BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ƯỚC TÍNH NĂNG SUẤT CÀ PHÊ
CỦA MÔ HÌNH SWAT TRÊN LƯU VỰC SÔNG PÔ KÔ
TỈNH KON TUM
Họ và tên sinh viên: VÕ TẤN BẢO
Ngành: Hệ thống Thông tin Địa lý
Niên khóa: 2013 – 2017
Tháng 6/2017
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG ƯỚC TÍNH NĂNG SUẤT CÀ PHÊ CỦA MÔ
HÌNH SWAT TRÊN LƯU VỰC SÔNG PÔ KÔ TỈNH KON TUM
Tác giả
VÕ TẤN BẢO
Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kĩ sư ngành Hệ thống Thông tin Địa lý
Giáo viên hướng dẫn:
ThS. Võ Ngọc Quỳnh Trâm
KS. Nguyễn Duy Liêm
Tháng 6 năm 2017
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cám ơn cô ThS. Võ Ngọc Quỳnh Trâm, trường ĐH Nông
Lâm thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành báo cáo tốt nghiệp.
Cám ơn cô đã chỉ bảo, giúp đỡ trong quá trình thu thập và xử lý số liệu và hỗ trợ tôi
trong suốt quá trình vừa qua.
Tôi xin gửi lời tri ân đến thầy PGS.TS. Nguyễn Kim Lợi, KS. Nguyễn Duy Liêm
cùng tất cả quý thầy cô, anh chị Bộ môn GIS & Tài Nguyên trường ĐH Nông Lâm
thành phố Hồ Chí Minh. Cảm ơn thầy cô về những kiến thức, kinh nghiệm và sự giúp
đỡ tận tình dành cho tôi trong suốt thời gian học tại trường.
Tôi xin chân thành cám ơn bạn bè đã cùng tôi chia sẽ, giúp đỡ tôi những lúc khó
khăn trong quá trình học tập bốn năm học vừa qua.
Cuối cùng, để có được thành quả như ngày hôm nay, con xin khắc ghi công ơn
cha mẹ đã nuôi dạy, quan tâm và là chỗ dựa về tinh thần để con vững tin trên con
đường sắp tới. Cám ơn cha mẹ luôn tin tưởng và bên cạnh con luôn ủng hộ để con yên
tâm học tập.
Võ Tấn Bảo
Khoa Môi trường và Tài nguyên
Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
Email:
[email protected]
i
TÓM TẮT
Đề tài “Đánh giá khả năng ước tính sản lượng cà phê của mô hình SWAT trên
lưu vực sông Pô Kô tỉnh Kon Tum” sử dụng mô hình SWAT (Soil and Water
Assessment Tool – Công cụ đánh giá đất và nước) để đánh giá lưu lượng dòng chảy
trên lưu vực sông Pô Kô (1996 – 2010). Kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy so với
lưu lượng thực đo tại trạm Đăk Mốt giai đoạn 1996 – 2010 cho thấy lưu lượng mô
phỏng theo ngày chưa tốt. Tuy nhiên, kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy theo
tháng cho kết quả khá cao nằm trong khoảng chấp nhận, các chỉ số R2, NSI và PBIAS
lần lượt là: 0,8; 0,7 và 23,46.
Độ chính xác kết quả mô phỏng sản lượng cao hơn số liệu niên giám thống kê,
chỉ số PBIAS(%) các năm 2007 đến 2010 lần lượt là: -144,881; -99,138; -141,055; 31,088. Kết quả mô phỏng năng suất cây cà phê trong SWAT tính bằng tích hệ số thu
hoạch tiềm năng (HI) và sinh khối trên trên mặt đất theo ngày vào mùa thu hoạch
(BIag).
Ảnh hưởng của nước (W_STRS), nhiệt độ (TMP_STRS) và dinh dưỡng
(N_STRS, P_STRS) tác động đến các đơn vị thủy văn làm suy giảm năng suất cà phê
tại vùng nghiên cứu. Kết quả năng suất mô phỏng có sự tương đồng sản lượng năm
2007, 2008 và 2009 đạt giá trị sản khoảng 286 – 307 tấn/ha. Sản lượng năm 2010 giảm
khoảng 90 tấn/ha so với giai đoạn (2007 – 2009). Thành lập bản đồ sản lượng cà phê
trên lưu vực sông Pô Kô năm 2007 và 2010 giá trị sản lượng giảm khoảng 0,842
tấn/ha.
