Ngoài trận lũ lịch sử xảy ra vào năm 1999, một số năm gầm đây lũ lụt cũng thường xuyên xảy ra với mức độ tương đối lớn như trận lũ năm 2007, 2009. Có nhiều nguyên nhân trong đó có nguyên nhân khách quan do sự biến đổi khí hậu đã gây mưa lớn bất thường hơn trên diện rộng còn có những nguyên nhân chủ quan do sự tác động của các hoạt động trong quá trình phát triển kinh tế - xã hội như phát triển cơ sở hạ tầng ven sông làm thu hẹp lòng dẫn, sự tàn phá rừng nguyên sinh đầu nguồn...
 Từ trước đến nay trong tiềm thức của chúng ta rừng có nghĩa rất lớn, nó làm tăng dòng chảy kiệt và làm giảm dòng chảy lũ. Đã có nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của rừng đến lũ nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ đánh giá một cách định tính mà chưa có nghiên cứu nào đánh giá chính xác về mặt định lượng xem nếu rừng thay đổi thì dòng chảy thay đổi biến động như thế nào. Việc đánh giá định lượng đó có thể sử dụng mô hình toán để tính toán.
Hiện nay mô hình toán phát triển rất nhanh và ở Việt Nam nó dường như là công cụ không thể thiếu trong các nghiên cứu cũng như giải quyết các bài toán qui hoạch…Để đánh giá định lượng ảnh hưởng của rừng tới dòng chảy trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn thì có thể lựa chọn mô hình SWAT để nghiên cứu. Đây là công cụ mô hình đã ứng dụng nhiều trên thế giới. Ở Việt Nam, những năm gần đây nó cũng được đưa vào ứng dụng nhưng mới chỉ dừng lại ở mức độ sử dụng mô hình để tính toán dòng chảy làm đầu vào cho các mô hình khác như mô hình thủy lực hay phục vụ bài toán cân bằng nước. Bài báo này giới thiệu khả năng của mô hình đi theo một hướng ứng dụng khác là đánh giá ảnh hưởng của rừng tới chế độ dòng chảy trên lưu vực Vu Gia – Thu Bồn.

 1. Cơ sở lý thuyết của mô hình SWAT
Mô hình SWAT (Soil and Water Assessment Tool) được xây dựng để mô phỏng ảnh hưởng của việc quản lý sử dụng đất đến nguồn nước, bùn cát và hàm lượng chất hữu cơ trong hệ thống lưu vực sông với các loại đất, với các điều kiện sử dụng đất khác nhau và điều kiện quản lý tương ứng với một khoảng thời gian dài.
Mô hình được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật lý của hiện tượng tự nhiên. Ngoài việc sử dụng các phương trình tương quan để mô tả mối quan hệ giữa các biến vào và ra, 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. 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,… được tính toán trực tiếp bởi mô hình từ các thông số đầu vào.  Việc mô phỏng cho một lưu vực theo các chiến lược quản lý khác nhau có thể được diễn ra tương đối đơn giản. Mô hình SWAT dựa trên các bản đồ số về địa hình (DEM), sông ngòi, đường bao lưu vực để tính toán và chia lưu vực ra thành các vùng hay các lưu vực nhỏ (sub-basin). Đây là các lưu vực của các nhánh sông chính trong lưu vực nghiên cứu.
Mô hình đồng thời cho phép người sử dụng thêm các nút bổ sung nước (inlet) để hỗ trợ cung cấp thêm nguồn nước thực tế khi mà các bản đồ GIS chưa cập nhật kịp thời và các điểm đo nước (outlet) để chia nhỏ các lưu vực con giúp người sử dụng có thể tham khảo các vùng khác của lưu vực trong cùng một phạm vi không gian. Phương pháp sử dụng các lưu vực nhỏ trong mô hình để mô phỏng dòng chảy là rất thuận lợi khi mà các lưu vực này có đủ số liệu về sử dụng đất cũng như đặc tính của đất. Bên cạnh đó, mô hình cho phép mô phỏng hoạt động của hồ chứa trên lưu vực với các thông số  như dung tích, diện tích mặt nước, Q tràn,...
Ảnh hưởng của đất và việc sử dụng đất được thể hiện rõ trong việc nhập và xử lý các bản đồ GIS. Mô hình sẽ cập nhật bản đồ sử dụng đất và phân loại sử dụng đất theo tên và số phần trăm diện tích loại hình sử dụng đất đó. Tương tự với bản đồ đất, cũng được cập nhật theo tên và phần trăm diện tích đất.
Các trạm KTTV được cập nhật theo kinh vĩ độ và tương ứng là các chuỗi số liệu của trạm đó theo thời gian. Mô hình tính toán mưa theo phương pháp đa giác Theissen.
Trong quá trình tính toán dòng chảy, mô hình đã sử dụng phương pháp tính bốc hơi (theo Penman-Monteith, Priestley-Taylor, Hardgreve hoặc đọc từ file), diễn toán dòng chảy theo phương pháp Muskingum, các phương pháp diễn toán chất lượng nước. 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 dùng để kiểm soát khối lượng nước, bùn cát, chất hữu cơ và được chuyển tải tới các lòng dẫn chính của mỗi lưu vực. Phần thứ hai là diễn toán dòng chảy, bùn cát, hàm lượng các chất hữu cơ trong hệ thống lòng dẫn và tới mặt cắt cửa ra của lưu vực. Chu trình thuỷ văn được mô tả trong mô hình SWAT dựa trên phương trình cân bằng nước tổng quát như sau:
 

