BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT

MÔN HỌC
CÔNG NGHỆ 3S
Chủ đề: “Nghiên cứu ứng dụng mô hình số thủy văn đánh giá lượng bổ
cập cho nước dưới đất; áp dụng cho hạ lưu sông Đồng Nai”

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

THỰC HIỆN

PGS.TS. Nguyễn Trường Xuân

Học viên: Mai Phú Lực
Lớp: Cao học ĐCTV - K31

Hà Nội, tháng 06/2016

1


MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 2
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 3
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN MÔ HÌNH WETSPASS ....................................................4
I.1. Lịch sử phát triển...................................................................................................4
I.2. Tổng quan về mô hình WetSpass ..........................................................................4
CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ HÌNH WETSPASS .......................................7
II.1. Cấu trúc của mô hình WetSpass ..........................................................................7

MỞ ĐẦU
Mục tiêu của chủ đề này gồm: tổng quan về mô hình WetSpass, cơ sở lý thuyết mô
hình WetSpass, ứng dụng mô hình WetSpass đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ ở tỉnh
Đồng Nai.
Nội dung của báo cáo này gồm 03 chương chính không kể phần mở đầu và kết
luận:
- Chương I – Tổng quan về mô hình WetSpass
- Chương II – Cơ sở lý thuyết mô hình WetSpass
- Chương III – Ứng dụng mô hình WetSpass đánh giá lượng bổ cập cho NDĐ ở
tỉnh Đồng Nai.
Chủ đề tiến hành thu thập tổng hợp các tài liệu liên quan đến phương pháp mô hình
số thủy văn. Các tài liệu thu thập là kết quả của các nghiên cứu đã có trong vùng kết hợp
với các thông tin mới được nghiên cứu.

3


CHƯƠNG I.
TỔNG QUAN MÔ HÌNH WETSPASS
I.1. Lịch sử phát triển
Mô hình WetSpass được hoàn thiện bởi bởi Batelaan và De Smedt, Đại học Vijre
vào năm 2001. Đây là một mô hình cân bằng nước trạng thái ổn định theo không gian,
được phát triển dựa trên một mô hình khác có tên là WetSpa (mô hình thủy văn phân
phối dựa trên quy luật tự nhiên dùng để dự báo trao đổi nước và nhiệt giữa đất, thảm
phủ thực vật, khí quyển trong phạm vi một vùng, một lưu vực).
Asefa (1998) tích hợp WetSpass với GIS ARC/INFO trong môi trường phát triển
mở (ODE) trên máy trạm UNIX. Giao diện đồ họa cho người dùng đã được phát triển
nhằm tạo thuận lợi cho việc khai thác mô hình thông qua việc sử dụng OSF/Motif và C.
Giao diện cho phép số liệu đầu vào và ra của mô hình có thể được tạo ra, lưu trữ và thể
hiện trong ARC/INFO-ODE.


Hình 1: Một ô lưới giả thiết trong WetSpass
Mục đích chính của WetSpass là thiết lập được sự liên kết giữa mô hình thủy văn
WetSpass và mô hình nước dưới đất MODFLOW (phiên bản 2000). Mô hình này chạy
lần lượt nối tiếp với mô hình kia cùng với sự trao đổi số liệu đầu vào liên tục. Vì vậy,
đầu ra của kết quả chạy mô hình MODFLOW, chiều sâu mực nước dưới đất, được sử
dụng như đầu vào để chạy mô hình WetSpass và đầu ra của mô hình WetSpass, lượng
bổ cập được dùng như đầu vào cho mô hình MODFLOW để tính toán chiều sâu mực
nước dưới đất.
Tuy nhiên, trong dự án này lại sự dùng mô hình nước dưới đất GMS. Hơn nữa,
WetSpass vẫn chưa có khả năng liên kết với một mô hình nước dưới đất nào khác ngoài
MODFLOW-2000. Nhóm nghiên cứu sẽ phát triển một công cụ để liên kết giữa 2 mô
hình WetSpass và mô hình nước dưới đất. Trước mắt, việc liên kết này sẽ thực hiện thủ
công: chạy WetSpass trước và dùng kết quả của mô hình WetSpass để bổ sung bộ dữ
liệu đầu vào cho mô hình nước dưới đất. Sau khi chạy mô hình nước dưới đất, kết quả
về độ sâu mực nước ngầm sẽ được đưa vào để chạy WetSpass cho bước thời gian tiếp
theo.
Vì lý do đó, trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu chỉ tập trung vào trình bày những
nội dung trong việc ứng dụng khai thác mô hình WetSpass, bao gồm:
- Cơ sở lý thuyết của mô hình: cấu trúc của mô hình, các giả thuyết, các phương
trình cân bằng nước,…
- Dữ liệu đầu vào của mô hình: các lớp dữ liệu đầu vào gồm yếu tố khí hậu, lớp
5