Kết quả nghiên cứu phản ánh hiện trạng năng suất cà phê trên lưu vực sông Pô
Kô, cụ thể tại huyện Đăk Glei, Tu Mơ Rông, Đăk Tô, Đăk Hà, Ngọc Hồi, Sa Thầy và
Thành phố Kon Tum. Phân tích ảnh hưởng nước, nhiệt độ và dinh dưỡng đến năng
suất cung cấp thông tin nhằm cải thiện năng suất cà phê. Kết quả có thể được dùng
như một tài liệu tham khảo hữu ích quá trình quy hoạch tái canh tác diện tích cà phê
theo Đề án Quy hoạch của tỉnh Kon Tum. Bên cạnh đó, dự báo được năng suất cà phê
theo hướng bền vững tránh tình trạng nông dân được mùa nhưng mất giá.
ii
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
TÓM TẮT....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH MỤC VIẾT TẮT.................................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ vii
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU ...................................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................2
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................3
2.1. Tổng quan đối tượng nghiên cứu..............................................................................3
2.1.1. Năng suất cây trồng ...........................................................................................3
2.1.2. Yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cà phê ...........................................................3
2.2. Mô hình SWAT ........................................................................................................4
2.2.1. Lịch sử phát triển...............................................................................................5
2.2.2. Nguyên lý mô hình ............................................................................................7
2.2.1. Lưu lượng dòng chảy ......................................................................................10
2.2.2. Năng suất cây trồng .........................................................................................12
2.2.3. Cấu trúc dữ liệu đầu vào .................................................................................16
2.2.4. Cấu trúc dữ liệu đầu ra ....................................................................................21
2.3. Đặc điểm khu vực nghiên cứu ................................................................................21
2.3.1. Vị trí địa lý ......................................................................................................21
2.3.2. Điều kiện tự nhiên ...........................................................................................22
2.3.3. Điều kiện kinh tế - xã hội ................................................................................26
2.3.4. Hiện trạng gieo trồng cây cà phê ....................................................................29
2.4. Tình hình nghiên cứu..............................................................................................29
2.4.1. Nước ngoài ......................................................................................................29
iii
2.4.2. Việt Nam .........................................................................................................30
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................................................33
3.1. Sơ đồ phương pháp nghiên cứu ..............................................................................33
3.2. Thu thập xử lý dữ liệu ............................................................................................34
3.2.1. Mô hình độ cao số DEM .................................................................................35
3.2.2. Bản đồ sử dụng đất ..........................................................................................36
3.2.3. Bản đồ thổ nhưỡng ..........................................................................................37
3.2.4. Dữ liệu khí tượng ............................................................................................38
3.2.5. Dữ liệu thủy văn ..............................................................................................39
3.3. Tiến trình chạy mô hình SWAT .............................................................................40
3.3.1. Phân định lưu vực ...........................................................................................40
3.3.2. Phân định đơn vị thủy văn...............................................................................41
3.3.3. Nhập dữ liệu thời tiết ......................................................................................45
3.3.4. Đánh giá mô hình ............................................................................................48
