, Trung tâm Nước sinh hoạt và Vệ sinh môi trường nông thôn của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, của các địa phương áp dụng và xây dựng ở hàng trăm các mạch nước, như mạch nước mắt rồng ở Thái Nguyên, mạch nước ngầm vùng Karst Bắc Sơn…

Đập - cống điều tiết nước hang động

Đây là biện pháp mới thử nghiệm trên thế giới và Việt Nam xong đã có diện áp dụng rộng. Biện pháp này dựa vào nguyên lý tương tự coi hệ thống dòng chảy karst ngầm dưới mặt đất gần giống hệ thống sông suối trên mặt. Như vậy, có thể chặn các hang động để dâng nước, tạo nên các hồ chứa ngầm trong lòng núi và sử dụng nước vào mục đích sinh hoạt, sản xuất, phát điện,…

Đê đập hồ nổi: Mô hình này hiện đang được triển khai để thu và trữ nước cho đảo Cát Bà. Điều kiện để áp dụng là nơi có nhu cầu trữ nước để sử dụng. Có nguồn nước ở dạng các điểm xuất lộ tập trung có lưu lượng tương đối lớn hoặc dòng chảy ngầm xuất lộ, có địa hình thích hợp để xây dựng hồ chứa. Tùy vào điều kiện địa hình và hệ thống hang động có thể có hồ có mặt thoáng hoàn toàn hoặc nửa nổi nửa ngầm. Ở vùng Đông Bắc, có nhiều vùng thấp là các thung lũng giữa núi, có nguồn cấp, có thể xây dựng các hồ nổi được bao quanh một phần bằng hệ thống đê đập. Đáng kể là các khu vực ở Cao Bằng, Bắc Kạn, Lạng Sơn.

Hồ đáy van

Hồ đáy van là loại hình chứa nước ngầm karst chảy lên vào mùa mưa để trữ lại cho mùa khô. Ở một số vùng karst trũng thấp, vào mùa mưa nước trào lên mặt đất theo các hang hốc hoặc có áp lực cao hơn bề mặt địa hình trũng. Vào mùa khô, mực nước ngầm hạ thấp gây khó khăn cho các biện pháp khai thác truyền thống. Trong trường hợp này có thể sử dụng hồ đáy van có dung tích lớn (tới 1 triệu m3) để thu trữ nước này. Biện pháp công nghệ chủ yếu là van 1 chiều được lắp đặt nơi miệng hố nước. Khi nước chảy lên ép vào làm van mở cho nước chảy vào bể chứa. Khi nước rút xuống van đóng lại theo hướng chảy.

Khái niệm về mô hình SWAT và khả năng ứng dụng trong ngành quản lý tài nguyên nước

SWAT là mô hình thủy văn phân phối được xây dựng bởi Trung tâm phục vụ nghiên cứu nông nghiệp (Agricultural Research Service) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (United States Department of Agriculture) và Trung tâm nghiên cứu nông nghiệp (Texas A&M AgriLife Research) thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ vào đầu những năm 1990 với mục đích dự báo những ảnh hưởng của thực hành quản lý sử dụng đất đến nước, sự bồi lắng và lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực rộng lớn và phức tạp trong khoảng thời gian dài. Một trong những mô-đun chính của mô hình này là mô phỏng dòng chảy từ mưa và các đặc trưng vật lý trên lưu vực. 

Mô hình SWAT được phát triển liên tục trong gần 30 năm qua. Phiên bản đầu tiên của SWAT là mô hình USDAARS bao gồm chất hóa học, dòng chảy và xói mòn từ mô hình hệ thống quản lý nông nghiệp (CREAMS), mô hình đánh giá tác động của lượng nước ngầm đến hệ thống quản lý nông nghiệp (GLEAMS), và mô hình đánh giá tác động của chính 14 sách khí hậu đến môi trường (EPIC). Mô hình SWAT là phiên bản trực tiếp của mô hình tính toán tài nguyên nước trong lưu vực – SWRRB, được xây dựng để tính toán tác động của quản lý lưu vực đối với chuyển động của nước, bùn cát. 

s__pht_trin_ca_swatSơ đồ phát triển của SWAT

Mô hình SWAT được xây dựng để đánh giá tác động của việc sử dụng đất, của xói mòn và việc sử dụng hoá chất trong nông nghiệp trên một hệ thống lưu vực sông. Mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở về mặt vật lý, bên cạnh đó kết hợp các phương trình hồi quy mô tả mối quan hệ giữa những biến đầu vào và đầu ra, mô hình yêu cầu thông tin về thời tiết, thuộc tính của đất, tài liệu địa hình, thảm phủ, và việc sử dụng đất trên lưu vực. Những quá trình vật lý liên quan đến sự chuyển động nước, sự chuyển động bùn cát, quá trình canh tác, chu trình chất dinh dưỡng, … đều được mô tả trực tiếp trong mô hình SWAT qua việc sử dụng dữ liệu đầu vào này. Mô hình chia lưu vực ra làm các vùng hay các lưu vực nhỏ. Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong mô hình khi mô phỏng dòng chảy là rất tiện lợi khi mà các lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất ...