phủ, sử dụng đất,…
- Ứng dụng mô hình WetSpass để đánh giá lượng bổ cập cho nước dưới đất ở tỉnh
Đồng Nai: các bước cần tiến hành để ứng dụng mô hình WetSpass cho khu vực nghiên
cứu: hiệu chỉnh dữ liệu đầu vào, các bảng thông số, những khó khăn trong quá trình thực
hiện,…

Các thành phần cân bằng nước gồm diện tích thảm thực vật, đất trống, mặt nước
tự nhiên, và bề mặt không thấm nước được sử dụng để tính toán cân bằng nước của một
ô lưới
ETraster = avETv + asEs + aoEo + aiEi
2.1
Sraster =avSv + asSs + aoSo + aiSi
2.2
Rraster =avRv + asRs + aoRo + aiRi
2.3
ở đây ETraster, Sraster, Rraster lần lượt là tổng lượng bốc hơi, dòng chảy mặt và lượng
bổ cập cho NDĐ của mỗi ô lưới, mỗi yếu tố này đều có các thành phần diện tích thảm
thực vật, đất trống, mặt nước tự nhiên, và bề mặt không thấm nước ký hiệu lần lượt là
av, as, ao, và ai.
Lượng mưa được coi là điểm bắt đầu để tính toán cân bằng nước của mỗi thành
7


phần nêu trên tại mỗi ô lưới, các quá trình còn lại (interception – không thấm, dòng chảy
mặt, bốc hơi và bổ cập) được tính tuần tự tiếp theo. Cơ sở lý thuyết về cân bằng nước
của từng thành phần được trình bày sau đây.
II.2.1. Vùng có thảm thực vật
Cân bằng nước cho vùng có thảm thực vật dựa trên lượng mưa trung bình theo
mùa (P), lượng nước bị giữ lại (I), dòng chảy mặt (Sv), lượng bốc hơi thực tế (Tv) và bổ
cập nước ngầm (Rv), tất cả đều có thứ nguyên là [LT-1], công thức liên quan được trình
bày phía dưới
P = I + S v + T v + Es + R v

2.4

Trong đó:

Sv = CHor Sv-pot

2.6

Trong đó
Sv: dòng chảy mặt (mm).
CHor: hệ số mô tả tỷ lệ lượng mưa đóng góp vào sự hình thành dòng chảy trên mặt.
Hệ số này được định nghĩa trong bảng thông số thổ nhưỡng.
Bốc thoát hơi nước
Lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu được tính toán theo phương pháp Penman:
Trv = c Eo
2.7
Trong đó
Trv: lượng bốc thoát hơi tham chiếu [LT-1]
E0: hệ số bốc thoát hơi Penman [LT-1]
c: hệ số phụ thuộc vào loại thảm phủ thực vật [–].
Sau khi tính được lượng bốc thoát hơi nước tham chiếu, lượng bốc thoát hơi nước
thực tế sẽ được tính trong 2 trường hợp:
- Đối với những khu vực thoát nước dưới đất có thảm phủ thực vật, lượng bốc hơi
thực tế sẽ bằng với lượng bốc hơi tham.
Tv = Trv khi (Gd −ht) ≤Rd
2.10
Trong đó
Gd, là độ sâu mực nước dưới đất [L];
ht là độ cao đới có sức căng bão hòa [L]
Rd là độ sâu tầng rễ cây [L]
- Đối với vùng có thảm phủ thực vật mà độ sâu mực nước ngầm thấp hơn độ sâu
đới rễ cây thì lượng bốc hơi thực tế được tính bằng:
Tv = f(θ)Trv khi (Gd −ht) > Rd
2.11