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN ......................................................................50
4.1. Độ chính xác kết quả mô phỏng LLDC (1996 – 2010) ..........................................50
4.2. Độ chính xác kết quả mô phỏng năng suất (2007 – 2010) .....................................53
4.3. Ảnh hưởng của nước, nhiệt độ, dinh dưỡng đến năng suất cà phê (2007 – 2010) .63
4.3.1. Giai đoạn 2007 - 2009 .....................................................................................65
4.3.2. Năm 2010 ........................................................................................................68
4.3.3. Bản đồ năng suất cà phê (2007 – 2009) và 2010 ............................................70
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ......................................................................73
5.1. Kết luận...................................................................................................................73
5.2. Kiến nghị ................................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................74
PHỤ LỤC ......................................................................................................................78
iv
DANH MỤC VIẾT TẮT
ARS
(Agricultural Research Service) Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông
nghiệp
BIO
Sinh khối cây trồng
LAI
(Leaf area index) Chỉ số diện tích lá
N_STRS
Áp lực dinh dưỡng Nitơ
NASA
(National Aeronautics and Space Administration) Cơ quan Hàng không
và Vũ trụ Hoa Kỳ
P_STRS
Áp lực dinh dưỡng Photpho
PET_STRS
Bốc hơi tiềm năng
SWAT
(Soil anh Water Asessment Tool) Mô hình đánh giá đất và nước
TMP_AV
Nhiệt độ trung bình
TMP_MAX Nhiệt độ tối cao
TMP_STRS Áp lực nhiệt
USDA
(United States Department of Agriculture) Bộ Nông nghiệp Hoa Kì
v
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu vào của SWAT ............................16
Bảng 2.2 Ý nghĩa các thông số trong bảng CropRng ....................................................18
Bảng 2.3 Ý nghĩa các thông số trong bảng UrbanRng ..................................................19
Bảng 2.4 Thông số đầu vào của dữ liệu thổ nhưỡng trong SWAT ...............................19
Bảng 2.5 Các thông số đầu vào của dữ liệu thời tiết tổng quát .....................................20
Bảng 2.6 Cấu trúc tổng quát của tập tin dữ liệu đầu ra của SWAT ..............................21
Bảng 2.7 Các nhóm đất chính của tỉnh Kon Tum .........................................................23
Bảng 2.8 Nhiệt độ, độ ẩm, bốc hơi và tốc độ gió trung bình nhiều tháng và năm ........25
Bảng 2.9 Cơ cấu tổng sản phẩm theo nhóm ngành (tính theo giá trị thực tế) ...............27
Bảng 2.10 Dự kiến chỉ tiêu phát triển cây cà phê ..........................................................27
Bảng 2.11 Diện tích, dân số trung bình và mật độ dân số các huyện thành phố tỉnh Kon
Tum ................................................................................................................................28
Bảng 2.12 Lao động làm việc phân theo ngành kinh tế các năm từ 2007 – 2010 .........29
Bảng 2.13 Diện tích thu hoạch cà phê theo huyện tỉnh Kon Tum (đơn vị: ha).............29
Bảng 3.1 Bảng dữ liệu đầu vào của mô hình SWAT ....................................................34
Bảng 3.2 Các loại hình sử dụng đất tại lưu vực sông Pô Kô tỉnh Kon Tum .................37
Bảng 3.3 Các loại hình thổ nhưỡng lưu vực sông Pô Kô tỉnh Kon Tum ......................37
Bảng 3.4 Dữ liệu thời tiết lưu vực sông Pô Kô .............................................................38
Bảng 4.1 Năng suất cà phê mô phỏng theo HRU ..........................................................54
vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT ..................................................................7
Hình 2.2 Sơ đồ chu trình thủy văn của pha đất ...............................................................8
Hình 2.3 Các quá trình biến đổi và vận chuyển chất trong lòng sông ngòi ....................9
Hình 2.4 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực............................................................................10
Hình 2.5 Mô phỏng dòng chảy mặt ...............................................................................11
Hình 2.6 Chỉ số thu hoạch tối ưu theo mùa vụ ..............................................................13
Hình 2.7 Nhiệt độ cơ sở sự phát triển cây trồng – theo ngày ........................................14
Hình 2.8 Vị trí địa lý lưu vực sông Pô Kô, tỉnh Kon Tum ............................................22