Xét về toàn lưu vực thì mô hình SWAT là một mô hình phân bố. Mô hình này chia dòng chảy thành 3 pha: pha mặt đất, pha dưới mặt đất (sát mặt, ngầm) và pha trong sông. Việc mô tả các quá trình thuỷ văn được chia làm hai phần chính: phần thứ nhất là pha lưu vực với chu trình thuỷ văn kiểm soát khối lượng nước, bùn cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các kênh chính của mỗi lưu vực. Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ tới hệ thống kênh và tới mặt cắt cửa ra của lưu vực.Mô hình SWAT có nhiều ưu điểm so với các mô hình tiền thân như:

- Cho phép mô hình hóa các lưu vực không có mạng lưới quan trắc, mô phỏng tác động của thay đổi dữ liệu đầu vào như sử dụng đất, thực hành quản lý đất đai và khí hậu.

-  Giao diện tích hợp trong GIS tạo thuận tiện cho việc định nghĩa lưu vực, cũng như thao tác, xử lý các dữ liệu không gian và dữ liệu dạng bảng liên quan.

-  Trong trường hợp dữ liệu đầu vào hạn chế, SWAT vẫn có thể mô phỏng được.

- Ngoài ra, với khả năng tính toán hiệu quả, SWAT có thể mô phỏng các lưu vực rộng lớn với nhiều dạng thực hành quản lý đất đai mà không tốn nhiều thời gian và tài nguyên máy tính.

- Cuối cùng, SWAT là mô hình theo thời gian liên tục nên có thể mô phỏng tác động lâu dài của sử dụng đất, thực hành quản lý đất đai và sự tích tụ của các chất ô nhiễm .

SWAT cho phép mô hình hóa nhiều quá trình vật lý trên cùng một lưu vực. Một lưu vực được phân chia thành các tiểu lưu vực liên kết với nhau bởi một mạng lưới sông suối. Mỗi tiểu lưu vực sau đó được chia thành các đơn vị thủy văn (Hydrologic Response Unit- HRU) dựa trên những đặc trưng đồng nhất về sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc và thực hành quản lý đất đai. Các HRUs chiếm giữ tỉ lệ diện tích khác nhau trong tiểu lưu vực và không có vị trí không gian trong quá trình mô phỏng SWAT. Mô hình SWAT tổng hợp dòng chảy, bồi lắng và tải lượng dưỡng chất từ mỗi tiểu lưu vực, HRU và sau đó dẫn kết quả này vào các kênh dẫn, ao, hồ chứa đến cửa xả lưu vực.

SWAT yêu cầu nhiều lớp dữ liệu đầu vào theo không gian và thời gian. Để hỗ trợ quá trình xử lý, phân tích những dữ liệu này, SWAT sử dụng những công cụ của GIS. Vì vậy, để tạo thuận lợi cho việc sử dụng các mô hình, hiện nay SWAT được tích hợp vào hai phần mềm GIS dưới dạng phần mở rộng miễn phí là ArcSWAT cho ArcGIS và MWSWAT cho MapWindow

Cấu trúc mô hình SWAT: SWAT là mô hình tích hợp, có thể mô phỏng các quá trình diễn ra trong môi trường đất và nước. Mô hình SWAT xem xét nhiều mối quan hệ, nhiều biến khi giải quyết bài toán môi trường. Điều này giúp người sử dụng có thế đánh giá chất lượng nước và đất trong thời gian dài trên khu vực rộng lớn và phức tạp. Mô hình SWAT có thể mô phỏng sự lan truyền ô nhiễm điểm và ô nhiễm phân tán trong đất và nước. Mô hình SWAT là công cụ hỗ trợ đắc lực cho người ra quyết định để thực hiện bài toán quy hoạch, giúp dự báo những ảnh hưởng về mặt môi trường khi thay đổi quy hoạch sử dụng đất. Vì vậy cấu trúc của mô hình SWAT thường gồm: mô hình lưu vực và mô hình diễn toán.

Tiến trình mô phỏng mô hình 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 :

tin_trnh_m_phng_swatTiến trình mô phỏng SWAT

Dữ liệu cần thiết được thu thập trong nghiên cứu được mô tả vắn tắt như sau:

Mô hình độ cao số (DEM) được trích xuất từ dữ liệu ASTER GDEM (ASTER Global Digital Elevation Model) ở độ phân giải không gian. Dựa trên nền DEM, mô hình SWAT tiến hành phân chia lưu vực, các tiểu lưu vực cũng như mô phỏng mạng lưới sông suối, các bề mặt thoát nước. Những thông số địa hình như độ dốc địa hình, độ dốc kênh dẫn hoặc chiều dài sông suối cũng được tính toán từ DEM. Trước khi đưa vào mô hình SWAT, dữ liệu DEM đã được hiệu chỉnh về hệ tọa độ UTM WGS84.

Sử dụng đất: Bản đồ hiện trạng sử dụng đất trước khi đưa vào mô hình SWAT, bản đồ sử dụng đất cần được hiệu chỉnh về hệ tọa độ UTM WGS84, với các loại hình sử dụng đất được phân loại lại theo bảng mã sử dụng đất trong SWAT. Bảng mã này quy định mã số của các loại cây trồng, các loại hình che phủ chung, đất đô thị cùng với thuộc tính của chúng, làm cơ sở cho quá trình mô phỏng sự phát triển cây trồng, mô phỏng khu vực đô thị.