P: lượng mưa (mm)
Ss: dòng chảy mặt (mm)
Es: bốc hơi của đất (mm)
Rs: lượng bổ cập (mm)

Hình : Các thành phần trong cân bằng nước ở vùng đất trống
Từ đó, lượng bổ cập được tính bằng:
Rs = P - Ss - Es
2.16
II.2.3. Vùng nước mặt
Cân bằng nước ở vùng nước mặt cũng tương tự như trên, nhưng không có thành
10


phần lượng nước bị giữ lại và bốc thoát hơi của thực vật
P = E o + So + R o

2.15

Trong đó:
P: lượng mưa (mm)
Eo: bốc hơi (mm)
So: dòng chảy mặt (mm)
Ro: lượng bổ cập (mm)

Hình 3: Các thành phần trong cân bằng nước ở vùng nước mặt
II.2.4. Vùng không thấm
Cân bằng nước ở vùng không thấm bao gồm các thành phần: mưa, bốc hơi, dòng
chảy mặt và bổ cập cho NDĐ.
P = S i + Ei + R


- Bản đồ dòng chảy mặt
- Bản đồ bốc thoát hơi nước tổng cộng
- Bản đồ lượng nước bị giữ lại
- Bản đồ sai số
- Bản đồ lượng bốc hơi của đất
- Bản đồ bốc thoát hơi nước của thực vật
- Bản đồ của bước thời gian trước.
II.4. Cấu trúc các bảng đầu vào của WetSpass
II.4.1. Bảng thông số loại đất
Bảng dữ liệu có sẵn gồm có 12 loại đất với 9 thông số tương ứng với m loại đất.
1.
Tỷ lệ chứa nước trong đất [%]
2.

Tỷ lệ chứa nước cây héo [%]

3.
4.

Tỷ lệ chứa nước cho thực vật [%]
Tỷ lệ chứa nước còn dư [%]

5.
6.
7.

A1 []
Độ sâu bay hơi của vùng đất trống [m]
Độ sâu sức căng bão hòa [m]


Tỷ lệ mưa mùa đông

chứa

nước cây

nước cho

nước còn

A1

của vùng đất

bão hòa

đóng góp vào dòng

đóng góp vào dòng

nước

héo

thực vật

dư

chảy tràn


0,15

0,07

0,08

0,035

0,47

0,05

0,09

0,09

0,01

3

Cát pha thịt

0,21

0,09

0,12

0,041


0,07

5

Thịt

0,25

0,12

0,13

0,027

0,37

0,05

0,11

0,15

0,02

6

Bùn

0,3


0,05

0,28

0,54

0,3

8

Bùn pha sét

0,36

0,19

0,17

0,04

0,29

0,05

0,33

0,62

0,41


0,09

0,109

0,25

0,05

0,29

0,8

0,68

11

Sét bùn

0,43

0,27

0,16

0,056

0,23

0,05



II.4.2. Bảng hệ số dòng chảy mặt
Bảng hệ số dòng chảy mặt được xây dựng cho nhiều loại hình sử dụng đất khác
nhau:
- Loại hình sử dụng đất: 5 loại: mùa vụ, đồng cỏ, rừng, đất trống và vùng nước
mặt.
- Mã loại hình sử dụng đất.
- Độ dốc [%]
- Mã độ dốc
- Loại đất
- Mã loại đất
- Hệ số dòng chảy mặt
- Chỉ số duy nhất: xác định bằng công thức:
100* [Mã loại đất] + 10 * [Mã sử dụng đất] + [Mã độ dốc]
- Mã loại đất trống
- Mã loại độ dốc
- Hệ số đóng góp vào dòng chảy mặt của loại đất trống
- Chỉ số đất trống
- Loại đất không thấm
- Mã loại đất không thấm
- Mã loại độ dốc của đất không thấm
- Hệ số đóng góp vào dòng chảy mặt của loại đất không thấm
- Chỉ số đất không thấm