Hình 3.1 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu ......................................................................33
Hình 3.2 Bản đồ địa hình lưu vực sông Pô Kô ..............................................................35
Hình 3.3 Bản đồ sử dụng đất lưu vực sông Pô Kô ........................................................36
Hình 3.4 Bản đồ thổ nhưỡng lưu vực sông Pô Kô ........................................................38
Hình 3.5 Trạm khí tượng – thủy văn trên lưu vực sông Pô Kô .....................................39
Hình 3.6 Kết quả phân định lưu vực sông Pô Kô ..........................................................41
Hình 3.7 Kết quả phân chia các loại hình sử dụng đất trong SWAT ............................42
Hình 3.8 Kết quả phân chia mã loại đất trong SWAT ..................................................43
Hình 3.9 Kết quả phân chia lớp độ dốc trong SWAT ...................................................44
Hình 3.10 Tiến trình nhập dữ liệu thời tiết ....................................................................45
Hình 3.11 Thiết lập và chạy mô hình SWAT ................................................................46
Hình 3.12 Kết quả gán các trạm khí tượng – thủy văn trên các tiểu lưu vực ................47
Hình 4.1 So sánh LLDC mô phỏng theo tháng tại trạm Đăk Mốt ................................51
Hình 4.2 LLDC thực đo tại trạm Đăk Mốt và mô phỏng theo tháng ............................52
Hình 4.3 Bản đồ hiệu suất mô hình năng suất mô phỏng và năng suất thống kê năm
2007 ...............................................................................................................................58
Hình 4.4 Bản đồ hiệu suất mô hình năng suất mô phỏng và năng suất thống kê năm
2008 ...............................................................................................................................59
Hình 4.5 Bản đồ hiệu suất mô hình năng suất mô phỏng và năng suất thống kê năm
2009 ...............................................................................................................................60
vii
Hình 4.6 Bản đồ hiệu suất mô hình Năng suất mô phỏng và năng suất thống kê năm
2010 ...............................................................................................................................61
Hình 4.7 Ảnh hưởng của nước, nhiệt độ và dinh dưỡng đến năng suất cà phê giai đoạn
(2007 – 2010).................................................................................................................63
Hình 4.8 Các yếu tố lượng nước, nhiệt độ, dinh dưỡng tác động đến năng suất cà phê
từ năm 2007 – 2009 .......................................................................................................65
Hình 4.9 Ảnh hưởng nước, nhiệt độ, dinh dưỡng tác động đến năng suất cà phê năm
2010 ...............................................................................................................................68
Hình 4.10 Bản đồ năng suất cà phê theo HRU (2007 – 2009) ......................................70
Hình 4.11 Bản đồ năng suất cà phê theo HRU năm 2010 .............................................71
viii
CHƯƠNG 1. MỞ ĐẦU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Kon Tum là tỉnh miền núi địa hình đa dạng cao nguyên và vùng trũng xen kẽ
nhau, địa hình khá phức tạp tạo ra những cảnh quan phong phú, khí hậu có hai mùa:
mùa khô và mùa mưa rõ nét. Hiện tại có khoảng trên 200.000 hecta đất đồi núi chưa
được khai thác, đó là tiềm năng lớn để phát triển nông nghiệp (Hồ Việt Cường, 2012).
Những năm gần đây, sản suất nông nghiệp của tỉnh đã có những bước tiến đáng kể, tuy
nhiên so với nhu cầu và tiềm năng phát triển thì còn nhiều hạn chế. Vì vậy, việc xác
định rõ những kết quả đã đạt được cũng như những hạn chế là cần thiết để có những
định hướng và đề ra những giải pháp phát triển bền vững, tăng tỉ trọng nhóm cây công
nghiệp lâu năm trong giá trị sản xuất nông nghiệp của tỉnh từ 40,11% (2005) đến
59,81% (2013); bình quân giai đoạn 2005 – 2013 giá trị sản xuất nhóm cây công
nghiệp lâu năm tăng 2,19%/năm (Cục thống kê tỉnh Kon Tum, 2013).
Theo đề phát triển cà phê của UBND tỉnh Kon Tum (2014), cụ thể: (1) Trong giai
đoạn năm 2015-2020 trồng mới 580,3 ha cà phê vối, 1.038,1 ha cà phê chè để nâng
diện tích cà phê lên 15.000 ha (12.500 ha cà phê vối và 2.500 ha cà phê chè); (2) Giai
đoạn 2020-2025 phát triển thêm khoảng 1.000 ha cà phê (500 ha cà phê vối, 500 ha cà
phê chè), nâng diện tích cà phê toàn tỉnh lên 16.000 ha (13.000 cà phê vối và 3000 ha
cà phê chè) ở những nơi có điều kiện thổ nhưỡng phù hợp như ở các huyện Đăk Tô,
Tu Mơ Rông, Đăk Glei, Ngọc Hồi, và Kon Plông.