Thổ nhưỡng: Trên khu vực nghiên cứu cần thống kê các loại. Trước khi đưa vào mô hình SWAT, bản đồ này đã được hiệu chỉnh về hệ tọa độ UTM WGS84 và được phân loại lại theo mã loại đất của FAO74 tương ứng trong cơ sở dữ liệu thổ nhưỡng của SWAT. Sự chuyển đổi này căn cứ vào tên loại đất, tính chất vật lý, hóa học của đất.

Thời tiết: Số liệu thời tiết cần thiết cho SWAT được thu thập trong nghiên cứu bao gồm lượng mưa, nhiệt độ không khí lớn nhất, nhỏ nhất, bức xạ Mặt Trời, tốc độ gió và độ ẩm tương đối theo ngày. Đối với số liệu mưa và nhiệt độ, dựa trên vị trí phân bố, thời gian đo đạc và chất lượng dữ liệu, nghiên cứu đã lựa chọn và sử dụng số liệu tại các trạm đo nằm trong vùng nghiên cứu. Trước khi đưa vào mô hình SWAT, số liệu thời tiết được biên tập thành các tập tin thời tiết tổng quát (chứa đựng các thông số thống kê thời tiết theo tháng, làm đầu vào cho mô hình vận hành thời tiết WXEN trong SWAT tiến hành mô phỏng thời tiết trong trường hợp khiếm khuyết số liệu quan trắc) và các tập tin thời tiết thành phần (lưu trữ giá trị quan trắc các yếu tố khí tượng).

Thời tiết: Cần tiến hành thu thập số liệu quan trắc lưu lượng dòng chảy nhằm hỗ trợ quá trình hiệu chỉnh và kiểm định mô hình SWAT.

Nghiên cứu khả năng tự bảo vệ của tầng chứa nước DRASTIC

Khả năng tự bảo vệ của một tầng chứa nước khỏi sự ô nhiễm quyết định bởi mức độ nhạy cảm của nó và môi trường bao quanh nó. Mức độ nhạy cảm của tầng chứa nước và môi trường bao quanh càng lớn thì khả năng tự bảo vệ tầng chứa nước khỏi sự ô nhiễm càng thấp và ngược lại.Vì vậy, đánh giá khả năng tự bảo vệ là xem xét đến các nức độ nhạy cảm của hệ thống tầng chứa nước trước những ảnh hưởng của thiên nhiên và con người. Có nhiều phương pháp để đánh giá mức độ tự bảo vệ của tầng chứa nước có thể áp dụng tùy theo điều kiện và số liệu thu thập được của vùng nghiên cứu để áp dụng như phương pháp DRASTIC.

Độ nhạy cảm của các tầng chứa nước được đánh giá như một tổng số của các yếu tố riêng biệt được tính điểm từ 1 đến 10 dựa theo mức độ ảnh hưởng của chúng đối với độ nhạy cảm ô nhiễm . Mỗi mức điểm của một yếu tố DRASTIC được đem nhân với một hệ số đối trọng ( có trị số từ 1 đến 5 ) tuỳ theo mức độ quan trọng của nó trong sự chi phối độ nhạy cảm ô nhiễm ( các hệ số này được ghi trong bảng 1). Các bảng sau đây ( từ bảng 2 đến bảng 8 ) là những thang điểm của từng yếu tố ( ứng với các đặc điểm, các mức độ, các hình loại khác nhau của những yếu tố ấy ). Chỉ số DRASTIC của mỗi vùng ( hay tổng số điểm của yếu tố , có tính đến trọng số nêu trên ) được tính theo công thức sau :

IDR = 5D + 4R + 2A + 2S + 2T + 5I +3C

Trong đó :

D : Số điểm đánh giá yếu tố độ sâu mực nước, chọn theo bảng ...,

R : Số điểm đánh giá yếu tố lượng bổ cập chính ( hay bổ cập chủ yếu ), chọn theo bảng ...,

A : Số điểm đánh giá về yếu tố môi trường tầng chứa nước, chọn theo bảng ..,

S : Số điểm đánh giá về yếu tố môi trường đất mặt, chọn theo bảng ..,

T : Số điểm đánh giá về yếu tố địa hình, chọn theo bảng ...,

I : Số điểm đánh giá yếu tố ảnh hưởng của đới thông khí, chọn theo bảng ...,

C: Số điểm đánh giá yếu tố hệ số thấm của tầng chứa nước, chọn theo bảng...

Theo chỉ số DRASTIC , mức độ nhạy cảm ô nhiễm của tầng chứa nước được phân cấp như sau:

1 – Nhạy cảm ô nhiễm rất cao ( IDR > 180 )

2 – Nhạy cảm ô nhiễm cao ( IDR = 160 – 179 )

3 – Nhạy cảm ô nhiễm trung bình ( IDR = 140 – 159 )

4 – Nhạy cảm ô nhiễm thấp ( IDR = 120 – 139 )

5 – Nhạy cảm ô nhiễm rất thấp ( IDR < 120 ).