15


Bảng 2: Hệ số dòng chảy mặt
Loại hình


Mã
loại
đất
trống

Mã
loại
độ
dốc

Hệ số
dòng
chảy
đất
trống

Chỉ
số đất
trống

Loại đất
không thấm

Mã đất
không
thấm

Mã độ
dốc đất

1

1

0,890

11

city center

1

1

0,900

11

crop

1

0.5-5

2

sand

1


sand

1

0,850

113

1

3

0,906

13

city center

1

3

0,940

13

crop

1


grass

2


2

2

0,900

22

grass

2

5-10

3

sand

1

0,810

123

2

3

0,916


4

0,926

24

build up

2

4

0,940

24

forest

3


1

0,780

132

3

2

0,910

32

open build u

3

2

0,880

32

forest

3

5-10


3

>10

4

sand

1

0,800

134

3

4

0,930

34

open build u

3

4

0,920


1

0,860

41

16


Loại hình
sử
dụng đất

Mã
sử
dụng
đất

Độ
dốc

Mã
độ
dốc

Loại đất

Mã
loại
đất


Loại đất
không thấm

Mã đất
không
thấm

Mã độ
dốc đất
không
thấm

Hệ số
dòng
chảy đất
không
thấm

Chỉ số
đất
không
thấm

bare soil

4

0.5-5


4

5-10

3

sand

1

0,866

143

4

3

0,926

43

infrastructu

4

3

0,900


4

0,920

44

open water

5


0,910

52

highway

5

2

0,880

52

open water

5

5-10

3

sand

1

1,000

153


1,000

154

5

4

0,930

54

highway

5

4

0,920

54

crop

1


0.5-5

2

loamy-sand

2

0,846

212

6

2

0,906

62

district roa

6

2

0,880

62


0,900

63

crop

1

>10

4

loamy-sand

2

0,866

214

6

4

0,926

64

district roa


71

sea harbour

7

1

0,860

71

grass

2

0.5-5

2

loamy-sand

2

0,806

222

7


223

7

3

0,926

73

sea harbour

7

3

0,900

73

17


Loại hình
sử
dụng đất

Mã
sử
dụng

Mã
loại
độ
dốc

Hệ số
dòng
chảy
đất
trống

Chỉ
số đất
trống

Loại đất
không thấm

Mã đất
không
thấm

Mã độ
dốc đất
không
thấm

Hệ số
dòng
chảy đất

74

sea harbour

7

4

0,920

74

forest

3


232

8

2

0,916

82

airport

8

2

0,920

82

forest

3

5-10

3

loamy-sand


4

loamy-sand

2

0,806

234

8

4

0,936

84

airport

8

4

0,960

84

bare soil


91

bare soil

4

0.5-5

2

loamy-sand

2

0,866

242

9

2

0,926

92

industry

9


industry

9

3

0,900

93

bare soil

4

>10

4

loamy-sand

2

0,886

244

9

4


10

1

0,920

101

0,000

open water

5

0.5-5

2

loamy-sand

2

1,000

252

10

2


0,000

open water

5

>10

4

loamy-sand

2

1,000

254

10

4

0,950

104

0,000

crop



Mã
sử
dụng
đất

Độ
dốc

Mã
độ
dốc

Loại đất

Mã
loại
đất

Hệ số
dòng
chảy
mặt

Chỉ
số
duy
nhất

Mã


Hệ số
dòng
chảy đất
không
thấm

crop

1

0.5-5

2

sandy-loam

3

0,850

312

11

2

0,936

112


1

>10

4

sandy-loam

3

0,870

314

11

4

0,956

114

0,000

grass