Lưu vực sông Pô Kô là một trong ba lưu vực chính thuộc địa phận tỉnh Kon Tum
thuộc các huyện: huyện Đăk Glei, Tu Mơ Rông, Đăk Tô, Đăk Hà, Ngọc Hồi, Sa Thầy
và Thành phố Kon Tum. Địa hình đa dạng, gò đồi, cao nguyên xen lẫn các vùng trũng,
với độ cao khoảng 483 – 2.389m. Thổ nhưỡng có 5 nhóm đất chính trong đó nhóm đất
đỏ vàng chiếm 60,47% diện tích lưu vực, nhóm đất này có tầng dầy khá thích hợp
trồng các loại cây công nghiệp đặc biệt là cà phê (Hồ Việt Cường, 2012). Nhiệt độ
trung bình năm tại hai trạm Đăk Tô và Kon Tum lần lượt là 22,30C và 23,60C thích
hợp đối phát triển cây cà phê. Lượng mưa bình quân năm trên lưu vực lớn nên nguồn
nước mặt khá dồi dào, tại hai trạm Đăk Tô và Kon Tum lần lượt là 1904,8mm và
1823,2mm.
1
Trong những năm gần đây, có rất nhiều mô hình đánh giá năng suất cây trồng
trong đó có mô hình SWAT, mô hình đánh giá đất và nước SWAT (Soil and Water
Assessment Tool) đây là mô hình với khả năng mô phỏng năng suất cây trồng bằng
cách tính toán lượng nước, độ ẩm, bốc thoát hơi và sinh trưởng cây trồng. Trên thế
giới, đã có nhiều nghiên cứu sử dụng mô hình SWAT trong mô phỏng năng suất cây
trồng, cụ thể là tại đồng bằng Hawaii và lưu vực sông Fork thuộc nước Mỹ. Tại Việt
Nam, sử dụng mô hình SWAT trong các nghiên cứu theo các hướng tiếp cận khác
nhau như: Mô phỏng dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm tại lưu vực sông Pô Kô và tác
động sự thay đổi của thảm phủ đến cân bằng nước tại sông Đăk Bla. Tuy nhiên, vẫn
chưa có nghiên cứu nào tại Việt Nam sử dụng mô hình SWAT mô phỏng năng suất
cây trồng.
Xuất phát từ các lý do trên, đề tài “Đánh giá khả năng ước tính năng suất cà
phê của mô hình SWAT trên lưu vực sông Pô Kô tỉnh Kon Tum” đã được thực
hiện.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu chung của đề tài là: Ứng dụng mô hình SWAT mô phỏng, đánh giá
năng suất cây cà phê ở lưu vực sông Pô Kô tỉnh Kon Tum giai đoạn 2007-2010.
Mục tiêu cụ thể sau bao gồm:
Mô phỏng, đánh giá độ chính xác kết quả mô phỏng lưu lượng dòng chảy
trên lưu vực sông Pô Kô (1996- 2010).
Mô phỏng, đánh giá độ chính xác kết quả mô phỏng năng suất cà phê trên
lưu vực sông Pô Kô (2007- 2010).
Phân tích mối liên hệ giữa nước, nhiệt độ, dinh dưỡng đến năng suất cà phê
trên lưu vực sông Pô Kô (2007- 2010).
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Năng suất cà phê.
Phạm vi nghiên cứu: Lưu vực sông Pô Kô nằm trên địa phận các huyện Đăk
Glei, Tu Mơ Rông, Đăk Tô, Đăk Hà, Ngọc Hồi, Sa Thầy và Thành phố Kon Tum.
2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan đối tượng nghiên cứu
2.1.1. Năng suất cây trồng
Năng suất cây trồng là khối lượng sản phẩm của một loại cây trồng thu được
trong một vụ sản xuất của một đơn vị sản xuất nông nghiệp tính theo đơn vị hecta.
Đánh giá năng suất cây trồng cần xem xét các tiêu chí liên quan đến sự sinh trưởng của
cây như dinh dưỡng và lượng nước hấp thụ, khí hậu và chế độ canh tác của con người
(Phan Văn Tân, 2001).