Bảng … : Hệ số đối trọng ( trọng số) của các yếu tố đặc trưng DRASTIC

( Theo Aller và nnk, 1985 )

Các yếu tố đặc trưng

Hệ số đối trọng

Độ sâu mực nước

5

Lượng bổ sung chính

4

Môi trường tầng chứa nước

3

Môi trường lớp phủ

2

Địa hình

2*

Ảnh hưởng của đới thông khí

5

Hệ số thấm của tầng chứa nước

3



Lưu ý: * Trọng số của yếu tố địa hình được một số nhà nghiên cứu ( đặc biệt các chuyên gia Canada) đề nghị cải biên thành giá trị bằng: 1.

Khả năng tự bảo vệ của một tầng chứa nước khỏi sự ô nhiễm quyết định bởi mức độ nhạy cảm của nó và môi trường bao quanh nó. Mức độ nhạy cảm của tầng chứa nước và môi trường bao quanh càng lớn thì khả năng tự bảo vệ tầng chứa nước khỏi sự ô nhiễm càng thấp và ngược lại.Vì vậy, đánh giá khả năng tự bảo vệ là xem xét đến các nức độ nhạy cảm của hệ thống tầng chứa nước trước những ảnh hưởng của thiên nhiên và con người. Có nhiều phương pháp để đánh giá mức độ tự bảo vệ của tầng chứa nước có thể áp dụng tùy theo điều kiện và số liệu thu thập được của vùng nghiên cứu để áp dụng như phương pháp DRASTIC.

Độ nhạy cảm của các tầng chứa nước được đánh giá như một tổng số của các yếu tố riêng biệt được tính điểm từ 1 đến 10 dựa theo mức độ ảnh hưởng của chúng đối với độ nhạy cảm ô nhiễm . Mỗi mức điểm của một yếu tố DRASTIC được đem nhân với một hệ số đối trọng ( có trị số từ 1 đến 5 ) tuỳ theo mức độ quan trọng của nó trong sự chi phối độ nhạy cảm ô nhiễm ( các hệ số này được ghi trong bảng 1). Các bảng sau đây ( từ bảng 2 đến bảng 8 ) là những thang điểm của từng yếu tố ( ứng với các đặc điểm, các mức độ, các hình loại khác nhau của những yếu tố ấy ). Chỉ số DRASTIC của mỗi vùng ( hay tổng số điểm của yếu tố , có tính đến trọng số nêu trên ) được tính theo công thức sau :

IDR = 5D + 4R + 2A + 2S + 2T + 5I +3C

Trong đó :

D : Số điểm đánh giá yếu tố độ sâu mực nước, chọn theo bảng …,

R : Số điểm đánh giá yếu tố lượng bổ cập chính ( hay bổ cập chủ yếu ), chọn theo bảng …,

A : Số điểm đánh giá về yếu tố môi trường tầng chứa nước, chọn theo bảng ..,

S : Số điểm đánh giá về yếu tố môi trường đất mặt, chọn theo bảng ..,

T : Số điểm đánh giá về yếu tố địa hình, chọn theo bảng …,

I : Số điểm đánh giá yếu tố ảnh hưởng của đới thông khí, chọn theo bảng …,

C: Số điểm đánh giá  yếu tố hệ số thấm của tầng chứa nước, chọn theo bảng…

 

Theo chỉ số DRASTIC , mức độ nhạy cảm ô nhiễm của tầng chứa nước được phân cấp như sau:

1 – Nhạy cảm ô nhiễm rất cao ( IDR > 180 )

2 – Nhạy cảm ô nhiễm cao       ( IDR = 160 – 179 )

3 – Nhạy cảm  ô nhiễm trung bình ( IDR = 140 – 159 )

4 – Nhạy cảm ô nhiễm thấp  ( IDR = 120 – 139 )

5 – Nhạy cảm ô nhiễm rất thấp ( IDR < 120 ).

 

Bảng … : Hệ số đối trọng ( trọng số) của các yếu tố đặc trưng DRASTIC

( Theo Aller và nnk, 1985 )

Các yếu tố đặc trưng

Hệ số đối trọng

Độ sâu mực nước

5

Lượng bổ sung chính

4

Môi trường tầng chứa nước

3

Môi trường lớp phủ

2

Địa hình

2*

Ảnh hưởng của đới thông khí

5

Hệ số thấm của tầng chứa nước

3

Lưu ý: * Trọng số của yếu tố địa hình được một số nhà nghiên cứu ( đặc biệt các chuyên gia Canada) đề nghị cải biên thành giá trị bằng: 1.

Chỉ số căng thẳng cấp nước trong đánh giá khả năng nguồn nước, phục vụ quy hoạch tài nguyên nước

Hiện nay, ở nước ta việc khai thác, sử dụng và phân bổ nguồn nước đã và đang được thực hiện trên nhiều lưu vực sông đặc biệt là trên các lưu vực sông có tình hình kinh tế phát triển mạnh. Tuy nhiên, với tình hình phát triển kinh tế xã hội nhanh chóng, nhu cầu sử dụng nước tăng cao, gây tranh chấp giữa các ngành sử dụng nước dẫn đến tình trạng khai thác quá mức nguồn nước tại các lưu vực sông gây ra nguy cơ cạn kiệt, thiếu nước đặc biệt là vào mùa khô.