2



3

0,810

322

12

2

0,940

122

0,000

grass

2

5-10

3

sandy-loam

3

0,820


4

0,960

124

0,000

forest

3



0,800

333

0,000

0,000

forest

3

>10

4

sandy-loam

3

0,810

334

0,000

0,000

bare soil


0,870

342

0,000

0,000

bare soil

4

5-10

3

sandy-loam

3

0,880

343

0,000

0,000

19

dòng
chảy
mặt

Chỉ
số
duy
nhất

Mã
loại
đất
trống

Mã
loại
độ
dốc

Hệ số
dòng
chảy
đất
trống

Chỉ
số đất
trống

Loại đất


344

0,000

0,000

open water

5



353

0,000

0,000

open water

5

>10

4

sandy-loam

3

1,000

354

0,000

0,000

20

Chỉ số

Chỉ số
về lá
cây

Minimum
Stomatal
Opening

Tỷ lệ
giữ
nước
(%)

Độ cao
thực vật

0

0.8

0

0.3

2

100

10



2

2

0.5

0

0.5

0

0.3

2

100

10

0.12

10

Khu vực xây dựng

cỏ

2


0.6

0.1

0.3

0

0.3

2

100

10

0.12

201

đường cao tốc

cỏ

2

5

0.6


0.3

0

0.3

2

100

10

0.12

5

cảng biển

cỏ

2

7

0.6

0.1

0.3


0.3

2

100

10

0.12

3

khu công nghiệp

cỏ

2

9

0.4

0

0.6

0

0.3


0

0.001

21

nông nghiệp

1

0

0

1

0

0

0.35

0

180

0

0.6


đất trống
lương
thực
lương
thực
cỏ

2

0

1

0

0

0

0.3

2

100

10

0.2


rừng

3

0

0.2

0.8

0

0

0.8

0

200

10

3

rừng

3

0



0.9

0.1

0

0

2

4.5

500

45

15

33

rừng hỗn hợp

rừng

3

0

0.5


0

0

0.6

0

110

5

2

STT

1

31

21


STT

Loại hình sử dụng
đất

Loại

nước mặt

5

0

53

cửa sông

nước mặt

5

44

bùn

nước mặt

37

bãi biển

51

sông

55


Opening

Tỷ lệ
giữ
nước
(%)

Độ cao
thực vật

0.8

0

0

0.2

4

110

15

0.75

0

0


0

0

5

0

0.4

0.2

0

0.4

0.3

2

110

10

0.5

đất trống

4


0

1

0.05

0

110

0

0

nước mặt

5

0

0

0

0

1

0.05


0

rừng

3

0

0.9

0.1

0

0

2

11

320

55

13

302

thông


3

0

0.2

0.8

0

0

2

0

320

10

20

304

cây bulo

rừng

3


0.2

0.8

0

0

2

0

150

10

17

306

bạch dương

rừng

3

0

0.2


0

0

0.3

2

140

10

0.12

22


CHƯƠNG III.
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WETSPASS ĐÁNH GIÁ LƯỢNG BỔ
CẬP CHO NƯỚC DƯỚI ĐẤT Ở TỈNH ĐỒNG NAI
III.1. Xây dựng các lớp bản đồ cho mô hình WetSpass
Các bản đồ về lượng mưa, bốc hơi, nhiệt độ, gió được thành lập từ số liệu của 4
trạm khí tượng ở tỉnh Đồng Nai, riêng lượng mưa còn có thêm chuỗi số liệu quan trắc
từ 25 trạm mưa nhân dân. Các bản đồ sử dụng đất, thổ nhưỡng, độ dốc do phân Viện khí
tượng thủy văn và môi trường phía Nam cung cấp
Bảng 4: Danh sách các trạm khí tượng ở tỉnh Đồng Nai

Sơ độ vị trí các trạm khí tượng tỉnh Đồng Nai

23