2.1.2. Yếu tố ảnh hưởng đến năng suất cà phê
Dinh dưỡng: Cà phê là cây lâu năm, sinh khối cành lá rất lớn, cho rất nhiều quả,
năng suất cao, hàng năm cây lấy đi một lượng lớn chất dinh dưỡng từ đất. Các dưỡng
chất thiết yếu của cây cà phê là đạm, lân và kali giúp cây sinh trưởng, phát triển. Do
đó, ngoài dưỡng chất đạm, lân và kali có trong đất đã có thêm sự bổ sung bằng việc
bón phân để cây phát triển và sinh trưởng nhanh. Tuy nhiên, quá trình bón phân vào
đất, cây cà phê cũng không sử dụng hết lượng phân bón do quá trình bốc hơi và rửa
trôi do điều kiện thời tiết (Phan Văn Tân, 2001).
Khí hậu: Trong các yếu tố khí hậu, nhiệt độ là yếu tố quan trọng mang tính giới
hạn đối với sự sinh trưởng và phát triển của cây cà phê. Đối với nhiệt độ, cà phê là cây
nhiệt đới rất ưa nhiệt, sống, sinh trưởng và phát triển ở nhiệt độ từ 5- 35°C. Song phạm
vi nhiệt độ của từng giống là khác nhau (Phan Văn Tân, 2001):
Cà phê chè ưa khí hậu mát mẻ, phát triển trong khoảng nhiệt độ 5- 32°C,
nhưng thích hợp nhất là từ 15- 24°C. Nếu nhiệt độ trên 25°C thì quá trình quang
hợp giảm dần, trên 30°C cây ngưng quang hợp. Cà phê chè là loại có khả năng
chịu lạnh tốt nhất, nhưng khi nhiệt độ xuống dưới 5°C, cây bắt đầu ngừng sinh
trưởng (Wrigley, G., 1988b).
Cà phê vối cần nhiệt độ cao hơn, khoảng thích hợp là 24 - 30°C, thích hợp
nhất từ 24- 26°C. Khả năng chịu lạnh kém hơn, nên ở nhiệt độ dưới 7°C, cây đã
ngừng sinh trưởng và bắt đầu bị thiệt hại (Phan Văn Tân, 2001).
Cà phê mít chịu rét và nóng khá hơn 2 loại trên, phù hợp với nhiệt độ từ 16-
26°C (Phan Văn Tân, 2001).
3
Độ ẩm không khí có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng sinh trưởng của cây trồng vì
nó liên quan trực tiếp đến quá trình bốc thoát hơi nước của cây. Ẩm độ không khí trên
70% mới thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của cây cà phê. Độ ẩm không khí
cao sẽ làm giảm sự mất hơi nước của cây qua quá trình bốc thoát hơi nước. Tuy nhiên,
nếu ẩm độ không khí quá cao lại là điều kiện thuận lợi cho nhiều loại sâu bệnh hại
phát triển. Ngược lại nếu độ ẩm không khí quá thấp làm cho quá trình bốc thoát hơi
nước tăng lên rất mạnh sẽ làm cho cây bị thiếu nước và héo, đặc biệt là vào các tháng
mùa khô có nhiệt độ cao và tốc độ gió lớn. Ẩm độ quá thấp cùng với điều kiện khô
hạn, sẽ dẫn tới hậu quả làm các mầm, nụ hoa, quả non bị rụng… Người ta đo được sự
thoát hơi nước đối với cây cà phê đã kín tán vào mùa khô lạnh là 75 mm/ngày (Wallis,
1963) và vào mùa mưa nóng là 150 mm/ngày (Blore, 1966).
Đối với lượng mưa và độ ẩm, nhìn chung cây cà phê cần một lượng mưa tương
đối lớn, phân bố đều cả năm, khoảng 1.000 - 2.000 mm trong khoảng 9 tháng. Tuy
nhiên, cũng cần 1 thời kì khô hạn khoảng 2 - 3 tháng vào cuối và sau vụ thu hoạch để
thuận lợi cho quá trình phân hóa mầm hoa thì vào giai đoạn lúc cây nở hoa yêu cầu
thời tiết khô ráo, không mưa, mưa phùn hoặc sương để quá trình thụ phấn được thuận
lợi. Bên cạnh đó, ẩm độ không khí phải trên 70% mới thuận lợi cho việc phát triển và
sinh trưởng của cây cà phê (khoảng thích hợp là từ 70 - 85%). Nhìn chung ở Kon Tum
lượng mưa phân bố không đều mùa khô thường kéo dài từ 3 - 5 tháng, nhưng lượng
mưa chỉ chiếm 20 – 30%, do vậy nhiều nơi cây cà phê thiếu nước nghiêm trọng. Để
khác phục tình trạng này, tưới nước là biện pháp hàng đầu trong việc thâm canh tăng
năng suất cà phê. Về điều kiện nước tưới thuận lợi là vùng có sông suối, ao, hồ không
cạn kiệt ở mùa khô và có khoảng cách tưới không quá 1.000 mm (Phan Văn Tân,
2001).