Một số nước trên thế giới hiện nay đã và đang sử dụng các chỉ số đánh giá tài nguyên nước phù hợp với điều kiện phát triển và yêu cầu phát triển cụ thể của từng nước để đánh giá khả năng nguồn nước của các lưu vực sông. Ở Việt Nam trong một số báo cáo như Đánh giá tổng quan ngành nước (2008), Chiến lược Quốc Gia về tài nguyên nước đến năm 2020 (2006)…, có đưa ra các chỉ số đánh giá tài nguyên nước mặt. Tuy nhiên, các chỉ số đã được đưa ra ở trên còn mang tính chủ quan chưa được nghiên cứu cụ thể cho từng lưu vực sông nên chưa phản ánh được đầy đủ và khách quan về tài nguyên nước và vấn đề khai thác sử dụng nước mặt trên các lưu vực sông ở nước ta hiện nay. Vì vậy, nghiên cứu đề xuất bộ chỉ số đánh giá tài nguyên nước mặt phù hợp với đặc điểm nguồn nước và điều kiện quản lý (các văn bản pháp luật hiện hành) để áp dụng phổ biến trong thực tế là cần thiết.

McNulty và cộng sự (2010) đã đề xuất một thuật ngữ hoàn toàn mới trong lĩnh vực thủy văn để đánh giá một cách định lượng về độ lớn tương đối về mối quan hệ cung-cầu. Khái niệm mới này là “Chỉ số căng thẳng cấp nước” (WaSSI). Phương pháp luận của chỉ số này tương tự với WTA

sp88

Trong đó, WD và WS là cung và cầu, x tượng trưng cho nhu cầu và khả năng cung cấp trong quá khứ hoặc tương lai, từ môi trường đến nhân sinh

Đánh giá khả năng cung cấp nước thông qua chỉ số căng thẳng nguồn nước

Chỉ số căng thẳng nguồn nước được phát triển bởi Smakhtin và đồng nghiệp vào năm 2005. Nhóm nghiên cứu đã xem xét nhu cầu nước cho dòng chảy môi trường như là một đại lượng quan trọng trong việc đánh giá nguồn nước ngọt sẵn có. Dòng chảy mặt trung bình năm (MAR) được sử dụng như 1 giá trị dại diện cho tổng khả năng nguồn nước, và lượng nhu cầu dòng chảy môi trường được ước lượng trước đấy sẽ được thể hiện dưới dạng phần trăm của dòng chảy mặt sông trung bình năm trong một giai đoạn dài hơi (phương trình 3). Bằng việc sử dụng dữ liệu về tổng lượng nước được khai thác trung bình năm trên toàn cầu từ FAO (tổ chức lương thực thế giới), và IWMI đối với các ngành nông nghiệp, công nghiệp, và sinh hoạt, ta có thể đánh giá được nhu cầu cho dòng chảy môi trường (bảng 1). Các kết quả này đã được so sánh với các đánh giá trước đấy về chỉ số căng thẳng nguồn nước thường được sử dụng (chỉ số này bỏ qua nhu cầu dòng chảy môi trường). Nhóm tác giả đã áp dụng chỉ số này trong phân tích của họ về bản đánh giá nguồn nươc toàn cầu thông qua việc sử dụng công cụ WaterGAP 2. Kết quả đã thể hiện một cách rõ ràng hơn về việc có nhiều lưu vực thể hiện sự căng thẳng nguồn nước ở cấp độ cao hơn với sự cân nhắc của nhu cầu nước cho hệ sinh thái, từ đó cho ra một đánh giá chính xác hơn về việc cung cấp nguồn nước trong khu vực

sp89

sp90

sp93

Những ảnh hưởng của việc sử dụng “nước tiêu hao” như là 1 hàm của tổng khả năng nguồn nước

sp91

Đây là tỉ số lượng nước thường được sử dụng và tổng khả năng nguồn nước. Trong đó, i là từng lưu vực, j là từng ngành trong sử dụng nước. Khoảng 20-40% được coi là tỉ lệ tới hạn mà tại đó sẽ xuất hiện căng thẳng nguồn nước ở cấp độ trung bình và nghiêm trọng (theo Alcamo và cộng sự, 2000). Mỗi một lưu vực sẽ có hệ số quy đổi đại diện cho sự sai khác về dòng chảy năm hoặc tháng. Giá trị WTA đã được quy đổi sau đó sẽ được thể hiện dưới dạng WTA và WSI sẽ được tính dưới dạng sau

sp92

Để đánh giá mức độ an ninh nguồn nước đối với từng yếu tố chủ đạo này, mỗi yếu tố chủ đạo được chia ra thành nhiều yếu tố thành phần và được chuẩn hóa thành các chỉ số.

- An ninh nước hộ gia đình gồm các chỉ số: Cấp nước tập trung, vệ sinh môi trường.

- An ninh nước kinh tế gồm có các chỉ số: Khả năng phục hồi (khả năng lưu trữ nguồn nước tái tạo, biến thiên lượng mưa năm), phụ thuộc vào nông nghiệp (tỉ lệ nguồn nước từ bên ngoài, mức độ tiêu thụ hàng hóa nông nghiệp) và hiệu quả sử dụng trong nông nghiệp (giá trị sản phẩm nước nông nghiệp (đô la/m3), tỉ lệ đất canh tác được tưới tiêu), sử dụng nước trong công nghiệp (năng suất nước trong công nghiệp, tiêu thụ hàng hóa công nghiệp), sử dụng nước ngành năng lượng (tiềm năng thủy điện, đóng góp của thủy điện vào năng lượng quốc gia).