Trong đó:
SW_t: Tổng lượng nước tại cuối thời đoạn tính toán (mm)
SW_o: Tổng lượng nước ban đầu tại ngày thứ i (mm)
  t    : Thời gian (ngày)
 R_day: Tổng lượng mưa tại ngày thứ i (mm)
Q_surf: Tổng lượng nước mặt của ngày thứ i (mm)
   E_a: Lượng bốc thoát hơi tại ngày thứ i (mm)
W_seep: Lượng nước đi vào tầng ngầm tại ngày thứ i (mm)
  Q_gw: Lượng nước hồi quy tại ngày thứ i (mm)

2. Khả năng ứng dụng của mô hình SWAT.
 Các sản phẩm của mô hình được thể hiện định lượng nhằm:
- Đánh giá về số lượng và về chất lượng của tài nguyên nước trong lưu vực
- Đánh giá lượng bùn cát vận chuyển trên lưu vực
- Đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện tự nhiên như hiện trạng rừng, đất, sử dụng đất tới dòng chảy, bùn cát, xói mòn, chất dinh dưỡng…
- Đánh giá hiệu quả trong công tác quản lý lưu vực

III. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH SWAT ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA RỪNG TỚI KHẢ NĂNG GÂY LŨ LƯU VỰC SÔNG VU GIA – THU BỒN

1. Số liệu phục vụ tính toán

a. Số liệu bản đồ

+ Số liệu không gian
 
Số liệu vào mô hình bao gồm số liệu không gian là các bản đồ và số liệu thuộc tính của chúng.
Các bản đồ được dùng để tính toán bao gồm:
- Bản đồ số hóa độ cao (DEM) lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn
- Bản đồ đất lưu vực sông Vu Gia - Thu Bồn.
- Bản đồ thảm phủ thực vật ứng với hiện trạng rừng và sử dụng đất của năm 1993 và 2005.
- Bản đồ mạng lưới sông suối và lưới trạm đo khí tượng thủy văn