2.2. Mô hình SWAT
Công cụ đánh giá đất và nước SWAT (Soil and Water Assessment Tool) được
phát triển bởi Trung tâm Phục vụ Nghiên cứu Nông nghiệp (ARS) thuộc Bộ Nông
nghiệp Hoa Kì (USDA). Trải qua nhiều năm hình thành và phát triển, mô hình SWAT
đã được nhiều tổ chức, cơ quan chính phủ, các nhà hoạch định, các trường đại học
trong và ngoài nước ứng dụng vào công tác giảng dạy và nghiên cứu.
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
4
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, sự sinh trưởng cây trồng, bốc thoát hơi, … ),
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.
2.2.1. Lịch sử phát triển
Từ khi SWAT ra đời 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 (Rallison, R.E.
and N. Miller, 1981). Những cải tiến đáng kể nhất của các mô hình theo các phiên bản
khác nhau bao gồm:
SWAT 94.2: bổ sung khái niệm đơn vị đồng nhất về phản ứng thuỷ văn
(HRUs: Hydrologic Response Units).
SWAT 96.2: 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.
SWAT 98.1: 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, sửa đổi mô hình để có thể áp dụng ở khu vực Nam
bán cầu.
SWAT 99.2: cải tiến tính truyền vòng tuần hoàn chất dinh dưỡng, bổ sung
phần ước tính lượng tổn thất chất dinh dưỡng do quá trình bồi lắng trong hồ
chứa/ao/đầm lầy, bổ sung phương trình ảnh hưởng các khu đô thị lên dòng chảy
từ mô hình SWMM (Storm Water Management Model).
SWAT 2000: 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, xem xét lại tất cả các phương pháp
ước tính ET tiềm năng.
5
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 là hàm số của lượng
nước trong đất (độ ẩm đất) hay của lượng bốc thoát hơi nước từ cây cối.
Mô hình SWAT, có tiền thân là mô hình SWRRB (Simulator for Water
Resources in Rural Basins – Williams et al., 1985; Arnold et al., 1990) và mô hình
ROTO (Routing Outputs To Outlet – Arnold et al., 1995). Mô hình SWAT còn kế thừa
các ưu điểm của các mô hình nổi tiếng khác như CREAMS, GLEAMS, EPIC.
Đóng góp vào sự thành công của mô hình SWAT là Tiến Sĩ Jeff Arnold và Giáo
sư Srinivasan thuộc Đại học Texas A&M, Hoa Kỳ. SWAT là một mô hình thủy văn
dùng để quản lý đất và nước thông qua một số ưu điểm như:
(1)
Mô hình hóa lưu vực mà ở đó chưa có dữ liệu quan trắc thực tế.
(2)
Định lượng một cách tương đối tác động của một số dữ liệu đầu vào thay
thế, mô phỏng một cách chi tiết về mặt không gian vì SWAT đã phân chia lưu
vực thành các tiểu lưu vực để mô phỏng.
(3)
Tính toán và mô phỏng trên lưu vực lớn mà vẫn tiết kiệm thời gian cũng
như chi phí và cho phép người dùng mô phỏng dự báo trong khoảng thời gian
dài. Mặc dù mô hình được xây dựng trên nền các quan hệ thể hiện bản chất vật
lý của hiện tượng tự nhiên cùng 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 và nước trong lưu vực. Lịch sử phát triển của mô
hình SWAT được thể hiện qua Hình 2.1.