- An ninh nước đô thị gồm có các chỉ số: Cấp nước đô thị, xử lí nước thải, thiệt hại do lũ đô thị, tỉ lệ đô thị hóa.

- An ninh nước môi trường gồm có các chỉ số: Sức khỏe lưu vực sông.

- Khả năng phục hồi thiên tai liên quan đến nước gồm có các chỉ số: Ngập lụt, hạn hán, ven bờ.

Như vậy, việc nghiên cứu, đánh giá khả năng nguồn nước đã được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu khoa học từ nhiều năm trước, được thể hiện ở các chỉ số tài nguyên nước. Quá trình tổng quan tài liệu cho thấy, đã có một số nghiên cứu cho một địa phương hoặc với quy mô toàn cầu tính toán chỉ số tài nguyên nước với nhiều cách tiếp cận và xây dựng tính toán chỉ số khác nhau. Càng về những năm gần đây, việc quản lý tổng hợp tài nguyên nước nói chung và xác định đánh giá khả năng nguồn nước riêng được xem xét đa ngành và đa lĩnh vực hơn.

Mô hình MIKE NAM và ứng dụng của nó trong thực tiễn

Mô hình NAM là một hệ thống các diễn đạt bằng công thức toán học dưới dạng định lượng đơn giản thể hiện trạng thái của đất trong chu kỳ thủy văn. Mô hình NAM còn được gọi là mô hình mang tính xác định, tính khái niệm và khái quát với yêu cầu dữ liệu đầu vào trung bình. Mô hình NAM đã được sử dụng tốt ở nhiều nơi trên thế giới với các chế độ thủy văn và khí hậu khác nhau như Mantania, Srilanca, Thái Lan, Ấn Độ... Ở Việt Nam, mô hình này đã đuợc nghiên cứu sử dụng trong tính toán dự báo l trên nhiều hệ thống sông. Hiện nay trong mô hình thủy động lực MIKE 11 (do Viện Thủy Lực Đan Mạch – DHI xây dựng , mô hình NAM đã được tích hợp như một môđun tính quá trình dòng chảy từ mưa. Mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc xếp 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng và 2 bể chứa tuyến tính nằm ngang:

- Bể chứa tuyết tan Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở Việt Nam, không xét đến bể chứa này.

- Bể chứa mặt lượng ẩm trữ trên bề mặt của thực vật, lượng nước điền trũng trên bề mặt lưu vực và lượng nước trong tầng sát mặt được đặc trưng bởi lượng trữ ẩm bề mặt. Giới hạn trữ nước tối đa trong bể chứa này được ký hiệu bằng Umax. Lượng nước U trong bể chứa mặt sẽ giảm dần do bốc hơi, do thất thoát theo phương nằm ngang (dòng chảy sát mặt . Khi lượng nước này vượt quá ngưỡng Umax thì một phần của lượng nước vượt ngưỡng Pn này sẽ chảy vào suối dưới dạng chảy tràn trên bề mặt, phần còn lại sẽ thấm xuống bể ngầm. Lượng nước ở bể chứa mặt bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trống và lượng nước trong tầng sát mặt.

Yêu cầu số liệu.

Các yêu cầu đầu vào cho mô hình NAM bao gồm: Các tham số mô hình, các điều kiện ban đầu, các sô liệu khí tượng (Mưa và Bốc hơi), các số liệu thủy văn về dòng chảy để hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình.

Cấu trúc mô hình MIKE NAM

Mô hình NAM được xây dựng trên nguyên tắc các hồ chứa theo chiều thẳng đứng và các hồ chứa tuyến tính, gồm có 5 bể chứa theo chiều thẳng đứng .



cu_trc_m_hnh_NAM- Bể chứa tuyết tan được kiểm soát bằng các điều kiện nhiệt độ. Đối với điều kiện khí hậu nhiệt đới ở nước ta thì không xét đến bể chứa này.

- Bể chứa mặt: lượng nước ở bể chứa này bao gồm lượng nước mưa do lớp phủ thực vật chặn lại, lượng nước đọng lại trong các chỗ trũng và lượng nước trong tầng sát mặt. Giới hạn trên của bể chứa này được ký hiệu bằng Umax.

- Bể chứa tầng dưới: là vùng đất có rễ cây nên cây cối có thể hút nước cho bốc, thoát hơi. Giới hạn trên của lượng nước trong bể chứa này được ký hiệu bằng Lmax, lượng nước hiện tại được ký hiệu là L và tỷ số L/Lmax biểu thị trạng thái ẩm của bể chứa.

- Bể chứa nước ngầm tầng trên.

- Bể chứa nước ngầm tầng dưới.

Mưa hoặc tuyết tan đều đi vào bể chứa mặt. Lượng nước (U) trong bể chứa mặt liên tục cung cấp cho bốc hơi và thấm ngang thành dòng chảy sát mặt. Khi U đạt đến Umax, lượng nước thừa là dòng chảy tràn trực tiếp ra sông và một phần còn lại sẽ thấm xuống các bể chứa tầng dưới và bể chứa ngầm.