Để chạy được mô hình cần có đầy đủ các dữ liệu vào của mô hình đã nêu ở trên. Sau khi vào số liệu bản đồ địa hình dưới dạng DEM, giới hạn lưu vực cần tính toán và mạng lưới sông suối trên lưu vực đó, chương trình SWAT sẽ tính toán các thông số như số thứ tự, độ dốc, chiều rộng, diện tích... của các lưu vực con trong lưu vực tính toán đó. Tỷ lệ bản đồ ảnh hưởng lớn đến kết quả tính toán, có thể làm tăng hay giảm số lượng các sông suối, diện tích lưu vực cũng như các đặc trưng khác của lưu vực.
Sau khi tính toán các tham số của lưu vực con, tiến hành chồng ghép bản đồ sử dụng đất và bản đồ đất để tính toán % từng diện tích sử dụng đất và % từng loại đất trên các lưu vực con đó. Sau đó tiến hành vào các số liệu về khí tượng, số liệu thực đo tại trạm thuỷ văn. Sau khi thực hiện đầy đủ các bước nhập số liệu đó, chương trình SWAT có thể tiến hành chạy thử nghiệm được.

 

 

Qua các kết quả tính toán dựa trên mô hình Swat nhận thấy rằng cùng một số liệu về khí tượng thủy văn đo đạc năm 2009 trong điều kiện địa hình và các loại đất không thay đổi, số liệu rừng thay đổi từ 1993 đến 2005 thì chế độ thủy văn tính toán tại Nông Sơn và Thành Mỹ có sự thay đổi. Tổng diện tích các loại rừng giảm khoảng 24.075ha, tỷ lệ rừng giàu giảm mạnh. Lưu lượng lớn nhất năm 2009 khi tính toán với số liệu rừng năm 2005 tại Nông Sơn là 6636.5 m³/s và tại Thành Mỹ là 4340 m³/s; còn khi tính toán với số liệu rừng năm 1993 thì lưu lượng lớn nhất tại Nông Sơn là 6454.3 m³/s và tại Thành Mỹ là 4121.6 m³/s. Có thể thấy rằng chênh lệch lưu lượng lớn nhất khi tính toán với rừng năm 2005 và rừng năm 1993 tại trạm Nông Sơn khoảng 182 m³/s và Thành Mỹ khoảng 218.4 m³/s tương ứng với mức tăng khoảng 2.8% tại Nông Sơn và 5.3% tại Thành Mỹ. Như vậy chế độ dòng chảy có bị ảnh hưởng khi thảm phủ thay đổi, diện tích rừng tự nhiên, rừng phòng hộ bị chặt phá nhiều mặc dù rừng trồng hàng năm làm tăng độ che phủ nhưng chất lượng rừng có phần giảm đi. Có thể khẳng định sự giảm sút của chất lượng rừng là một trong những nguyên nhân gây ra lũ lụt trên lưu vực sông Vu Gia – Thu Bồn.

IV. KẾT LUẬN

Qua kết quả nghiên cứu nhận thấy mô hình SWAT là một công cụ có khả năng đánh giá định lượng khá tốt ảnh hưởng của rừng đến chế độ dòng chảy. Tuy nhiên do bộ số liệu đầu vào còn chưa đầy đủ nên các kết quả nghiên cứu trên đây chỉ là kết quả đánh giá thử nghiệm, để có thể ứng dụng được cần phải nghiên cứu và đánh giá thêm.
Khả năng ứng dụng của mô hình SWAT là rất lớn. Tuy nhiên yêu cầu số liệu đầu vào của mô hình khá nhiều và cần nhiều thời gian để xử lý đặc biệt là các số liệu bản đồ như bản đồ địa hình, bản đồ đất, bản đồ rừng và các số liệu thuộc tính của chúng. Để có thể  sử dụng mô hình này đánh giá về định lượng sự ảnh hưởng của rừng tới lũ lụt nhất thiết phải có một bộ số liệu đầu vào đồng bộ. Do đó trong thời gian tới rất cần có những chương trình điều tra các số liệu cơ bản về các yếu tố như khí tượng, khí hậu, đất đai, thổ nhưỡng, thủy văn, rừng…v.v để có thể đưa bộ mô hình này vào sử dụng rộng rãi hơn.