6
Hình 2.1 Sơ đồ lịch sử phát triển của SWAT
(phỏng theo Susan L.N. et al, 2009)
2.2.2. Nguyên lý mô hình
SWAT là mô hình được thiết kế để dự báo những ảnh hưởng lên nước, phù sa và
lượng hóa chất sinh ra từ hoạt động nông nghiệp trên những lưu vực không có mạng
lưới quan trắc. Mô hình dựa trên các quá trình vật lý, với sự hỗ trợ của máy tính và khả
năng mô phỏng liên tục trong khoảng thời gian dài. Các thành phần chính của mô hình
bao gồm thời tiết, thủy văn, tính chất và nhiệt độ của đất, sự phát triển cây trồng,
dưỡng chất, thuốc trừ sâu, vi khuẩn và mầm bệnh và quản lý đất đai (Philip W.
Gassman et al., 2009).
Để sự mô phỏng trong SWAT rõ ràng nhất thì lưu vực được phân chia thành
nhiều tiểu lưu vực và tiếp tục được chia thành các đơn vị thủy văn (HRUs). Thông tin
đầu vào của mỗi tiểu lưu vực được tập hợp và phân loại thành những nhóm chính sau:
khí hậu, HRUs, hồ, nước ngầm, sông chính và nhánh, đường phân thủy. HRUs là các
đơn vị đất đai trong tiểu lưu vực có sự đồng nhất về sử dụng đất, tính chất đất và thực
hành quản lý (Susan L. Neitsch et al., 2009).
Mô hình thủy văn trong lưu vực được phân chia thành hai nhóm chính: Pha đất
của chu trình thủy văn và pha nước của chu trình thủy văn (Susan L. Neitsch et al.,
2009).
Pha đất của chu trình thủy văn: kiểm soát lượng nước, phù sa, dinh dưỡng và
thuốc trừ sâu được đưa từ trong mỗi tiểu lưu vực ra sông chính Hình 2.2.
7
Hình 2.2 Sơ đồ chu trình thủy văn của pha đất
(phỏng theo Susan L.N. et al., 2009)
SWAT mô hình hóa chu trình nước dựa trên cơ sở phương trình cân bằng nước
sau (Susan L.N. et al., 2009):
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).
Pha nước của chu trình thủy văn: Một khi SWAT xác định được nguồn tải về
nước, bùn cát; dinh dưỡng và thuốc trừ sâu vào trong dòng kênh chính, thì tải lượng
những chất này được tính truyền dọc theo mạng lưới sông ngòi của lưu vực (Williams,
8
J.R. and R.W. Hann. 1972). Ngoài dòng chảy khối lượng nước trong kênh, SWAT còn
mô phỏng biến chuyển của các chất hóa học trong dòng nước và trong lớp bùn lắng
đáy kênh.
Hình 2.3 Các quá trình biến đổi và vận chuyển chất trong lòng sông ngòi
(phỏng theo Susan L.N. et al., 2009)
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 thể hiện qua Hình 2.4.
9
Bắt đầu tính HRU/Tiểu
lưu vực
Nhập hoặc tạo dữ liệu
mưa và nhiệt độ Max/
Min
Nhập hoặc tạo dữ liệu
mưa và bức xạ, vận tốc
gió và độ ẩm
Tính toán nhiệt độ đất
Tính toán tuyết và
tuyết tan
Sai
Mưa + Tuyết
tan > 0?
Dòng chảy mặt và
dòng thấm
Đúng
Dòng chảy
mặt > 0?
Sai
Đúng
Tính toán nước độ ẩm đất, bốc
thoát hơi, sinh trưởng cây trồng,
hồ ao, dòng chảy ngầm và độ sâu
Tính toán dòng chảy,
lượng bùn cát, dưỡng
chất và thuốc trừ sâu
Kết thúc vòng tính toán
HRU/Tiểu lưu vực
Hình 2.4 Vòng lặp HRU/tiểu lưu vực
(Phỏng theo Susan L.N. et al., 2009)
2.2.1. Lưu lượng dòng chảy
Dòng chảy trong kênh là dòng chảy xuất hiện trên bề mặt lưu vực khi lượng nước
trên bề mặt đất vượt quá tỉ lệ thấm. Khi nước chảy trên đất khô, tỉ lệ thấm thường cao.
Tuy nhiên, tỉ lệ này sẽ giảm khi đất trở nên ướt hơn. Đến khi lượng nước chảy tràn cao
hơn tỉ lệ thấm, bề mặt đất dần trở nên bão hòa, dòng chảy mặt bắt đầu xuất hiện.
10
.PDF 
88 
145 
72 