Nước trong bể chứa tầng dưới liên tục cung cấp cho bốc thoát hơi và thấm xuống bể chứa ngầm. Lượng cấp nước ngầm được phân chia thành hai bể chứa: tầng trên và tầng dưới, hoạt động như các hồ chứa tuyến tính với các hằng số thời gian khác nhau. Hai bể chứa này liên tục chảy ra sông tạo thành dòng chảy gốc.

Dòng chảy tràn và dòng chảy sát mặt được diễn toán qua một hồ chứa tuyến tính thứ nhất, sau đó các thành phần dòng chảy được cộng lại và diễn toán qua hồ chứa tuyến tính thứ hai. Cuối cùng cũng thu được dòng chảy tổng cộng tại cửa ra.

Các thông số cơ bản:

- CQOF: Hệ số dòng chảy tràn không có thứ nguyên, có phạm vi biến đổi từ 0.0 đến 0.9. Nó phản ánh điều kiện thấm và cấp nước ngầm. Vì vậy nó ảnh hưởng nhiều đến tổng lượng dòng chảy và đoạn cuối của đường rút. Thông số này rất quan trọng vì nó quyết định phần nước dư thừa để tạo thành dòng chảy tràn và lượng nước thấm. Các lưu vực có địa hình bằng phẳng, cấu tạo bởi cát thô thì giá trị CQOF tương đối nhỏ, ở những lưu vực mà tính thấm nước của thổ nhưỡng kém như sét, đá tảng thì giá trị của nó sẽ rất lớn.

- CQIF: Hệ số dòng chảy sát mặt, có thứ nguyên là thời gian (giờ). Nó chính là phần của lượng nước trong bể chứa mặt (U) chảy sinh ra dòng chảy sát mặt trong một đơn vị thời gian. Thông số này ảnh hưởng không lớn đến tổng lượng lũ, đường rút nước.

- CBL: là thông số dòng chảy ngầm, được dùng để chia dòng chảy ngầm ra làm hai thành phần: BFU và BFL. Trường hợp dòng chảy ngầm không quan trọng thì có thể chỉ dùng một trong 2 bể chứa nước ngầm, khi đó chỉ cần CBFL=0- tức là lượng cấp nước ngầm đều đi vào bể chứa ngầm tầng trên.

- CLOF, CLIF: Các ngưỡng dưới của các bể chứa để sinh dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm, không có thứ nguyên và có giá trị nhỏ hơn 1. Chúng có liên quan đến độ ẩm trong đất. Khi các giá trị của ngưỡng này nhỏ hơn L/Lmax thì sẽ không có dòng chảy tràn, dòng chảy sát mặt và dòng chảy ngầm. Về ý nghĩa vật lý, các thông số này phản ánh mức độ biến đổi trong không gian của các đặc trưng lưu vực sông. Do vậy, giá trị các ngưỡng của lưu vực nhỏ thường lớn so với lưu vực lớn.

- Umax, Lmax: Thông số khả năng chứa tối đa của các bể chứa tầng trên và tầng dưới. Do vậy, Umax và Lmax chính là lượng tổn thất ban đầu lớn nhất, phụ thuộc và điều kiện mặt đệm của lưu vực. Một đặc điểm của mô hình là lượng chứa Umax phải nằm trong sức chứa tối đa trước khi có lượng mưa vượt quá, PN xuất hiện, tức là U< Umax. Do đó trong thời kỳ khô hạn, tổn thất của lượng mưa trước khi có dòng chảy tràn xuất hiện có thể được lấy làm Umax ban đầu.

- CK1,2, CKBF: là các hằng số thời gian về thời gian tập trung nước. Chúng là các thông số rất quan trọng, ảnh hưởng đến dạng đường quá trình và đỉnh.

Thành phần cơ bản của mô hình .

* Lượng trữ bề mặt:

Lượng ẩm bị giữ lại bởi thực vật cũng như được trữ trong các chỗ trũng trên tầng trên cùng của bề mặt đất được coi là lượng trữ bề mặt. Umax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trong lượng trữ bề mặt. Tổng lượng nước U trong lượng trữ bề mặt liên tục bị giảm do bốc hơi cũng như do thấm ngang. Khi lượng trữ bề mặt đạt đến mức tối đa, một lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào sông với vai trò là dòng chảy tràn trong khi lượng còn lại sẽ thấm vào tầng thấp bên dưới và tầng ngầm.

* Lượng trữ tầng thấp hay lượng trữ tầng rễ cây:

Độ ẩm trong tầng rễ cây, lớp đất bên dưới bề mặt đất, tại đó thực vật có thể hút nước để bốc thoát hơi đặc trưng cho lượng trữ tầng thấp. Lmax biểu thị giới hạn trên của tổng lượng nước trữ trong tầng này. Độ ẩm trong lượng trữ tầng thấp cung cấp cho bốc thoát hơi thực vật. Độ ẩm trong tầng này điều chỉnh tổng lượng nước gia nhập vào lượng trữ tầng ngầm, thành phần dòng chảy mặt, dòng sát mặt và lượng gia nhập lại.

* Bốc thoát hơi nước:

Nhu cầu bốc thoát hơi đầu tiên được thoả mãn từ lượng trữ bề mặt với tốc độ tiềm năng. Nếu lượng ẩm U trong lượng trữ bề mặt nhỏ hơn yêu cầu (U < Ep) thì phần còn thiếu được coi rằng là do các hoạt động của rễ cây rút ra từ lượng trữ tầng thấp theo tốc độ thực tế Ea. Ea tương ứng với lượng bốc hơi tiềm năng và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm trong đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp.

