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.
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 :
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.