* Dòng chảy mặt:

Khi lượng trữ bề mặt đã tràn, U > Umax, thì lượng nước thừa PN sẽ gia nhập vào thành phần dòng chảy mặt. Thông số QOF đặc trưng cho phần nước thừa PN đóng góp vào dòng chảy mặt. Nó được giả thiết là tương ứng với PN và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng trữ ẩm đất, L/Lmax, của lượng trữ ẩm tầng thấp.

trong đó: CQOF = hệ số dòng chảy tràn trên mặt đất (0 ≤ CQOF ≤ 1),

TOF = giá trị ngưỡng của dòng chảy tràn (0 ≤ TOF ≤ 1).

Phần lượng nước thừa PN không tham gia vào thành phần dòng chảy tràn sẽ thấm xuống lượng trữ tầng thấp. Một phần trong đó, ∆L, của nước có sẵn cho thấm, (PN-QOF), được giả thiết sẽ làm tăng lượng ẩm L trong lượng trữ ẩm tầng thấp. Lượng ẩm còn lại, G, được giả thiết sẽ thấm sâu hơn và gia nhập lại vào lượng trữ tầng ngầm.

* Dòng chảy sát mặt:

Sự đóng góp của dòng chảy sát mặt, QIF, được giả thiết là tương ứng với U và biến đổi tuyến tính theo quan hệ lượng chứa ẩm của lượng trữ tầng thấp.

trong đó CKIF là hằng số thời gian dòng chảy sát mặt và TIF là giá trị ngưỡng tầng rễ cây của dòng sát mặt (0 ≤ TIF ≤ 1).

* Diễn toán dòng chảy mặt và dòng sát mặt:

Dòng sát mặt được diễn toán qua chuỗi hai hồ chứa tuyến tính với cùng một hằng số thời gian CK12. Diễn toán dòng chảy mặt cũng dựa trên khái niệm hồ chứa tuyến tính nhưng với hằng số thời gian có thể biến đổi.

trong đó OF là dòng chảy tràn (mm/hr) OFmin là giới hạn trên của diễn toán tuyến tính (= 0,4 mm/giờ), và õ = 0,4. Hằng số õ = 0,4 tương ứng với việc sử dụng công thức Manning để mô phỏng dòng chảy mặt.

Theo phương trình trên, diễn toán dòng chảy mặt được tính bằng phương pháp sóng động học, và dòng chảy sát mặt được tính theo mô hình NAM như dòng chảy mặt (trong lưu vực không có thành phần dòng chảy mặt) được diễn toán như một hồ chứa tuyến tính.

* Lượng gia nhập nước ngầm:

Tổng lượng nước thấm G gia nhập vào lượng trữ nước ngầm phụ thuộc vào độ ẩm chứa trong đất trong tầng rễ cây.

trong đó TG là giá trị ngưỡng tầng rễ cây đối với lượng gia nhập nước ngầm

(0 ≤ TG ≤ 1).

* Độ ẩm chứa trong đất:

Lượng trữ tầng thấp biểu thị lượng nước chứa trong tầng rễ cây. Sau khi phân chia mưa giữa dòng chảy mặt và dòng thấm xuống tầng ngầm, lượng nước mưa còn lại sẽ đóng góp vào lượng chứa ẩm (L) trong lượng trữ tầng thấp một lượng ∆L.

* Dòng chảy cơ bản:

Dòng chảy cơ bản BF từ lượng trữ tầng ngầm được tính toán như dòng chảy ra từ một hồ chứa tuyến tính với hằng số thời gian CKBF.

Điều kiện ban đầu của mô hình:

- U: Là lượng nước chứa trong bể chứa mặt (mm)

- L: Là lượng nước chứa trong bể chứa tầng dưới (mm)

- QOF: Cường suất dòng chảy mặt sau khi diễn toán qua bể chứa tuyến tính (mm/h)

- QIF Cường suất dòng chảy sát mặt khi qua bể chứa tuyến tính (mm/h)

- BF Cường suất dòng chảy ngầm (mm/h)

Hiệu chỉnh thông số mô hình:

Hiệu chỉnh thông số mô hình nhằm xác định các thông số của mô hình để cho đường quá trình tính toán phù hợp nhất với đường quá trình thực đo. Việc hiệu chỉnh các thông số mô hình có thể được tiến hành bằng 2 phương pháp: phương pháp thử sai hoặc phương pháp tối ưu.

Sai số giữa lưu lượng tính toán và thực đo trong bước hiệu chỉnh và kiểm nghiệm mô hình được đánh giá theo chỉ số Nash-Sutcliffe.

Trong đó: Qobs, i: lưu lượng thực đo tại thời điểm thứ i, Qsim, i: lưu lượng tính toán tại thời điểm thứ i, : lưu lượng thực đo trung bình các thời đoạn.

Ứng dụng

- Dự báo dòng chảy về hồ chứa thủy điện Krong Hnang

- Dự báo lũ ở sông Thái Bình

- Diễn toán quá trình lũ đến hồ chứa sông Ba

- Khôi phục dòng chảy thời kỳ không quan trắc trên lưu vực sông Hương

- ....